C8 phan tich khi xa 1

Phân loại các phương pháp phân tích khí thải Mức độ ô nhiễm không khí cần được đánh giá bằng nồng độ các chất khí độc hại được thải ra từ mọi nguồn gây ô nhiễm.. Nồng độ các chất ô nhiễ

Chương 8

Phân tích khí thải

8.1 KHÁI QUÁT

1 Mục đích phân tích khí thải

Khí xả của động cơ là sản phẩm của quá trình cháy nhiên liệu Các chất chính trong khí xả bao gồm: CO, HC, NOx, CO2, O2, C (bồ hóng) Việc phân tích các thành phần khí trên rất quan trọng để đánh giá chất lượng chế tạo cũng như khai thác động

cơ Tùy theo thiết bị và phương pháp đo mà đơn vị đo nồng độ khí thải có thể là g/km hoặc g/kwh, hoặc %V, ppmV (par per milion: phần triệu thể tích) Riêng đối với bồ hóng được đo theo độ Bosch, % hoặc độ k-độ mờ (m-1)

2 Phân loại các phương pháp phân tích khí thải

Mức độ ô nhiễm không khí cần được đánh giá bằng nồng độ các chất khí độc hại được thải ra từ mọi nguồn gây ô nhiễm

Như mọi người đều biết, khí thải do động cơ gây ra có chứa nhiều hợp chất khác nhau và là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu đối với môi trường không khí bằng quá trình khuếch tán trong không khí

Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ có thể xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau và có thể chia thành ba nhóm sau đây:

a Phương pháp hóa học:

Dùng phản ứng hóa học giữa chất ô nhiễm với tác nhân khác để xác định lượng

ô nhiễm trong mẫu khí thu được tại hiện trường Trường hợp chất ô nhiễm đã được dự đoán trước, có thể chuẩn bị các loại hóa chất phù hợp để tiến hành các phản ứng hóa học như hấp thụ, hấp phụ ngay tại hiện trường

Phương pháp hóa học là phương pháp phổ biến và đã được áp dụng từ rất sớm trong kĩ thuật môi trường Tuy nhiên, phương pháp này có mặt hạn chế của nó là không cho phép ta đọc được nồng độ ô nhiễm một cách trực tiếp và tức thời

b Phương pháp lí học:

Phương pháp lí học là dựa vào sự biến đổi của các thông số vật lý và hóa học,

mà chủ yếu là các thông số vật lý của các chất khí có trong khí thải khi nồng độ chất ô nhiễm thay đổi, người ta chế tạo các loại dụng cụ thích hợp cho từng loại chất ô nhiễm hoặc nhóm chất ô nhiễm Tiêu biểu cho phương pháp này là các loại máy phổ kế, máy

đo quang phổ, máy đo độ dẫn nhiệt, máy đo độ phóng xạ  Phương pháp lí học khắc

phục được nhược điểm của phương pháp hóa học Ngoài ra phương pháp này cho phép chế tạo ra các loại dụng cụ tự ghi

c Phương pháp hóa lí:

Phương pháp này cũng dựa vào sự biến đổi các thông số vật lý và hóa học như

Phương pháp phân tích khí

Phương pháp hóa học Phương pháp lí học Phương pháp hóa lí

Hấp thụ

Cháy hấp thụ

Dẫn nhiệt

Phát nhiệt

Từ trường

Quang phổ

Phóng xạ

Điện phân

Hấp thụ nhiệt

Chỉ thị màu

Điện hóa

phương pháp trên Tuy nhiên, ở phương pháp này người ta chế tạo các dụng cụ đo nồng độ các chất ô nhiễm dựa vào sự hấp thụ nhiệt của khí thải, điện dẫn, điện thế cực, điện tích, hiện tượng phân cực và phương pháp so màu để xác định nồng độ các chất ô nhiễm

3 Phân loại thiết bị phân tích khí

Hình 8.1 Sơ đồ phân loại thiết bị phân tích khí

4 Các chu trình thử và phương pháp lấy mẫu khí

Hình 8.2 Chu trình thử xe máy: a, R47- xe gắn máy; b R40 – moto

Hình 8.3 Chu trình thử 10-15 chế độ của Nhật

Hình 8.4 Chu trình thử FTP 72 (Mỹ)+ FTP 75

Hình 8.5 Chu trình thử ECE (châu Âu)

