Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế hệ thống giám sát liên tục nồng độ khí thải của Nhà máy xi măng

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Thiết kế hệ thống giám sát liên tục nồng độ khí thải của Nhà máy xi măng" là nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát liên tục các thông số môi trường của nhà máy xi-măng. Hệ thống có khả năng lưu trữ, gửi thông tin báo cáo về trung tâm qua Internet sử dụng công nghệ 3G, 4G.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế hệ thống giám sát liên tục nồng độ khí thải của Nhà máy xi măng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------------------------- Lê Ngọc Thành Vinh THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT LIÊN TỤC NỒNG ĐỘ KHÍ THẢI CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường HÀ NỘI - 2018
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 4 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... 8 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 9 Chương 1 - TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ THÀNH PHẦN KHÍ PHÁT THẢI ....................................................................................................... 12 1.1 Thực trạng nhà máy sản xuất xi-măng ở Việt Nam hiện nay ................................................. 12 1.2 Công nghệ sản xuất xi-măng và phương pháp kiểm soát, giảm thiểu khí phát thải ............... 13 Chương 2 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO KHÍ THẢI CHÍNH ........ 19 2.1 Nguyên lý đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi-măng ................................................. 19 2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi-măng .............. 20 Chương 3 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN NỀN TẢNG IoT PHÙ HỢP CHO HỆ THỐNG ..................................................................................................................... 29 3.1 Khái niệm chung về IoT ......................................................................................................... 29 3.2 Các mô hình IoT thông thường .............................................................................................. 31 3.3 Lựa chọn mô hình IoT phù hợp cho hệ thống quan trắc môi trường Nhà máy Xi-măng ....... 35 Chương 4 - THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG GIÁM SÁT KHÍ THẢI ........... 37 4.1 Phân tích hệ thống .................................................................................................................. 37 4.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ................................................................................................ 38 4.3 Quy trình thiết kế phần cứng hệ thống ................................................................................... 39 4.4 Lựa chọn các thiết bị .............................................................................................................. 39 4.4.1 Cảm biến ......................................................................................................................... 40 4.4.2 Bộ xử lý tín hiệu đo ......................................................................................................... 42 4.3.3 Bộ hiển thị kết quả đo ..................................................................................................... 43 4.3.4 Bộ thu phát tín hiệu ......................................................................................................... 44 4.3.5 Bộ định dạng và lưu trữ thông tin ................................................................................... 45 4.4 Các sơ đồ đấu dây .................................................................................................................. 46 4.5 Quy trình thiết kế phần mềm hệ thống ................................................................................... 49 2
