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 CƠNG 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 sốt, 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 mơ hình IoT thơng thường .............................................................................................. 31
3.3 Lựa chọn mơ 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 thơng 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 cơng 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 cơng 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, cơ giáo thuộc
Viện Điện. Chính các thầy giáo, cơ 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 hồn 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
và thuật ngữ

Từ đầy đủ

Ý nghĩa

BTNMT

Bộ tài nguyên và môi trường

CCS

Carbon Capture and Storage

Thiết bị

Devices

Thiết bị chuyển đổi gói tín hiệu

Gateway
IoT
SNCR
SSID

Hệ thống thu giữ và cất trữ carbon

giữa hai mạng khác nhau
Internet of Things

Internet vạn vật

Selective non-catalytic

Công nghệ xử lý NOx sau q trình

reduction

cháy bằng phản ứng hóa học

Service Set Identifier

Tên mạng Wi-Fi
Máy chủ

Server

Giải pháp client - server cho phép
WebGIS

Website Geographic

quản lý, phân tích, cập nhật, phân

Information System

phối thơng 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 thơng số ơ nhiễm trong khí thải cơng 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: Mơ 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 lị. ................................................................................................................. 16
Hình 3: Đồ thị điển hình minh họa mối tương quan giữa tỷ lệ nhiên liệu/khơng khí (A/F) với sản
phẩm các khí từ q trình đốt cháy nhiên liệu ................................................................................. 20
Hình 4: Sơ đồ khối đề xuất về hệ phân tích khí giúp tối ưu hóa q trình vận hành lị nung ủ
Klinker.............................................................................................................................................. 22
Hình 5: Mơ 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 khơng tán sắc NDIR hai
kênh thu IR. ...................................................................................................................................... 25
Hình 8: Cảm biến dùng cho thử nghiệm theo cấu hình khơng 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 vng cho đèn dây tóc. ..................................................................................... 27
Hình 11: Sự phụ thuộc tuyến tính của Log(Vo/Vg) vào nồng độ khí CO của cảm biến đã chế tạo. . 27
Hình 12 - Mơ hình IoT kiểu kết nối trực tiếp với gateway. .............................................................. 32
Hình 13 - Mơ hình IoT kiểu kết nối gián tiếp gateway. .................................................................... 33
Hình 14 - Mơ hình IoT khơng sử dụng gateway............................................................................... 34
Hình 15 - Mơ 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 ngun 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 mơi trường gửi về khi có u 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 rị 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 hồn tồn 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 cơng 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 mơi 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 mơ
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 cịn 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 thơng số mơi trường mất an tồn.
- Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:
Mơ hình thử nghiệm đã chế tạo có khả năng nhận thơng tin đo đạc, tự động
tạo file tổng hợp về nồng độ khí CO, nhiệt độ, độ ẩm, chuyển được thơng 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 thơng số chính của mơi 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 thơng số chính của mơi trường tại Nhà máy xi-măng. Luận văn
10


sẽ giải quyết bài tốn 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 cơng 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 tồn hệ thống IoT sau khi hiệu chỉnh.

11


Chương 1 - TÌM HIỂU CƠNG 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
cơng suất cỡ trung bình và nhỏ (<2500 tấn Clinker/ngày). Năng lượng từ q trình
đốt cháy than có thể chiếm 60 - 90% tổng năng lượng sử dụng trong các nhà máy
sản xuất xi-măng. Trong đó, theo các đánh giá từ tập đồn FLSmidth cùng với Tổng

