D ans

Để giải quyết vấn đề này, các nhà đầu tư thường chọn giải pháp đó là thiết kế, trang bị các hệ thống xử lý bụi như Cyclon, lọc bụi túi, lọc bụi ướt hay lọc bụi tĩnh điện để giảm mức độ ô

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp, dây chuyền sản xuất không ngừng được cải tiến nâng cao năng suất Nhưng cũng cùng với

đó, các yêu cầu về bảo vệ môi trường ngày càng trở nên khắt khe hơn Đặc biệt với những ngày công nghiệp như sản xuất xi măng, khai thác, vận chuyển than, thu gom và xử lý rác thải,…

do đặc thù của quy trình công nghệ, những ngành công nghiệp này phát sinh ra rất nhiều nguồn bụi, khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Do đó, việc xử lý bụi và khí thải ô nhiễm này luôn là một trong những vấn đề rất được quan tâm

Để giải quyết vấn đề này, các nhà đầu tư thường chọn giải pháp đó là thiết kế, trang bị các hệ thống xử lý bụi như Cyclon, lọc bụi túi, lọc bụi ướt hay lọc bụi tĩnh điện để giảm mức độ ô nhiễm môi trường do các bụi sinh ra trong quá trình sản xuất, đảm bảo môi trường sản xuất trong lành, đồng thời trong nhiều trường hợp cụ thể còn giúp tiết kiệm nhiên liệu, qua đó gián tiếp làm cải tiến năng suất lao động

Là sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Điều khiển, sau khi học tập, nghiên cứu các học phần liên quan đến chuyên ngành và đăng ký làm Đồ án tốt nghiệp học tại trường Đại Học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, chúng em được giao tìm hiểu và hoàn thành đề tài: “điều khiển hệ thống lọc bụi tĩnh điện ” do thầy PGS.TS Nguyễn Văn Chí và các thầy cô trong bộ môn hướng dẫn

Trong quá trình tiến hành làm đồ án, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, cùng các thầy cô giáo bộ môn Đo lường Điều khiển và sự cố gắng bản thân nhưng do giới hạn về thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét quý báu của các thầy cô để

đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LỌC BỤI

1.1 Khái niệm về bụi và tác hại do ô nhiễm bụi

Bụi là một tập hợp nhiều hạt, có kích thước nhỏ bé, tồn tại ở nhiều dạng khác nhaul trong không khí dưới dạng bụi bay, bụi lắng và các hệ khí dung nhiều pha gồm hơi khói mù Bụi là hệ thống bao gồm hai pha : pha khí và pha rắn rời rạc

Các loại bụi nói chung thường có kích thước từ 0,001 um – 10

um (micron) bao gồm tro, muội, khói và những hạt chất rắn tồn tại đưới đạng hạt rất nhỏ rơi xuống đất với tốc độ không đổi theo định luật Stock Loại bụi này thường gây tổn thương nặng cho

cơ quan hô hấp, nhất là bệnh phối nhiễm bụi thạch anh

(silicosis) do thở hít không khí có bụi bloxyt silic lâu ngày

Bụi lắng có kích thước lớn hơn 10um, thường rơi nhanh xuống đất theo định luật Newton với tốc độ tăng dần Các loại bụi này thường gây tác hại cho đa, mắt, gây nhiễm trùng, gây dị ứng Bụi có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ Bụi hữu cơ như bụi thực vật (gỗ, bông), bụi động vật (len, lông, tóc), bụi nhân tạo (nhựa hóa học, cao su) Bụi vô cơ như bụi khoáng chất (thạch anh, amiăng), bụi kim loại (sắt, đồng, chì)

Bụi nhỏ hơn 0,1um lơ lửng trong không khí, không ở lại phế nang Bụi từ 0,1um - 5um ở lại phổi, chiếm tới 80% - 90% Bụi

từ 5um - 10um vào phổi nhưng lại được đào thải ra Bụi lớn hơn

10 um thường đọng lại ở mũi

Bụi gây nhiều tác hại khác nhau nhưng trong đó tác hại đối với sức khỏe con người là quan trọng nhất Về sức khỏe, bụi có thể gây tôn thương với mắt, da hoặc hệ

tiêu hóa ( một cách ngẫu nhiên ), nhưng chủ yếu vẫn là sự xâm nhập của bụi vào phôi thông qua hít thở

