Ứng dụng nguyên lý đo tán xạ ánh sáng trong việc theo dõi và giám sát nồng độ bụi trong khói thải






KS. Vũ Tuấn Vinh

Nguyên lý này sử dụng hệ thống đầu đo quang học với hai đầu sensor phát và thu ánh sáng được phát vào vùng ống khói thải.  

Với nguyên lý này hãng Tanaka Electric Labotory – Nhật Bản đã nghiên cứu và chế tạo ra hệ thống đo và theo dõi nồng độ bụi trong khói thải DDM-fC, hiện đã và đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay trên khắp thế giới cho nhiều ngành công nghiệp nặng khác nhau. Đặc biệt là tại các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Nhật Bản,…những nước mà vấn đề bảo vệ môi trường không khí cũng như luật kiểm sóat ô nhiễm không khí được tuân thủ thực hiện một cách rất nghiêm ngặt.

Tại Việt Nam, hệ thống DDM-fC đã được lắp đặt và đi vào hoạt động ổn định tại Công ty Hữu hạn Xi măng Luks (Việt Nam).

Công ty Hữu hạn Xi măng Luks (Việt Nam) là Công ty 100% vốn nước ngoài của tập đoàn Luks Industrial Limited, hiện có trụ sở nhà máy đóng tại xã Tứ Hạ, huyện Hương Trà, tỉnh TT-Huế. Công ty hiện có 4 dây chuyền sản xuất (4 máy nghiền) xi măng với tổng công suất 2,5 triệu tấn xi măng/năm.



Hệ thống đo và theo dõi nồng độ bụi trong khói thải DDM-fC Hãng Tanaka được lắp đặt tại phần áp âm, trước quạt hút, sau lọc bụi túi nhà máy xi măng Luks- Huế.

Bài viết dưới đây xin được giới thiệu chi tiết các hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống DDM-fC tại nhà máy xi măng Luks Huế tại Việt nam cũng như nguyên lý tán xạ ánh sáng để các Quý độc giả tham khảo, đặc biệt là các cán bộ kỹ thuật, công nghệ các nhà máy xi măng, nhiệt điện, hóa chất – những nhà máy mà các hệ thống lọc bụi tĩnh điện ESP hay lọc bụi túi cũng như lượng khói bụi được khống chế phát thải ra môi trường luôn dành được sự quan tâm đặc biệt.

Tại nhà máy xi măng Luks (Việt Nam) quá quá trình khảo sát kỹ lưỡng tại hiện trường cũng như để có thể đưa ra các biện pháp kịp thời để xử lý các sự cố tại lọc bụi túi khi nồng độ bụi vượt quá giá trị cho phép, công ty VINTEC cùng chuyên gia hãng Tanaka- Nhật Bản đã lựa chọn lắp đặt hệ thống này tại vị trí phần áp âm, trước quạt hút, sau lọc bụi túi của nhà máy.



Công ty VINTEC cùng chuyên gia Hãng Tanaka- Nhật Bản thực hiện đào tạo, hướng dẫn kỹ thuật vận hành và bảo trì thiết bị cho các cán bộ kỹ thuật nhà máy xi măng Luks- Huế.



Chuyên gia Hãng Tanaka thực hiện calib thiết bị tại hiện trường



Hệ thống DDM-fC Hãng Tanaka đã được lắp đặt hoàn thành và đi vào họat động ổn định tại nhà máy xi măng Luks- Huế


Tìm hiểu về hệ thống theo dõi và giám sát nồng độ bụi trong khói thải DDM-fC...

Hình 1- Hệ thống theo dõi và giám sát nồng độ bụi DDM-fc

Hệ thống kiểm soát nồng độ bụi DDM-fC của Hãng Tanaka Electric Lab là hệ thống kiểm soát bụi thời gian thực hiệu suất cao, hệ thống này được thiết kế phù hợp với các điều kiện môi trường công nghiệp khắc nghiệt như nhiệt độ cao (820˚C), áp suất lớn (246 kPa), độ ẩm cao và môi trường nhiễm điện cao. Nó có thể đo nồng độ bụi xuống đến 1 mg/Nm3 theo quy định của Luật kiểm soát ô nhiễm không khí. Nó được thiết kế cả cho trường hợp làm việc độc lập và cho hệ thống giám sát liên tục CEMS (hệ thống giám sát khí phát thải liên tục).  