Cơng ty Cơng nghiệp Xi măng Việt Nam (VICEM) đã có nghiên cứu đánh giá về
“Hiện trạng công nghệ sản xuất các nhà máy xi măng của VICEM” trên một số nhà
máy sản xuất xi-măng vào tháng 3/2015 cho thấy chỉ số về năng lượng than sử dụng
trên lượng sản phẩm Clinker đầu ra (cỡ 820-900 kCal./1 kg Clinker), cao hơn khá
nhiều so chuẩn Quốc tế (730 kCal./1 kg Clinker). Trong báo cáo đánh giá “Nghiệp
vụ ủy thác hoạt động hợp tác song phương với Việt Nam về chuyển giao quốc tế
công nghệ bảo vệ mơi trường kiểu cùng có lợi” của Hiệp hội quản lý Môi trường
Công nghiệp Nhật Bản cho thấy việc quan trắc khí thải và xử lý khí thải trong các
ngành cơng nghiệp nói chung và xi-măng nói riêng chỉ tập trung ở một số nhà máy
sản xuất lớn. Theo một số chuyên gia, hệ thống phân tích khí trợ giúp cho vận hành
sản xuất xi-măng là cơng cụ hữu hiệu và hiện tại được trạng bị tại các nhà máy công
suất lớn như xi-măng Bút Sơn, xi-măng Bỉm Sơn, xi-măng Hoàng Thạch, xi-măng
Cẩm Phả, xi-măng Hạ Long, xi-măng ChinFon và xi-măng Nghi Sơn. Tuy vậy,
phần lớn là các nhà máy xi-măng công suất nhỏ hay đã quá cũ (được xây dựng cách
đây trên 10 năm), hiện nay cơ sở vật chất đã xuống cấp thì khơng có trợ giúp từ hệ
thống phân tích khí hoặc đã hỏng khơng sử dụng được. Ngồi ra, mơi trường khí từ
q trình sản xuất xi-măng là rất khắc nhiệt (nồng bụi lớn, độ ẩm lớn, nhiệt độ cao,
nhiều tác nhân ăn mịn,...) sẽ gây khó khăn bảo dưỡng, bảo trì và thay thế thường
xuyên khi sử dụng sản phẩm nhập ngoại. Đây chính là trở ngại (liên quan đến chi
phí rất lớn) cho doanh nghiệp. Vì vậy, quá trình vận hành lò cho sản xuất xi-măng ở

12


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 khơng 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 cơng 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 tốn
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 sốt, 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 mơi 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 mơi
trường đang trở thành một nhu cầu cần thiết.
Theo QCVN 23:2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải
cơng nghiệp sản xuất xi-măng, ban hành ngày 16/11/2009, mục 2 quy định sau: [3]
TT

Nồng độ

Thông
số

A

B1

B2

1

Bụi tổng

400

200

64

2

CO

1000

1000

500

3

NOx

1000

1000

1000

4

SOx

1500

500

500

Bảng 1: Nồng độ C của các thơng số ơ nhiễm trong khí thải cơng nghiệp sản xuất
xi-măng
13


Trong đó:
Cột A quy định nồng độ C cúa các thơng số ơ nhiễm trong khí thải cơng
nghiệp sản xuất xi mǎng làm cơ sở tính tốn 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 cơng
nghiệp sản xuất xi mǎng làm cơ sở tính tốn 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 thơng số ơ nhiễm trong khí thải cơng
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 sốt 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 thơng thường chỉ có thể kiểm
sốt được hàm lượng bụi. Do đó, để giảm thiểu phát thải NOx độc hại cần có những

biện pháp cơng nghệ phù hợp.
Hai loại cơng nghệ kiểm sốt và hạn chế NOx trong các Nhà máy sản xuất ximăng hiện nay thường dùng là cơng nghệ SCR (xử lý NOx sau q 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 NH3 hoặc Urea để loại bỏ NOx với ngun tắc
hồn tồn tương tự như cơng 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 mơi và
NOx và cho phép phản ứng xảy ra ở ngay cả điều kiện nhiệt độ thấp). [11,12]
Với khí thải CO2, các Nhà máy có thể giữ lại sau khi chúng được tạo ra
thơng qua hệ thống thu giữ và cất trữ carbon (CCS). Công nghệ này hiện đã được sử
dụng trong một số nhà máy điện, ngồi ra cịn sử dụng trong sản xuất bê tơng.
Thơng qua q trình bão hịa 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 q trình
bão hịa 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 cơng nghệ kiểm sốt 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. Cơng
nghệ sản xuất xi-măng tiên tiến và phổ biến nhất hiện nay trên thế giới là cơng nghệ
lị 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 q trình nung ủ trong lị sử dụng nhiên liệu than.