Nền kinh tế ngày càng phát triển không ngừng dần đáp ứng được nhu cầu của con người về vật chất và văn hóa nhưng mặt trái của nó là kéo theo tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng Ở Việt Nam tại những vùng tập trung nhiều nhà máy,khu công nghiệp thì tình trạng khói bụi, khí độc hại thải ra môi trường gây ô nhiễm rất đáng lo ngại Do đó việc trang bị các hệ thống xử lý bụi cho các nhà máy, xí nghiệp là thực sự cần thiết và có vai trò ngày càng quan trọng

Do đó khi thiết kế hệ thống lọc bụi vấn đề đặt ra đối với các nhà máy là chọn hệ thống lọc bụi nào phù hợp với nhà máy của mình trong số rất nhiều phương pháp lọc bụi hiện nay

1.2 Các phương pháp lọc bụi

1.2.1 Lọc bụi sử dụng buồng lắng bụi

Cấu tạo: không gian hình hộp có tiết điện ngang lớn hơn nhiều

so với tiết điện đường ống dẫn khí vào đề vận tốc dòng khí đột ngột giảm xuống rất nhỏ từ đóhạt bụi có thời gian rơi xuống chạm đáy

Nguyên lý : Sự lắng bụi bằng buồng lắng là tạo điều kiện

để trọng lực tác dụng lên hạt bụi thắng lực đẩy ngang của dòng khí Trên cơ sở đó người ta tạo ra sự giảm đột ngột lực đẩy của dòng khí bằng cách tăng đột ngột mặt cắt của dòng khí chuyển động Trong thời điểm ấy, các hạt bụi sẽ lắng xuống

Hình 1- 1: Cấu tạo buồng lắng đơn buồng lắng kép

Ưu điểm: chỉ phí thiết bị và vận hành thấp, không có bộ phận chuyên động, không phải bảo trì thường xuyên, không có vật liệu dễ ăn mòn, có thể thêm thiết bị làm lạnh dòng khí

Nhược điểm: hiệu quả thu hồi kém, không xử lý được những hạt dính bám, chỉ thu hồi được bụi có kích thước lớn

1.2.2 Lọc bụi sử dụng phương pháp li tâm

Nguyên lí: không khí mang bụi vào thiết bị theo ống dẫn được

lắp theo phương tiếp tuyến với thân hình trụ của xiclon Không khí sẽ chuyển động xoắn ốc bên trong thân hình trụ của xiclon Khi chạm vào ống đáy hình phễu dòng khí bị dội ngược trở lên nhưng vẫn giữ được chuyển động xoắn ốc và thoát ra ngoài ống thải Các hạt bụi chịu tác dụng bởi lực ly tâm sẽ chuyển động về phía thành ống của thân hình trụ, rồi chạm vào đó, mất động năng, rơi xuống đáy phễu

Hình 1- 2: Nguyên lý buồng lọc li tâm

Ưu điểm : Cấu tạo đơn giản, làm việc với môi trường nhiệt độ cao, bụi gom được ở dạng bụi khô, hiệu suất cao, vận hành đơn giản

Nhược điểm : hiệu quả vận hành kém khi bụi có kích thước nhỏ hơn 5ụm, không thê thu hôi bụi kêt dính

1.2.3 Lọc bụi sử dụng hệ thống lọc túi vải

Thiết bị lọc bụi túi vải còn có tên gọi khác là thiết bị lọc bụi tay

áo Khác với phương pháp lọc bụi tĩnh điện thì lọc bụi túi vải xử

lý bụi bằng phương pháp cơ học Cấu tạo thiết bị gồm các túi lọc dạng vải, được cố định trên lồng sắt, bụi được giữ lại trong túi lọc

Nguyên lý : cho không khí lẫn bụi đi qua 1 tấm vải lọc, ban đầu các hạt bụi lớn hơn khe giữa các sợi vải sẽ bị giữ lại trên bề mặt vải theo nguyên lý rây, các hạt nhỏ hơn bám dính trên bề mặt sợi vải lọc do va chạm, lực hấp dẫn và lực hút tĩnh điện, dần dần lớp bụi thu được dày lên tạo thành lớp màng trợ lọc, lớp màng này giữ được cả các hạt bụi có kích thước rất nhỏ

