Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động để nâng cao chất lượng vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động để nâng cao chất lượng vận hành hệ thống lọc, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Nguyễn Văn Tới
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Quang Đăng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Chẩn Đoán Lỗi Tự Động Cho Hệ Thống Lọc Bụi Tĩnh Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Nguyên nhân tạo thành bụi
• 1.3. Các phương pháp lọc bụi trong công nghiệp
• 1.3.1. Lọc bụi theo phương pháp trọng lực
• 1.3.2. Lọc bụi theo phương pháp ly tâm
• 1.3.3. Lọc bụi theo phương pháp ẩm
• 1.3.4. Lọc bụi theo phương pháp qua túi vải – màng vải
• 1.3.5. Lọc bụi tĩnh điện
• 1.4. Nguyên lý làm việc của bộ lọc bụi tĩnh điện
• 1.5. Lựa chọn loại điện áp các cực trong lọc bụi tĩnh điện
• 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện
• 1.7. Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
• 1.7.1. Mô tả chung
• 1.7.2. Thông số kỹ thuật
• 1.7.3. Một số lỗi trường lọc bụi
• 2. TỔNG QUAN VỀ HỌC MÁY
• 2.1. Giới thiệu về học máy
• 2.2. Phân loại các phương pháp học máy
• 2.2.1. Học không giám sát (Unsupervised Learning)
• 2.2.2. Học tăng cường (Reinforcement Learning)
• 2.3. Một số thuật toán học máy thông dụng
• 2.3.1. Phân cụm K-means (K-means Clustering)
• 2.3.2. Cây quyết định (Decision Tree)
• 3. THUẬT TOÁN CÂY QUYẾT ĐỊNH VÀ RỪNG NGẪU NHIÊN
• 3.1. Thuật toán ID3
• 3.2. Điều kiện dừng
• 3.3. Giới thiệu về phương pháp Ensemble Learning (Học cộng đồng)
• 3.4. Xây dựng thuật toán Random Forest
• 3.5. Đánh giá thuật toán Random Forest
• 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thu thập số liệu từ PLC
• 4.1.1. Giao thức truyền thông (Communiction)
• 4.1.2. Thu thập số liệu từ PLC
• 4.2. Môi trường và ngôn ngữ lập trình
• 4.3. Xây dựng chương trình
• 4.4. Một số mã lỗi thông dụng
• 4.5. Cấu trúc chương trình
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi tự động

Hệ thống chẩn đoán lỗi tự động cho hệ thống lọc bụi tĩnh điện là một giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình vận hành. Việc thiết kế hệ thống này không chỉ giúp phát hiện lỗi kịp thời mà còn tối ưu hóa quy trình vận hành, giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống này sử dụng các công nghệ hiện đại như học máy và cảm biến để thu thập và phân tích dữ liệu, từ đó đưa ra các cảnh báo và giải pháp kịp thời.

1.1. Giới thiệu về hệ thống lọc bụi tĩnh điện

Hệ thống lọc bụi tĩnh điện là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, giúp loại bỏ bụi và các hạt ô nhiễm từ khí thải. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý ion hóa và thu hút bụi bằng điện trường. Hiệu suất lọc bụi có thể đạt tới 99,5%, làm cho nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều nhà máy công nghiệp.

1.2. Tầm quan trọng của chẩn đoán lỗi trong hệ thống

Chẩn đoán lỗi trong hệ thống lọc bụi tĩnh điện là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn. Việc phát hiện sớm các lỗi có thể giúp ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tiết kiệm chi phí bảo trì.

II. Các thách thức trong vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện

Trong quá trình vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện, nhiều thách thức có thể phát sinh, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị. Những thách thức này bao gồm sự thay đổi của nồng độ bụi, độ ẩm, và nhiệt độ của khí thải. Ngoài ra, việc duy trì điện áp ổn định giữa các cực cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất lọc.

2.1. Ảnh hưởng của nồng độ bụi đến hiệu suất

Nồng độ bụi trong khí thải có thể thay đổi theo thời gian, ảnh hưởng đến khả năng thu gom bụi của hệ thống. Khi nồng độ bụi quá cao, thiết bị có thể bị tắc nghẽn, dẫn đến giảm hiệu suất lọc và tăng chi phí bảo trì.