Hình 1: Mơ 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 lị. Ở đó, có nhiều điểm phát thải khí ra
15


mơi 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, CO2, CO, NOx, 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 lị nung Clinker theo
kiểu lị 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 lị.
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 lị 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 (lị 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 ngun 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 lị hiện đại, cơng 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 lị quay (ví trí 3). Ngồi 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 lị nung và duy trì lị 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 tồn
mang tính bắt buộc trong sản xuất xi-măng là cần thiết.
Các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao ln có trong mơi trường khí phát thải.
Vì vậy, việc phân tích từng loại khí trong mơi trường này là rất phức tạp, địi 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 q trình sản
xuất ra mơi trường khơng khí (thường đi kèm cơng 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,
cịn 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. Ngồi ra,
việc tối ưu hóa được q 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 mơi
trường, trong đó các loại khí chính trong mơi trường khí thải là CO, CO2, NOx 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 Thơng 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, khơng 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 vịng 1 phút, vì vậy đây chính là
thông số quan trắc cần chú ý nhất. Bên cạnh đó các yếu tố mơi 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 Ngun 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 cơng nghệ, cần kiểm sốt và điều khiển các thơng số đầu vào gồm
lượng khí O2 và nhiên liệu phù hợp nhằm tăng đạt được quá trình đốt cháy tối ưu
gồm nhiên liệu được đốt cháy hồn tồn 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 (O2) dư thừa sẽ
phản ứng với khí nitơ (N2) 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 hồn tồn thì sản phẩm của q

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 ơ nhiễm mơi 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 “khơng 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 <14,3:1 là vùng đốt cháy có dư nhiên liệu, cho
thấy nồng độ các khí CO và HC lớn;
(2) “Stoichiometric” tương ứng 14,3:1nồng độ khí CO2 là lớn nhất (nhiên liệu cháy hết hồn tồn, lượng khí oxy vừa đủ;
(3) “Lean” tương ứng A/F>15,1:1 là vùng cháy nghèo hay thừa O 2, tương
ứng cho nồng độ các khí thải NOx lớn.
19


Như vậy, nếu chúng ta biết được nồng độ các khí điển hình phát thải từ q
trình đốt cháy nhiên liệu là O2, CO, CO2, NOx và HC thì chúng ta có thể biết được
q trình cháy nhiên liệu có tối ưu hay khơng. 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/khơng 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 q
trình đốt cháy nhiên liệu.
Việc tối ưu hóa được q 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 ximăng
Trên thực tế, các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao ln có trong mơi trường
khí phát thải làm việc phân tích từng loại khí trong mơi trường sản xuất xi-măng trở
nên phức tạp, địi hỏi những thiết bị, cơng nghệ hiện đại, có thể chia làm hai loại:
20


Một là, đo đạc và phân tích chính xác đồng thời hầu hết các loại khí phát thải
từ q trình sản xuất (đi kèm công nghệ rất đắt tiền, chi phí vận hành bảo dưỡng
lớn), 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.
Hai là, đo đạc phân tích một số loại khí (gồm CO, CO2, NOx, O2) giúp tối ưu
q trình đốt cháy nhiên liệu, do vậy cấp độ phân tích nồng độ khí thường có độ
chính xác ở mức độ vừa phải và hướng này được trực tiếp các doanh nghiệp chú
trọng do đem lại lợi ích về kinh tế, phù hợp với các Nhà máy sản xuất xi-măng tại
Việt Nam hiện nay.
Các vị trí quan trọng cho đặt thiết bị cảm biến phân tích khí giúp cho vận
hành lị được áp dụng phổ biến ở hai khu vực:
Vùng I là trong hệ tháp nung-lị quay, đây là vùng có nhiệt độ cao (1200oC)
các khí cần phân tích là O2 và CO. Đây là các tham số về nồng độ khí rất quan trọng
cần phân tích, vì vùng này nhiệt độ cao nên cần có thiết bị lấy mẫu khí, sau đó làm
nguội mẫu khí đến nhiệt độ khoảng 500oC cho phân tích.
Vùng II là ống thải khí ra mơi trường thì các khí cần phân tích gồm CO, CO2
NOx. Nhiệt độ môi trường của vùng II khoảng 500oC, nếu dùng cảm biến hấp thụ
hồng ngoại có thể áp dụng đo trực tiếp mà khơng cần q trình làm nguội.
Dựa vào khảo sát và các phân tích trên, lựa chọn mơ hình hệ thống phân tích
khí giúp tối ưu hóa q trình vận hành điều khiển lị nung ủ Klinker đo đạc và phân
tích nồng độ khí thải có sơ đồ khối cho như Hình 4 sẽ phù hợp với các nhà máy sản
xuất xi-măng Việt Nam hiện nay.
Các thiết bị đầu đo khí (tại hai vùng I, II) sẽ đo đạc nồng độ các khí phù hợp.