Hình 1- 3: Nguyên lý lọc bụi túi vải

Ưu điểm : Cấu tạo đơn giản, Hiệu suất làm sạch cao ngay cả đối với khí có nồng độ thấp Rũ bụi hoàn toàn tự động bằng khí nén hoặc bằng động cơ, vận hành và bảo dưỡng thiết bị dễ dàng Thiết kế lõi côn độc đáo giúp tăng diện tích bề mặt lọc, rũ bụi dễ dàng và tiết kiệm khí nén Lọc được nhiều loại bụi có kích thước khác nhau

Nhược điểm : Bụi càng bám nhiều vào các sợi vải thì trở lực do túi lọc càng tăng, phải được làm sạch theo định kỳ, chi phí vận hành cao

1.2.4 Phương pháp lọc bụi ướt

Nguyên lý : Nguyên tắc của phương pháp lọc bụi ướt là người ta cho dòng không khí có chứa bụi tiếp xúc trực tiếp với dung môi (thường là nước) Quá trình tiếp xúc có thể ở dạng hạt (khi nước được phun thành các hạt nước có kích thước nhỏ và mật độ cao), dạng bề mặt khi thiết bị có sử dụng lớp đệm (nước chảy trên các

bề mặt vật liệu đệm), dạng bọt khí khi sử dụng tháp sủi bọt hay tháp mâm Các hạt bụi có thê kết dính lại với nhau và bị giữ lại trong dung môi nhờ cơ chế va đập, tiếp xúc và khuếch tán còn dòng không khí sạch sẽ đi ra khỏi thiết bị

Hình 1- 4: Nguyên lý buồng phun

Ưu điểm : dễ chê tạo, giá thành thấp, hiệu quả cao, có thê làm việc với khí nhiệt độ và độ âm cao, lọc được khí độc

Nhược điểm : phải xử lý cặn bùn, khí thoát mang theo hơi nước gây hen rỉ đường

ông, khí thải có chứa chât ăn mòn

1.2.5 Phương pháp lọc bụi tĩnh điện

Nguyên lý : Thiết bị lắng tĩnh điện là sử dụng một hiệu điện thế cực cao để tách bụi, hơi, sương, khói khỏi dòng khí Có 4 bước

cơ bản được thực hiện là:

• Dòng điện làm các hạt bụi bị ion hoá;

• Chuyển các ion bụi từ các bề mặt thu bụi băng lực điện

trường

• Trung hoà điện tích của các ion bụi lắng trên bề mặt thu

• Tách bụi lắng ra khỏi bề mặt thu Các hạt bụi có thể được tách ra bởi một áp lực hay nhờ rửa sạch

Hình 1- 5: Nguyên lý lọc bụi tĩnh điện

Ưu điểm : hiệu quả thu hồi cao với những hạt có kích thước cực nhỏ (0,01m) và nếu vận hành tốt có thê > 99,5%, tốn thất áp suất tương đối thấp, có thê xử lý lưu lượng lớn, lưu lượng dòng chảy vào thay đôi được, nồng độ bụi dao động 2,0- 250.000 mg/m' › nhiệt độ khí thải cao 650C

Nhược điểm : chất ô nhiễm thê khí và hơi không thê thu hồi và

xử lý, chi phí bảo dưỡng cao, dễ cháy nô, vận hành phức tạp, khí Ozon và Nox tạo ra ở điện cực âm

So sánh các thiết bị lọc bụi

Thiết bị Kích

cỡ hạt bụi nhỏ nhất (µm)

Giới hạn làm việc (ºC)

