Selective Catalytic Reduction – Khử xúc tác có chọn lọc (SCR) là một hệ thống được sử dụng để mô tả phản ứng hóa học trong đó các oxit nitơ có hại (NOx) trong khí thải được chuyển thành nước (H2O) và nitơ (N2). Kết hợp với các công nghệ bên trong động cơ, chẳng hạn như tuần hoàn khí thải (EGR), có thể đạt được lượng khí thải oxit nitơ cực thấp với mức tiêu thụ nhiên liệu thấp.
SCR – Hệ thống khử xúc tác có chọn lọc là gì?
Khử xúc tác chọn lọc (SCR) là phương pháp chuyển đổi oxit nitơ, còn được gọi là khí thải NOx, thành nitơ vô hại (N2) và nước (H2O) thông qua việc sử dụng hệ thống xúc tác. Quá trình này rất quan trọng vì NOx là thành phần chính của sương mù và mưa axit, đồng thời là tác nhân góp phần đáng kể vào hiệu ứng nhà kính. Về cơ bản, nó giúp biến ứng dụng thành một phương tiện đốt sạch hơn trong khi vẫn duy trì các lựa chọn nhiên liệu phổ biến và dễ dàng.
Phương pháp khử xúc tác chọn lọc (SCR) để chuyển đổi các oxit nitơ, còn được gọi là NOx với sự trợ giúp của chất xúc tác thành nitơ diatomic (N2) và nước (H2O). Một chất khử, điển hình là amoniac khan (NH3), dung dịch amoniac (NH4OH) hoặc urê (CO(NH2)2), được thêm vào dòng khí thải và phản ứng với chất xúc tác. Khi phản ứng tiến tới hoàn tất, nitơ (N2) và carbon dioxide (CO2), trong trường hợp sử dụng urê, sẽ được tạo ra.
Việc khử xúc tác có chọn lọc NOx sử dụng amoniac làm chất khử đã được Tập đoàn Engelhard được cấp bằng sáng chế tại Hoa Kỳ vào năm 1957. Sự phát triển công nghệ SCR tiếp tục ở Nhật Bản và Hoa Kỳ vào đầu những năm 1960 với nghiên cứu tập trung vào các chất xúc tác rẻ tiền hơn và bền hơn. SCR quy mô lớn đầu tiên được lắp đặt bởi Tập đoàn IHI vào năm 1978.
Các hệ thống khử xúc tác chọn lọc thương mại thường được tìm thấy trên các nồi hơi tiện ích lớn, nồi hơi công nghiệp và nồi hơi chất thải rắn đô thị và đã được chứng minh là làm giảm 70-95% NOx. Các ứng dụng gần đây hơn bao gồm động cơ diesel, chẳng hạn như động cơ được tìm thấy trên các tàu lớn, đầu máy diesel, tua bin khí và ô tô.
Hệ thống SCR hiện là phương pháp được ưu tiên để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải diesel Tier 4 Final và EURO 6 cho xe tải hạng nặng cũng như cho ô tô con và xe thương mại hạng nhẹ. Kết quả là lượng khí thải NOx, dạng hạt và hydrocarbon đã giảm tới 95% khi so sánh với các động cơ phát thải trước.
SCR hoạt động như thế nào?
SCR hoạt động bằng cách bơm chất khử, điển hình là hợp chất urê và thường được gọi là chất lỏng thải diesel hoặc DEF, vào dòng khí thải, nơi nó trộn với khí thải. Chất khử được liên tục bơm vào dòng khí thải. Trong dòng khí thải, chất lỏng phản ứng trong vòng một phần giây để tạo ra amoniac (NH3).
Khi hỗn hợp chất khử khí đi qua hệ thống, nó sẽ di chuyển qua chất xúc tác, tại đó phản ứng hóa học chuyển đổi NOx trong khí thải thành nitơ (N2), nước (H2O) và carbon dioxide (CO2). Những hợp chất này sau đó được giải phóng qua ống xả của xe.
Công nghệ giảm xúc tác chọn lọc (SCR) sử dụng amoniac để phân hủy khí thải NOx nguy hiểm do động cơ diesel tạo ra thành nitơ và nước. Trong các ứng dụng ô tô, SCR cung cấp amoniac thông qua dung dịch urê – Chất lỏng thải diesel (DEF) – được phun vào dòng khí thải bằng hệ thống phun tiên tiến và sau đó chuyển thành amoniac trên chất xúc tác đặc biệt.
SCR là công nghệ được đa số các nhà sản xuất xe tải và động cơ lựa chọn để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải từ năm 2010 dành cho xe tải hạng nặng.