4.6 Lựa chọn phần mềm thực hiện ............................................................................................... 50 4. 7 Tải Thư viện cho các cảm biến ............................................................................................. 52 Chương 5 - KẾT QUẢ THU ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................ 56 5.1 Khi các thông số môi trường trong phạm vi cho phép ........................................................... 56 5.2 Khi có cảnh báo thông số vượt ngưỡng ................................................................................. 58 5.3 So sánh kết quả đo với hệ thống đo chuẩn và hiệu chỉnh thông số cảm biến ........................ 60 5.4 Đánh giá kết quả chung .......................................................................................................... 62 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................... 63 Kết luận: ....................................................................................................................................... 63 Hướng phát triển: ......................................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 65 PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG .............................. 68 3
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Thiết kế hệ thống giám sát liên tục nồng độ khí thải của Nhà máy xi măng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Học viên Lê Ngọc Thành Vinh 4
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là các thầy giáo, cô giáo thuộc Viện Điện. Chính các thầy giáo, cô giáo đã trang bị cho em những kiến thức quý báu trong thời gian em học tập, nghiên cứu, thực tập tại trường. Đồng thời em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường, người đã chỉ dẫn tận tình, cho em những kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này đúng hạn. Thầy cũng là người luôn động viên, giúp đỡ em trong những thời điểm khó khăn nhất. Em xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp tại Phòng Cảm biến và thiết bị đo khí - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã giúp đỡ em trong việc chế tạo và thử nghiệm các thiết bị. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Nhà máy xi-măng Sông Thao đã tạo điều kiện cho em được khảo sát công nghệ sản xuất xi-măng hiện tại của Nhà máy và quan trắc môi trường tại đây. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè. Lời động viên tinh thần từ mọi người luôn là động lực để em tiến lên phía trước. 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các kí hiệu dùng trong Luận văn Ký hiệu Ý nghĩa % Tỷ lệ phần trăm (1/100) CO Khí độc Cacbon monoxit CO2 Khí Cacbonic H Độ ẩm (Humidity) NH3 Khí Amoniac NOx Khí độc NO, NO2,… Pin Chân thiết bị ppm Đơn vị đo nồng độ rất thấp, ppm = 1/1000000 = 10-6 T Nhiệt độ (Temperature) Danh mục các các chữ viết vắt trong Luận văn Chữ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa và thuật ngữ BTNMT Bộ tài nguyên và môi trường CCS Carbon Capture and Storage Hệ thống thu giữ và cất trữ carbon Devices Thiết bị Thiết bị chuyển đổi gói tín hiệu Gateway giữa hai mạng khác nhau IoT Internet of Things Internet vạn vật Selective non-catalytic Công nghệ xử lý NOx sau quá trình SNCR reduction cháy bằng phản ứng hóa học SSID Service Set Identifier Tên mạng Wi-Fi Server Máy chủ Giải pháp client - server cho phép Website Geographic quản lý, phân tích, cập nhật, phân WebGIS Information System phối thông tin bản đồ và GIS (hệ thông tin địa lý) trên mạng Internet 6
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi-măng _________________________________________________13 Bảng 2 - Bảng đấu dây Module cảm biến DHT-11 - Arduino ____________47 Bảng 3 - Bảng đấu dây Module cảm biến MQ7 - Arduino ______________48 Bảng 4 - Bảng đấu dây Module Micro SD - Arduino __________________48 Bảng 5 - Bảng đấu dây Module RTC BQ32000 - Arduino ______________48 Bảng 6 - Bảng đấu dây Module Sim 808 - Arduino ____________________49 Bảng 7 - Bảng so sánh Kết quả đo nhiệt độ (đơn vị: 0C) giữa thiết bị đo chuẩn và mạch chế thử ______________________________________________60 Bảng 8 - Bảng so sánh Kết quả đo độ ẩm (đơn vị: %) giữa thiết bị đo chuẩn