Hệ Thống Đo Khí Thải Trong Nhà Máy Nhiệt Điện

CEMS (Continuous Emission Monitoring System) là một hệ thống bao gồm các bộ phân tích khí, hệ thống lấy mẫu khí thải, thiết bị đo nhiệt độ, lưu lượng khí thải, độ bụi, độ đục, được tích hợp với hệ thống thu thập dữ liệu DAQ để lưu trữ kết quả đo của nguồn phát thải ra môi trường. Hệ thống lưu trữ và cung cấp khí phát thải của nhà máy để làm căn cứ xác định việc phát thải của nhà máy dưới mức giới hạn cho phép. Thông thường hệ thống CEMS được tích hợp bởi nhiều thiết bị đo khác nhau của nhiều hãng khác nhau, bởi vì không có một hãng nào sản xuất tất cả các thiết bị sử dụng trong hệ thống này.

Việc đo và giám sát khí thải nhà máy nhiệt điện có tầm quan trọng đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và các cam kết quốc tế. Năm 2015, Bản Thỏa thuận chống biến đổi khí hậu toàn cầu đã được chính thức thông qua tại Hội nghị Thượng đỉnh Liên Hiệp Quốc COP21 ở Paris. Một trong những ngành công nghiệp chịu ảnh hưởng của nghị quyết quốc tế này là ngành nhiệt điện. Việc tìm hiểu về cấu trúc, nguyên lý làm việc, tiến tới thiết kế và xây dựng hệ thống đo và giám sát khí thải trong nhà máy nhiệt điện là cần thiết.

Việc đo khí thải giúp nhà máy nhiệt điện tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải được quy định bởi pháp luật. Theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 22 – 2009/BTNMT về khí phát thải trong nhà máy nhiệt điện, chỉ yêu cầu giám sát về nồng độ bụi, nồng độ khí NOx, nồng độ khí SO2 tối đa cho phép. Tuy nhiên, thực tế hệ thống CEMS hiện nay có thể đo và giám sát nhiều nồng độ khí khác nhau như CO, CO2, CH4, O2, SO2, NH3, HCL… Việc xác định vị đúng trí đặt đầu lấy mẫu khí thải trên ống khói và việc xác định đúng thiết bị đo ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác và tin cậy kết quả đo của hệ thống.

Độ chính xác của hệ thống đo khí thải chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Vị trí lấy mẫu, phương pháp lấy mẫu, chất lượng thiết bị đo, quy trình hiệu chuẩn và bảo trì đều đóng vai trò quan trọng. Sai sót trong bất kỳ yếu tố nào cũng có thể dẫn đến kết quả đo không chính xác, ảnh hưởng đến việc đánh giá và kiểm soát ô nhiễm.

Để đảm bảo tính ổn định và tin cậy của hệ thống CEMS, cần thực hiện các biện pháp bảo trì và hiệu chuẩn định kỳ. Việc kiểm tra, vệ sinh và thay thế các bộ phận hao mòn, cũng như hiệu chuẩn lại các thiết bị đo, giúp duy trì độ chính xác và giảm thiểu sai số. Ngoài ra, việc đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì cũng rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động đúng cách.

Việc đầu tư và vận hành hệ thống đo khí thải đòi hỏi một khoản chi phí đáng kể. Chi phí bao gồm chi phí mua thiết bị, lắp đặt, hiệu chuẩn, bảo trì và vận hành. Tuy nhiên, việc tuân thủ các quy định về khí thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường mang lại lợi ích lớn hơn về mặt kinh tế, xã hội và sức khỏe cộng đồng.

Với phương pháp trích mẫu CEMS, một phần khí thải của nhà máy được trích ra ở một vị trí xác định trên đường khí phát thải và đưa về bộ phận phân tích khí. Bộ phận xử lý và phân tích khí thải thường được đặt trong phòng với điều kiện làm việc về nhiệt độ, độ ẩm thích hợp. Ưu điểm là thiết bị phân tích được bảo vệ khỏi môi trường khắc nghiệt. Nhược điểm là cần hệ thống đường ống dẫn mẫu và xử lý mẫu phức tạp.

Phương pháp trích mẫu khí thải CEMS được chia ra làm ba loại sau: đo ướt (khí trích mẫu được giữ ở nhiệt độ cao và không cần tách hơi nước), đo khô (khí trích mẫu được làm khô trước khi đưa vào bộ phân tích) và pha loãng (khí thải được pha loãng với khí trơ trước khi phân tích). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Phương pháp đo trực tiếp CEMS sử dụng các cảm biến được lắp đặt trực tiếp trên đường ống khói để đo nồng độ khí thải. Ưu điểm là đơn giản, giảm thiểu sai số do quá trình xử lý mẫu. Nhược điểm là cảm biến phải chịu được điều kiện khắc nghiệt của môi trường công nghiệp.

Nguyên lý phân tích NDIR (Nondispersive Infrared) dựa trên khả năng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của các phân tử khí. Định luật Beer-Lambert mô tả mối quan hệ giữa độ hấp thụ ánh sáng và nồng độ khí. Các thiết bị NDIR sử dụng các bộ lọc quang để chọn lọc các bước sóng ánh sáng đặc trưng cho từng loại khí.

Phương pháp từ hóa dựa trên tính chất từ của phân tử oxy. Phương pháp điện hóa sử dụng các cảm biến điện hóa để đo nồng độ oxy dựa trên phản ứng oxy hóa khử. Cả hai phương pháp đều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống CEMS.

Để đảm bảo tính chính xác và so sánh được của kết quả đo, cần sử dụng các công thức tính toán và quy đổi để đưa kết quả về cùng một điều kiện tiêu chuẩn. Các yếu tố cần xem xét bao gồm nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và nồng độ oxy.

Sơ đồ tổng thể hệ thống CEMS nhà máy nhiệt điện MDII thể hiện cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống, bao gồm đầu lấy mẫu, bộ xử lý mẫu, bộ phân tích khí, hệ thống thu thập dữ liệu và hệ thống truyền thông.

Việc lựa chọn điểm đặt đầu lấy mẫu khí thải cần tuân thủ các yêu cầu về vị trí, số lượng điểm lấy mẫu và đảm bảo tính đại diện của mẫu khí. Vị trí đặt đầu lấy mẫu phải đảm bảo dòng khí ổn định và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài.

Các thiết bị chính trong hệ thống CEMS bao gồm đầu lấy mẫu, bộ xử lý mẫu, bộ phân tích khí (NOx, SO2, CO, O2...), thiết bị đo lưu lượng, thiết bị đo độ bụi và hệ thống thu thập dữ liệu. Mỗi thiết bị có chức năng riêng và đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và tin cậy của hệ thống.

Sự phát triển của cảm biến MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) cho phép tạo ra các cảm biến khí thải nhỏ gọn, độ chính xác cao và tiêu thụ ít năng lượng. Các cảm biến này có thể được tích hợp vào các thiết bị di động hoặc mạng cảm biến không dây để giám sát khí thải một cách linh hoạt và hiệu quả.

Trí tuệ nhân tạo (AI) có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu CEMS một cách thông minh và tự động. AI có thể phát hiện các xu hướng, dự đoán các sự cố và tối ưu hóa các quá trình hoạt động của nhà máy để giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao hiệu quả.

Kết nối Internet of Things (IoT) cho phép giám sát khí thải từ xa theo thời gian thực. Dữ liệu CEMS được truyền tải qua mạng Internet đến các trung tâm điều khiển và quản lý, cho phép các nhà quản lý môi trường theo dõi và kiểm soát ô nhiễm một cách hiệu quả.