Ưu điểm Nhược điểm

Lọc bụi li

tâm hoặc

buồng

lắng

Dưới giới hạn cháy

nổ của bụi

• Vốn thấp, ít phải bảo trì

• Thu bụi khô

• Ít chiếm diện tích

• Hiệu suất thấp với bụi nhỏ hơn

10 µm

• Không thu được bụi có tính kết dính Lọc bụi

ướt

0,1 – 1 Kết hợp

làm nguội khí thải

• Không sinh nguồn bụi thứ cấp

• Ít chiếm diện tích

• Có khả năng giữ

cả khí và bụi

• Sinh ra nước thải

• Chi phí bảo trì cao do nước dò

rỉ, ăn mòn thiết bị

Lọc bụi

túi vải

0,1 – 0,5

< 250 ºC • Hiệu suất cao

• Có thể tuần hoàn khí

• Bụi thu được ở dạng khô

• Chi phí vận hành thấp, có thể thu bụi dễ cháy

• Dễ vận hành

• Cần vật liệc riêng ở nhiệt độ cao

• Cần công đoạn

rũ bụi phức tạp

• Chi phí vận hành cao do vải

dễ hỏng

• Tuổi thọ giảm trong môi trường axit, kiềm

• Thay thế túi vải phức tạp

Lọc bụi

tĩnh điện

0,25 - 1

< 450 ºC • Hiệu suất lọc cao,

tiết kiệm năng lượng

• Thu bụi khô

• Sụt áp nhỏ

• Ít phải bảo trì

• Xử lý lưu lượng lớn

• Vốn lớn

• Nhạy cảm với thay đổi dòng khí

• Khó thu bụi với điện trở khá lớn

1.3 Cơ sở lựa chọn

Phạm vi sử dụng hợp lý của thiết bị lọc bụi phụ thuộc nhiều yếu

tổ như : kích thước hạt bụi, nhiệt độ khí thải, nồng độ ban đầu,

điều kiện vận hành, Do đó việc lựa chọn thiết bị lọc bụi chủ

yếu được tiến hành theo các chỉ dẫn sơ bộ sau :

• Buồng lắng bụi : cần sử dụng chắc chắn trường hợp bụi thô, thành phần cỡ hạt trên 50 um chiếm tỷ lệ cao Ngoài ra buông lắng bụi được sử dụng như cấp lọc thô trước các thiết bị lọc tinh đắt tiền khác

• Lọc li tâm thường được sử dụng trong các trường hợp :

• Bụi thô

• Nồng độ bụi ban đầu cao > 20 mg/m

• Không đòi hỏi hiệu quả lọc cao Khi cần đạt hiệu quả cao hơn nên dùng cyclon ướt hoặc cyclon chùm

• Thiết bị lọc ướt được sử dụng khi :

• Cần lọc bụi mịn với hiệu quả tương đối cao

• Kết hợp giữa lọc bụi và khử khí độc hại trong phạm vi có thể, nhất là loại khí, hơi cháy được có mặt trong khí thải

• Kết hợp làm nguội khí thải

• Độ ẩm trong khí thải đi ra khỏi thiết bị không gây ảnh hưởng gì đáng kê đối với thiết bị cũng như các quá trình công nghệ liên quan

• Thiết bị lọc túi vải sử dụng trong các trường hợp sau :

• Cần đạt hiệu quả lọc tương đối cao

• Cần thu hồi bụi có giá trị ở trạng thái khô

• Lưu lượng khí thải cần lọc không quá lớn

• Nhiệt độ khí thải tương đối thấp nhưng phải cao hơn nhiệt độ điêm sương

• Thiết bị lọc bụi bằng điện sử dụng trong :

• Cần lọc bụi tính với hiệu quả lọc rất cao

• Lưu lượng khí thải cần lọc rất lớn

• Thu hồi bụi dạng khô

Để đáp ứng được nhu cầu công nghiệp ngày càng hiện đại và tiên tiến nên những thiết bị có thể lọc trong phạm

vi lớn, hiệu suất cao, chi phí dành cho vận hành thấp, thu hồi bụi ở dạng khô nên thiết bị xử lý thích hợp nhất là thiết bị lọc tĩnhđiện

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ

THỐNG 2.1 Cơ sở lý thuyết bài toán lọc bụi tĩnh điện

2.1.1 Nguyên lý Ion hóa hạt bụi trong điện trường

Đối với một hệ thống lọc bụi tĩnh điện, khí bụi được đưa qua điện trường tĩnh mạnh giữa các bản cực, các điện cực được đặt song song đối xứng cách nhau một khoảng cách nhất định

