Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất lọc khói hàn bằng phương pháp lọc tĩnh điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------

NGUYỄN HOÀNG BẢO HƯNG

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
HIỆU SUẤT LỌC KHÓI HÀN
BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC TĨNH ĐIỆN
STUDY THE FACTORS AFFECTING PERFORMANCE
OF WELDING FUMES FILTER BY ELECTROSTATIC
PRECIPITATOR METHOD
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã ngành: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI TRỌNG HIẾU ....................

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS NGUYỄN HUY BÍCH .....................

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS HỒ TRIẾT HƯNG ....................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 22 tháng 01 năm 2021.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch:

PGS.TS LƯU THANH TÙNG

2. Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN HUY BÍCH
3. Phản biện 2: TS HỒ TRIẾT HƯNG
4. Uỷ viên:

TS NGUYỄN HỮU THỌ

5. Thư ký:

TS LÊ THANH LONG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG BẢO HƯNG

MSHV: 1870214

Ngày, tháng, năm sinh: 17/06/1991

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số: 8520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT LỌC KHÓI
HÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC TĨNH ĐIỆN

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất lọc khói hàn bằng phương pháp
lọc tĩnh điện.
- Quy hoạch thực nghiệm trên mơ hình thực tế để tìm ra bộ thơng số tối ưu.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/02/2020
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2020
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI TRỌNG HIẾU

Tp.HCM, ngày…tháng…năm 20…

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO
TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin cảm ơn Thầy PGS.TS. Bùi Trọng Hiếu đã giúp đỡ, hướng
dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này. Trong thời gian thực
hiện luận văn, Thầy đã cố vấn cho tôi những lời khuyên thiết thực giúp tháo gỡ những
khó khăn trong q trình nghiên cứu để kịp thời hồn thành luận văn này đúng thời
hạn.
Đồng thời tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô trong Khoa Cơ Khí,
trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng đã luôn giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực
hiện các thí nghiệm.
Đồng thời, tơi cũng xin cảm ơn q Thầy/Cơ trong khoa Cơ Khí đã tham gia
giảng dạy chương trình Thạc sĩ trong thời gian tơi theo học ở trường. Thầy/Cô đã
trang bị cho tôi những kiến thức để có thể hồn thành luận văn.
Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến tất cả những người thân trong gia
đình, bạn bè, đồng nghiệp (nơi tơi đang làm việc) đã luôn thông cảm, giúp đỡ, tạo
điều kiện và động viên trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học Bách
khoa TP.HCM.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, 03 tháng 08 năm 2020
Học Viên

Nguyễn Hoàng Bảo Hưng

iii


TÓM TẮT
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, của cải vật chất được
sản xuất với số lượng và chất lượng ngày càng tăng, điều này đồng nghĩa với các nhà
máy, xí nghiệp thải ra nhiều chất độc hại hơn, gây tiêu cực đến chất lượng cuộc sống
của con người và các loài sinh vật khác. Mơi trường sống bị ơ nhiễm khơng cịn là
mối quan tâm của riêng từng quốc gia trên thế giới mà là vấn đề chung của cả nhân
loại. Nhà nước ta đã và đang siết chặt các vấn đề về môi trường thơng qua việc ban
hành các quy chuẩn khí thải nhằm nâng cao ý thức trách nhiệm của doanh nghiệp
cũng như từng cá nhân người lao động trong công tác bảo vệ môi trường.
Lọc bụi tĩnh điện (ESP) là bước tiến quan trọng về lĩnh vực xử lý khí thải trong
thập niên qua và là “một công nghệ xanh” do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi
trường. Lọc bụi tĩnh điện có hiệu suất cao, được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
như lọc bụi xi măng, bụi than trong nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện kim, lọc khói
bếp, khói hàn cắt kim loại... Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi tĩnh
điện, trong nghiên cứu này tiến hành thực nghiệm lọc khói hàn điện với các thơng số
vận tốc dịng khí, đường kính ống lọc và cơng suất điện nhằm tìm ra bộ thơng số hợp
lý. Chất lượng khơng khí đầu ra được đo bằng máy đo nồng độ bụi và phương pháp
Box - Behnken được sử dụng để xác định mối quan hệ giữa các thông số thực nghiệm.
Các thông số của hệ thống lọc được tối ưu hoá để đạt hiệu suất lọc 99%.
Từ khóa: Electrostatic precipitator system (ESP), lọc bụi tĩnh điện, lọc bụi điện
trường, phin lọc tổ ong.