và mạch chế thử _________________________________________________60 Bảng 9 - Bảng so sánh Kết quả đo nồng độ khí CO (đơn vị: ppm) giữa thiết bị đo chuẩn và mạch chế thử _______________________________________61 Bảng 10 - Bảng so sánh Kết quả đo nồng độ khí CO (đơn vị: ppm) giữa thiết bị đo chuẩn và mạch chế thử sau hiệu chỉnh hệ số cảm biến ____________61 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Mô hình điển hình về dây chuyền của một nhà máy sản xuất xi-măng............................... 15 Hình 2: Sơ đồ khối về hệ thống lò nung Clinker trong sản xuất xi-măng và các vị trí đo đạc, phân tích khí giúp vận hành lò. ................................................................................................................. 16 Hình 3: Đồ thị điển hình minh họa mối tương quan giữa tỷ lệ nhiên liệu/không khí (A/F) với sản phẩm các khí từ quá trình đốt cháy nhiên liệu ................................................................................. 20 Hình 4: Sơ đồ khối đề xuất về hệ phân tích khí giúp tối ưu hóa quá trình vận hành lò nung ủ Klinker.............................................................................................................................................. 22 Hình 5: Mô hình sử dụng cảm biến để điều khiển quá trình đốt cháy nhiên liệu: (a) chỉ sử dụng một loại cảm biến oxy, (b) kết hợp giữa cảm biến oxy và các cảm biến khí khác................................... 23 Hình 6: Đặc trưng hấp thụ bước sóng hồng ngoại của một số loại khí [18]. .................................. 24 Hình 7: Sơ đồ khối tổng thể cho cảm biến khí hấp thụ hồng ngoại cấu hình không tán sắc NDIR hai kênh thu IR. ...................................................................................................................................... 25 Hình 8: Cảm biến dùng cho thử nghiệm theo cấu hình không tán sắc (NDIR) sử dụng đầu thu hồng ngoại hai kênh đã tích hợp kính lọc quang ...................................................................................... 26 Hình 9: Hệ thử nghiệm hoạt động của cảm biến và bo mạch điện tử .............................................. 26 Hình 10: Đáp ứng điện áp (đã khuếch đại 10.000 lần) của hai đầu thu thermoplie khi cấp nguồn thế (5V) dạng xung vuông cho đèn dây tóc. ..................................................................................... 27 Hình 11: Sự phụ thuộc tuyến tính của Log(V o/Vg) vào nồng độ khí CO của cảm biến đã chế tạo. . 27 Hình 12 - Mô hình IoT kiểu kết nối trực tiếp với gateway. .............................................................. 32 Hình 13 - Mô hình IoT kiểu kết nối gián tiếp gateway. .................................................................... 33 Hình 14 - Mô hình IoT không sử dụng gateway. .............................................................................. 34 Hình 15 - Mô hình kết nối Internet của 3G. ..................................................................................... 34 Hình 16 - Các vị trí lắp đặt bộ đo bộ đo đạc nồng độ khí thải. ........................................................ 36 Hình 17 - Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống quan trắc khí thải............................................................ 38 Hình 18 - Quy trình thiết kế phần cứng hệ thống quan trắc khí thải ............................................... 39 Hình 19 - Module cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm: DHT- 11 ............................................................... 40 Hình 20 - Module cảm biến đo nồng độ khí CO: MQ7 .................................................................... 41 Hình 21 - Mạch đo nồng độ khí CO ................................................................................................. 41 Hình 22 - Bộ xử lý tín hiệu đo Arduino Uno U3 .............................................................................. 42 Hình 23 - Bộ hiển thị kết quả đo LCD 1206. ................................................................................... 