HC CO

CO2 NOx 1

4

10

9

6

8

7 5

2

3

Hình 8.6 Sơ đồ hệ thống lấy mẫu khí thải theo chu trình Châu Âu

1.Băng thử 2 Ống thải 3 Đường cấp không khí 4 Khoang làm mát 5 Thiết bị phân tích khí 6.Nhiệt kế 7 Bộ đo lưu lượng 8 Áp kế 9 Van 10 Túi lấy mẫu

7

11 2

1

NOx CO2 CO HC 13

14

15

4

3

12

10

8 9

6

5

Hình 8.7 Sơ đồ hệ thống lấy mẫu khí thải theo chu trình Mỹ (CVS)

1.Băng thử 2 Ống thải 3 Đường cấp không khí 4 Lọc khí 5 Bơm hút mẫu 6 Van

7 Thiết bị phân tích khí 8 Bộ đo lưu lượng 9 Đường thoát khí 10 Bơm hút 11 Áp

kế 12.Nhiệt kế 13 Túi lấy mẫu pha quá độ 14 Túi lấy mẫu pha ổn định 15 Túi lấy

mẫu pha nóng

Sự khác nhau của hai hệ thống lấy mẫu trên là do chu trình thử khác nhau

Hình 8.8a Sơ đồ bố trí xe trên băng thử

Hình 8.8b Chu trình thử động cơ ECE R49 (13 chế độ)

Tiêu chuẩn của xe dùng xăng Tiêu chuẩn CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) PM (g/km, động cơ

phun trực tiếp) Thời điểm

áp dụng

EURO II 2.2 0.5 (cả NOx) Không qui định 01/1996 EURO III 2.3 0.20 0.15 Không qui định 01/2000 EURO IV 1.0 0.10 0.08 Không qui định 01/2005

Tiêu chuẩn của xe dùng dầu Diesel

Tiêu chuẩn CO

(g/km)

HC + NOx

(g/km)

NOx

(g/km)

PM

(g/km)

Thời điểm áp dụng

https://www.smmt.co.uk/industry-topics/emissions/

8.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1 Đo nồng độ CO, CO 2

Dùng phương pháp hấp thụ ánh sáng để xác định CO, CO2 Thiết bị dựa trên nguyên tắc là các hợp chất hóa học hấp thụ sóng ánh sáng cực đỏ (bước sóng 0,8 μm ÷

300 μm) trong một phạm vi nhất định

Tia NDIR (hồng ngoại không phân tán) được dùng trong phương pháp này Thuật ngữ “ không phân tán “ được hiểu là khi tia hồng ngoại được chiếu qua CO,

CO2, NOX và những chất khí khác, mỗi khí sẽ hấp thụ một bước sóng hồng ngoại đặc trưng Mức độ hấp thụ của mỗi bước sóng tỷ lệ với nồng độ của CO, CO2, NOx và những chất khí khác Ví dụ CO hấp thụ bước sóng 4,7 m; CO2 hấp thụ bước sóng: 4,3 m; HC hấp thụ bước sóng: 3,3m

Nguyên lý hoạt động:

Trong buồng so sánh (4) có chứa một chất khí hoàn toàn trong suốt đối với tia hồng ngoại Không khí cần thực nghiệm được hút liên tục qua buồng đo (11) khí CO,

CO2 trong không khí thử nghiệm sẽ hấp thụ tia hồng ngoại phát ra từ buồng sáng (2), kết quả là năng lượng bức xạ hồng ngoại chiếu đến ngăn bên phải của bộ phận cảm biến (7) ít hơn so với ngăn bên trái Trong bộ phận cảm biến (7) cũng chứa không khí cần thử nghiệm (với áp suất thấp) và ở giữa hai ngăn trái và phải của nó có lắp một màng mỏng kim loại (9) có tính đàn hồi cao Đến lượt mình, khí CO, CO2 trong ngăn phải của bộ phận cảm biến (7) lại hấp thụ nhiều bức xạ hồng ngoại nên nhiệt độ của không khí bên ngăn trái tăng cao hơn so với không khí bên ngăn phải, do đó màng mỏng kim lọai (9) sẽ bị đẩy võng sang bên phải Độ dịch chuyển của màng mỏng tỷ lệ với nồng độ CO, CO2 trong không khí và được biến đổi thành tín hiệu điện đầu ra để hiển thị trị số nồng độ CO, CO2 trong mẫu khí thử nghiệm