iv


ABSTRACT
Along with the strong development of science and technology, material wealth
is produced with increasing quantity and quality, which means factories emit more
harmful substances, causing negative impacts on the quality of life of humans and
other creatures. Polluted living environment is no longer a concern of each nation in
the world but a common problem of all humanity. Our State has been tightening
environmental issues through the promulgation of emission standards to raise the
sense of responsibility of enterprises as well as individual workers in environmental
protection.
Electrostatic precipitator (ESP) has been a major step forward in the field of
waste gas treatment over the past decade and is a "green technology" for energy
efficiency and environmental protection. Electrostatic precipitator has high
efficiency, is used in many fields such as filtering cement dust, coal dust in thermal
power plants, metallurgical plants, kitchen smoke filters, metal cutting welding fumes
... Many factors affect the efficiency of electrostatic precipitator filtration, in this
study, we experimented welding fumes filter with parameters of air flow velocity,
filter pipe diameter and power capacity to find the appropriate parameters. The outlet
air quality was measured with a dust concentration gauge and the Box - Behnken
method was used to determine the relationship between experimental parameters. The
filter parameters are optimized to achieve 99% filtration efficiency.
Key words: Electrostatic precipitator system (ESP), tubular precipitator.

v


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến

hiệu suất lọc khói hàn bằng phương pháp tĩnh điện” 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

Nguyễn Hoàng Bảo Hưng

vi


MỤC LỤC
----------    ---------NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................v
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... ix
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .......................................................................................x
1. TỔNG QUAN .........................................................................................................1
1.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 1
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ...................................................................... 1
1.3. Ứng dụng lọc bụi tĩnh điện để lọc khói hàn..................................................... 3
1.4. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................... 7
1.5. Lợi ích và ý nghĩa của đề tài. ........................................................................... 8
2. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC .............................................9
2.1. Khái niệm chung về bụi và phân loại .............................................................. 9
2.2. Khói hàn ......................................................................................................... 10

2.2.1. Ảnh hưởng của khí và bụi sinh ra trong quá trình hàn ............................... 10
2.2.2. Kích cỡ phân tử ảnh hưởng đến sức khoẻ của thợ hàn ............................... 11
2.2.3. Các nguồn phát sinh khí và bụi trong q trình hàn ................................... 11
2.2.4. Thành phần hố học trong khói hàn ............................................................ 12
2.3. Lọc bụi tĩnh điện ............................................................................................ 14
2.3.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị lọc bụi bằng tĩnh điện.... 14
2.3.2. Đặc điểm và phân loại lọc bụi tĩnh điện khô .............................................. 17
2.4. Hiệu suất lọc bụi bằng tĩnh điện .................................................................... 19
2.4.1. Phương trình của phương pháp lọc bụi bằng tĩnh điện ............................... 19
vii


2.4.2. Hiệu suất lọc theo cỡ hạt của thiết bị lọc bụi tĩnh điện. .............................. 21
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi tĩnh điện ................................... 27
2.5.1. Ảnh hưởng của tính chất khí cần làm sạch ................................................. 27
2.5.2. Ảnh hưởng của điện trở suất lớp bụi........................................................... 27
2.5.3. Ảnh hưởng của hàm lượng bụi vào............................................................. 28
2.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất lọc ................................................... 28
2.5.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất lọc ................................................... 29
2.4.6. Ảnh hưởng của vận tốc di chuyển phần tử bụi tới hiệu suất lọc................. 29
2.6. Một số giải pháp nâng cao hiệu suất thiết bị lọc bụi tĩnh điện ...................... 30
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.........................................................................32
3.1. Thơng số thí nghiệm ...................................................................................... 32
3.2. Mơ hình thí nghiệm........................................................................................ 34
3.2.1. Thiết bị dùng để thí nghiệm. ....................................................................... 34
3.2.2. Phơi và dụng cụ thí nghiệm. ....................................................................... 38
3.2.3. Các bước tiến hành thí nghiệm ................................................................... 39
3.2.4. Phương pháp kiểm tra độ bụi ...................................................................... 41
3.3. Phương pháp phân tích kết quả...................................................................... 42
3.4. Kết quả và thảo luận ...................................................................................... 48

4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................49
4.1. Kết luận .......................................................................................................... 49
4.2. Hướng phát triển ............................................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................51
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................................53