43 Hình 24 - Bộ thu phát tín hiệu Module SIM 808. ............................................................................. 44 Hình 25 - Module thời gian thực BQ32000 ..................................................................................... 45 Hình 26 - Module thẻ nhớ Micro SD................................................................................................ 46 Hình 27 - Sơ đồ đấu dây bộ thiết bị đo đạc các thông số môi trường.............................................. 47 Hình 28 - Sơ đồ đấu dây bộ thiết bị đo đạc các thông số môi trường với bộ thu phát tín hiệu đã đo được.................................................................................................................................................. 49 Hình 29 - Quy trình thiết kế phần mềm hệ thống quan trắc khí thải................................................ 50 Hình 30 - Chu trình hoạt động của Arduino Ide .............................................................................. 51 Hình 31 - Cập nhật thư viện vào Arduino Ide .................................................................................. 52 Hình 32 - Hình ảnh hiển thị trên LCD khi nồng độ CO trong phạm vi cho phép ............................ 56 Hình 33 - Tin nhắn quan trắc môi trường gửi về khi có yêu cầu ..................................................... 56 Hình 34 - Các kết quả đo trên Serial Monitor của Arduino Ide ...................................................... 57 Hình 35 - Dữ liệu ghi lại trong thẻ nhớ dưới dạng file text ............................................................. 57 Hình 36 - Hình ảnh hiển thị trên LCD khi có cảnh báo nồng độ CO ở mức nghiêm trọng (>1000ppm) ..................................................................................................................................... 58 Hình 37 - Tin nhắn cấp báo rò rỉ khí CO ở mức nghiêm trọng (hệ thống tự động gửi) ..................... 59 Hình 38 - Tin nhắn cảnh báo nhiệt độ vượt ngưỡng (hệ thống tự động gửi) ................................... 59 Hình 39 - Tin nhắn cảnh báo độ ẩm vượt ngưỡng (hệ thống tự động gửi) ...................................... 59 8
MỞ ĐẦU - Lý do chọn đề tài: Nghị định 19/2015/NĐ-CP và Thông tư 31/2016/TT-BTNMT yêu cầu các doanh nghiệp sản xuất các sản phẩm có phát thải khí thải kể từ năm 2017 phải có hệ thống quan trắc đo đạc nồng độ khí phát thải và tự động báo cáo trực tuyến đến cơ quan quản lý nhà nước (Sở Khoa học và Công nghệ của tỉnh) phục vụ công tác quản lý và xử phạt (nếu có) [1,2], do trước đây việc kiểm tra xử lý thường dựa vào các thiết bị cầm tay và thực hiện không liên tục nên không đảm bảo tính khách quan. Tuy nhiên có một thực tế hiện nay là tính đến tháng 6/2018, chưa có doanh nghiệp Xi-măng nào đáp ứng được yêu cầu này. Đứng trước yêu cầu bức thiết ấy, Nhà máy sản xuất xi-măng Sông Thao đề nghị liên kết với Phòng Cảm biến và thiết bị đo khí - Viện Khoa học vật liệu xây dựng hệ thống tự động gửi Báo cáo tổng hợp chỉ tiêu, thông số về môi trường đến Sở Khoa học và Công nghệ theo yêu cầu của Sở, trong đó chú ý đến nồng độ khí CO là loại khí độc hại nhất và có liên quan đến lượng than đá sử dụng (các loại khí khác hoàn toàn tương tự). Dự án này hiện đang được xúc tiến đàm phán. Với lý do trên, học viên đã lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát liên tục nồng độ khí thải của Nhà máy xi măng”. - Lịch sử nghiên cứu: Như đã nói ở trên, tính đến tháng 6/2018, chưa có doanh nghiệp Xi măng nào tại Việt Nam lắp ráp hệ thống này, khi Cơ quan quản lý Nhà nước kiểm tra thì các doanh nghiệp thường chấp nhận chịu phạt. Một số nhà máy Xi-măng hiện nay đã lên phương án nhập khẩu toàn bộ hệ thống này và dự kiến sẽ lắp đặt vào cuối năm 2019 [8]. Tuy nhiên về nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thì chưa có doanh nghiệp hay tổ chức nào công bố và cũng chưa có cơ quan quản lý Nhà nước nào thẩm định chất lượng của hệ thống này tại Việt Nam. 9