Bộ tạo dao động ngắt mở tia chiếu (3) có tác dụng tạo ra xung áp lực trên màng mỏng kim loại theo cùng pha với tốc độ quay của nó, nhờ đó sự biến đổi tín hiệu điện

1 2

3 4

10

9 8

7 6

11

Hình 8.9 Nguyên lý phân tích NDIR

1 Mô tơ tạo dao động; 2 Nguồn hồng ngoại; 3 Bộ tạo dao động; 4 Buồng so sánh; 5 Bộ phận chỉ thị; 6 Khuyếch đại chính; 7 Cảm biến; 8 Khuyếch đại

sơ bộ; 9 Màng mỏng; 10 Khí ra; 11 Buồng đo; 12 Khí vào

đầu ra sẽ được chính xác hơn so với khi độ võng của màng mỏng (9) nằm ở vị trí cố định nếu không có bộ tạo dao động

Chopper blade

Gas out Gas in

IR Detectors

IR Filters Sample cell

IR Source

Electronics

HC CO

CO 2

O 2 Sensor

 = f (CO, CO 2 , HC, O 2 )

2 Đo nồng độ oxit nitơ (NO X )

Để đo nồng độ NOx, người ta thường sử dụng phương pháp hấp thụ ánh sáng hoặc dùng phương pháp quang hóa (Chemoluminezenz) Nguyên lý của phương pháp quang hóa như sau, khi NO tác dụng với O3, một phản ứng hóa học xảy ra, đồng thời 1 ánh sáng có 1 bước sóng đặc biệt cũng phát ra, cường độ ánh sáng phát ra tỷ lệ với nồng độ NO

Hơn nữa ở nhiệt độ cao, NOx biến thành NO tạo ra một phản ứng hóa học giống như trên, cường độ ánh sáng sinh ra tại thời điểm này được đo lại

Nguyên lý hoạt động:

NO và O3 được đưa vào ống phản ứng (4) khi NO tác dụng với ozon (O3) sẽ tạo

ra một số phân tử NO* bị kích thích, các phân tử này phát ra năng lượng bức xạ ở bước sóng 600  3000 nm và cực đại ở bước sóng 1200 nm, sau đó trở về trạng thái bình thường Các phản xảy ra như sau:

NO + O3 → NO* + O2

NO + O3 → NO2 + O2

NO* → NO2 + h

Trong đó :

h: số năng lượng riêng phần

h: là hệ số plank

: là tần số chùm tia

Năng lượng này được chuyển hóa thành độ lớn điện trong máy khuếch đại quang học PM và được đưa đến bộ khuếch đại (8) Độ lớn thu nhận được tỉ lệ với nồng

độ của NO Bộ khuếch đại (8) đưa tín hiệu điện nhận được đến bộ hiển thị kết quả (9)

3 Đo nồng độ cacbuahydro (HC)

Phương pháp ion hóa ngọn lửa (FID) (Flame Ionisation Detector) được sử dụng rộng rãi Cacbuahydro ở đây gồm có: không cháy hoặc cháy không hoàn toàn trong khí xả Có nhiều phương pháp đo, song trong các phương pháp đo khí xả thì phương pháp FID có độ chính xác cao nhất Hiện nay người ta phát triển thiết bị đo HC mới theo nguyên lí hấp thụ ánh sáng cực đỏ

1

2

3

10

8 9

Hình 8.10 Nguyên lí thiết bị đo NOx theo phương pháp quang hóa

1 Khí ozon (O3) ; 2 Khí cần đo; 3 Khí thải ra sau phản ứng; 4 Ống phản ứng;

5 Chất phát sáng; 6 Cảm biến; 7 Máy khuếch đại quang học PM.(Nguồn điện cao áp);

8 Khuếch đại; 9 Thiết bị chỉ thị kết quả; 10 Lọc

Nguyên lý của phép đo: Khí H2 tinh khiết nếu cháy trong không khí hầu như không tạo thành các ion do ngọn lửa H2 có điện trở rất lớn (1012 ÷1014Ω) nếu có một lượng nhỏ các cacbuahydro (HC) trong ngọn lửa Hydro, do nhiệt độ trong ngọn lửa sẽ xảy ra hiện tượng ion hóa phân tử của HC, lượng ion sinh ra tỷ lệ với nồng độ các HC