viii


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bộ lọc kém chất lượng, thường xun bị ngẹt lớp than hoạt tính .............14
Hình 1.2. Khói hàn được xả thẳng ra mơi trường khơng qua hệ thống lọc. .............15
Hình 1.3. Thiết bị lọc khói hàn bằng công nghệ lọc tĩnh điện tại Trường Cao Đẳng
Kỹ Thuật Cao Thắng .................................................................................................16
Hình 1.4. Màng lọc bụi. ............................................................................................16
Hình 1.5. Kết qua đếm hạt bụi khi máy lọc hoạt động .............................................17
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của thiết bị lọc bụi bằng điện kiểu ống [1]. .......14
Hình 2.2. Thiết bị lọc bụi tĩnh điện kiểu tấm bản [1]................................................15
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị lọc bụi bằng điện hai vùng [1]: ...................16
Hình 2.4. Sơ đồ phối cảnh của thiết bị lọc bụi tĩnh điện hai vùng [1]. .....................16
Hình 2.5. Phân loại lọc bụi tĩnh điện khơ [1]. ...........................................................17
Hình 2.6. Sơ đồ tính tốn thiết bị lọc bụi kiểu ống.[1] .............................................19
Hình 2.7. Sơ đồ tính tốn hiệu suất lọc của thiết bị kiểu tấm bản [1]. ......................21
Hình 2.8. Vận tốc di chuyển ω của hạt bụi phụ thuộc vào đường kính δ [1]. .25
Hình 2.9. Ảnh hưởng của kích thước hạt bụi tới hiệu suất lọc của một số dạng bản
cực [1]. ......................................................................................................................27
Hình 2.10. Đồ thị ảnh hưởng điện trở suất tới hiệu suất thu bụi [1]. ........................27
Hình 2.11. Đồ thị sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất lọc bụi [2]. ....................29
Hình 2.12. Đồ thị tương quan giữa hiệu suất và độ ẩm [1].......................................29
Hình 2.13. Sơ đồ các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất lọc tĩnh điện. ....................30

Hình 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi tĩnh điện. .............................32
Hình 3.2. Biểu đồ thực hiện. .....................................................................................33
Hình 3.3. Mơ hình thí nghiệm. ..................................................................................34
Hình 3.4. Điện cực phóng có gai và phin lọc tổ ong bằng vật liệu inox 304. ...........34
Hình 3.5. Quạt hút ly tâm TJF...................................................................................35
Hình 3.6. Máy hàn WIM AC300. .............................................................................36
Hình 3.7. Máy đo vận tốc gió HT-9818. ...................................................................37
Hình 3.8. Máy đo độ bụi HT-9600............................................................................38
Hình 3.9. Phơi và que hàn. ........................................................................................39
Hình 3.10. Kết nối hệ thống hút với mơ hình thí nghiệm. ........................................39
Hình 3.11. Phin lọc sau khi kết thúc một thí nghiệm ................................................40
Hình 3.12. Đo độ bụi đầu ra của máy bằng thiết bị đo HT-9600. .............................41
ix


Hình 3.13. Qui hoạch thực nghiệm Box-Behnken ba nhân tố. .................................42
Hình 3.14. Kiểm tra phương trình hồi qui trong Minitab. ........................................47
Hình 3.15. Biểu đồ thể hiện mức ảnh hưởng của các thơng số đến hiệu suất lọc bụi.
...................................................................................................................................48
Hình 3.16. Đồ thị tối ưu hố. ....................................................................................49

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thơng số thí nghiệm. ................................................................................48
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm thăm dị .....................................................................52
Bảng 3.3. Mã hố thơng số........................................................................................53
Bảng 3.4. Ma trận quy hoạch thực nghiệm X. ..........................................................54

x

1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Hàn là một phương pháp gia cơng trong cơ khí, hàn có có đặc điểm là có khả
năng ghép nối cố định các chi tiết cơ khí ở mọi loại kích thước. Trong q trình thi
cơng trên công trường (chủ yếu là việc ghép nối các chi tiết cơ khí đã được gia cơng
trước đó), hàn chiếm phần lớn trong khối lượng các công việc. Với việc ngành hàn
ngày càng phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi việc đào tạo nghề hàn cũng phải phát triển
theo để đáp ứng nhu cầu nhân lực có tay nghề cao cho thị trường trong và ngoài nước.
Đặc biệt đối với các trường dạy nghề, bên cạnh Cơ khí chế tạo máy, Điện, Ơtơ, ngành
hàn được xem là một trong những ngành mũi nhọn. Vì lý do đó, các sơ sở đào tạo
hiện đang khai thác tối đa hiệu quả làm việc của xưởng hàn, điều này đồng nghĩa với
việc lượng khói hàn toả ra ngày một nhiều hơn, khiến cho các thiết bị lọc khói hàn
lạc hậu khơng thể đáp ứng được.
Quá trình hàn sinh ra các hạt nhỏ li ti bị phát tán vào khơng khí, tùy thuộc vào
kích cỡ của các hạt này mà thời gian tồn tại của chúng trong khơng khí và khả năng
thâm nhập vào sâu trong cơ thể con người là khác nhau. Những phân tử khói hàn này
thường được lọc bằng thiết bị cũ, rất mau hư hỏng và bị nghẹt, việc thay thế màng
lọc thường xuyên gây rất nhiều tốn kém và khơng hiệu quả.
Vì vậy, việc thiết kế và chế tạo một hệ thống lọc khói hàn mới hứa hẹn sẽ mang
đến một giải pháp hữu ích thiết thực cho các cơ sở dạy nghề trong việc đảm bảo sức
khoẻ cho học viên, giáo viên, cũng như không gây ô nhiễm môi trường xung quanh,
tăng hiệu quả học tập và làm việc. Trong các phương pháp có thể sử dụng để lọc bụi
khói hàn hiện nay, ESP (ELECTROSTATIC PRECIPITATOR SYSTEM) là phương
pháp có tiềm năng nhất để nghiên cứu, lắp đặt và sử dụng.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
- Việc sử dụng tĩnh điện để loại bỏ các hạt bụi đã được Hohlfeld phát minh và
sử dụng vào năm 1824, tuy nhiên đến gần một thế kỷ sau công nghệ này mới được
thương mại hoá vào năm 1908 bởi nhà hoá học người Mỹ Frederick Gardner
Cottrell tại Đại học California, Berkeley. Các đơn vị ban đầu được sử dụng để loại
bỏ sương mù axit sulfuric và khói oxit chì phát ra từ các hoạt động sản xuất