- Mục đích nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát liên tục các thông số môi trường của nhà máy xi-măng. Hệ thống có khả năng lưu trữ, gửi thông tin báo cáo về trung tâm qua Internet sử dụng công nghệ 3G, 4G. Xây dựng hệ thống tự động gửi Báo cáo tổng hợp chỉ tiêu các thông số môi trường từ Nhà máy sản xuất xi-măng đến cơ quan quản lý nhà nước (Sở Khoa học và Công nghệ của tỉnh). Để chứng minh tính khả thi của nghiên cứu thiết kế trên, học viên chế tạo mô hình thử nghiệm đo đạc nồng độ khí CO (một trong hai loại khí phát thải quan trọng nhất của Nhà máy xi-măng - loại khí còn lại là NOx có thể thực hiện một cách tương tự), cùng hai kênh đo mở rộng là nhiệt độ, độ ẩm và chuyển số liệu đã đo được đến số điện thoại cần kiểm tra dưới dạng tin nhắn khi có yêu cầu; tự động gửi khuyến cáo, cảnh báo khi thông số môi trường mất an toàn. - Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới: Mô hình thử nghiệm đã chế tạo có khả năng nhận thông tin đo đạc, tự động tạo file tổng hợp về nồng độ khí CO, nhiệt độ, độ ẩm, chuyển được thông tin đã tổng hợp đến số điện thoại qua tin nhắn theo yêu cầu, chẳng hạn theo định kỳ (ngày/lần, giờ/lần,…), hay theo các mức cảnh báo. Luận văn minh chứng rằng có thể thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát liên tục các thông số chính của môi trường tại Nhà máy xi-măng ngay tại Việt Nam, là lựa chọn có thể chấp nhận được đủ đáp ứng Nghị định 19/2015/NĐ-CP và Thông tư 31/2016/TT-BTNMT trước khi được nghiên cứu mở rộng và hoàn thiện để có thể thay thế hệ thống ngoại nhập vốn rất đắt tiền và không chủ động được về mặt thiết kế, chế tạo và bảo hành. - Phương pháp nghiên cứu. + Cách tiếp cận đề tài là bắt nguồn từ bài toán cấp bách trong thực tế về giám sát liên tục các thông số chính của môi trường tại Nhà máy xi-măng. Luận văn 10
sẽ giải quyết bài toán đó từ nghiên cứu chế tạo hệ thống đo đạc các thông số môi trường, khả năng lưu trữ thông số đã đo được và gửi về trung tâm qua Internet. Đây là các vấn đề nghiên cứu kết hợp giữa khoa học nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến các chuyên gia vận hành thực tế trong sản xuất công nghiệp. Luận văn đi từ tiếp cận một cách tổng quát, hệ thống các vấn đề khoa học công nghệ liên quan đến tiếp cận từ thực trạng và các vấn đề cụ thể, sau đó là tiếp cận trên cơ sở kế thừa từ một số lĩnh vực nghiên cứu sau: +) Nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu. +) Nghiên cứu trong lĩnh vực linh kiện cảm biến khí. +) Nghiên cứu trong lĩnh quang học, quang phổ. +) Nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử, vi điều khiển cho chế tạo các thiết bị phân tích và thiết bị hệ thống. +) Triển khai các hệ thống thiết bị phân tích, cảnh báo khí. +) Nghiên cứu công nghệ IoT. + Phương pháp nghiên cứu: +) Nghiên cứu đặc trưng cơ bản của cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm. +) Nghiên cứu đặc trưng cơ bản của cảm biến đo khí, đặc biệt lưu ý khí CO. +) Nghiên cứu các đặc trưng nhạy khí của linh kiện cảm biến, thiết bị phân tích khí. +) Nghiên cứu kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý cho chế tạo các thiết bị đo, thiết bị phân tích và thiết bị truyền dẫn, thu nhận và hiển thị. +) Đánh giá, so sánh kết quả phân tích khí đối chứng với thiết bị đo khí chuyên dụng và hiệu chỉnh cảm biến, hiệu chỉnh phần mềm. +) Thống kê, phân tích, đánh giá lại hệ thống đo sau khi hiệu chỉnh. +) Nghiên cứu công nghệ IoT, thiết kế, lắp ráp thiết bị thử nghiệm. +) Đánh giá hiệu quả của hệ thống IoT đã chế thử bằng thực nghiệm. +) Thống kê, phân tích, đánh giá lại toàn hệ thống IoT sau khi hiệu chỉnh. 11
Chương 1 - TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ THÀNH PHẦN KHÍ PHÁT THẢI 1.1 Thực trạng nhà máy sản xuất xi-măng ở Việt Nam hiện nay Hiện tại, Việt Nam có trên 100 nhà máy sản xuất xi-măng với phần lớn có công suất cỡ trung bình và nhỏ (
