Xem mẫu
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Chương V
SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ DO KHÓI
THẢI TỪ QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY CÁC SẢN PHẨM
DẦU MỎ VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
5.1. Sự đốt cháy nhiên liệu, vấn đề ô nhiễm và bảo vệ môi trường
5.1.1. Sự đốt cháy nhiên liệu
Quá trình đốt cháy của nhiên liệu bằng không khí được xem là lý tưởng khi
trong hỗn hợp khí cháy chỉ có ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, quá trình cháy thực tế
trong động cơ hoặc trong các lò đốt rất đặc biệt nên sản phẩm của quá trình cháy ngoài
các chất kể trên còn có nhiều hợp chất khác hay quá trình cháy ở đây không phải quá
trình cháy lý tưởng.
Phương trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện lý tưởng
yz y yz
- )(O2 +3.78N2) → CO2 + H2O + 3.78(1 +
CHyOz + (1+ - )N2
42 2 42
Quá trình cháy trong thực tế ở trong các động cơ hay các lò đốt thường là quá
trình không lý tưởng nên ngoài các hợp chất kể trên thì trong khí thải còn có một số
hợp chất khác như oxyt nitơ (NO, N2O, NO2 gọi chung là NOx ), monoxyt cacbon
(CO), các hydrocacbon chưa cháy (HC), hạt rắn, bồ hống . . . Nồng độ các chất ô
nhiễm này phụ thuộc vào loại thiết bị đốt cháy và các chế độ vận hành.
Ngoài ra trong nhiên liệu ban đầu thường chứa thêm lưu huỳnh nên trong khói
thải còn có thêm khí SO2.
Tất cả các hợp chất vừa kể trên đều là chất độc hại đối với còn người và môi
trường sinh thái. Vì vậy cần thiết phải hạn chế hay giảm thiểu nồng độ của chúng.
5.1.2. Ô nhiễm và bảo vệ môi trường
Như phần trên ta đã thấy việc đốt cháy nhiên liệu luôn kèm theo sự phát thải ra
môi trường một lượng chất độc hại gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và môi
trường sinh thái. Vì vậy ngày nay loài người đã nhận ra rằng : không thể có một xã hội
hay một nền kinh tế lành mạnh trong một thế giới có quá nhiều sự nghèo đói và suy
ThS. Trương Hữu Trì Trang 91
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
thoái môi trường. Sự phát triển kinh tế không thể dừng lại, nhưng nó phải định hướng
để việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên có hiệu quả nhất và hạn chế các tác động xấu
đến môi trường.
Công nghiệp phát triển càng mạnh, dân sống ở đô thị càng đông, mức thu nhập
càng cao thì chất thải gây ô nhiễm môi trường càng nhiều, tài nguyên thiên nhiên càng
bị cạn kiệt.
Càng ngày con người càng thấy rõ sự ô nhiễm môi trường không khí do chất
thải công nghiệp và giao thông vận tải gây ra làm thiệt hại rất lớn đối với nền kinh tế
quốc dân và làm tăng bệnh tật đối với con người.
Ô nhiễm môi trường không khí, nó được xác định bằng sự biến đổi môi trường
theo hướng bất lợi đối với cuộc sống của con người, của động vật, thực vật, mà sự ô
nhiễm đó chính là do hoạt động của con người gây ra với quy mô, phương thức và
mức độ khác nhau, trực tiếp hay gián tiếp tác động, làm thay đổi mô hình, thành phần
hóa học, tính chất vật lý và sinh học của môi trường không khí.
5.2.1. Tác hại của các chất có trong khói thải
5.2.1.1. Tác hại đối với con người
Cacbonmonoxyt CO:
Tác hại của khí CO đối với con người xảy ra khi nó tác dụng đối với hồng cầu
trong máu tạo thành một hợp chất bền vững do đó nó làm giảm hồng cầu trong máu từ
đó làm giảm khả năng hấp thụ oxi của hồng cầu để nuôi dưỡng tế bào cơ thể.