1


và luyện axit. Các thiết bị đã giúp bảo vệ các vườn nho ở miền bắc California khỏi
khí thải chì.
- Baoyu Guo và cộng sự mơ phỏng q trình lọc tĩnh điện với hai thông số điện
trường và vận tốc dịng khí bằng phương pháp Eulerian-Lagrangian vào năm 2015.
- Yongqi Tong, Liu Liu, Lin Zhang và cộng sự nghiên cứu việc sử dụng điện
cực Arista để tăng hiệu suất lọc các hạt mịn vào năm 2019.
- Wenchao Gao và cộng sự đã mơ phỏng q trình di chuyển của hạt bụi trong
bộ lọc tĩnh điện với các cấu hình điện cực phóng khác nhau vào năm 2019.
- Mengxiang Gao và cộng sự nghiên cứu về hiệu suất lọc bụi và các yếu tố ảnh
hưởng đến hiệu suất lọc của bộ lọc tĩnh điện hai giai đoạn vào năm 2019.
Việt Nam đã tiếp cận với công nghệ và thiết bi lọc bụi trong các dây chuyền sản
xuất khá lâu, được nhập khẩu đồng bộ. Trên 20 năm qua, Việt Nam đã nhập hàng
chục dây chuyền thiết bị nhà máy nhiệt điện và trên 50 dây chuyền công nghệ sản
xuất xi măng lị quay. Trong dây chuyền cơng nghệ xi măng lị đứng, xi măng lò
quay, các thiết bị lọc bụi thường được sử dụng là loại lọc bụi xyclon, lọc bụi ướt,
lọc bụi tĩnh điện, lọc bụi ly tâm. Các loại lọc bụi xyclon, lọc bụi ướt chủ yếu do
Việt Nam chế tạo, còn các loại lọc bụi tĩnh điện thường nhập từ các nước có nền
cơng nghiệp tiên tiến như CHLB Nga, Nhật bản, CHLB Đức, CH Pháp, Đan
Mạch, Hàn quốc, Trung Quốc...
Một số cơ sở, đơn vị trong nước có kinh nghiệm trong lĩnh vực này gồm:
- Viện IMI: Năm 2004 đã nghiên cứu thiết kế, công nghệ chế tạo thiết bị lọc bụi
tĩnh điện năng suất 1230 m3/phút cho máy nghiền xi măng trong nhà máy xi măng
1,4 triệu tấn năm. Trong đó đã thiết kế thiết bị lọc bụi tĩnh điện theo mẫu của nước
ngồi, tính tốn các thơng số kỹ thuật chính, lập quy trình cơng nghệ chế tạo, chế
tạo và đưa vào ứng dụng bộ điều khiển cho thiết bị. [3]
- Viện luyện kim mầu: Là đơn vị cũng đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị lọc bụi

công suất nhỏ cho nghành công nghiệp. Loại lọc bụi tĩnh điện nhỏ cho dây chuyền
xi măng lị đứng cỡ 6 ÷ 8 vạn tấn/năm đã được Viện chế tạo và lắp đặt tại xi măng
Lưu Xá và Cầu Đước trong những năm 1995-1997 nhưng hiệu quả sử dụng còn bị
hạn chế. [3]
- Viện nghiên cứu cơ khí, Bộ Cơng thương (NARIME): Giai đoạn đầu 2008 2009 Viện đã thực hiện nhiệm vụ KHCN cấp nhà nước: ”Nghiên cứu thiết kế lọc