đây phần nhiều dựa vào các tham số kinh nghiệm của người vận hành thông qua các tham số khác như nhiệt độ, áp suất, màu sắc và trạng thái đốt trong hệ thống, độ mở của các van gió,… do vậy dẫn đến kém chính xác hoặc không đáp ứng trực tiếp kịp thời, nhất là đối với hệ thống đã cũ. Đối với Việt Nam, chỉ số về tiêu thụ năng lượng nhiệt từ than trong sản xuất xi-măng trung bình có thể dao động trong khoảng từ 820-1000 kCal./1 kg Clinker. Ngoài ra, theo khuyến cáo từ các hãng thiết bị thì việc cải tạo hoặc nâng cấp công đoạn nung Clinker có thể tiết kiệm nhiệt năng khoảng 15÷20 kCal./1 kg Clinker và 3÷5 kWh điện năng/tấn xi-măng. Việc phân tích được các chỉ số khí thải giúp cho điều khiển và vận hành lò nung ủ Clinker là giải pháp tốt và phù hợp để tiến đến được chỉ tiêu Quốc tế. Vì vậy, đây là bài toán thực tế cần giải quyết và có thể thực hiện đem lại những ý nghĩa về kinh tế- xã hội liên quan đến tiết kiệm năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường. [4] 1.2 Công nghệ sản xuất xi-măng và phương pháp kiểm soát, giảm thiểu khí phát thải Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các nhà máy xi-măng; lượng khói bụi và khí thải độc hại phát thải vào môi trường ngày càng nhiều. Để hạn chế tình trạng đó, các quy định về môi trường ngày càng trở nên nghiêm ngặt và các Nhà máy sản xuất xi-măng đã đưa ra các nghị quyết, chỉ thị về việc giảm phát thải trong các nhà máy xi-măng. Việc giảm phát thải chất khí độc hại vào môi trường đang trở thành một nhu cầu cần thiết. Theo QCVN 23:2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp sản xuất xi-măng, ban hành ngày 16/11/2009, mục 2 quy định sau: [3] TT Thông Nồng độ số A B1 B2 1 Bụi tổng 400 200 64 2 CO 1000 1000 500 3 NOx 1000 1000 1000 4 SO x 1500 500 500 Bảng 1: Nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi-măng 13
Trong đó: Cột A quy định nồng độ C cúa các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi mǎng làm cơ sở tính toán nồng độ tối đa cho phép đối với các dây chuyền sản xuất của nhà máy hoạt động trước ngày 16/01/2007 đến 01/11/2011. Cột B1 quy định nồng độ C cúa các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi mǎng làm cơ sở tính toán nồng độ tối đa cho phép đối với các dây chuyền sản xuất của nhà máy hoạt động trước ngày 16/01/2007 đến 31/12/2014. Cột B2 quy định nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi mǎng làm cơ sở tính toán nồng độ tối đa cho phép đối với: + Các dây chuyền xây dựng mới hoặc cải tạo, chuyển đổi công nghệ. + Tất cả các dây chuyền sản xuất của nhà máy xi mǎng kể từ 01/01/2015. Đối với việc kiểm soát đơn lẻ từng loại khí phát thải cụ thể, người ta sử dụng các phương pháp xử lý riêng cho mỗi loại khí thải đó. Chẳng hạn với NOx là chất khí đặc biệt nguy hại ảnh hưởng trực tiếp đến con người và môi trường. Hiện nay, các hệ thống lọc bụi thông thường chỉ có thể kiểm soát được hàm lượng bụi. Do đó, để giảm thiểu phát thải NO x độc hại cần có những biện pháp công nghệ phù hợp. Hai loại công nghệ kiểm soát và hạn chế NO x trong các Nhà máy sản xuất xi- măng hiện nay thường dùng là công nghệ SCR (xử lý NO x sau quá trình cháy bằng phản ứng hóa học, mục tiêu cuối cùng của phản ứng là tạo ra những sản phẩm không độc hại) và công nghệ SNCR (sử dụng NH 3 hoặc Urea để loại bỏ NOx với nguyên tắc hoàn toàn tương tự như công nghệ SNCR, tuy nhiên, một điểm khác biệt của phương pháp này là sử dụng chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng hóa học giữa dung môi và NOx và cho phép phản ứng xảy ra ở ngay cả điều kiện nhiệt độ thấp). [11,12] Với khí thải CO 2, các Nhà máy có thể giữ lại sau khi chúng được tạo ra thông qua hệ thống thu giữ và cất trữ carbon (CCS). Công nghệ này hiện đã được sử dụng trong một số nhà máy điện, ngoài ra còn sử dụng trong sản xuất bê tông. Thông qua quá trình bão hòa cacbonic tăng tốc, CO2 thâm nhập vào bê tông và phản ứng với canxi hydroxit khi gặp nước để tạo thành canxi carbonat; kết quả là việc thu 14