1 2

3 4

5 6

7

8

9

12

11 10 13

Hình 8.11 Sơ đồ nguyên lí đo HC với FID

1.Khí xả; 2 Ngọn lửa; 3 Vòi phun; 4 Buồng cháy; 5 Khí mẫu H2; 6 Khí nhiên liệu cần phân tích; 7 Không khí; 8 Nguồn; 9 Điện trở cao; 10 Đầu ra ;

11 Cảm biến; 12 Dòng điện Ion; 13 Cực góp

Nguyên lý hoạt động: Một khí mẫu H2 và mẫu khí thải được trộn ở vòi phun Hỗn hợp sau đó được hòa trộn với không khí trong buồng cháy Một điện áp âm cao được đặt vào vòi phun và một điện áp dương cao được đặt vào cực góp Cảm biến phát hiện cường độ dòng điện (dòng Ion) đi giữa hai cực (vòi phun và cực góp) bằng cách đếm sự thay đổi số lượng Ion được sinh ra trong ngọn lửa hydro Nồng độ HC được tính theo đó, kết quả được gửi về bộ phận ghi

8.3 ĐO ĐỘ KHÓI TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL

Polar organic and inorganic materials

Carbon

Water

Lube oil

Fuel

Sulphate

(CH 2 Cl 2 )-Soluble Components (mainly hydrocarbons)

Insolubles (metal and others)

(Isopropanol/water)-Solubles

Hình 8.12a Thành phần hạt bồ hóng

Bồ hóng hình thành do liên kết của nhiều hạt cơ bản hình cầu trên nền của những hạt cơ bản ban đầu thành từng khối hay từng chuỗi có kích thước trung bình nằm trong khoảng từ 100 đến 150 nm mà người ta gọi là hạt bồ hóng theo ngôn ngữ thông thường Các hạt cơ bản hình cầu có đường kính từ 10-80 nm, đại bộ phận nằm trong khoảng 15-30 nm

Dụng cụ đo độ khói có thể dựa trên các phương pháp cơ bản sau đây:

1 Phương pháp quan sát

Người ta so sánh độ đen của khí xả với độ đen chuẩn do Giáo sư Ringelmann (Pháp) phát minh vào thập niên 1800 Độ đen chuẩn này gồm những carte có kẻ những

ô vuông bằng mực đen trên nền trắng Bề rộng của nét đen thay đổi và độ đen choáng chỗ tương ứng 20, 40, 60 và 80% trên diện tích tổng cộng của nền Các độ đen này tương ứng với chỉ số Ringelmann 1,2,3 và 4 Theo qui ước, chỉ số 0 tương ứng với nền trắng hoàn toàn và chỉ số 5 tương ứng với nền đen hoàn toàn

2 Phương pháp tắt ánh sáng

a Nguyên lý:

Khi một chùm tia sáng có cường độ Io truyền qua một cột khói thì cảm biến đặt phía sau sẽ nhận được cường độ IIo Tỉ số I/Io phụ thuộc vào mức độ dập tắt ánh sáng của cột khói Người ta định nghĩa các thông số sau:

- Độ sáng :

0 0

0

100

T p

KL T p

I

−

- Độ mờ :

0 0

.

T p

KL T p

- Hệ số hấp thụ K được rút ra từ định luật Beer-Lambert:

1ln(1 )

100

N K

L

L : Quang trình (m)

Trong kỹ thuật, hệ số hấp thụ K (m-1) và độ mờ N (%) được dùng để biểu diễn

độ khói của khí xả Các thông số này phụ thuộc vào quang trình L Khi L=45,7cm độ

mờ N(%) chính là độ khói Hartridge HSU (Hartridge Smoke Units)

b Sơ đồ thiết bị đo:

- Mờ kế (opacimeter) kiểu dòng tự do:

Sơ đồ trình bày trên hình 8.7 Nguồn sáng và tế bào quang điện được bố trí đối xứng nhau qua cột khói cần đo Dụng cụ được đặt cách miệng xả của ống tiêu âm khoảng 4-5 cm Sự thay đổi sức điện động của tế bào quang điện được ghi nhận nhờ máy ghi tín hiệu

Thang chia của dụng cụ đo thay đổi được từ 100% (tương ứng với khi tắt nguồn sáng) đến 0 (tương ứng với cột không khí sạch)

Kết quả đo phụ thuộc vào quang trình L theo định luật Beer-Lambert Vì vậy cần xác định chính xác L để có thể so sánh kết quả nhận được với các thang đo khác

Khí xả

Nguồn sáng

mA

Quang trình

Tế bào quang điện

Hình 8.12b Mờ khí dòng tự do

- Mờ kế kiểu lấy mẫu:

Đây là nguyên lý của khói kế (smokemeter) Hartridge (hình 8.13) Phương pháp này cho phép đo liên tục độ mờ của một bộ phận khí xả di chuyển trong ống lấy mẫu Nguồn sáng và tế bào quang điện được đặt cách nhau một khoảng L nhất định ở hai đầu ống lấy mẫu và gắn liền với một trục xoay Đầu ra của tế bào quang điện được nối với một đồng hồ miliampère Thang chia thay đổi từ 0 (khi xoay trục về phía ống không khí) đến 100 (khi tắt nguồn sáng)

Hình 8.13 Sơ đồ khói kế Hartridge

1- Tế bào quang điện.2- Tay gạt 3- Đồng hồ chỉ thị 4 - Bơm hút không khí sạch

5 - Khoang so sánh 6 - Nguồn điện 7 - Đèn chiếu 8 - Khoang đo

Hình 8.14 Sơ đồ bộ lấy mẫu khói AVL DISMOKE 4000

3 Phương pháp lọc bồ hóng

Bồ hóng chứa trong thể tích mẫu thử được giữ lại trên giấy lọc khi hút qua bơm Nồng độ bồ hóng sau đó được đánh giá bằng cách so sánh mẫu giấy lọc nhận được và mẫu giấy lọc chưa sử dụng dựa vào kết quả đo cường độ ánh sáng phản xạ nhờ tế bào quang điện hay bằng cách cân

a Khói kế Bosch:

Khí xả

Không khí

1

2

3

4

5

6

7

8

Không khí

Khí thải

Không khí

12 v 1

2

7 8 4

Hình 8.15 Sơ đồ nguyên lý bơm lấy mẫu

1 Đầu hút khí xả, 2 Ống dẫn khói, 3 Bộ kẹp giấy lọc, 4 Van cấp không khí sạch,

5 Bơm piston, 6 Lò xo, 7 Chốt hãm kiểu điện từ, 8 Công tắc điện

Mẫu khí xả có thể tích nhất định được hút qua tấm giấy lọc nhờ một bơm (hình

8.15) Bồ hóng trong khí xả được giấy lọc giữ lại,

độ đen của giấy tỉ lệ với nồng độ bồ hóng Độ đen

đó được đánh giá gián tiếp thông qua ánh sáng phản

xạ nhận được từ tế bào quang điện của cảm biến Bosch (hình 8.10) Giá trị đầu ra của tế bào quang điện được ghi nhận nhờ đồng hồ milliampère có thang chia từ 0 đến 10

Hình 8.16 Sơ đồ cảm biến Bosch

1- Giấy lọc chứa bồ hóng.2 - Tế bào quang điện

3 - Nguồn sáng 4 - Điện kế (mV)

5 - Nguồn điện Trước khi đo phải chỉnh dụng cụ:

- Vị trí 0 tương ứng với khi bộ phận cảm biến đặt lên giấy lọc trắng chưa sử dụng

- Vị trí giữa tương ứng với giấy đen do nhà chế tạo cung cấp

- Vị trí 10 tương ứng với khi tắt nguồn sáng

b Cân trực tiếp:

So sánh sự thay đổi khối lượng của giấy lọc trước và sau khi hút mẫu cho phép rút ra được nồng độ bồ hóng một cách trực tiếp

Trước khi cân mẫu giấy lọc có chứa bồ hóng cần phải tiến hành sấy nhẹ để bốc hơi thành phần chất lỏng giữ lại trên giấy

1 2 3 4 5