2


bụi công suất lớn”. Nhiệm vụ của giai đoạn đầu chỉ nghiên cứu thiết kế. Viện đã
thực hiện nghiên cứu cơ bản về thiết kế và công nghệ chế tạo trong điều kiện trang
thiết bị của Việt nam. Ngoài phần thiết kế, Viện đã xây dựng được mơ hình điều
khiển. Giai đoạn năm 2013-2014, Viện Narime đã được Bộ KHCN giao đề tài
KHCN cấp nhà nước: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lọc bụi tĩnh điện công suất
1.000.000m3/h”. Viện Narime đã hợp tác với công ty KONDORECO – SF
NIIOGAZ của CHLB Nga với vai trò là tư vấn thiết kế. Đây là loại thiết bị lọc bụi
tĩnh điện tiên tiến, lần đầu tiên được nghiên cứu thiết kế tại Việt nam do Viện
Narime chủ trì chế tạo, lắp đặt, vận hành và đưa vào phục vụ sản xuất. [3]
1.3. Ứng dụng lọc bụi tĩnh điện để lọc khói hàn
Nhiễm độc khói hàn là một trong những bệnh nghề nghiệp phổ biến hay xảy ra
với thợ hàn nói chung và các công việc phụ trợ liên quan đến nguyên công hàn nói
riêng, đặc biệt là tại các cơ sở giảng dạy nghề hàn. Trong thời buổi hội nhập và phát
triển của khoa học kỹ thuật, việc xử lý khói hàn đã và đang được chú trọng để đảm
bảo sức khoẻ cho người thợ hàn cũng như môi trường sống xung quanh, tuy nhiên, vì
nhiều lý do khách quan, một số cơ sở vẫn chưa thực hiện tốt việc lọc và xử lý lượng
khói độc nguy hiểm này.
Tại một số cơ sở giảng dạy nghề hàn, diện tích nhỏ hẹp cũng như kinh phí duy
trì nhà xưởng, phịng học thực hành cịn thấp, dẫn đến việc hệ thống lọc không đạt
hiệu quả hoặc xả thẳng khói hàn ra ngồi mơi trường xung quanh.

Hình 1.1. Bộ lọc kém chất lượng, thường xuyên bị ngẹt lớp than hoạt tính.

3


Hình 1.2. Khói hàn được xả thẳng ra mơi trường không qua hệ thống lọc.
Việc thiết kế, chế tạo một bộ lọc mới với hiệu quả tốt hơn, kinh phí vận hành và
bảo trì thấp hơn, phù hợp với quy mô và điều kiện của từng cơ sở là yếu cầu tất yếu
và cấp thiết. Sau khi phân tích các yếu tố vế đặc điểm điều kiện tại cơ sở, giá thành,
độ ồn, hiệu suất…giữa các phương án tháp hấp thụ, đầu tư thiết bị mới và cải tiến
thiết bị cũ thành hệ thống lọc tĩnh điện thì phương án thứ ba: Cải tiến hệ thống lọc cũ
thành hệ thống lọc tĩnh điện là khả thi và phù hợp nhất.

4


Hình 1.3. Thiết bị lọc khói hàn bằng cơng nghệ lọc tĩnh điện tại Trường Cao Đẳng
Kỹ Thuật Cao Thắng.
Máy lọc khói hàn tĩnh điện tại trường Cao đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng được phát
triển dựa trên các thông số sẵn có của thiết bị lọc cũ để tiết kiệm chi phí thay mới.
Máy lọc có ba lớp lọc: (1) màng lọc sơ cấp bằng bông lọc G2, (2) phin lọc tĩnh điện,
(3) màng lọc than hoạt tính.

5


Hình 1.4. (1) màng lọc bụi G2, (2) phin lọc tĩnh điện, (3) màng lọc than hoạt tính.

6

Hình 1.5. Kết qua đếm hạt bụi khi máy lọc hoạt động.
Sau khi thiết kế và chế tạo, máy được đưa vào vận hành thử nghiệm và bước
đầu cho ra kết quả khả quan. Với thiết bị đếm hạt bụi HT-9600, dịng khí đầu ra sau
máy lọc có số hạt bi < 2.5àm l 24, s ht bi t 2.5ữ10àm là 92, đạt yêu cầu về
tiêu chuẩn khí sạch theo tiêu chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT, hiệu suất lọc bụi lên
đến 99.9%
1.4. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu
Quá trình lọc khói hàn chịu ảnh hưởng của nhiều thơng số, việc phân tích để
xác định đúng các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc là cực kỳ quan trọng. Nghiên
cứu này nhằm mục tiêu xác định vùng công nghệ tối ưu cho q trình lọc tĩnh điện,
tiết kiệm chi phí chế tạo, lắp đặt, vận hành và bảo trì bảo dưỡng.
Nội dung
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các q trình lọc khói tĩnh điện.
- Phân tích các thơng số ảnh hưởng đến hiệu suất lọc khói hàn.
- Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thống kê và tối ưu hóa để phân
tích dữ liệu, từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm.

