Đối với những động cơ Diesel đang sử dụng ở Việt Nam. Để đảm bảo cho việc giảm phát khí thải ra môi trường thì ngoài bảo dưỡng, sửa chữa động cơ định kỳ cần có thiết bị xử lý khí thải chuyên dụng. Bộ lọc khí thải diesel có thể được lắp đặt dễ dàng lên các loại máy móc công nghiệp. Việc chế tạo thiết bị xử lý khí thải động cơ Diesel được nhiều nước nghiên cứu và chế tạo thành công các phương pháp xử lý khác nhau:

Công nghệ khử NOx - khí thải động cơ Diesel bằng SCR (Selective Catalytic Reduction)

SCR (Selective Catalytic Reduction – Khử Xúc tác Chọn lọc) là công nghệ xử lý khí thải tiên tiến và hiệu quả bậc nhất hiện nay, được thiết kế để khử các oxit của nitơ (NOx) – một trong những thành phần ô nhiễm chính gây ra mưa axit, sương mù quang hóa và các bệnh về đường hô hấp.

Nguyên tắc cốt lõi của công nghệ này là sử dụng một chất khử gốc amoniac (NH₃), thường là dung dịch urê kỹ thuật (còn gọi là AdBlue hoặc DEF), phun vào dòng khí thải. Hỗn hợp khí này sau đó được dẫn qua một buồng chứa chất xúc tác đặc biệt. Tại đây, ở điều kiện nhiệt độ tối ưu, NOx sẽ phản ứng chọn lọc với NH₃ để chuyển hóa thành khí Nitơ (N₂) và hơi nước (H₂O), là các thành phần hoàn toàn vô hại và có sẵn trong tự nhiên.

1. Cấu tạo một hệ thống SCR hoàn chỉnh

Một hệ thống SCR tiêu chuẩn bao gồm các bộ phận chính sau:

• Bồn chứa và hệ thống bơm dung dịch urê (AdBlue): Cung cấp chất khử cho hệ thống.
• Bộ kim phun định lượng: Phun urê vào dòng khí thải với lưu lượng được kiểm soát chính xác.
• Buồng trộn: Đảm bảo NH₃ (sau khi urê bị nhiệt phân) được hòa trộn đồng nhất với khí thải.
• Buồng phản ứng chứa chất xúc tác (Catalyst Chamber): Nơi diễn ra phản ứng hóa học chính.
• Hệ thống cảm biến: Bao gồm cảm biến NOx (đầu vào và đầu ra), cảm biến nhiệt độ, cảm biến chênh áp, và cảm biến mức urê.
• Bộ điều khiển trung tâm (PLC): Não bộ của hệ thống, xử lý tín hiệu và điều khiển toàn bộ quá trình.

2. Nguyên lý hoạt động

Quá trình khử NOx diễn ra hiệu quả nhất trong dải nhiệt độ từ 250°C đến 450°C, tương thích hoàn toàn với nhiệt độ khí xả từ động cơ Diesel, lò hơi công nghiệp, nhà máy xi măng và các nhà máy nhiệt điện.

Các phản ứng chính trong hệ thống SCR

• Thủy phân urê (AdBlue):

  • NH₂CONH₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂
    → Dung dịch urê phân hủy tạo ra khí amonia (NH₃) và khí CO₂.

• Phản ứng khử NOx với NH₃:

  • NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O

  • 4NO + O₂ + 4NH₃ → 4N₂ + 6H₂O

  • 2NO₂ + O₂ + 4NH₃ → 3N₂ + 6H₂O

  → Các phản ứng này giúp loại bỏ khí độc hại NOx, chuyển thành khí Nitơ (N₂) và nước (H₂O).

Biện pháp xử lý dư khí amonia

Để tránh hiện tượng dư khí amonia (NH₃) thoát ra khỏi hệ thống trong quá trình vận hành, một lớp chất xúc tác oxy hóa (oxidation catalyst) được đặt sau bộ SCR.

Tại đây, NH₃ dư sẽ phản ứng với oxy để tạo thành nước, theo phản ứng:

• • 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

→ Phản ứng này đảm bảo lượng NH₃ dư không phát tán ra môi trường, nâng cao tính an toàn và hiệu quả của hệ thống xử lý.

Để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi, việc trộn đều dòng khí thải với dung dịch urê trước khi đi vào buồng xúc tác là yêu cầu tiên quyết. Hệ thống điều khiển thông minh (PLC) sẽ dựa trên tín hiệu từ các cảm biến để liên tục hiệu chỉnh tỷ lệ phun NH₃/NOx, vừa đảm bảo hiệu quả khử cao nhất, vừa ngăn chặn hiện tượng dư thừa amoniac.