Các tín hiệu từ hệ thống này có thể dễ dàng kết nối tới hệ thống DCS (Hệ thống điều khiển phân tán). Hệ thống DDM-fC là một sản phẩm hoàn hảo và phù hợp cho cả việc lắp đặt mới hoặc thay thế cho hệ thống giám sát bụi không ổn định hiện có của các nhà máy.

Hệ thống DDM-fC bao gồm hệ thống đầu đo quang học, dây cáp quang, tủ điều khiển trung tâm, và hệ thống khí chèn làm sạch. Hệ thống đầu đo quang học sử dụng phương pháp tán xạ ánh sáng để đo chính xác nồng độ bụi bên trong ống khói. Hệ thống này có thiết kế rất độc đáo và sáng tạo để có thể hoạt động đo chính xác, tin cậy và với yêu cầu bảo trì thấp. Các bộ vi xử lý điều khiển cho trung tâm điều khiển chính phân tích các dữ liệu từ hệ thống đo quang học và truyền đi các tín hiệu cảnh báo tới hệ thống điều khiển phân tán (DCS) để kiểm soát toàn bộ nhà máy hoặc điều khiển hệ thống kiểm soát bụi như hệ thống lọc bụi túi hay bộ lọc bụi tĩnh điện ESP nhằm tránh ô nhiễm môi trường hoặc điều khiển các hệ thống để giảm thiểu các chi phí vận hành của nhà máy. Các dữ liệu phân tích có thể được truyền đến DCS để lưu trữ và sử dụng cho các phân tích trong tương lai.

Nguyên lý đo tán xạ ánh sáng của Tanaka Electrict Lab.

1)  Cơ sở lý thuyết:

•  SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG  

Chúng ta thường giả thiết rằng ánh sáng truyền trong môi trường đồng tính, tuy nhiên trong thực tế lại không có môi trường nào hoàn toàn đồng tính, mà bao giờ cũng xuất hiện độ chênh lệch của  mật độ, nhiệt độ do chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường. Trong môi trường như thế ánh sáng không những truyền thẳng mà còn theo các phương khác, tức là bị tán xạ. Ðó là sự tán xạ thường được gọi là tán xạ phân tử.

Một số môi trường còn có thể có các hạt lạ, mà chiết suất và hệ số hấp thụ của chúng khác với chiết suất và hệ số hấp thụ của các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên môi trường. Môi trường chứa các hạt lạ như vậy được gọi là môi trường vẩn đục và nó tán xạ ánh sáng theo mọi phương gọi là tán xạ bởi các hạt nhỏ hay là tán xạ Tyndall. Các hạt lạ đó có thể là các hạt rắn trong không khí như khói, bụi, các hạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo...Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng trong cả hai trường hợp trên đều là sự không đồng tính quang học của môi trường.  

Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ

Hiện tượng tán xạ ánh sáng trong môi trường vẩn đục đầu tiên được Tyndall nghiên cứu năm 1869 nên còn được gọi là hiện tượng Tyndall. Cho một chùm tia sáng song song đi qua một ống thủy tinh đựng nước tinh khiết.



Nếu quan sát theo phương OA (phương của chùm tia tới) sẽ thấy có ánh sáng; còn theo phương khác, chẳn hạn phương OB vuông góc với phương ánh sáng tới sẽ không nhìn thấy chùm tia sáng trong ống. Nước tinh khiết là môi trường đồng tính quang học, nên nó không tán xạ ánh sáng. Bây giờ nhỏ vài giọt sữa vào ống và lắc đều. Nhìn vào ống theo phương OB ta sẽ nhìn thấy ánh sáng trong ống. Vậy chất lỏng trong ống bây giờ là một môi trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi qua nó.  