7


1.5. Lợi ích và ý nghĩa của đề tài.
Đảm bảo khơng khí đầu ra khơng gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và
giúp cải thiện môi trường.
Nâng cao hiệu suất lọc của màng lọc than hoạt tính, giảm chi phí cho việc lắp
đặt và duy trì hệ thống xử lý khói so với hiện tại.
Do những lợi ích to lớn như vậy, với việc chọn được bộ thông số công nghệ tối
ưu sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp lọc khói, tiết kiệm
năng lượng, cải thiện điều kiện lao động.

8


2. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC
2.1. Khái niệm chung về bụi và phân loại
Các phần tử chất rắn thể rời rạc (dạng hạt) có thể được tạo ra trong các quá trình
nghiền, ngưng kết và các phản ứng hóa học khác nhau. Dưới tác dụng của các dịng
khí hoặc khơng khí, chúng chuyển thành trạng thái lơ lửng và trong điều kiện nhất
định chúng tạo thành thứ vật chất mà người ta gọi là bụi.[1]
Bụi là một hệ thống gồm hai pha: Pha khí và pha rời rạc – các hạt có kích thước
nằm trong khoảng từ kích thước ngun tử đến khi nhìn thấy được bằng mắt thường,
có khả năng tồn tại ở dạng lơ lửng trong thời gian dài ngắn khác nhau.
Sol khí (ărozon) cũng là hệ thống vật chất rời rạc gồm các hạt thể rắn và thể
lỏng ở dạng lơ lửng trong thời gian dài khơng hạn định. Tốc độ lắng chìm của các hạt
aêrozon rất bé. Những hạt bé nhất của ărozon có kích thước gần bằng kích thước các
ngun tử lớn, cịn những hạt lớn nhất có kích thước khoảng 0,2 ữ 1àm.
Khỏi nim v aờrozon thụ cú th xem là đồng nghĩa với bụi. rozon có thể là
kích thước hạt đồng nhất (monodisperse, isodisperse) hoặc không đồng nhất
(polydisperse, heterodisperse).
Bụi thu giữ được hoặc bụi đã lắng đọng thường đồng nghĩa với khái niệm “bột”,
tức là loại vật chất vụn, rời rạc.
Kích thước của hạt bụi δ được hiểu là đường kính, độ dài của hạt hoặc lỗ rây,
kích thước lớn nhất của hình chiếu của hạt.
Đường kính tương đương δtđ của hạt bụi có hình dáng bất kỳ là đường kính hình
cầu có thể tích bằng thể tích của hạt bụi.
Vận tốc lắng chìm vc của hạt bụi là vận tốc rơi của hạt trong môi trường tĩnh
dưới tác dụng của trọng lực. Vận tốc lắng chìm phụ thuộc vào kích thước của hạt,
hình dáng và khối lượng đơn vị của nó cũng như khối lượng đơn vị và độ nhớt của
mơi trường.

Đường kính lắng chìm δc của hạt bụi là đường kính hạt bụi hình cầu mà vận tốc
rơi và khối lượng đơn vị của nó bằng vận tốc và khối lượng đơn vị của hạt bụi có hình
dáng phi chuẩn đang xem xét.
Về kích thước, bụi được phân chia thành các loại sau đây:
- Bụi thô, cát bụi (grit): gồm các hạt bụi chất rắn có kích thước hạt δ > 75µm
- Bụi (dust): hạt chất rắn cú kớch thc nh hn bi thụ (5ữ75 àm) c hình
thành từ các q trình cơ khí như nghiền, tán, dập …
9