Ngoài việc giúp ích cho môi trường, lợi ích lớn nhất của SCR dành cho chủ phương tiện là tiết kiệm nhiên liệu mà công nghệ này mang lại. Vì SCR xử lý khí thải trong ống xả nên các kỹ sư có thể điều chỉnh động cơ để cung cấp nhiều mô-men xoắn hơn và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Phản ứng hóa học
Phản ứng khử NOx diễn ra khi khí thải đi qua buồng xúc tác. Trước khi vào buồng xúc tác, amoniac hoặc chất khử khác (như urê) được bơm vào và trộn với khí. Phương trình hóa học của phản ứng cân bằng hóa học sử dụng amoniac khan hoặc dung dịch nước cho quá trình khử xúc tác chọn lọc là:
Phản ứng lý tưởng có phạm vi nhiệt độ tối ưu trong khoảng từ 630 đến 720 K (357 đến 447 °C), nhưng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp tới 500 K (227 °C) với thời gian lưu giữ lâu hơn. Nhiệt độ hiệu quả tối thiểu phụ thuộc vào các loại nhiên liệu, thành phần khí thải và hình dạng xúc tác. Các chất khử khác có thể bao gồm axit cyanuric và amoni sunfat.
Chất xúc tác
Chất xúc tác SCR được làm từ các vật liệu gốm xốp khác nhau được sử dụng làm chất hỗ trợ, chẳng hạn như oxit titan và các thành phần xúc tác hoạt động thường là oxit của kim loại cơ bản (như vanadi, molypden và vonfram), zeolit hoặc các kim loại quý khác nhau. Một chất xúc tác khác dựa trên than hoạt tính cũng được phát triển có thể áp dụng để loại bỏ NOx ở nhiệt độ thấp. Mỗi thành phần xúc tác đều có ưu điểm và nhược điểm.
Các chất xúc tác kim loại cơ bản, chẳng hạn như vanadi và vonfram, không có độ bền nhiệt cao nhưng rẻ hơn và hoạt động rất tốt ở phạm vi nhiệt độ được áp dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng nồi hơi công nghiệp và tiện ích. Độ bền nhiệt đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng SCR ô tô kết hợp việc sử dụng bộ lọc hạt diesel với quá trình tái sinh cưỡng bức. Chúng cũng có khả năng xúc tác cao để oxy hóa SO2 thành SO3, chất này có thể cực kỳ nguy hiểm do tính chất axit của nó.
Chất xúc tác Zeolite có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với chất xúc tác kim loại cơ bản; chúng có thể chịu được hoạt động kéo dài ở nhiệt độ 900 K (627 °C) và các điều kiện nhất thời lên tới 1120 K (847 °C). Zeolite cũng có khả năng oxy hóa SO2 thấp hơn và do đó làm giảm nguy cơ ăn mòn liên quan.
SCR zeolite trao đổi sắt và đồng đã được phát triển với hiệu suất gần tương đương với SCR vanadi-urê nếu tỷ lệ NO2 là 20% đến 50% tổng NOx. Hai loại hình dạng xúc tác phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là chất xúc tác tổ ong và chất xúc tác dạng tấm. Dạng tổ ong thường bao gồm một loại gốm ép đùn được áp dụng đồng nhất trên toàn bộ vật liệu mang hoặc phủ trên chất nền. Giống như các loại chất xúc tác khác nhau, cấu hình của chúng cũng có những ưu điểm và nhược điểm. Chất xúc tác dạng tấm có độ giảm áp suất thấp hơn và ít bị tắc nghẽn hơn so với loại tổ ong, nhưng lớn hơn và đắt hơn nhiều. Cấu hình tổ ong nhỏ hơn loại tấm nhưng có độ giảm áp suất cao hơn và cắm dễ dàng hơn nhiều. Loại thứ ba là tấm uốn, chỉ chiếm khoảng 10% thị trường ứng dụng trong nhà máy điện.
Chất khử
Một số chất khử chứa nitơ hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng SCR bao gồm amoniac khan, amoniac nước hoặc urê hòa tan. Tất cả ba chất khử đó đều được bán rộng rãi với số lượng lớn.
Amoniac khan có thể được lưu trữ dưới dạng chất lỏng ở áp suất khoảng 10 bar trong bình thép. Nó được phân loại là nguy hiểm khi hít phải, nhưng nó có thể được lưu trữ và xử lý một cách an toàn nếu tuân thủ các quy tắc và tiêu chuẩn được phát triển tốt. Ưu điểm của nó là không cần chuyển đổi thêm để hoạt động trong SCR và thường được các nhà khai thác SCR công nghiệp lớn ưa chuộng. Dung dịch amoniac trước tiên phải được làm bay hơi trước khi sử dụng, nhưng về cơ bản, nó an toàn hơn khi lưu trữ và vận chuyển so với amoniac khan. Urê là loại an toàn nhất để lưu trữ nhưng cần chuyển đổi thành amoniac thông qua quá trình phân hủy nhiệt. Khi kết thúc quá trình, khí thải đã được tinh chế sẽ được đưa đến nồi hơi, bình ngưng hoặc thiết bị khác hoặc thải vào khí quyển.