HbO2 + CO → HbCO + O2
Nạn nhân sẻ bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO
trong không khí >1000 ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm đối
với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức dầu, chóng mặt,
buồn nôn và khi nồng độ này lên đến 50% thì não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng
nặng.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 92
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Các oxyt nitơ (NOx)
NOx là hỗn hợp của các oxit nitơ. Trong quá trình cháy chủ yếu sinh ra NO sau
đó một phần khí này chuyển thành NO2 tuỳ thuộc và điều kiện.
NO là chất khí không màu, không mùi, không tan trong nước, NO có thể gây
nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu làm giảm khả năng vận
chuyển oxi gây thiếu máu.
NO2 là chất khí màu nâu nhạt, mùi của nó có thể bắt đầu được phát hiện ở nồng
độ 0.12ppm. NO2 dễ hấp thụ bức xạ tử ngoại, dễ hoà tan trong nước và tham gia phản
ứng quang hoá. NO2 là loại khí có tính kích thích, khi tiếp xúc với niêm mạc tạo thành
axit qua đường hô hấp hoặc hoà tan vào nước bọt rồi vào đường tiêu hoá, sau đó vào
máu. Ở hàm lượng 15 ÷ 50ppm NO2 gây nguy hiểm cho tim phổi và gan.
Hydrocacbon
Hydrocacbon trong khói thải là một hỗn hợp bao gồm nhiều chất khác nhau như
benzen, metan, etan, etylen . . . các khí chứa oxy như rượu, axit, xeton . . . trong các
chất này thì người ta quan tâm nhiều nhất đến benzen vì nó là chất gây ra bệnh ung
thư. Từ lâu người ta đã xác định được tác hại của benzen trong căn bệnh ung thư máu
khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn
1 g/ m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan.
Các oxyt lưu huỳnh (SOx )
Trong nhiên liệu có chứa lưu huỳnh thì khi bị đốt cháy chúng sinh ra khí SO2,
khí này có thể chuyển thành SO3 trong một số điều kiện nhất định.
Các oxit lưu huỳnh là những chất háo nước, vì vậy khi nhiệt độ hạ thấp xuống
thì nó kết hợp với nước để tạo thành axit tượng ứng, các axit này có thể theo đường hô
hấp để vào sâu trong phổi gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người.
Bồ hóng
Bồ hóng tồn tại dưới dạng các hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0.3 µm
nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi, bị giữ lại ở đó, phản ứng với màng nhầy gây hại đến
sức khoẻ.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 93
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Mặt khác thì do bề mặt riêng của hạt bồ hóng rất lớn, nó có khả năng hấp phụ
các hydrocacbon thơm và các oxit kim loại gây ra bệnh ung thư.
HAP (hydrocacbon polyaromactic)
Thành phần HAP có trong khí quyển với nồng độ 20 µg/m3. Chúng được tạo
thành khi ngưng tụ các hydrocacbon trong nhiên liệu. HAP hấp phụ trong các hạt hữu
cơ như bụi, bồ hóng đi vào cơ thể gây ung thư.
5.2.1.2. Tác hại đối với môi trường.
Thay đổi nhiệt độ khí quyển.
Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất gây hiệu ứng nhà kính
như CO2, CH4, N2O trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt
của bầu khí quyển, làm cho các điều kiện tự nhiên bị xáo trộn theo chiều hướng bất
lợi, đe doạ đến sự sinh tồn trên quả đất.
Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính người ta quan tâm đến khí cacbonic
(CO2) vì đây là thành phần chính trong sản phẩm cháy có chứa cacbon. Cacbonic
(CO2) gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ của quả đất. Sự tăng nhiệt độ này được
giải thích như sau:
Bức xạ từ mặt
trời (sóng ngắn)
Bức xạ từ mặt đất
Bức xạ từ mặt đất
(sóng dài) (sóng dài)
Khí quyển
Khi trong khí quyển có nồng độ Khi trong khí quyển có
CO2 bình thường nồng độ CO2 lớn
ThS. Trương Hữu Trì Trang 94
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Nhiệt độ bề mặt trung bình của trái đất quyết định bởi sự cân bằng giữa năng
lượng mặt trời chiếu xuống Trái đất và năng lượng bức xạ nhiệt của mặt đất vào vũ
trụ. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước sóng khoảng
0.4÷0.73µm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7÷15µm).