Khi đặt điện áp U ≥ Umax lên hai bản cực sẽ hình thành quầng sáng hồ quang phá hủy điện cực Nếu U ≤ Umax sẽ tạo ra quá trình ion hóa hạt bụi Các hạt bụi sẽ bị nhiễm điện, và nhiễm điện âm là chủ yếu Khi đó chúng sẽ chuyển động dưới tác động của lực hút tĩnh điện về phía bản cực dương và trong quá trình chuyển động chúng có thể va đập với các hạt bụi khác làm cho toàn bộ không gian bên trong buồng lọc bị Ion hóa tạo thành đám mây nhiễm điện tích âm, đám mây này chuyển động liên

tục về phía điện cực dương và khi tiếp xúc với bản cực dương thì nhường điện tử cho bản cực này để trung hòa về điện, lắng xuống theo bề mặt của điện cực dương

Quá trình Ion hóa hạt bụi bên trong buồng lọc được minh họa dưới đây

Hình 2 - 1:Quá trình Ion hóa hạt bụi

2.1.2 Hiệu suất lọc của hệ thống lọc bụi tĩnh điện

Lượng bụi gây ra ô nhiễm được đo và đánh giá bằng mg/cm3 Tiêu chuẩn để đánh giá môi trường không bị ô nhiễm

do bụi được áp dụng phổ biến trên thế giới trong điều kiện nhiệt

độ và áp suất tiêu chuẩn là 50mg/cm3

Thiết bị lọc bụi tĩnh điện được tính toán để lọc bụi khô, nhiệt độ không được cao quá mức cho phép Nếu khí bụi đầu vào bị ướt, có độ ẩm cao thì phải có biện pháp sấy khô trước khi hút vào buồng lọc tĩnh điện

Tiêu chuẩn chính để đánh giá một thiết bị lọc bụi tĩnh điện

là hiệu suất lọc bụi của thiết bị Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi của một thiết bị lọc bụi tĩnh điện thông thường, tuy nhiên, để thuật tiện cho việc tính toán, chúng ta có thể lý tưởng hóa điều kiện làm việc của thiết bị, và khi đó, các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi của thiết bị lọc bụi tĩnh điện chỉ

là 3 tham số: tốc độ khí vào buồng lọc v (m/s), điện trường buồng lọc bụi E (v/m) và kích thước (bán kính) hạt bụi r (µm)

Để xây dựng biểu thức tính toán hiệu suất lọc bụi, ta áp dụng công thức Deutsch Theo công thức chung Deutsch, hiệu suất lọc bụi được xác định theo biểu thức sau:

L av

e

ω

Hay

1 e ωf

η = − −

Trong đó:

f: tỷ số thu bụi trên một đơn vị khí (m 3)

Ψ: Hệ số tỷ lệ, hằng số với mọi mặt cắt bất kỳ Ta chọn Ψ = 1

L: Chiều dài điện trường tổng (Chiều dài buồng lọc) (m) a: Khoảng cách giữa 2 điện cực khác dấu trong một trường (Khoảng cách giữa điện cực âm và điện cực dương trong buồng lọc) (m)

v: Vận tốc trung bình của khí đi trong buồng lọc (m/s)

ω: Vận tốc di chuyển của hạt bụi tới điện cực (m/s)

2 2

3

r

ε δ ω

µ

=

(m/s) Với:

εo = 8,85.10-12: Hằng số điện môi

δ: Tham số đặc trưng cho tính cách điện của hạt

Ta có:

1 2

2

ε δ

ε

−

= +

+

ε: Hệ số cách điện tương đối của hạt

Với thạch cao và vật liệu xi măng ε = 5 =>δ = 2,14

E: Cường độ điện trường

E= U/a (V/m) Với U là điện áp buồng lọc (V)

µ = 1,83.10 -5 : Độ nhớt động học của không khí (Ns/m2) r: Bán kính hạt bụi (m)

Qua công thức trên, với việc thí nghiệm với một loại bụi nhất định (kích thước không đổi) chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy hiệu suất lọc bụi của thiết bị lọc bụi tĩnh điện quan hệ với tốc độ khí đầu vào buồng lọc cũng như điện áp buồng lọc theo quy luật hàm số mũ