Nghiên cứu hiện tượng tán xạ ánh sáng trong môi trường vẩn đục, chứa các hạt lạ có kích thước bé so với bước sóng của ánh sáng thấy được (0.2 – 0.1λ) và quan sát ánh sáng tán xạ theo các phương làm với phương của chùm tia tới những góc φ khác nhau. Tyndall đã rút ra được quy luật:

a.  Nếu chùm tia tới là ánh sáng trắng thì ánh sáng tán xạ theo phương làm với chùm tia tới một góc α ≠ 0 sẽ ngả về màu xanh lam, nói cách khác ánh sáng có bước sóng ngắn trong miền quang phổ thấy được sẽ bị tán xạ mạnh nhất.
b.  Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ làm với phương của chùm tia tới một góc 0 ˂ φ ˂ 90o bị phân cực một phần và theo phương vuông góc φ = 90o bị phân cực phẳng hoàn toàn (nếu các hạt tán xạ đẳng hướng). Vectơ điện E của ánh sáng tán xạ vuông góc với mặt phẳng chứa tia tới và phương quan sát.




2)  Hệ thống DDM-fC theo nguyên lý đo tán xạ ánh sáng
    (Tanaka Electric Laboratory Light Scattering Detector)




Hình 2- Sơ đồ nguyên lý đo tán xạ ánh sáng

Hệ thống sensor đo quang học gồm có các đầu sensor phát và thu ánh sáng tán xạ từ các hạt bụi trong ống khói, hai đầu sensor này được đặt theo phương vuông góc 90o với nhau. Phía đầu phát sẽ phát ánh sáng từ nguồn sáng halogen vào vùng bụi bên trong ống khói thải, theo nguyên lý tán xạ ánh sáng, các ánh sáng tán xạ phát ra từ các luồng hạt bụi này sẽ truyền tới đầu sensor quang ở phía đầu thu ánh sáng, và đưa tín hiệu này tới bảng mạch xử lý tín hiệu ở tủ điều khiển chính để xử lý thành các tín hiệu điện với rơ le đầu ra cảnh báo mất nguồn, cảnh báo báo lỗi khi bơm cấp khí chèn hỏng, hiển thị thông số nồng độ bụi trên màn hình LCD và đưa ra đầu ra cách ly 4~20mA để đưa tiếp về hệ DCS của nhà máy.

Nguyên lý đo tán xạ ánh sáng của Tanaka Electric Laboratory đảm bảo đưa ra được kết quả đo đáng tin cậy trong các điều kiện khắc nghiệt như khói bụi tích điện cao, khói có độ ẩm lớn và khói có vận tốc thường xuyên thay đổi. Diện tích khu vực đo bụi của thiết bị rộng theo cả ba chiều, bao gồm cả vùng diện tích rộng bên trong của ống khói và hệ thống đo quang học có độ nhạy rất cao. Nguyên lý đo tán xạ ánh sáng sử dụng bộ cảm biến quang học đảm bảo khả năng chống nhiễu rất tốt. Thiết kế độc đáo của hệ thống này thể hiện ở chỗ là tích hợp
hệ thống khí chèn giúp các đầu cảm biến luôn được làm sạch và do đó hầu như không cần bảo trì trong quá trình sử dụng. Ngoài ra, việc lắp đặt toàn bộ thiết bị cũng rất đơn giản. Thiết bị DDM-fC của Tanaka có ưu điểm hơn hẳn các thiết bị đo nồng độ bụi khác sử dụng các nguyên lý đo truyền thống là dùng điện cực (electrode method) hoặc phương pháp đo quang thấu (optical penetration method), cụ thể:

* Phương pháp đo bằng điện cực (Electrode method)



Hình 3- Hình ảnh mô tả thiết bị đo kiểu điện cực

Về mặt lý thuyết phương pháp đo bằng điện cực (electrode method) tương đối chính xác, tuy nhiên phương pháp này lại có những nhược điểm như:
-  Các tín hiệu  đầu ra thường bị nhiễu do  độ  ẩm và do  đó kết quả  đo nồng  độ bụi là không đáng tin cậy.  
-  Không phù hợp khi lắp đặt ở đầu ra của các bộ lọc bụi tĩnh điện ESP/ EP.
-  Không thể calib dải và điểm 0.