Các chất khí khác nhau thì có giải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần của
chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả
đất và không gian. Cacbonic là chất có giải hấp thụ bức xạ cực đại với bước sóng nằm
trong vùng hồng ngoại, vì vậy nó được xem là trong suốt đối với bức xạ mặt trời
nhưng là chất hấp phụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại phát ra từ mặt đất. Một
phần nhiệt lượng do CO2 giữ lại bức xạ ngược về trái đất, kết quả làm bầu khí quyển
nóng lên. Lớp khí CO2 có tác dụng như một lớp “kính giữ nhiệt” của trái đất ở qui mô
toàn cầu. Nếu lượng CO2 sinh ra càng nhiều thì lớp “kính giữ nhiệt” càng dày, nhiệt độ
trái đất càng tăng.
Với mức độ thải CO2 ra môi trường như hiện nay, theo dự đoán của các nhà khí
tượng đến giữa thế kỷ 22 thì nồng độ khí CO2 sẽ tăng lên gấp đôi. Như vậy sẽ dẫn đến
nhiều tác hại:
Nhiệt độ bầu khí quyển tăng từ 2 ÷30C.
Một lượng lớn băng ở Bắc Cực và Nam Cực sẽ tan ra làm tăng mực nước biển.
Nhiệt độ trái đất tăng làm tăng các quá trình chuyển hoá sinh học và hoá học
gây nên sự mất cân bằng về lượng và chất trong cơ thể.
Nhiệt độ trái đất tăng làm giảm khả năng hoà tan CO2 trong nước biển. Lượng
CO2 trong khí quyển tăng làm mất cân bằng CO2 giữa khí quyển và đaị dương
Làm thay đổi lượng mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt quả đất.
Mưa axit.
Các chất khí có tính axit như SOx, NOx có mặt trong thành phần không khí do sự
phát thải từ việc đốt cháy nhiên liệu phần lớn sẻ được thải ra ngoài cùng với khói thải,
khi ở trong môi trương thì nhiệt độ của nó sẻ xuống thấp do đó nó kết hợp với hơi
nước trong không khí để tạo ra các axit tương ứng và khi hàm lượng lớn sẻ gây ra mưa
axit.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 95
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Mưa axit làm tăng độ axit của đất, huỷ diệt rừng, mùa màng, gây nguy hại đối với
sinh vật dưới nước, nguy hại đối với người và động vật, làm hỏng nhà cửa, cầu cống
và các công trình.
Tầng ozone và lỗ thủng tầng ozone.
Do quá trình hình thành và phân huỷ ozone luôn diễn ra nên ozone có chu kì tồn tại
trong khí quyển rất ngắn. Lượng ôzone tập trung nhiều nhất trong tầng bình lưu (ở độ
cao 25km) tạo thành tầng ozone với nồng độ 5÷10ppm.
Tầng ozone được xem là cái ô bảo vệ loài người và thế giới động vật tránh khỏi tai
hoạ do bức xạ tia tử ngoại của mặt trời gây ra, nó giữ vai trò quan trọng đối với khí
hậu và sinh thái trái đất. Khi tia bức xạ mặt trời chiếu qua tầng ozone, phần lớn lượng
bức xạ tử ngoại đã bị hấp thụ trước khi chiếu xuống trái đất. Nếu các hoạt động của
con người làm suy yếu tầng zone trong khí quyển sẽ gây thảm hoạ đối với hệ sinh thái
trên trái đất.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện nồng độ ozone trong khí
quyển của trái đất ở một số nơi đã suy giảm (ví dụ ở Nam cực).
Ngoài ra khí sinh ra do khói thải động cơ như CH4, NOx và các chất hữu cơ cũng là
nguyên nhân gây suy giảm tầng ozone. Các chất này tham gia phản ứng với các gốc
tồn tại ở tầng bình lưu trở thành chất hoạt hoá và tham gia quá trình phân huỷ ozone.