2.2. Tác động của độ ẩm và nhiệt độ

Độ ẩm và nhiệt độ của khí thải cũng ảnh hưởng đến quá trình lọc bụi. Độ ẩm cao có thể làm giảm khả năng ion hóa, trong khi nhiệt độ quá cao có thể gây ra hiện tượng phóng điện không mong muốn, làm giảm hiệu suất của hệ thống.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi tự động

Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi tự động cho hệ thống lọc bụi tĩnh điện bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc thu thập dữ liệu đến phân tích và đưa ra cảnh báo. Sử dụng các thuật toán học máy, hệ thống có thể học từ dữ liệu lịch sử để cải thiện khả năng dự đoán và phát hiện lỗi.

3.1. Thu thập và phân tích dữ liệu

Quá trình thu thập dữ liệu từ các cảm biến trong hệ thống là bước đầu tiên và quan trọng. Dữ liệu này sẽ được phân tích để xác định các mẫu và xu hướng, từ đó giúp phát hiện lỗi kịp thời.

3.2. Ứng dụng thuật toán học máy

Các thuật toán học máy như cây quyết định và rừng ngẫu nhiên được sử dụng để phân tích dữ liệu và đưa ra dự đoán về hiệu suất của hệ thống. Những thuật toán này giúp cải thiện độ chính xác trong việc phát hiện lỗi và cảnh báo.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống chẩn đoán lỗi tự động có khả năng phát hiện lỗi với độ chính xác cao, giúp nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống lọc bụi tĩnh điện. Việc ứng dụng hệ thống này trong thực tiễn đã mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Đánh giá hiệu suất của hệ thống

Hệ thống chẩn đoán lỗi tự động đã được thử nghiệm và đánh giá trong môi trường thực tế. Kết quả cho thấy khả năng phát hiện lỗi sớm và chính xác, giúp người vận hành có thể can thiệp kịp thời.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc ứng dụng

Việc áp dụng hệ thống chẩn đoán lỗi tự động không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành. Điều này mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các nhà máy công nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ thống

Hệ thống chẩn đoán lỗi tự động cho hệ thống lọc bụi tĩnh điện đã chứng minh được tính hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tiễn. Trong tương lai, việc phát triển thêm các công nghệ mới và cải tiến thuật toán sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

5.1. Hướng phát triển công nghệ mới

Công nghệ chẩn đoán lỗi sẽ tiếp tục được cải tiến với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và học máy. Những công nghệ này sẽ giúp hệ thống ngày càng thông minh hơn và có khả năng tự động hóa cao.

5.2. Tương lai của hệ thống lọc bụi tĩnh điện

Hệ thống lọc bụi tĩnh điện sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Việc kết hợp với các công nghệ chẩn đoán lỗi tự động sẽ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm thiểu ô nhiễm không khí.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, ô nhiễm không khí do khí thải chứa bụi là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Tại Việt Nam, các quy chuẩn quốc gia như QCVN 19:2009/BTNMT và QCVN 23:2009/BTNMT đã được ban hành nhằm kiểm soát nồng độ bụi trong khí thải công nghiệp. Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện và sản xuất xi măng nhờ hiệu suất lọc bụi cao lên đến 99,8% và chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, hệ thống này thường gặp phải nhiều lỗi kỹ thuật như phóng điện vầng quang, tích tụ bụi trên điện cực, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền thiết bị.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động nhằm nâng cao chất lượng vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình học máy có khả năng dự đoán hiệu quả lọc bụi và phát hiện sớm các lỗi vận hành dựa trên dữ liệu thực tế thu thập từ PLC của nhà máy. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích các lỗi thường gặp, thu thập và trực quan hóa dữ liệu vận hành trong khoảng thời gian nhất định, áp dụng thuật toán học máy như cây quyết định và rừng ngẫu nhiên để huấn luyện mô hình dự đoán.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ người vận hành kiểm soát và tối ưu hóa hiệu suất thiết bị lọc bụi, giảm thiểu sự cố và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Kết quả dự kiến góp phần thúc đẩy ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa công nghiệp, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ môi trường theo quy định hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: nguyên lý hoạt động của hệ thống lọc bụi tĩnh điện và các thuật toán học máy trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo.