* Phương pháp đo quang thấu (Optical penetration method):


Hình 4- Hình ảnh mô tả nguyên lý đo theo phương pháp quang thấu

Phương pháp đo quang thấu (optical penetration method): cho luồng ánh sáng đi xuyên qua khói từ 1 phía của ống khói và nồng độ bụi sẽ tương ứng với cường độ hấp thụ lại ánh sáng đó ở đầu kia). Việc đầu tư cho thiết bị theo phương pháp này tương đối thấp, tuy nhiên lại gặp những nhược điểm như:
-  Thường phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của từng loại khói bụi.
-  Đòi hỏi 2 đầu thiết bị phía truyền và hấp thụ ánh sáng phải đồng trục
-  Diện tích vùng  đo theo phương pháp này thường rất nhỏ hẹp và do  đó thông số đo thường không chính xác.
-  Việc lắp đặt thiết bị rất khó khăn và công việc bảo trì phức tạp, tốn kém.

Lắp đặt rất dễ dàng và đơn giản



Bảo trì hệ thống rất dễ dàng và đơn giản




Hệ thống DDM-fC có thể được lắp đặt, hiệu chỉnh và bảo trì ngay cả trong khi nhà máy vẫn đang vận hành với bụi khói đang chạy trong ống khói. Việc này không hề ảnh hưởng đến việc sản xuất của nhà máy. Trong khi hầu hết các hệ thống đo kiểm soát bụi của các hãng khác đều cần phải dừng nhà máy mới có thể thực hiện được công việc lắp đặt và bảo trì.

Các lợi ích mang lại

Hệ thống kiểm soát nồng độ bụi của Tanaka Electric Laboratory không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, thể hiện trách nhiệm xã hội của các doanh nghiệp, mà còn mang lại những lợi ích như:
- Tăng hiệu suất hoạt động của các nhà máy.
- Giảm thiểu chi phí vận hành của bộ lọc bụi tĩnh điện (ESP).
- Tăng tuổi thọ làm việc của các thiết bị trong nhà máy.

Ngoài ra, còn có những lợi ích khác như:
- Giảm thiểu thời gian, chi phí lắp đặt.
- Giảm thiểu thời gian, chi phí bảo trì.

Phạm vi ứng dụng của thiết bị

Hệ thống kiểm soát nồng độ bụi DDM-fC  được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như:
- Nhà máy xi măng
- Nhà máy điện đốt than, dầu
- Nhà máy thép
- Nhà máy giấy và nguyên liệu giấy
- Nhà máy xử lý chất thải, lò đốt rác thải
- Lò hơi công nghiệp
- Lò hơi Biomass
- Nhà máy luyện kim nhôm

Sơ đồ nguyên lý:



Dưới đây là một số hình ảnh lắp đặt thực tế tại một số nhà máy:

DDM-fC tại nhà máy xi măng









DDM-fC tại nhà máy nhiệt điện đốt than



DDM-fC tại nhà máy điện chạy dầu




Thông số kỹ thuật của thiết bị

Tủ điều khiển chính
(1) Kết cấu: khung hộp lắp đặt ngoài trời
(2) Nguyên lý đo: tán xạ ánh sáng 90 độ
(3) Nguồn sáng: halogen
(4) Dải đo: từ 0 – 500 mg/Nm3 (dải đo có thể thay đổi được)
(5) Tín hiệu đầu ra: DC 4-20mA cách ly, RS-232C
(6) Màn hình hiển thị: dạng số 0 - 100%
(7) Tín hiệu cảnh báo: báo lỗi
(8) Hiệu chuẩn: điều chỉnh về 0 , Thay đổi lựa chọn bằng tay/tự động ; Điều chỉnh dải
(9) Nguồn cấp: AC100V±10% (50Hz/ 60Hz), 4A lấy từ hệ thống khí chèn
(10) Nhiệt độ làm việc: -10˚C ~ +50 ˚C
(11) Kích thước: 500 x 670 x 270mm
(12) Trọng lượng: ~ 45kg
(13) Màu sơn: Munsel 5Y7/1 G=40