5.1.3. Nguồn gây ô nhiễm không khí
Một cách tông quát thì người ta chia các nguồn ô nhiễm trong môi trường
không khí thành 2 nhóm chính:
Nguồn ô nhiễm tự nhiên (thiên nhiên)
Nguồn ô nhiễm này xãy ra do cháy rừng, do hoạt động của núi lửa, do đại
dương, do thực vật…
Nguồn ô nhiễm nhân tạo (do sự tác động của con người)
Nguồn ô nhiễm nhân tạo này sinh ra do sự đốt nhiên liệu để phục vụ cho quá trình
sản xuất hay sinh hoạt của con người. Quá trình này xảy ra khắp mọi nơi, mọi lúc.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 96
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Trong sản phẩm cháy do nhiên liệu sản sinh ra khi cháy có chứa nhiều loại khí độc
hại cho sức khỏe con người, nhất là quá trình cháy không hoàn toàn. Các chất độc hại:
SO2, CO, CO2, NOx, hydrocacbon, hạt rắn, bổ hóng, tro bụi.
Người ta phân biệt các nguồn gây ô nhiễm do đốt nhiên liệu thành các nhóm:
Do phương tiện giao thông (nguồn ô nhiễm di động): bao gồm giao thông
đường bộ, giao thông đường sắt, giao thông đường thuỷ, hàng không.
Các cơ sở công nghiệp đốt nhiên liệu: than, dầu, khí.
Các quá trình sản xuất công nghiệp đặc biệt là quá trình sản xuất hoá chất, sản
xuất vật liệu, luyện kim, và khai thác mỏ, . . .
Do đốt các loại phế thải đô thị, sinh hoạt, xây dựng công trình, cháy rừng . . .
Ở nước ta đang diễn ra quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá tương đối nhanh,
đặc biệt là ở ba vùng trọng điểm phát triển kinh tế : Hà Nội-Hải Phòng-Quảng Ninh,
TP Hồ Chí Minh-Biên Hoà-Vũng Tàu, Đà Nẵng-Nha Trang-Quãng Ngãi. Vì vậy hiện
trạng chất lượng môi trường đô thị và khu công nghiệp nước ta biến đổi hàng năm,
theo chiều hướng không có lợi, vì chất thải ô nhiễm từ sản xuất công nghiệp, giao
thông vận tải và sinh hoạt đô thị ngày càng tăng về số lượng, chủng loại và tính độc
hại.
5.1.3.1. Nguồn thải ô nhiễm do công nghiệp
Sản xuất công nghiệp và sinh hoạt đô thị hàng ngày thải ra các chất thải độc hại
ở dạng khí (khí độc và bụi), dạng lỏng (nước thải) và dạng rắn ( rác, bùn, phân). Các
chất thải này là nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường không khí, môi trường nước, và
môi trường đất.
Những năm gần đây ở nước ta đang phát triển một số ngành công nghiệp mới
như công nghiệp điện tử, công nghiệp hoá chất, công nghiệp dầu khí, công nghiệp thực
phẩm, công nghiệp vật liệu . . . Do vậy đã làm cho chất thải công nghiệp ở nước ta
ngày càng đa dạng và độc hại hơn. Xử lý chất thải sản xuất công nghiệp ở nước ta hiện
nay là một vấn đề cấp bách và nóng bỏng, đòi hỏi sự đầu tư lớn về công nghệ xử lý
chất thải nước, chất thải khí và rác thải thì mới có thể giảm được hiện trạng ô nhiễm
môi trường đô thị và công nghiệp ở nước ta.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 97
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Lượng thải các chất ô nhiễm môi trường không khí toàn cầu năm 1982 (đơn vị là triệu tấn)
Nguồn gây ô nhiễm Các chất ô nhiễm chính
CO Bụ i SOx HC NOx
Giao thông vận tải:
-Xe ôtô chạy xăng 53,5 0,5 0,2 13,8 5,0
-Xe ôtô chạy dầu diezen 0,2 0,3 0,1 0,4 0,5
-Máy bay 2,4 0,0 0,0 0,3 0,0
-Tàu hoả và các loại khác 2,0 0,4 0,5 0,6 0,8
Cộng 58,1 1,2 0,8 15,1 7,3
Đốt nhiên liệu:
-Than 0,7 7,4 18,3 0,2 3,6
-Dầu 0,1 0,3 3,9 0,1 0,9
-Khí đốt tự nhiên 0,0 0,2 0,0 0,0 4,1
-Gỗ, củi 0,9 0,2 0,0 0,4 0,2
Cộng 1,7 8,1 22,2 0,7 8,8
3. Quá trình sản xuất công nghiệp 8,8 6,8 6,6 4,2 0,2
4. Xử lý chất thải rắn 7,1 1,0 0,1 1,5 0,5
5. Hoạt động khác:
-Cháy rừng 6,5 6,1 0,0 2,0 1,1
-Đốt các chất nông nghiệp 7,5 2,2 0,0 1,5 0,3
-Đốt rác thải bằng than 1,1 0,4 0,5 0,2 0,2
-Hàn đốt xây dựng 0,2 0,1 0,0 0,1 0,0
Cộng 15,3 8,7 0,5 7,7 1,5
Tổng cộng toàn bộ 91,0 25,7 30,2 29,1 18,7
ThS. Trương Hữu Trì Trang 98
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
5.1.3.2. Nguồn ô nhiễm giao thông vận tải
Theo số liệu ở bảng trên cho thấy, chúng đã sản sinh ra gần 2/3 khí CO và 1/2
khí hydrocacbon và khí NO. Ôtô gây ô nhiễm rất độc hại qua ống xả là bụi và tàn khói.
