Hệ thống xử lý khí thải SCR là gì?

Công nghệ Khử xúc tác chọn lọc (SCR) là một hệ thống kiểm soát khí thải tiên tiến, được sử dụng để giảm đáng kể lượng oxit nitơ (NOx) thải ra từ ống xả của động cơ diesel thế hệ mới, gần như về mức không.

1. NOx là gì?

NOx là thuật ngữ chung dùng để chỉ các oxit nitơ NO và NO2. Chúng là những thành phần quan trọng của ô nhiễm không khí có hại.

1.1 NOx được hình thành ở đâu?

NOx được tạo ra trong các quá trình đốt cháy như ở động cơ, nhà máy điện và lò hơi, cũng như trong các quá trình công nghiệp ở nhiệt độ rất cao (ví dụ, trong các lò luyện kim). Tại Na Uy, lượng khí thải NOx chủ yếu đến từ giao thông vận tải (đặc biệt là vận tải đường bộ và vận tải biển), các hoạt động dầu khí và công nghiệp trên đất liền.

1.2 Tác hại của NOx

NOx gây ra nhiều tác động có hại đến sức khỏe con người, môi trường và vật chất.

Đối với sức khỏe con người: 

- NOx trực tiếp gây suy giảm chức năng phổi, làm nặng thêm bệnh hen suyễn, các bệnh về đường hô hấp (ví dụ như COPD) và bệnh tim mạch.

Đối với môi trường: 

- Góp phần hình thành tầng ozone mặt đất, vốn có hại cho cả con người và thảm thực vật.

- Gây mưa axit, làm tổn hại hệ sinh thái và thảm thực vật, có thể dẫn đến hiện tượng cá chết.

- Đối với vật liệu và công trình: NOx góp phần gây hư hại vật liệu và công trình thông qua mưa axit và tầng ozone mặt đất.

- Ô nhiễm không khí: NOx là một thành phần đáng kể của ô nhiễm nhìn thấy được (khói bụi) có thể quan sát thấy ở các thành phố lớn.

2. Cách công nghệ SCR hoạt động

Công nghệ SCR hoạt động bằng cách chuyển đổi oxit nitơ (NOx) thành khí nitơ (N2) và nước (H2O) với sự trợ giúp của một chất xúc tác. Quá trình này bao gồm các bước chính sau:

- Dòng khí thải: Khí thải nóng từ động cơ chảy vào hệ thống SCR.

- Tiêm chất khử: Một chất khử, thường là urê dạng dung dịch nước (được gọi là Dung dịch xử lý khí thải diesel - DEF hoặc AdBlue ở châu Âu), được phun vào dòng khí thải trước khi nó đi vào buồng xúc tác. Amoniac khan hoặc amoniac dạng dung dịch nước cũng có thể được sử dụng làm chất khử.

- Phân hủy DEF: DEF nhanh chóng bị phân hủy để tạo ra amoniac trong dòng khí thải.

- Phản ứng xúc tác: Các phản ứng khử NOx diễn ra khi khí đi qua buồng xúc tác. Nó được gọi là "chọn lọc" vì nó sử dụng amoniac làm chất khử để giảm mức NOx trong môi trường oxy hóa. Các phương trình phản ứng chính khi sử dụng amoniac hoặc urê là: 

Với amoniac: NO + NO2 + NH3 → N2 + H2O.

Với urê: NO + CO(NH2)2 → N2 + H2O + CO2.

- Sản phẩm cuối cùng: Kết quả là NOx được chuyển đổi thành khí nitơ (N2), nước (H2O) và một lượng nhỏ carbon dioxide (CO2), tất cả đều là các thành phần tự nhiên của không khí.

- Lọc hạt: Khí thải cũng thường đi qua bộ lọc hạt (diesel particulate filter - DPF) ở một vị trí nào đó trong hệ thống trước khi được thải ra qua ống xả.

- Điều kiện hoạt động: Phản ứng lý tưởng có nhiệt độ hoạt động tối ưu trong khoảng 357 đến 447 °C (630 đến 720 K), nhưng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp tới 227 °C (500 K) với thời gian lưu trú lâu hơn.

- Chất xúc tác: Các chất xúc tác SCR thường được làm từ vật liệu gốm xốp như oxit titan, và các thành phần xúc tác hoạt động thường là oxit (vanadi, molypden và vonfram), zeolit, hoặc xeri.

3. Vai trò quan trọng của công nghệ SCR

Công nghệ SCR đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu suất động cơ vì nhiều lý do:

- Giảm khí thải NOx đáng kể: Đây là mục tiêu chính của SCR. Công nghệ này có thể giảm lượng khí thải NOx lên tới 90%. NOx là một chất gây ô nhiễm không khí nguy hiểm, góp phần gây ra mưa axit và sương khói.

- Đạt các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt: SCR là phương pháp ưa thích để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải diesel khắc nghiệt như Tier 4 Final của EPA Hoa Kỳ và EURO 6. Hệ thống SCR cho phép các nhà sản xuất cân bằng hiệu suất động cơ và tối đa hóa hiệu quả nhiên liệu trong khi vẫn đạt được mức khí thải gần như bằng không.

- Cải thiện hiệu quả nhiên liệu: SCR được coi là một trong những công nghệ tiết kiệm nhiên liệu và chi phí hiệu quả nhất hiện có. Một số nhà khai thác xe tải thương mại hạng nặng được trang bị SCR báo cáo mức tăng hiệu quả nhiên liệu hơn 4%. Điều này là do SCR cho phép động cơ hoạt động ở nhiệt độ đốt cháy thấp hơn và điều chỉnh tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý tưởng hơn, đặc biệt trong các tình huống tải thấp.

- Giảm các khí thải khác: Ngoài NOx, SCR còn có thể giảm khí thải HC và CO từ 50-90%, và giảm PM từ 30-50%.

- Ứng dụng rộng rãi: Công nghệ SCR được sử dụng phổ biến trong nhiều loại phương tiện và thiết bị, bao gồm xe tải hạng nặng, xe ô tô diesel (ví dụ: BMW, Daimler AG, Volkswagen), thiết bị nông nghiệp và xây dựng, động cơ hàng hải, đầu máy xe lửa và các nhà máy điện.

- Cho phép thiết kế động cơ hiệu quả hơn: Bằng cách kiểm soát NOx hiệu quả sau quá trình đốt cháy, SCR cho phép các nhà sản xuất động cơ tối ưu hóa các thông số trong buồng đốt để đạt được hiệu suất tối đa và tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất, mà không phải hy sinh việc kiểm soát NOx.

Tuy nhiên, việc sử dụng SCR cũng đi kèm với một số cân nhắc đặc biệt, như yêu cầu phải thường xuyên bổ sung DEF (khoảng 3% lượng tiêu thụ nhiên liệu), và việc bảo quản DEF đúng cách để ngăn chặn đông đặc ở nhiệt độ thấp. Các hệ thống SCR cũng có thể gặp phải các thách thức như tuổi thọ bầu lọc xúc tác có giới hạn do sự hình thành các hợp chất lưu huỳnh, tắc nghẽn lỗ rỗng xúc tác, hoặc nhiễm bẩn bộ xúc tác bởi các kim loại nặng.