Dây Cáp quang
(1) Kích thước: Ø4 x 4m (tiêu chuẩn)

Hệ thống đầu đo quang học
(1) Kích thước: 260 x 125 mm
(2) Trọng lượng: xấp xỉ 5 kg
(3) Vật liệu: thép không rỉ (SUS304)
(4) Trang bị bộ sấy khí để chống mờ thấu kính do hơi nước trong khí chèn.
(5) Mặt bích chữ nhật 200mm x 65mm để lắp trên đường ống.
(6) Đầu nối thiết bị chèn khí: đai ốc PT 1/4"

Tủ hệ thống khí chèn
(1) Chú ý lắp đặt:
Thiết bị này có thể dùng trong trường hợp áp lực của dòng bụi khói ngang bằng với áp suất khí quyển hoặc ở áp suất âm.
(2) Lưu lượng khí cấp: xấp xỉ 100 lít/phút
(3) Tín hiệu cảnh báo: báo lỗi khi bơm cấp khí hỏng
(4) Nguồn cấp: AC220V±10% (50Hz/ 60Hz), Công suất 1KVA
(5) Nhiệt độ làm việc: -10 ˚C ~ +50 ˚C
(6) Kích thước: 530 mm x 504 mm x 322mm
(7) Trọng lượng: ~ 35kg

No. of read: 1435
Send via email Print
  Others:
   FCI MT Series Multi-Point – Giải pháp lý tưởng cho việc kiểm soát lưu lượng khí thải liên tục trong hệ thống CEMS ( 26/9/2017 )
   Giải pháp kiểm soát nồng độ bụi trong các nhà máy công nghiệp ( 26/9/2017 )
   ST100 SERIES, LƯU LƯỢNG KẾ CAO CẤP THEO CÔNG NGHỆ PHÂN TÁN NHIỆT - NHỮNG ĐỘT PHÁ THIẾT KẾ TRONG LĨNH VỰC ĐO LƯỜNG LƯU LƯỢNG KHÍ TRONG THẾ KỶ 21 ( 2/8/2017 )
   FCI - Công nghệ tạo nên thương hiệu sản phẩm ( 22/7/2010 )
   ST51: Lưu lượng kế đo lường khí metan mỏ than của FCI ( 22/7/2010 )
   FCI-GF90 Giải pháp đo lưu lượng khí cho nhà máy lọc dầu, nhà máy điện và hóa chất ( 22/7/2010 )
   GF90: Giải pháp đo lưu lượng khí/gas với độ chính xác cao cho việc giám sát lỗ thông khí ở các nhà máy lọc dầu ( 22/7/2010 )
   So sánh giữa công nghệ đo chênh áp và công nghệ phân tán nhiệt trong việc lựa chọn đo lưu lượng khí ( 21/7/2010 )
   Đo mức/ giao diện chất lỏng trong kiểm soát chất lỏng sệt/ chất tạo kết tủa ( 21/7/2010 )
   FCI với các thiết bị và giải pháp bảo vệ bơm hữu hiệu trong các ngành công nghiệp trọng điểm ( 21/7/2010 )
   Giải pháp đo lưu lượng khí BIOGAS ( 21/7/2010 )
   Giải pháp FCI cho các quá trình công nghệ trong ngành công nghiệp giấy ( 21/7/2010 )
   Kiểm soát lưu lượng khí Ozone trong hệ thống xử lý nước thải ( 21/7/2010 )
   Giải pháp đo lường và kiểm soát lưu lượng cho các dây chuyền và phụ trợ ( 21/7/2010 )
   Nâng cao độ linh hoạt và đơn giản hóa việc bảo dưỡng thiết bị đo lưu lượng ( 20/7/2010 )
   Nâng cao độ chính xác trong đo lưu lượng và tiết kiệm trong vận hành ( 20/7/2010 )

3/ 106,377