Số liệu đo được về nồng độ khí được chuyển về trung tâm điều khiển của nhà máy
sẽ được ghép nối với hệ phân tích khí thải, hiển thị liên tục trên màn hình; kết quả
này giúp cho kỹ thuật viên điều khiển, vận hành hệ thống lò.

21


(I) Tháp khí thải
CO, CO2,
NOx, HC
(<5000C)
Bộ
xử
lý

Đầu
cảm
biến

(Mơi trường
khí thải)

(III) Trung tâm điều khiển
Xử lý, truyền
mạng khơng dây

(Mơi trường
khơng khí)

Màn hình

hiển thị
nồng độ khí Điều khiển

(II) Lị ủ Clinker
CO, CO2, NOx
(12000C)

Buồng đệm

Đầu
cảm
biến

(Mơi trường
khí thải)

bán tự
động

Bộ xử
lý

Bộ xử lý
tổng

Điều khiển,
vận hành
q trình
sản xuất xi
măng

Ghép nối
(Điều khiển
tự động)

(Mơi trường
khơng khí)

Hình 4: Sơ đồ khối đề xuất về hệ phân tích khí giúp tối ưu hóa q trình vận hành
lị nung ủ Klinker.
Để đo và phân tích các loại khí thải chính, hệ thống sử dụng hai loại cảm
biến sau:
Loại I: Cảm biến điện hóa hoạt động nhiệt độ cao
Về mặt khoa học, cảm biến điện hóa hoạt động trực tiếp ở nhiệt độ cao có thể
phù hợp phân tích nhiều loại khí oxy hóa/khử (O2, CO, CO2, NOx, HC, SO2, NH3,
v.v.). Tuy nhiên, trong thực tế ứng dụng hiện nay cảm biến điện hóa này (dạng
thương mại) chỉ mới đáp ứng được cho phân tích khí O2 và bước đầu phát triển với
khí NOx. Cảm biến điện hóa đo khí O2 được thiết kế dựa trên một linh kiện cấu trúc
3 lớp Pt/YSZ/Pt (YSZ là chất dẫn ion được tổ hợp từ các oxit kim loại ZrO 2 + Y2O3,
và hai điện cực Pt). Cảm biến khí này được biết có tên gọi là Lambda (đặc tuyến tín
hiệu lối ra phụ thuộc vào nồng độ khí có dạng giống ký tự Lambda), có ưu điểm độ
bền cao (tuổi thọ lên đến 10 năm), sử dụng đơn giản và có độ tin cậy cao.
Mơ hình ứng dụng cảm biến khí để tối ưu hóa q trình đốt cháy nhiên liệu
được trình bày như trong Hình 5. Trường hợp đơn giản, hệ thống sẽ điều khiển

22


nhiên liệu đầu vào dựa trên mức độ giá trị tín hiệu của một loại cảm biến O2 trong
buồng đốt (minh họa trong Hình 5a). Trường hợp địi hỏi việc đốt cháy nhiên liệu

hiệu quả và tiết kiệm hơn, đồng thời cung cấp các thông số của từng thành phần khí,
chúng ta sử dụng mơ hình có kết hợp các loại cảm biến khí khác như CO, CO2, NOx
và HC (minh họa trong Hình 5b).