- Khói: gồm các hạt vật chất có thể là rắn hoặc lỏng được tạo ra trong quá trình
đốt cháy nhiên liệu hoặc q trình ngưng tụ có kích thước ht = 1ữ 5àm. Ht bi
c ny cú tớnh khuếch tán rất ổn định trong khí quyển.
- Khói mịn (fume): gồm những hạt chất rắn rất mịn, kích thước hạt δ < 1µm.
- Sương (mist): hạt chất lỏng kích thước δ < 10µm. Loại hạt cỡ này ở một nồng
độ đủ để làm giảm tầm nhìn thì được gọi là sương giá (fog).
Có sự khác biệt đáng kể về tính chất cơ lý hóa của các hạt có kích thước nhỏ
nhất và lớn nhất. Các hạt cực nhỏ thì tuân theo một cách chặt chẽ sự chuyển động của
môi trường khí xung quanh, trong khi đó các hạt lớn – như bụi thơ chẳng hạn thì rơi
có gia tốc dưới tác dụng của lực trọng trường và nhờ thế chúng dễ dạng bị loại bỏ ra
khỏi khối khí (dễ lọc sạch). Tuy vậy, những hạt bụi có kích thước lớn cũng có khả
năng bị cuốn đi rất xa khi điều kiện thời tiết thuận lợi. Ví dụ hiện tượng mưa bụi trên
một phạm vi rộng lớn ở phía nam nước Anh vào mùa hè 1968 sau đó được gội sạch
nhờ có mưa là do những hạt cát có kích thước ≈ 50µm bị gió cuốn theo.
Những hạt bụi có tác hại lớn nhất đối với sức khỏe con người là khi chúng có
thể thâm nhập sâu vào tận phổi trong q trình hơ hấp – tức những hạt có kích thước
δ < 10µm. Người ta gọi cỡ bụi này là bụi hơ hấp.
2.2. Khói hàn
2.2.1. Ảnh hưởng của khí và bụi sinh ra trong quá trình hàn
Quá trình hàn sinh ra các hạt nhỏ li ti bị phát tán vào khơng khí, tùy thuộc vào

kích cỡ của các hạt này mà thời gian tồn tại của chúng trong không khí và khả năng
thâm nhập vào sâu trong cơ thể con người là khác nhau.
Những phân tử khói hàn được hình thành chính từ sự bay hơi của kim loại và
của chất hàn khi nóng chảy. Khi nguội đi lượng hơi này ngưng tụ và có phản ứng với
oxy trong khí quyển, rồi hình thành nên các phân tử nhỏ mịn (fine particles). Khoảng
90% khói sinh ra từ chất sẽ bị thiêu đốt.
Các phân tử này có kích thước khoảng từ 0,01 – 1 µm. Những phân tử này gây
tính độc hại cho công nhân rất cao. Các phân tử càng bé thì càng gây nhiều nguy hiểm
hơn.
Một số khí khác sinh ra trong quá trình hàn cũng dẫn đến nguy hiểm nếu khơng
được thơng gió trong nhà xưởng.

10


- Các hạt có kích cỡ trên 100 µm khơng tồn tại lâu trong khơng khí thường sẽ
rơi xuống xung quang vũng hàn ngay sau khi bị phát tán vào khơng khí.
- Các hạt có kích cỡ từ 30 µm đến 100 µm tồn tại khơng lâu trong khơng khí,
chúng ta có thể hít phải xong nó sẽ bị lọc bởi màng nhày ở mũi.
- Các hạt có kích cỡ từ 5 đến 30 µm dễ dàng thốt qua được hệ thống lọc tại
mũi, và vào được khí quản tuy nhiên chúng sẽ bị giữ lại bởi các các hệ thống lọc của
cơ thể tại đây.
- Các hạt có kích cỡ dưới 5 µm tồn tại lâu trong khơng khí và khi chúng ta hít
phải chúng có thể xâm nhập được đến các túi khí nằm tại phổi. Tại đây chúng ta sẽ
khó loại bỏ chúng ra khỏi cơ thể, việc loại bỏ bằng các cơ chế sinh học tự nhiên chỉ
diễn ra từ từ.
Cơ thể con người không thể ngừng việc hô hấp, mặt khác hàng ngày chúng ta
lưu thơng một lượng khơng khí rất lớn qua phổi do đó chỉ cần một lượng chất độc hại
với tỷ lệ nhỏ tồn tại trong khơng khí vẫn có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho
sức khỏe.

2.2.2. Kích cỡ phân tử ảnh hưởng đến sức khoẻ của thợ hàn
Các phân tử khói hàn trong khoảng dưới 0,01 - 1 µm tại nguồn và 1- 2 µm ở
vùng thở của cơng nhân. Kích thước những phân tử này sẽ gây ảnh hưởng tới hệ hô
hấp. Những phân tử lớn hơn 5 µm sẽ ngưng tụ trên đường hơ hấp, cịn các phân tử từ
0,1- 5 µm sẽ đi theo đường vào phổi và ngưng tụ ở đó.
Những căn bệnh có nguy cơ mắc phải nếu công nhân nếu tiếp xúc với khói hàn
nhiều như: viêm phế quản, viêm phổi, ung thư phổi, hen suyễn, một số bệnh về mắt,
da…
2.2.3. Các nguồn phát sinh khí và bụi trong q trình hàn
- Kim loại vật hàn.
- Kim loại bù, thuốc bảo vệ.
- Khí bảo vệ.
- Tác động của nhiệt lên mơi trường.
- Các chất phủ, các lớp mạ bề mặt vật hàn.
- Bụi sinh ra trong q trình mài, gia cơng cơ khí.
- Bản thân mơi trường làm việc.