Quy trình xử lý khí thải NOx của hệ thống SCR

Chất xúc tác trong hệ thống xử lý khí thải SCR

Bảng so sánh hiệu suất giữa chất xúc tác phân tử sàng và chất xúc tác gốc titan truyền thống:

Bảng so sánh hiệu suất chất xúc tác

Chất xúc tác SCR dạng phủ lớp cho khí thải động cơ

Các mẫu chất xúc tác SCR dạng khối tổ ong dài, được phủ lớp hoạt chất trên bề mặt kênh dẫn, sử dụng cho hệ thống xử lý khí thải động cơ.

• Chất liệu: Gốm chịu nhiệt.

• Hình dạng: Khối tổ ong, nhiều kích thước và chiều dài khác nhau.

• Công dụng: Cung cấp bề mặt phản ứng lớn, hỗ trợ quá trình khử NOx trong khí thải.

Ưu điểm của công nghệ SCR trong xử lý khí thải động cơ Diesel

• Hiệu quả cao: loại bỏ được 80–90% NOx

• Tiết kiệm năng lượng: phản ứng ở nhiệt độ khí thải, không cần gia nhiệt

• Thân thiện môi trường: sản phẩm phản ứng không độc hại

• Linh hoạt: có thể tích hợp với nhiều loại động cơ Diesel khác nhau

Công nghệ SCR+DPF xử lý khí thải động cơ Diesel

Công nghệ SCR + DOC + DPF, có khả năng loại bỏ hiệu quả CO (khí CO), HC (hydrocacbon chưa cháy), PM (bụi mịn/ muội than) và NOx (oxit nitơ) trong khí thải, đáp ứng các yêu cầu khí thải nghiêm ngặt cho xe tải, máy công trình và thiết bị phát điện cố định.

Hệ thống SCR + DPF  được thiết kế để đồng thời xử lý khí thải động cơ Diesel, vừa loại bỏ bụi mịn và muội than (PM), vừa cắt giảm NOx. Cơ chế “song giảm” này giúp hiệu quả xử lý đạt mức tối ưu, kéo dài tuổi thọ động cơ và giảm chi phí bảo dưỡng.

Bên cạnh đó, hệ thống còn được tích hợp bộ giám sát thông minh, hỗ trợ phát hiện sự cố kịp thời, hiển thị trực quan thông số vận hành, đồng thời cho phép kết nối ứng dụng APP để người dùng có thể theo dõi tình trạng xử lý khí thải từ xa.

Bộ lọc hạt kim loại DPF

Đặc tính sản phẩm

• Khả năng bắt giữ hạt muội cực mịn, kể cả hạt nano.

• Chịu nhiệt, chịu ăn mòn, độ bền cơ học cao.

• Dễ làm sạch, có thể rửa bằng nước, tái sử dụng, không cần thay thế.

• Sử dụng nhiệt tái sinh, đảm bảo hiệu quả ổn định.

• Hiệu suất lọc cao, loại bỏ bụi và muội than.

• Đặc biệt phù hợp với các động cơ có yêu cầu khí thải không quá nghiêm ngặt.

Bộ lọc hạt kim loại DPF hình trụ.

Ưu điểm nổi bật

• Hiệu suất lọc muội than > 90%.

• Giữ hiệu quả ngay cả trong điều kiện tải trọng nặng, tốc độ thấp.

• Cấu trúc kim loại bền vững, bảo dưỡng đơn giản.

• Làm sạch dễ dàng bằng nước, có thể dùng lại nhiều lần.

• Sau khi vệ sinh, hiệu quả phục hồi như sản phẩm mới.

• Không gây cản trở cho khí thải, tuổi thọ sử dụng dài lâu.

Cấu trúc kim loại dạng tổ ong chịu nhiệt.

Bộ lọc hạt gốm DPF

Chức năng của DPF

• Giảm phát thải hạt bụi PM, hiệu suất lọc đạt trên 95%.

Khó khăn kỹ thuật – Tái sinh DPF

• Tái sinh thụ động: DPF tự làm sạch.

• Tái sinh bị động: DOC + CDPF.

• Tái sinh chủ động: đốt bổ sung nhiên liệu + DOC + CDPF.

• Đốt hỗ trợ bằng nhiên liệu phụ: DOC + CDPF.

• Gia nhiệt điện trở: DOC + CDPF hoặc điện đốt trực tiếp.

Hình ảnh minh họa

Nguyên lý lọc DPF dạng tổ ong - Cấu trúc gốm cordierite - Sơ đồ tái sinh và cơ chế lọc kết hợp DOC + DPF.

 

Tái sinh ngoại tuyến (DPF Off-line Regeneration)

Trong quá trình vận hành, khi nhiệt độ khí thải dưới 250℃ hoặc động cơ thường xuyên chạy tải thấp (< 25%), cần thực hiện tái sinh ngoại tuyến.