giữ CO2 ổn định, dài hạn. Là một công nghệ để giảm nhẹ, có thể đạt được quá trình bão hòa carbonat tăng tốc bằng cách phơi bê tông trộn tươi để thải các chất khí có nồng độ CO2 cao. [13,14] Đối với khí CO, hiện chưa có công nghệ kiểm soát và hạn chế hữu hiệu. Biện pháp hiệu quả nhất là đo và phân tích chính xác nồng độ khí CO tại tháp nung sơ bộ , từ đó điều chỉnh lượng nhiên liệu vào phù hợp. Về mặt tổng thể, việc áp dụng công nghệ sản xuất hiện đại là biện pháp hàng đầu để giải quyết việc kiểm soát, giảm thiểu hầu hết các loại khí phát thải. Công nghệ sản xuất xi-măng tiên tiến và phổ biến nhất hiện nay trên thế giới là công nghệ lò quay sản xuất xi-măng Portland. Cấu hình trong dây chuyền sản xuất xi-măng điển hình được thể hiện trên Hình 1, cho thấy gồm nguyên liêu ban đầu là đá và phối liệu được trộn và trải qua các quá trình nung ủ trong lò sử dụng nhiên liệu than. Hình 1: Mô hình điển hình về dây chuyền của một nhà máy sản xuất xi-măng Từ nguyên liêu ban đầu (đá vôi, đất sét) và phối liệu được trộn, tiếp đến trải qua các quá trình nung ủ trong các hệ thống lò. Ở đó, có nhiều điểm phát thải khí ra 15
môi trường và nhiều vị trí cần đo đạc và phân tích khí. Có thể thấy các loại khí chính từ quá trình sản xuất xi-măng là O2, CO 2, CO, NO x, HC, SO2, v.v… Trong hệ thống sản xuất xi-măng, công đoạn nung ủ phối liệu thành Clinker là quan trọng nhất. [10] Hình 2 sau đây thể hiện sơ đồ khối điển hình về hệ thống lò nung Clinker theo kiểu lò quay ngang. Hình 2: Sơ đồ khối về hệ thống lò nung Clinker trong sản xuất xi-măng và các vị trí đo đạc, phân tích khí giúp vận hành lò. Nguồn vật liệu ban đầu (đá vôi, đất sét, …) được đưa vào hệ thống tháp nung từ trên cao (vị trí 1); vật liệu nguồn sẽ qua các tháp (5 tầng) được sấy, nung sơ bộ sau đó chuyển vào hệ thống lò quay để nung chảy hỗn hợp nguyên vật liệu; sau đó hỗn hợp này được làm nguội để có được thành phẩm là Clinker. Trong khi đó, nhiên liệu đốt (than bột) được phun vào buồng đốt (lò quay) tại các vị trí 4. Năng lượng nhiệt từ đốt than sinh ra được luân chuyển trong toàn hệ 16
thống (lưu chuyển khí nóng ngược với nguồn nguyên liệu trong hệ thống). Hệ thống phân tích khí được xem là công cụ hữu hiệu được sử dụng khá phổ biến trên thế giới trong sản suất xi-măng. Với những công nghê lò hiện đại, công suất lớn, hệ thống phân tích khí có thể được lắp đặt tại nhiều vị trí. Tuy vậy, khu vực quan trọng nhất cần có để phục vụ vận hành tối ưu và phòng chống cháy nổ thường được áp dụng là khu vực đầu lò quay (ví trí 3). Ngoài ra, phân tích khí ở tháp trao đổi nhiệt - tháp nung sơ bộ (ví trí 2) cũng là tham số khá hiệu quả liên quan đến quá trình nung sấy nguồn nguyên liệu đầu vào cho Clinker. Nếu toàn bộ hệ thống phân tích khí làm việc tốt, người vận hành sẽ nắm bắt được tình trạng của lò nung và duy trì lò nung hoạt động ở trạng thái tốt nhất; giám sát kịp thời quá trình tắc tháp. Việt Nam cũng như trên thế giớiđã có nhiều nhà máy đã bị cháy nổ hệ lọc bụi tĩnh điện và nổ tháp trao đổi nhiệt, gây chết người và thiệt hại rất lớn trong sản xuất, vì vậy đưa hệ thống phân tích khí vào danh mục an toàn mang tính bắt buộc trong sản xuất xi-măng là cần thiết. Các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao luôn có trong môi trường khí phát thải. Vì vậy, việc phân tích từng loại khí trong môi trường này là rất phức tạp, đòi hỏi những thiết bị, công nghệ hiện đại và phù hợp. Trên thế giới, hệ phân tích khí có thể chia theo hai yêu cầu: Một là, đo đạc và phân tích chính xác các loại khí phát thải từ quá trình sản xuất ra môi trường không khí (thường đi kèm công nghệ rất đắt tiền hơn, chi phí vận hành bảo dưỡng lớn - Hệ quan trắc khí thải), theo hướng này chủ yếu đáp ứng cho yêu cầu pháp lý hay quản lý của nhà nước, và thường được áp dụng ở các nước tiên tiến, còn ở Việt Nam sẽ có quy định yêu cầu trang bị hệ thống quan trắc khí thải trực tuyến (online) trong các nhà máy sản xuất, muộn nhất là đầu năm 2019; Hai là, phân tích một số loại khí (gồm O2, CO, CO2, NOx, và HC) để giúp điều khiển quá trình đốt cháy tối ưu nhiên liệu và an toàn trong vận hành, do vậy cấp độ phân tích nồng độ khí có độ chính xác ở mức độ vừa phải, dải nồng độ đo của các khí thường khá lớn. Ngoài ra, việc tối ưu hóa được quá trình đốt cháy giảm tiêu hao nhiên liệu cũng đồng nghĩa với việc giảm khí phát thải độc hại, do sử dụng ít nhiên liệu và năng lượng. Như vậy, Nhà máy sản xuất xi-măng sẽ có nhiều điểm phát thải khí ra môi trường, trong đó các loại khí chính trong môi trường khí thải là CO, CO2, NO x và 17