Tàu hoả, tàu thuỷ chạy bằng nhiên liệu xăng dầu cũng gây ra ô nhiễm môi trường
tương tự như ôtô.
Máy bay cũng là nguồn gây ô nhiễm bụi, hơi độc hại và tiếng ồn. Bụi và hơi
độc hại do máy bay thải ra nói chung là nhỏ. Tổng số chất thải do máy bay gây ra chỉ
chiếm khoảng 2,5% tổng chất thải CO và 1% chất thải hydrocacbon.
5.1.3.3. Ô nhiễm không khí do hoạt động xây dựng
Ở nước ta hiện nay đang trong quá trình đô thị hoá nhanh chống do đó hoạt
động xây dựng nhà cửa, đường sá, cầu, cống... rất nhộn nhịp và diễn ra khắp nơi, đặc
biệt là ở các đô thị. Các hoạt động xây dựng như đào, lấp đất, đập phá công trình cũ,
vật liệu xây dựng bị rơi vãi trong quá trình vận chuyển, thường gây ô nhiễm bụi rất
trầm trọng đối với môi trường không khí xung quanh, đặc biệt là ô nhiễm bụi ở các nơi
có hoạt động xây dựng vượt trị số tiêu chuẩn cho phép tới 10-20 lần.
5.1.3.4. Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt của con người gây ra
Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt của con người chủ yếu là bếp đun và lò sưởi, nhiên
liệu sử dụng là than đá, củi, dầu hoả và khí đốt. Nhìn chung nguồn ô nhiễm này là nhỏ,
nhưng đặc điểm của nó là gây ô nhiễm cục bộ trong nhà. Hiện nay việc dùng than để
đun nấu lan tràn trong đô thị, nồng độ khí CO tại bếp đun thường là lớn sẽ ảnh hưởng
trực tiếp tới sức khoẻ của con người. Đun bếp than tổ ong sẽ thải ra nhiều chất khí độc
hại như SO2, CO, CO2, bụi.