• Thường áp dụng phương pháp thổi khí ngược, kết hợp làm sạch cơ học hoặc vệ sinh bằng dung dịch.

• DPF cần tái sinh khi áp suất chênh lệch ở đầu vào vượt quá 15 kPa.

• Nhiệt độ tái sinh hiệu quả: 600 – 730℃.

• Khi đạt đến nhiệt độ hợp lý, muội than sẽ cháy hết, phục hồi khả năng lọc của DPF như ban đầu.

DPF – Tái sinh bị động và chủ động

• Tái sinh chủ động: cần bổ sung năng lượng bên ngoài (phun nhiên liệu, gia nhiệt điện trở…) để nâng nhiệt độ khí thải, giúp DPF tự làm sạch muội than.

• Tái sinh bị động: dựa vào nhiệt độ khí thải tự sinh trong quá trình vận hành động cơ, không cần bổ sung nguồn năng lượng bên ngoài.

DOC + CDPF (Tái sinh bị động)

Nguyên lý tái sinh

• NOx trong khí thải đi qua bộ xúc tác oxy hóa (DOC), một phần NO₂ được tạo ra.

• NO₂ có khả năng oxy hóa muội than ở nhiệt độ thấp, giúp đốt cháy hạt PM đã tích tụ trong bộ lọc hạt (CDPF).

• Nhờ vậy, DPF được làm sạch dần dần trong quá trình vận hành bình thường của động cơ mà không cần năng lượng ngoài.

Hỗ trợ đốt bằng nhiên liệu phụ + DOC + CDPF (Tái sinh chủ động)

Nguyên lý tái sinh

• Hệ thống gồm bộ phun nhiên liệu phụ + DOC + CDPF.

• Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp, nhiệt độ khí thải không đủ cao, hệ thống sẽ phun thêm nhiên liệu vào ống xả.

• Dưới tác dụng của DOC, nhiên liệu phụ được oxy hóa sinh nhiệt, làm tăng nhiệt độ dòng khí thải.

• Khi nhiệt độ đạt khoảng 230–300℃, muội than trong DPF sẽ được đốt cháy và loại bỏ, phục hồi khả năng lọc hạt.

Đốt hỗ trợ + DOC + CDPF (Tái sinh chủ động)

Nguyên lý tái sinh

• Khi bộ lọc hạt DPF/CDPF tích tụ nhiều PM vượt quá giới hạn, đồng thời nhiệt độ khí thải tự sinh của động cơ quá thấp, khó thực hiện tái sinh liên tục và hiệu quả.
• Giải pháp là phun nhiên liệu phụ hoặc bổ sung tác nhân đốt cháy vào ống xả. Khi đi qua DOC, nhiên liệu phụ được oxy hóa sinh nhiệt, nâng nhiệt độ dòng khí thải và đốt cháy muội than tích tụ trong DPF. Nhờ đó quá trình tái sinh chủ động diễn ra thuận lợi, loại bỏ PM và phục hồi khả năng lọc của DPF.

Gia nhiệt điện + DPF (Tái sinh chủ động)

Nguyên lý tái sinh

• Khi cần tái sinh DPF, nếu áp suất chênh lệch vượt ngưỡng đặt trước, ECU sẽ phát lệnh kích hoạt hệ thống gia nhiệt điện.
• Điện trở gia nhiệt trong ống xả sinh nhiệt, nâng cao nhiệt độ khí thải đến mức thích hợp để đốt cháy muội than bám trong DPF.
• Trong quá trình này, ECU sẽ kiểm soát dòng điện, thời gian gia nhiệt và tình trạng khí thải thông qua cảm biến để đảm bảo an toàn.
• Phương pháp này cho phép tái sinh ngay cả khi động cơ vận hành ở tải thấp, đồng thời giảm phát thải và kéo dài tuổi thọ của bộ lọc hạt DPF.

Các công nghệ xử lý khí thải động cơ Diesel hiện nay như SCR, DOC, DPF kim loại, DPF gốm cùng với các giải pháp tái sinh bị động và chủ động (phun nhiên liệu phụ, đốt hỗ trợ, gia nhiệt điện trở) đã tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh, vừa giảm thiểu NOx, PM, HC, CO trong khí thải, vừa đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Việc kết hợp linh hoạt giữa các công nghệ giúp tối ưu hiệu suất, kéo dài tuổi thọ động cơ, giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng, đồng thời đảm bảo tính bền vững, thân thiện với môi trường.

Nhờ những giải pháp này, động cơ Diesel không chỉ duy trì được ưu thế về sức mạnh và độ bền, mà còn hướng đến mục tiêu “sạch hơn – hiệu quả hơn – xanh hơn”, góp phần quan trọng trong việc giảm ô nhiễm không khí và bảo vệ môi trường sống.