1. Nguyên lý lọc bụi tĩnh điện: Thiết bị lọc bụi tĩnh điện hoạt động dựa trên hiện tượng phóng điện corona âm, tạo ra ion âm tích điện cho các hạt bụi trong dòng khí thải. Các hạt bụi nhiễm điện tích sẽ bị hút về cực dương (cực lắng) và lắng đọng trên bề mặt điện cực. Hiệu suất lọc phụ thuộc vào các yếu tố như điện áp cấp, khoảng cách giữa các cực, tốc độ dòng khí, nhiệt độ và độ ẩm của khí thải. Quá trình vận hành có thể gặp các lỗi như phóng điện vầng quang, tích tụ bụi quá mức, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

2. Thuật toán học máy: Luận văn áp dụng các thuật toán học máy giám sát, trong đó nổi bật là:

   • Cây quyết định (Decision Tree): Mô hình phân lớp và hồi quy dựa trên việc xây dựng các câu hỏi dạng nhị phân để phân chia dữ liệu thành các nhóm có tính đồng nhất cao. Thuật toán ID3 được sử dụng để chọn thuộc tính phân chia dựa trên hàm entropy và information gain, giúp xây dựng cây quyết định hiệu quả.
   • Rừng ngẫu nhiên (Random Forest): Phương pháp học cộng đồng kết hợp nhiều cây quyết định được huấn luyện trên các tập dữ liệu bootstrap khác nhau và lựa chọn ngẫu nhiên các thuộc tính. Kết quả dự đoán được tổng hợp bằng biểu quyết đa số, giúp giảm thiểu overfitting và tăng độ chính xác mô hình.

Các khái niệm chuyên ngành như điện trường corona, entropy, information gain, bootstrap sampling, và ensemble learning được sử dụng xuyên suốt nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp phân tích lý thuyết và mô phỏng dựa trên dữ liệu thực tế thu thập từ hệ thống lọc bụi tĩnh điện tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng. Cỡ mẫu dữ liệu gồm khoảng hàng nghìn bản ghi thu thập liên tục từ PLC qua giao thức truyền thông Modbus và Ethernet, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

• Thu thập dữ liệu: Dữ liệu vận hành gồm các thông số điện áp, dòng điện các trường lọc bụi, nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi đầu ra được ghi nhận tự động qua hệ thống SCADA.
• Tiền xử lý và trực quan hóa dữ liệu: Loại bỏ dữ liệu nhiễu, xử lý giá trị thiếu, phân tích mối tương quan giữa các đặc tính để lựa chọn biến đầu vào phù hợp.
• Xây dựng mô hình học máy: Sử dụng môi trường lập trình Python với Anaconda Navigator và Jupyter Notebook, huấn luyện mô hình cây quyết định và rừng ngẫu nhiên trên tập dữ liệu huấn luyện.
• Đánh giá mô hình: Sử dụng các chỉ số như độ chính xác, sai số trung bình, và độ lệch chuẩn trên tập kiểm tra để đánh giá hiệu quả dự đoán.
• Triển khai hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động: Tích hợp mô hình vào hệ thống vận hành thực tế để hỗ trợ người vận hành phát hiện sớm các lỗi và cảnh báo kịp thời.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, tập trung vào hệ thống lọc bụi tĩnh điện của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng với 16 trường lọc bụi và 2 nhánh chính.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất lọc bụi đạt trên 99,8%: Dữ liệu thực tế cho thấy hệ thống lọc bụi tĩnh điện tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng có hiệu suất lọc bụi trung bình đạt 99,8%, với nồng độ bụi còn lại dưới 50 mg/Nm³, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường quốc gia.

2. Mối quan hệ giữa điện áp cực và nồng độ bụi: Phân tích dữ liệu cho thấy điện áp cấp cho các cực lọc bụi có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lọc. Khi điện áp vượt ngưỡng phóng điện, hiện tượng phóng điện vầng quang xảy ra làm giảm hiệu suất lọc bụi khoảng 5-7%.

3. Mô hình rừng ngẫu nhiên cho kết quả dự đoán chính xác hơn cây quyết định đơn lẻ: Mô hình rừng ngẫu nhiên với số lượng cây là 500 cho sai số dự đoán nồng độ bụi đầu ra thấp hơn 12% so với mô hình cây quyết định đơn lẻ, thể hiện qua biểu đồ so sánh nồng độ bụi thực tế và dự đoán.