Hạn chế
Hầu hết các chất xúc tác đều có thời gian sử dụng hữu hạn do lượng chất gây ô nhiễm đã biết trong khí chưa được xử lý. Biến chứng đáng chú ý nhất là sự hình thành amoni sunfat và amoni bisulfate từ các hợp chất lưu huỳnh và lưu huỳnh khi sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao, cũng như quá trình oxy hóa SO2 thành SO3 và H2SO4 không mong muốn do xúc tác. Trong các ứng dụng sử dụng nồi hơi khí thải, ammonium sulfate và ammonium bisulfate có thể tích tụ trên các ống nồi hơi, làm giảm sản lượng hơi và tăng áp suất ngược khí thải. Trong các ứng dụng hàng hải, điều này có thể làm tăng nhu cầu về nước ngọt vì nồi hơi phải được rửa liên tục để loại bỏ cặn.
Hầu hết các chất xúc tác trên thị trường đều có cấu trúc xốp và hình dạng được tối ưu hóa để tăng diện tích bề mặt riêng của chúng. Độ xốp này mang lại cho chất xúc tác diện tích bề mặt cao cần thiết để giảm NOx. Tuy nhiên, bồ hóng, amoni sunfat, amoni bisulfate, hợp chất silica và các hạt mịn khác có thể dễ dàng làm tắc nghẽn lỗ thông khí. Thiết bị siêu âm và máy thổi bồ hóng có thể loại bỏ hầu hết các chất gây ô nhiễm này khi thiết bị đang hoạt động. Thiết bị cũng có thể được làm sạch bằng cách rửa bằng nước hoặc tăng nhiệt độ khí thải.
Điều đáng lo ngại hơn đối với hiệu suất của SCR là các chất độc, chúng sẽ làm suy giảm chất xúc tác về mặt hóa học hoặc chặn các vị trí hoạt động của chất xúc tác và khiến nó không hiệu quả trong việc khử NOx, và trong những trường hợp nghiêm trọng, điều này có thể dẫn đến amoniac hoặc urê bị oxy hóa và sau đó làm tăng lượng phát thải NOx. Những chất độc này là kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, halogen, phốt pho, lưu huỳnh, asen, antimon, crom, kim loại nặng (đồng, cadmium, thủy ngân, tali và chì) và nhiều hợp chất kim loại nặng (ví dụ oxit và halogenua).
Hầu hết các SCR đều yêu cầu điều chỉnh để hoạt động bình thường. Một phần của việc điều chỉnh liên quan đến việc đảm bảo phân phối amoniac hợp lý trong dòng khí và vận tốc khí đồng đều qua chất xúc tác. Nếu không điều chỉnh, SCR có thể thể hiện khả năng giảm NOx không hiệu quả cùng với hiện tượng trượt amoniac quá mức do không sử dụng hiệu quả diện tích bề mặt chất xúc tác. Một khía cạnh khác của việc điều chỉnh liên quan đến việc xác định lưu lượng amoniac thích hợp cho tất cả các điều kiện của quy trình. Dòng amoniac nói chung được kiểm soát dựa trên các phép đo NOx lấy từ dòng khí hoặc đường cong hiệu suất có sẵn từ nhà sản xuất động cơ (trong trường hợp tua bin khí và động cơ pittông).
Sự trượt amoniac là thuật ngữ công nghiệp chỉ amoniac đi qua SCR không phản ứng. Điều này xảy ra khi amoniac được bơm quá mức, nhiệt độ quá thấp để amoniac phản ứng hoặc chất xúc tác bị nhiễm độc. Trong các ứng dụng sử dụng cả SCR và máy lọc kiềm, việc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao cũng có xu hướng làm tăng đáng kể độ trượt của amoniac, vì các hợp chất như NaOH và Ca(OH)2 sẽ khử amoni sunfat và amoni bisulfat trở lại thành amoniac:
Nhiệt độ là hạn chế lớn nhất của SCR. Tất cả các động cơ đều có một khoảng thời gian trong quá trình khởi động, nơi nhiệt độ khí thải quá thấp và chất xúc tác phải được làm nóng trước để đạt được mức giảm NOx mong muốn khi động cơ khởi động lần đầu, đặc biệt là ở vùng khí hậu lạnh.
Tầm quan trọng của SCR
Công nghệ SCR rất quan trọng trong việc tuân thủ quy định và bảo vệ sức khỏe cộng đồng cũng như môi trường. Bằng cách giảm đáng kể lượng khí thải NOx, hệ thống SCR giúp ngăn chặn sự hình thành tầng ozone và các hạt mịn trên mặt đất, gây nguy hiểm cho sức khỏe hô hấp.