Cống rãnh, môi trường nước như ao, hồ, kênh rạch, sông ngòi bị ô nhiễm cũng
bốc hơi, thoát khí độc hại và gây ô nhiễm môi trường không khí. Ở các đô thị chưa thu
gom và xử lý rác tốt thì sự thối rữa, phân huỷ rác hữu cơ cũng là nguồn gây ô nhiễm
môi trường không khí.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 99
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Lượng phát thải các chất ô nhiễm chủ yếu từ các nguồn thiên nhiên và nhân tạo
Tải lượng chất ô
Chất ô nhiễm Nguồn gây ô nhiễm
nhiễm 106 t/ năm
chủ yếu
Nguồn nhân tạo chủ Nguồn thiên Nhân Thiên
yếu nhiên tạo nhiên
Đốt nhiên liệu than đá
và dầu mỏ
Núi lửa 146 6 -12
S O2
Chế biến quặng có
chứa S
Núi lửa Các quá
Công nghiệp hóa chất
hóa 3 300 -100
trình sinh
H 2S
Xử lý nước thải
trong đầm lầy
Cháy rừng
Đốt nhiên liệu
Các phản ứng hóa 300 >3000
CO
Khí thải của ôtô
học âm ỉ
Hoạt động sinh
Đốt nhiên liệu học của vi sinh vật 50 60- 270
NO2
trong đất
Chế biến phế thải Phân hủy sinh hóa 4 100 – 200
NH3
Gián tiếp, khi sử dụng Quá trình sinh hóa
>17 100 – 450
N 2O
phân bón gốc nitơ trong đất
CH: 300-
Đốt cháy nhiên liệu,
Các quá trình sinh
1600
88
Hydrocacbon khí thải, các quá trình
hóa
hóa học Terpen:200
1,5. 104 15.104
Đốt nhiên liệu Phân hủy sinh học
CO2
ThS. Trương Hữu Trì Trang 100
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Ngày nay với sự gia tăng nhanh chống các máy móc trang bị động cơ thì vấn đề
ô nhiễm do khói thải động cơ cần phải được quan tâm đúng mức. Sự gia tăng các chất
gây ô nhiễm do khói thải động cơ được thấy qua số liệu sau:
Chất ô nhiễm Thời kỳ tiền công Hiện nay Tốc độ tăng
nghiệp (ppm) (ppm) (%/năm)
CO2 270 340 0,4
N 2O 0,28 0,30 0,25
CO 0,05 0,13 3
SO2 0,001 0,002 2
5.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành chất độc hại trong khói thải động
cơ và các giải pháp khắc phục
Trong phần trên ta vừa thấy có rất nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi
trường không khí. Tuy nhiên trong giới hạn của giáo trình này chỉ đề cập một cách sơ
lược về các giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm do quá trình đốt cháy nhiên liệu từ dầu
mỏ, hay cụ thể hơn là các giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ các chất độc hại trong
khói thải của động cơ và các lò đốt công nghiệp.
5.1.4.1. Yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành.
Ở phần trước chúng ta đã thấy trong khói thải từ động cơ luôn chứa một hàm
lượng các chất độc hại, thành phần và hàm lượng của các chất này phụ thuộc vào rất
nhiều yếu tố.
Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỷ lệ không đáng kể, nồng độ HC
chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loại
động cơ này có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng
trong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong động cơ
xăng.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 101
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Những tạp chất, chất phụ gia của nhiên liệu và đặc biệt là lưu huỳnh có ảnh
hưởng lớn đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông thường, xăng
thuơng mại chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến
0,5% đối với dầu Diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO2, sau
đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3.
Để có thể đưa ra được biện pháp nhằm giảm thiểu các hợp chất độc hại này thì
trước hết ta cần phải biết rỏ những điều kiện nào ảnh hưởng đến sự hình thành chúng
trong quá trình cháy trong động cơ.
a. Sự hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ ôtô.
NOX được hình thành chủ yếu do sự kết hợp giữa oxi và nitơ của không khí ở
điều kiện nhiệt độ cao. Chất ô nhiễm này ngày nay càng được quan tâm nhiều và trong
một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động
cơ.
Oxyt nitơ hình thành trong khí cháy chủ yếu là NO, sau đó tuỳ theo điều kiện
mà nó có thể chuyển sang các dạng tồn tại khác. Sự hình thành chúng phụ thuộc vào
nhiệt độ cực đại trong buồng cháy và cả nồng độ của oxy, vì vậy các yếu tố ảnh hưởng
đến nhiệt độ và nồng độ oxy trong buồng cháy sẻ ảnh hưởng đến hàm lượng các chất
này trong khói thải.
Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Trong động cơ này thì những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình
thành NOx là:
Độ giàu của hỗn hợp nhiên liệu
Lượng khí thải hồi lưu lại buồng cháy
Góc đánh lửa sớm.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 102
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Mức độ phát sinh NOx phụ thuộc vào độ giàu của hỗn hợp công tác thể hiện trên đồ
thị sau:
Nồng độ NOx
NOx
0.8 0.9 1.0 1.1
Độ giàu
Nhận xét:
Khi độ giàu quá lớn thì oxy trong hỗn hợp không đủ để đốt cháy nhiên liệu
đồng thời nhiệt độ trong buồng cháy sẻ giảm đi do đó hàm lượng của NOx tạo thành sẻ
nhỏ.