4. Hệ thống cảnh báo tự động phát hiện lỗi sớm với độ chính xác trên 90%: Hệ thống chẩn đoán lỗi dựa trên mô hình học máy có khả năng phát hiện các lỗi phổ biến như cách điện giảm, tích tụ bụi quá mức, và dao động dòng điện thứ cấp với độ chính xác trên 90%, giúp giảm thiểu thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các lỗi vận hành được xác định là do biến động điện áp và sự tích tụ bụi trên điện cực lắng, làm thay đổi điện trường và gây phóng điện không mong muốn. Kết quả mô hình học máy phù hợp với các nghiên cứu trong ngành khi cho thấy mô hình rừng ngẫu nhiên có khả năng tổng hợp thông tin từ nhiều cây quyết định, giảm thiểu overfitting và tăng độ chính xác dự đoán.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc ứng dụng mô hình học máy trong chẩn đoán lỗi hệ thống lọc bụi tĩnh điện tại Việt Nam là bước tiến mới, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và bảo vệ môi trường. Dữ liệu được trình bày qua các biểu đồ phân tích mối tương quan và bảng so sánh hiệu suất mô hình giúp minh họa rõ ràng các phát hiện.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy tiềm năng mở rộng ứng dụng hệ thống chẩn đoán và cảnh báo tự động cho các nhà máy công nghiệp khác, đồng thời đề xuất các hướng phát triển hệ thống thân thiện với người dùng và đa dụng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống chẩn đoán lỗi tự động trên toàn bộ nhà máy: Áp dụng mô hình rừng ngẫu nhiên để giám sát liên tục các trường lọc bụi, giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu suất lọc bụi. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do phòng kỹ thuật và bộ phận vận hành phối hợp thực hiện.

2. Tăng cường bảo trì và vệ sinh định kỳ các điện cực lọc bụi: Đề xuất lịch trình vệ sinh và kiểm tra cách điện mỗi tháng một lần nhằm hạn chế tích tụ bụi và giảm thiểu hiện tượng phóng điện vầng quang, giúp duy trì hiệu suất lọc trên 99%.

3. Nâng cấp hệ thống thu thập và truyền dữ liệu PLC: Cải tiến giao thức truyền thông và tăng cường độ ổn định của hệ thống SCADA để đảm bảo dữ liệu thu thập chính xác và kịp thời phục vụ cho mô hình học máy. Thời gian thực hiện trong 3 tháng, do bộ phận công nghệ thông tin và tự động hóa đảm nhiệm.

4. Đào tạo nhân viên vận hành về sử dụng hệ thống cảnh báo và phân tích dữ liệu: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật vận hành và ứng dụng công nghệ học máy trong giám sát thiết bị, nâng cao năng lực xử lý sự cố nhanh chóng. Thời gian đào tạo kéo dài 2 tháng, do phòng đào tạo và bộ phận kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện và công nghiệp nặng: Nghiên cứu cung cấp công cụ chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động giúp họ nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố và chi phí bảo trì.

2. Chuyên gia kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn trình bày chi tiết về ứng dụng thuật toán học máy trong hệ thống công nghiệp, hỗ trợ phát triển các giải pháp tự động hóa thông minh.

3. Nhà quản lý môi trường và chính sách công nghiệp: Cung cấp dữ liệu và giải pháp thực tiễn giúp đảm bảo các nhà máy tuân thủ quy chuẩn khí thải, góp phần bảo vệ môi trường.

4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật điện – điện tử, tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, ứng dụng học máy và kỹ thuật truyền thông trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lọc bụi tĩnh điện hoạt động như thế nào?
   Hệ thống sử dụng điện trường corona âm để tích điện cho các hạt bụi trong khí thải, sau đó các hạt bụi nhiễm điện tích bị hút về cực dương và lắng đọng trên điện cực, giúp làm sạch khí thải hiệu quả.

2. Tại sao chọn thuật toán rừng ngẫu nhiên cho mô hình dự đoán?
   Rừng ngẫu nhiên kết hợp nhiều cây quyết định được huấn luyện trên các tập dữ liệu khác nhau, giúp giảm overfitting và tăng độ chính xác dự đoán so với cây quyết định đơn lẻ.

3. Dữ liệu thu thập từ hệ thống như thế nào?
   Dữ liệu được thu thập tự động từ PLC qua các giao thức truyền thông như Modbus và Ethernet, bao gồm các thông số điện áp, dòng điện, nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ bụi.

4. Hệ thống cảnh báo tự động có thể phát hiện những lỗi nào?
   Hệ thống có thể phát hiện các lỗi phổ biến như cách điện giảm, tích tụ bụi quá mức, dao động dòng điện thứ cấp và phóng điện vầng quang với độ chính xác trên 90%.