Hình 5: Mơ 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.
Cảm biến điện hóa này cũng thừa hưởng các ưu điểm như độ bền cao, độ chọn
lọc khá tốt, khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao (đến gần 1000oC), có thể đo các khí
NOx, CO, HC trực tiếp trong buồng đốt. Hiện tại, cảm biến loại này vẫn chủ yếu ở
dạng nghiên cứu cơ bản, và chỉ bước đầu thử nghiệm để phát triển thành sản phẩm
thương mại do gặp phải vấn đề là lớp điện cực nhạy khí oxit kim loại có thể bị biến
đổi hay mất khả năng nhạy khí khi hoạt động trong thời gian dài và trong mơi trường
có các khí oxy hóa/khử mạnh, và nó cần cải thiện hơn nữa về tính chọn lọc. Tuy vậy,
đây là loại cảm biến có tiềm năng rất lớn cho phát triển nhanh thành linh kiện thương
mại, đặc biệt cho phát hiện khí NO2 trong mơi trường khí thải. [15,16]
Loại II: Cảm biến hấp thụ hồng ngoại
Loại cảm biến khí dựa trên nguyên lý hấp thụ hồng ngoại có thể ứng dụng đo
trực tiếp một số loại khí phát thải từ q trình đốt cháy nhiên liệu (mơi trường nhiệt
độ cao đến 500oC). Mỗi loại khí có tính chất hấp thụ chọn lọc một số vùng bước

23


sóng đặc trưng trong vùng bức xạ hồng ngoại. Hình 6 trình bày một ví dụ về phổ
hấp thụ hồng ngoại của một số khí điển hình trong mơi trường khí thải. Số liệu phổ
này cho thấy khí CH4 có dải hấp thụ từ 3,1 -3,5 μm, CO2 hấp thụ mạnh tại dải 4,254,7 μm; tương tự như vậy ta có và 5,25 - 5,5 μm cho khí NO; 4,5 - 5,0 μm cho khí
CO; và trong một dải khá rộng 5,0 - 6,0 μm là của hơi nước (H2O). Vì vậy, cảm
biến hấp thụ hồng ngoại dùng để đo và phân khí khí thải từ q trình đốt cháy nhiên
liệu chỉ tối ưu với một số loại, ví dụ có thể kể ra như khí CO, CO2, và HC một phần

nào đó là NO2.

Hình 6: Đặc trưng hấp thụ bước sóng hồng ngoại của một số loại khí [18].
Tóm lại, việc phân tích trực tiếp khí trong buồng đốt nhiên liệu hay ngay trước
khi phát thải ra môi trường khơng khí có vai trị rất quan trọng và hữu hiệu để tối ưu
hóa được q trình đốt cháy (giảm tiêu hao nhiên liệu và khí phát thải độc hại ra mơi
trường khơng khí). Loại cảm biến phù hợp được chọn để thực hiện vấn đề này là cảm
biến điện hóa hoạt động ở nhiệt độ cao (cảm biến Lambda cho đo nồng độ khí oxy O2); và cảm biến quang dựa trên nguyên lý hấp thụ bức xạ hồng ngoại tại mỗi vùng
bước sóng đặc trưng của các khí CO, CO2, NOx. Ngồi ra, cảm biến điện hóa hoạt

24


động ở nhiệt độ cao hiện cũng là công nghệ được quan tâm nghiên cứu, và hứa hẹn
cho phát triển ứng dụng phân tích các khí thải CO, CO2, NOx. [17,18]
Trong các khí thải kể trên, khí thải của CO là đáng ngại nhất, chỉ cần nồng
độ đạt 1000ppm (hay 0,1%) là có thể gây chết người trong vịng 1 phút, vì vậy đây
là thơng số quan trắc cần chú ý nhất, bên cạnh đó các yếu tố mơi trường khác như
nhiệt độ, độ ẩm cũng được chú trọng vì nó có thể là hệ quả của sự ơ nhiễm môi
trường do sản xuất xi-măng gây ra, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người. Đề
tài này sẽ đo đạc ba thơng số đó, giúp cơ quan chức năng có thể giám sát liên tục.
Phịng Cảm biến - viện Khoa học vật liệu hiện đang chế tạo Cảm biến Hấp
thu hồng ngoại đo khí CO, chuẩn bị áp dụng cho hệ thống phân tích khí Nhà máy
xi-măng Sơng Thao và tương lai sẽ áp dụng vào hệ thống giám sát liên tục khí thải
tại đây. Sơ đồ khối tổng thể cho cảm biến khí hấp thụ hồng ngoại cấu hình khơng
tán sắc NDIR hai kênh thu IR được trình bày tại hình 7 sau đây:

Hình 7: Sơ đồ khối tổng thể cho cảm biến khí hấp thụ hồng ngoại cấu hình khơng
tán sắc NDIR hai kênh thu IR.
Từ đó đề ra cấu tạo cảm biến và linh kiện sử dụng như hình 8:

25