Cũng tương tự như trên khi độ giàu quá nghèo, khi đó trong hỗn hợp có chưa
nhiều oxy nhưng do phần không khí thừa trong hỗn hợp nhiều nên chúng hấp thụ một
lượng lớn nhiệt toả ra do quá trình cháy của nhiên liệu do đó nhiệt độ chung trong
buồng cháy cũng giảm làm cho hàm lượng của NOx tao ra giảm theo.
Trong trường hợp độ giàu gần bằng 1 (khoảng 0.98) khi đó nhiên liệu có đủ oxy
để cháy, lượng nhiệt bị hấp thụ bởi không khí thừa giảm, khi đó nhiệt độ của khí cháy
đạt được cao và có mặt của oxy nên hàm lượng NOx tạo thành lớn nhất.
Ảnh hưởng của lượng khí thải hồi lưu
Khi cho một lượng nhất định khí thải hồi lưu trở lại trong buồng đốt thì nó sẻ
làm giảm nhiệt độ cực đại đạt được ở trong buồng cháy vì khí thải này có nhiệt độ
không cao nên nó hấp thụ một phần nhiệt toả ra từ quá trình cháy nhiên liệu. Như vậy
ThS. Trương Hữu Trì Trang 103
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
việc hồi lưu khí thải này cũng cho phép làm giảm hàm lượng NOx trong khói thải động
cơ.
Tuy nhiên, lượng khí thải hồi lưu tăng quá lớn thì sẻ ảnh hưởng đến hoạt động
của động cơ và tăng nồng độ HC.
Ảnh hưởng tỷ lệ khí xả hồi lưu (EGR) đến nồng
độ NO. (EGR: Exhaust Gas Recirculation)được
trình bày ở đồ thị bên
Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự
gia tăng của tỷ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỷ
lệ này đạt khoảng 15-20%, đây là tỷ lệ hồi lưu
lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm
việc ở tải cục bộ.
Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến
sự phát sinh NO. Khi tăng góc đánh lửa sớm,
điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong
chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện
gần ĐCT hơn, do đó giá trị của nó cao hơn.
Vì vậy tăng góc đánh lửa sớm cũng làm tăng
nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm
cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại
Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài.
đến nồng độ NO.
Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự
hình thành NO.
Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả. Trong điều
kiện vận hành bình thường cửa động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể giảm nồng độ
NO từ 20-30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 104
- Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Trường hợp động cơ Diesel
Thông thường động cơ diesel hoạt động với hỗn hợp nghèo tức là luôn có thừa
oxy trong khí cháy, như vậy ở đây NOx tạo ra phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ cực
đại đạt được trong buồng cháy.
Trong mọi chế độ hoạt động của động cơ, thì phần nhiên liệu cháy trước trong mỗi
chu kỳ đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO, vì sau khi bị đốt cháy
nhiệt độ của nó tăng cao, hơn nữa phần khí cháy này thường bị nén nên càng làm gia
tăng nhiệt độ của nó, do đó làm tăng nồng độ NO.
Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel luôn tồn tại
rất nhiều khu vực hay các "túi" không khí có nhiệt độ thấp, nhờ phần khí này mà NO
hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự "tôi" NO) nhanh
chóng hơn trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đó NO ít có khuynh
hướng bị phân giải hơn.
Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng
200 góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy. Do đó khi giảm góc phun sớm, điểm bắt
đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ
của nó giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun
sớm có thể làm giảm đến 50% nồng độ NO trong khí xả (trong phạm vi gia tăng suất
tiêu hao nhiên liệu chấp nhận được).
Đối với động cơ Diesel nói chung, nồng độ NOx tăng theo độ giàu trung bình. Tuy
nhiên khi độ giàu thấp, nồng độ NOx giảm chậm hơn so với trường hợp động cơ đánh
lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhất của nhiên liệu. Trong quá trình cháy
của động cơ Diesel, độ giàu trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu
trình, do đo, ở chế độ tải lớn nghĩa là
áp suất cực đại cao, nồng độ NO tăng.
Hình bên trình bày biến thiên
nồng độ NOx và NO trong khí xả theo
độ giàu trung bình đối với động cơ
Diesel phun trục tiếp tốc độ
ThS. Trương Hữu Trì Trang 105
nguon tai.lieu . vn