5. Làm thế nào để triển khai hệ thống này tại các nhà máy khác?
   Cần thu thập dữ liệu vận hành tương tự, điều chỉnh mô hình học máy phù hợp với đặc điểm thiết bị và môi trường vận hành, đồng thời đào tạo nhân viên vận hành sử dụng hệ thống cảnh báo.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động dựa trên mô hình học máy, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện.
• Mô hình rừng ngẫu nhiên cho kết quả dự đoán chính xác hơn 12% so với cây quyết định đơn lẻ, giúp phát hiện lỗi sớm với độ chính xác trên 90%.
• Hệ thống góp phần giảm thiểu sự cố, chi phí bảo trì và đảm bảo hiệu suất lọc bụi đạt trên 99,8%, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường quốc gia.
• Đề xuất triển khai hệ thống trên toàn nhà máy, nâng cấp hạ tầng truyền thông và đào tạo nhân viên vận hành trong vòng 6 tháng tới.
• Khuyến khích mở rộng nghiên cứu và ứng dụng hệ thống cho các nhà máy công nghiệp khác nhằm tăng cường bảo vệ môi trường và phát triển công nghiệp bền vững.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các phòng ban kỹ thuật để triển khai hệ thống chẩn đoán và đào tạo nhân sự, đồng thời thu thập thêm dữ liệu để hoàn thiện mô hình. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ triển khai, liên hệ nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung Khí thải trong công nghiệp là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng với môi trường. Một trong những yếu tố gây ô nhiễm của khí thải công nghiệp là bụi và chính phủ Việt Nam đã ban hành các quy chuẩn về bụi trong trong khí thải công nghiệp bao gồm “QCVN 19:2009/BTNMT quy chuẩn quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ” và “QCVN23:2009/BTMT quy chuẩn quốc gia về khí thải công nghiệp sản xuất xi măng”. Ngày nay, các thiết bị lọc bụi làm sạch khí được nghiên cứu thành công như xiclon, thiết bị lọc túi vải, ống venturi, thiết bị lọc bụi tĩnh điện.

Trong các thiết bị lọc bụi, thiết bị lọc bụi tĩnh điện với những ưu điểm vượt trội được đánh giá mang lại hiệu suất thu bụi cao, và chi phí hoạt động thấp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, bài toán khi vận hành trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện có rất nhiều hiện tượng xảy ra như điện trường giữa các cực, quá trình ion chất khí, phóng điện vầng quang, tích điện cho các hạt bụi… và ảnh hưởng của các nhân tố khác đến thiết bị lọc bụi điện như loại điện cực, khoảng cách các cực, đòi hỏi thiết bị lọc bụi tĩnh điện phải được điều khiển để đạt được hiệu quả làm việc cao nhất. Để đạt được hiệu suất thu bụi cao, đảm bảo cho thiết bị vận hành an toàn, tin cậy, việc xem xét và giải quyết các vấn đề trên là hết sức cần thiết. Nhằm ngày càng nâng cao hiệu suất thiết bị, phát huy những ưu điểm vốn có của thiết bị lọc bụi tĩnh điện.2 Nguyên nhân tạo thành bụi Bụi có trong không khí do nhiều nguyên nhân, ở đây ta chỉ đề cập đến nguyên nhân bụi trong công nghiệp.

Bụi được sinh ra trong không khí chủ yếu do quá trình sản xuất luyện kim, công nghiệp hóa chất, hầm mỏ, nhà máy nhiệt điện… Nguyên nhân tạo thành bụi là do: - Các hạt rắn bị nghiền nhỏ - Khi dùng khí để vận chuyển hạt, các hạt nhỏ bị khí cuốn theo - Trong quá trình ủ hoặc nung vật liệu bị vỡ vụn. 1 Ở một vài quá trình khi tăng nhiệt độ có thể tạo ra khả năng sinh bụi là do giảm liên kết giữa các hạt trong vật rắn. Mặt khác, khi ngưng tụ hơi của các quá trình thăng hoa và các phản ứng hóa học.3 Các phương pháp lọc bụi trong công nghiệp 1.1 Lọc bụi theo phương pháp trọng lực Các hạt bụi đều có khối lượng, dưới tác dụng của trọng lực các hạt có xu hướng chuyển động từ trên xuống dưới (đáy thiết bị lọc bụi). Tuy nhiên, đối với các hạt bụi nhỏ ngoài tác dụng của trọng lực còn có lực chuyển động của dòng khí và lực ma sát môi trường.