khí O2, trong đó CO là khí đặc biệt nguy hiểm. Do đó cần xây dựng hệ thống quan trắc khí thải liên tục trong các nhà máy sản xuất xi măng, bắt đầu từ năm 2017 để đáp ứng Nghị định 19/2015/NĐ-CP và Thông tư 31/2016/TT-BTNMT [1,2]. Tuy nhiên như đã nói ở trên, tính đến tháng 6/2018, chưa có nhà máy nào đáp ứng được yêu cầu ấy, trong đó có Nhà máy sản xuất xi-măng Sông Thao. Các doanh nghiệp vẫn phải xin lùi thời hạn thực hiện lắp đặt hệ thống này. Trong các khí phát thải kể trên, khí thải CO là đáng ngại nhất, không chỉ bởi khí này có mặt ở tất cả mọi nơi trong hệ thống sản xuất xi-măng mà độ nguy hiểm của nó cũng cao nhất trong các loại khí thải của hệ thống, chỉ cần nồng độ CO ở mức 1000ppm (hay 0,1%) là có thể gây chết người trong vòng 1 phút, vì vậy đây chính là thông số quan trắc cần chú ý nhất. Bên cạnh đó các yếu tố môi trường khác như Nhiệt độ, Độ ẩm cũng được chú trọng vì nó có thể là hệ quả của sự ô nhiễm môi trường do sản xuất xi-măng gây ra và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người. Đề tài này sẽ quan trắc ba thông số kể trên, giúp cơ quan chức năng có thể giám sát liên tục, đưa ra những xử phạt và định hướng kịp thời một cách chính xác, đảm bảo khách quan. 18
Chương 2 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO KHÍ THẢI CHÍNH 2.1 Nguyên lý đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi-măng Để hạn chế tối đa việc sinh ra các khí phát thải đã nêu ở chương 1, theo góc độ khoa học công nghệ, cần kiểm soát và điều khiển các thông số đầu vào gồm lượng khí O 2 và nhiên liệu phù hợp nhằm tăng đạt được quá trình đốt cháy tối ưu gồm nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn nhưng lại phải đảm bảo về lượng khí thải độc hại (CO, CO2, NOx). Cụ thể các vấn đề khoa học ở đây theo cơ chế như sau: quá trình đốt cháy nhiên liệu mà có lượng khí oxy dư so với điều kiện cần thiết cho phản ứng cháy thì sẽ sinh ra đáng kể các sản phẩm khí rất độc hại gồm NO và NO 2, do ở nhiệt độ cao ở trong vùng đốt cháy nhiên liệu thì lượng khí oxy (O 2) dư thừa sẽ phản ứng với khí nitơ (N 2) trong buồng đốt theo phương trình hóa học là N2 + O2 → NOx; trong trường hợp ngược lại, lượng khí O2 đưa vào ít hơn (hay là thừa nhiên liệu) so với điều kiện cần cho phản ứng đốt cháy hoàn toàn thì sản phẩm của quá trình đốt cháy sẽ chứa nhiều khí monoxit cacbon (CO), điều này đồng nghĩa với việc sử dụng nhiên liệu kém hiệu quả, lãng phí và cũng gây ô nhiễm môi trường do khí CO là loại khí độc. [5,6] Một ví dụ điển hình minh họa về mối tương quan giữa các khí phát thải theo tỷ lệ “không khí (chứa oxy)”/“nhiên liệu trong buồng đốt” (A/F - viết tắt từ Air/Fuel) của Nhà máy sản xuất xi măng được trình bày trên Hình 3. Từ kết quả này cho thấy có thể chia làm ba vùng: (1) “Rich” hay tương ứng A/F
Như vậy, nếu chúng ta biết được nồng độ các khí điển hình phát thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu là O 2, CO, CO2, NO x và HC thì chúng ta có thể biết được quá trình cháy nhiên liệu có tối ưu hay không. Cũng từ nồng độ các khí thải phân tích được chúng ta có thể điều khiển được lượng nhiên liệu đầu vào một cách hợp lý. Hình 3: Đồ thị điển hình minh họa mối tương quan giữa tỷ lệ nhiên liệu/không khí (A/F) với sản phẩm các khí từ quá trình đốt cháy nhiên liệu Vì vậy đo lường các khí thải chính (CO, CO2 , NOx) và nồng độ O2, đặc biệt lưu ý đến khí độc CO trong quá trình đốt cháy là một việc hết sức quan trọng, kế đến là phân tích nồng độ các loại khí, tiến tới xây dựng phương án tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu. Việc tối ưu hóa được quá trình đốt cháy nhiên liệu cũng đồng nghĩa với giảm khí phát thải độc hại, do vậy việc này càng cần thiết phải thực hiện ngay. Tuy nhiên cần dựa vào thực tế để lựa chọn phương án phù hợp. [17,18] 2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi- măng Trên thực tế, các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao luôn có trong môi trường khí phát thải làm việc phân tích từng loại khí trong môi trường sản xuất xi-măng trở nên phức tạp, đòi hỏi những thiết bị, công nghệ hiện đại, có thể chia làm hai loại: 20