11


2.2.4. Thành phần hố học trong khói hàn
- Nhơm: Hít phải bột nhôm trong thời gian dài sẽ gây ra các tổn thương lên phổi.
Chuẩn Hoa Kì giới hạn dưới 5mg trên một mét khối.
- Antimon: Gây dị ứng rối loạn chuyển hóa protein và cacbonhidrat.
- Asen: Tác nhân gây ung thư gây ra các tổn thương lên gan.
- Amiang: Tác nhân gây ung thư phổi phổ biến.
- Bari: Có tính độc cao gây ra các hiện tượng co giật.
- Berili: Có tính độc cao, tiếp xúc có thể gây tử vong.
- Cadimi: Có tính độc cao, là chất gây ung thư gây ra các vấn đề trầm trọng về
sức khỏe ngay cả khi tiếp xúc với nồng độ thấp.

- Crom: Gây bệnh xơ phổi, Crom VI nghi ngờ là chất gây ung thư.
- Coban: Gây ra các hiện tượng hen suyễn, dị ứng da.
- Đồng: Gây sốt đau đầu mệt mỏi, một số hợp chất của đồng rất nguy hiểm.
- Flo: Tiếp xúc với nồng độ lớn gây dị ứng khó chịu và ảnh hưởng lâu dài đến
xương.
- Sắt: Gây ra các vấn đề nghiêm trọng đến phổi mà khơng có các triệu chứng
báo trước.
- Chì: Gây đau đầu, rối loạn giấc ngủ, hệ tiêu hóa, thiếu máu và các gây ra các
tổn thương lên hệ thần kinh.
- Mangan: Gây dị ứng da, mắt, gây sốt đau đầu.
- Thủy ngân: Ăn mòn da, mắt, gây đau dạ dày, tiêu chảy, tổn thương thận, suy
hô hấp.
- Molypden: Không chắc chắn có ảnh hưởng đến sức khỏe.
- Nikel: Gây hiện tượng dị ứng da tiếp xúc.
- Bạc: Gây ra các vấn đề về đường hô hấp.
- Thiếc: Gây ra các vấn đề nghiêm trọng đối với phổi mà khơng có các triệu
chứng báo trước.
- Titan: Khơng chắc chắn có ảnh hưởng đến sức khỏe.
- Vonfram: khơng chắc chắn có gây các ảnh hưởng đến sức khỏe.
- Vanadi: Gây tức ngực khó thở, viêm phế quản.
- Thori: Là hợp kim có trong kim hàn TIG là nguyên tố phóng xạ, do đó hơi
Thori rất độc hại do đó cần có biện pháp quản lý chặt chẽ hàm lượng Thori.
- Kẽm: Gây ra triệu chứng sốt, đau đầu nhưng nhanh hồi phục.
12


- Argon-Heli: Chỉ gây ngạt nếu trong môi trường thiếu oxy.
- CO2: Chỉ gây ngạt.
- CO: Sinh ra do quá trình đốt cháy khơng hết gây ra các hiện tượng chóng mặt
nhức đầu do CO ngăn cản hồng cầu tiếp xúc oxy có thể gây ngất.

- Oxit nito: Chất khí sinh ra do nito tác động với oxy nó gây ảnh hưởng nghiêm
trọng đến hệ hơ hấp và tuần hồn.
- Ozon: Sinh ra do tác động của tia cực tím lên oxy khơng khí. Gây khó chịu ảnh
hưởng lâu dài lên phổi.
- Photgen: Chất hơi độc sinh ra do tác động của tia cực tím lên các dung mơi
clo, gây tổn thương nghiêm trọng lên phổi. Do đó cần tránh để các dung môi clo gần
khu vực hàn.

13


2.3. Lọc bụi tĩnh điện
2.3.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị lọc bụi bằng tĩnh điện
Thiết bị lọc bụi tĩnh điện (ESP) gồm một dây kim loại nhẵn tiết diện bé 1 được
căng theo trục ống kim loại 2 nhờ có đối tượng 3 (hình 2.1).

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của thiết bị lọc bụi bằng điện kiểu ống [1].
Dây kim loại được cách điện hoàn toàn với các bộ phận xung quanh tại vị trí
4 và được nạp điện một chiều với điện thế cao, khoảng 50.000V trở lên. Đó là cực
âm của thiết bị. Cực dương là ống kim loại bao bọc xung quanh cực âm và được
nối đất. Dưới điện thế cao mà dây kim loại (cực âm) được nạp, nó sẽ tạo ra bên
trong ống cực dương một điện trường mạnh và khi dịng khí mang bụi đi qua,
những phân tử khí trong dịng khí sẽ bị ion hóa rồi truyền điện tích âm (electron)
cho hạt bụi dưới các tác động va đập quán tính (bắn phá) và hoặc khuếch tán ion.
14