Như đã biết các lực này phụ thuộc vào nhiều nhân tố, trong đó có kích thước hạt bụi do vậy sẽ ảnh hưởng đến tốc độ lắng của hạt bụi. Vì vậy, lọc bụi theo phương pháp trọng lực chỉ áp dụng với hạt bụi có kích thước lớn.2 Lọc bụi theo phương pháp ly tâm Khi dòng chuyển động đổi hướng hay chuyển động theo đường cong, ngoài trọng lực tác dụng lên hạt bụi còn có lực quán tính, lực này lớn hơn nhiều lần so với trọng lực. Dưới ảnh của lực quán tính, hạt có xu hướng chuyển động thẳng nghĩa là các hạt có khả năng tách ra khỏi dòng khí. Hiện tượng này được sử dụng trong các thiết bị lọc bụi Xiclon, tấm chớp, … Các thiết bị này chỉ có khả năng tách bụi có kích thước > 10µm nên dùng để lắng hạt bụi có kích thước nhỏ không hiệu quả.3 Lọc bụi theo phương pháp ẩm Khi hạt bụi tiếp xúc với bề mặt dịch thể (giọt dịch thể) các hạt bụi sẽ bám trên bề mặt dựa trên nguyên tắc đó có thể tách hạt bụi ra khỏi dòng khí.

Sự tiếp xúc với bề mặt dịch có thể xảy ra, dựa trên nguyên tắc đó có thể tách hạt bụi ra khỏi dòng khí. Sự tiếp xúc giữa các hạt bụi với bề mặt dịch thể có thể xảy ra nếu trọng lực tác dụng lên hạt bụi theo hướng đến bề mặt dịch thể. Các lực đó gồm: lực va đập, trọng lực, lực ly tâm (quán tính). Thực nghiệm cho thấy, theo phương pháp này chỉ thu hồi các hạt bụi có kích thước > 3÷5µm.

Các hạt bụi nhỏ, đặc biệt hạt bụi tạo thành do quá trình thăng hoa thì lọc bụi theo phương pháp ẩm sẽ kém hiệu quả do tính chất tự nhiên của các hạt bụi dễ bị bôi trơn bằng dịch thể. Hiện tượng này là do các hạt bụi nhỏ có trong dòng khí, khi gặp dịch thể (giọt dịch thể hay bề mặt ẩm) thì chúng không bị thấm ướt còn chỗ dòng khí bị tiếp xúc với dịch thể các hạt bụi có chuyển động uốn cong nên khả năng thẩm ướt hạt bụi kém.4 Lọc bụi theo phương pháp qua túi vải – màng vải Khí chứa đầy bụi, dẫn qua màng vải, bụi được giữ lại trên đó khi tốc độ khí không lớn. Lọc bụi bằng màng vải được ứng dụng phổ biển trong luyện kim, hóa chất xây dựng. Một số trường hợp cần thu hồi bụi không dùng lọc túi vải mà dùng giấy carton, bông, lớp vật liệu xốp hoặc các vật liệu dạng cục (cát, đá cuội, hạt cốc).

Một số vật liệu trong đó như giấy, bông được áp dụng trong phòng thí nghiệm.5 Lọc bụi tĩnh điện Thiết bị có cấu tạo gồm một dây kim loại nhẵn, có tiết diện nhỏ, được căng theo trục của ống kim loại nhờ có đối trọng. Dây kim loại được nạp dòng điện một chiều có điện thế cao khoảng 50-100kV, còn gọi là cực âm hay cực ion hóa của thiết bị. Cực dương là ống kim loại được bao quanh cực âm và nối đất hay còn gọi là cực lắng. Khi cấp điện thế cao vào cực âm thì tạo ra một điện trường mạnh bên trong ống cực dương và khi dòng khí mang bụi đi qua các phân tử khí sẽ bị ion hóa và truyền điện tích âm cho các hạt bụi do tác dụng va chạm hoặc khếch tán ion.

Các hạt bụi bị nhiễm điện âm sẽ di chuyển về cực dương (cực lắng) và đọng lại trên bề mặt bên trong của ống hình trụ, mất điện tích và rơi xuống phễu thu bụi. Ngoài ra còn có thiết bị lọc bụi tĩnh điện kiểu tấm, là loại thiết bị mà cực dương là các tấm dạng bảng được đặt song song hai bên các cực âm [1]. Phương pháp này có thể đạt hiệu quả lọc lên đến 99,5%. Thiết bị lọc bụi kiểu tĩnh điện rất hiệu quả đối với các loại bụi kích cỡ từ 0,5 đến 8µm.

Khi các hạt bụi có kích cỡ khoảng 10µm và lớn hơn thì hiệu quả giảm. Có thể làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao lên đến 500ºC, làm việc trong phạm vi áp suất cao hoặc áp suất chân không và có khả năng tách bụi có độ ẩm cao, cả dạng lỏng hoặc rắn.4 Nguyên lý làm việc của bộ lọc bụi tĩnh điện Như đã tìm hiểu ở trên, trong các phương pháp lọc bụi thì phương pháp lọc bụi tĩnh điện phù hợp với các nhà máy ở Việt Nam như nhà máy sản xuất xi măng, nhà máy nhiệt điện,. và đạt hiệu quả tối đa cho việc phòng chống ô nhiễm không khí đảm bảo sức khỏe của người dân ở xung quanh khu công nghiệp khi đạt hiệu quả lọc bụi lên đến 99%. Chính vì vậy, phương pháp lọc bụi tĩnh điện sẽ được tác giả lựa chọn để nghiên cứu.1 Nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện [2] Hình 1.1 trình bày nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện.

Khí thải cần lọc bụi được thổi qua hệ thống hai điện cực: điện cực nối đất được gọi là điện cực lắng vì bụi được lắng chủ yếu trên điện cực này, điện cực thứ hai gọi là điện cực quầng sáng (điện cực phóng), điện cực này được cung cấp dòng điện một chiều có điện thế cao, do điện thế cao nên cường độ điện trường xung quanh có giá trị lớn và gây ra hiện tượng va đập ion mãnh liệt biểu hiện là nhìn thấy một quầng sáng bao phủ xung quanh điện cực này. Tại điện cực phóng, quầng sáng không lan rộng ra toàn bộ không gian giữa hai điện cực mà yếu đi và tắt dần theo phương tới điện cực lắng, điện trường giữa hai điện cực là điện trường không đều, các ion được tạo ra chủ yếu trong vùng quầng sáng [3]. Dưới tác dụng của lực điện trường các ion sẽ dịch chuyển dịch về phía điện cực trái dấu của chúng, ion dương chuyển dịch về phía cực âm (cực quầng sáng), các ion âm dịch chuyền về phía cực dương (cực lắng) sự dịch chuyển dòng khí tạo ra dòng điện thể hiện qua hình 1. Dòng điện này gọi là dòng điện quầng sáng, khi thổi khí thải có chứa bụi bẩn qua không gian giữa hai điện cực thì các ion sẽ bám dính lên bề mặt của các hạt bụi và các hạt bụi đã tích điện sẽ chuyển dịch tới các điện cực trái dấu với điện tích chúng tích được, khi tới các điện cực các hạt bụi được lắng lại trên bề mặt điện cực.

Lượng bụi được lắng chủ yếu trên bề mặt các điện cực lắng. Trên bề mặt các điện cực quầng sáng cũng có lắng bụi lại nhưng lượng bụi này nhỏ không đáng kể so với lượng bụi lắng trên điện cực lắng. Tùy theo mức độ tích tụ bụi trên bề mặt điện cực, hệ thống rung lắc sẽ rung lắc định kỳ các điện cực hoặc xối nước rửa điện cực và lấy bụi [3]. 4 Corona plasma region Unipolar ion region (a<r<ro) r=ro (r>ro) Negative ion Negative ion Gas molecule Discharge electrode e Att.

e e Ion New electron - - - + e e - - + - e Secondary electron + Positive ion Ionization boundary Plasma boundary Grounded electrode E/N = 120 Td E/N = 80 Td Hình 1.2 Sự di chuyển của ion từ cực âm đến cực lắng Ngoài ra, trên thực tế thiết bị lọc bụi tĩnh điện khi hoạt động thường xảy ra quá trình phóng điện khi điện trường vượt ngưỡng nhất định, hoặc sự tích tụ quá lớn các hạt bụi bám trên điện cực lắng. Ngưỡng giới hạn này của thiết bị lọc bụi tĩnh điện phụ thuộc rất nhiều yếu tố bên ngoài mà các yếu tố đó cũng liên quan trực tiếp đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện.