Vào năm 1993, Thermo Gamma-Metric thermo Fisher đã giới thiệu một mẫu thiết bị qua băng chuyền sử dụng công nghệ này trong công nghiệp sản xuất xi măng, cho phép phân tích toàn bộ dòng t
Trang 1MỘT BƯỚC TIẾN CHỦ YẾU CHO MỘT MÁY PHÂN TÍCH THAN TRỰC TUYẾN SỬ
DỤNG CÔNG NGHỆ PGNAA
R.C Woodward - M.P Evans - E.R Empey
Thermo Fisher Corporation - T&H Agri Jsc (Đại diện độc quyền của Thermo Fisher tại Việt nam)
TÓM TẮT
Từ giữa những năm 1980, các nhà sản xuất than đã biết rằng những máy phân tích than trực tuyến đạt độ chính xác cao nhất là loại cung cấp đầy đủ thành phần các nguyên tố, phân tích dòng than mẫu và sử dụng công nghệ Phân tích hoạt hóa tức thời bằng tia gamma (gọi tắt là PGNAA) Vào năm 1993, Thermo Gamma-Metric (thermo Fisher) đã giới thiệu một mẫu thiết bị qua băng chuyền sử dụng công nghệ này trong công nghiệp sản xuất xi măng, cho phép phân tích toàn bộ dòng trong quá trình chế biến mà không cần lấy mẫu Tuy nhiên cách đây hai năm, điều này mới được biết đến trong công nghiệp sản xuất than Nhóm tác giả đã xem xét những khái niệm về sản phẩm mới này, bao gồm những kết quả tại thực địa, những ưu điểm và cả những hạn chế
BỐI CẢNH
Máy phân tích than trực tuyến bắt đầu được phát triển vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980 tại Mỹ, Australia và Châu Âu Hầu hết các máy phân tích than là một trong ba loại sau:
• Thiết bị đo độ ẩm trực tuyến sử dụng công nghệ sóng vi ba
• Máy đo độ tro trực tuyến sử dụng công nghệ tia gamma giảm dần (được biết đến khá phổ biến hoặc như là những máy đo gamma kép, thiết bị dẫn truyền năng lượng kép (DUET) hoặc máy đo dẫn truyền năng lượng thấp (LET), (Xem hình 1) và
• Máy phân tích nguyên tố (Xem hình 2) được sử dụng để phân tích độ tro và lưu huỳnh, và đôi khi cả những thông tin về thành phần của tro Những máy phân tích này dựa trên công nghệ PGNAA để phân tích các nguyên tố qua dòng than mẫu chứ không phải là dòng than trong toàn bộ qui trình chế biến Khi công nghệ phân tích PGNAA được kết hợp với máy đo độ ẩm, như nói chung trong trường hợp này, độ ẩm, giá trị nhiệt và khối lượng lưu huỳnh trên một triệu BTU cũng có thể xác định được
Cuối những năm 1980 và cả thập kỷ 1990 đã nhìn thấy sự tiến triển, hơn là cuộc cách mạng, của những thiết bị này Rất nhiều trong số sự tiến triển này bị điều khiển bởi nhu cầu giảm giá thành những thiết bị đo của người sử dụng Trong số những sự cải thiện có thể thấy, đó là:
• Những máy phân tích tích hợp với phễu đầu vào, băng tải lấy mẫu và Chân máy nhỏ hơn (Xem hình 3)
• Đồng hồ đo độ tro tia gamma kép mà không cần đến tính năng tiêu chuẩn hóa quay của các tay máy
• Những thiết bị đo dựa trên sự giải phóng tia gamma tự nhiên trong tro (kali và thori)
Trang 2Hình 1 Máy đo độ ẩm và độ tro Berthold
Hình 2 Máy phân tích 1812C của Thermo Gamma-Metrics
Trang 3Nhưng cùng với sự cải thiện được gia tăng của máy phân tích than trực tuyến vẫn còn một khoảng cách lớn về giá cả và sự vận hành giữa máy phân tích nguyên tố công nghệ PGNAA và máy đo độ tro tia gamma kép Nếu nhà sản xuất than hay nhu cầu về lợi ích thực tế quan tâm chủ yếu đến độ tro, độ ẩm và giá trị nhiệt, thì lắp đặt những thiết bị đo được kết nối với máy phân tích độ ẩm lắp đặt trên băng chuyền đang hoạt động chỉ với kinh phí chưa đến 125.000 USD Thay vào đó, nếu họ muốn có thông tin về lưu huỳnh hay độ tro đạt độ chính xác cao nhất (đặc biệt khi tỉ lệ sắt của tro khác nhau một cách cơ bản), thì trong nhiều trường hợp, bước tiếp theo đã làm nản lòng nhà sản xuất với chi phí
về giá cả, lắp đặt cho những máy phân tích công nghệ PGNAA là 500.000 USD hoặc cao hơn, phụ thuộc vào sự phức tạp của việc lắp đặt Tất cả chúng ta đều nghe nói về “Chiến lược bán hàng giá cao”, nhưng điều này lại đặt khả năng mua một chiếc máy phân tích
“đỉnh cao” vượt quá tầm với của những nhà sử dụng tiềm năng Đôi khi, mặc dù một chiếc máy đo PGNAA mang lại khả năng thu hồi vốn đầu tư của người sử dụng nhanh hơn, các nhà sản xuất than vẫn lựa chọn máy đo tia gamma kép đơn giản bởi vì nó rẻ hơn
và thường phù hợp với khả năng tài chính
Trong cùng thời gian này, các nhà sản xuất máy phân tích than đã phát triển thiết bị sử
dụng công nghệ PGNAA, thiết bị này được gắn ngay trên băng chuyền để phân tích các
nguyên liệu xi măng thô (Xem hình 4) và điều khiển chu trình Những thiết bị này đã
được ngành công nghiệp xi măng chào đón, và hãng Thermo Gamma-Metrics (thermo Fisher) đã bán được hơn một trăm chiếc Vào những năm 1990, một câu hỏi rõ ràng đã được đưa ra sau đó vài lần: Tại sao không xây dựng một thiết bị tương đương cho ngành than, như là một công cụ nhằm giảm khoảng cách (về chi phí đầu tư) giữa một máy đo độ tro rẻ tiền với thiết bị phân tích bằng công nghệ PGNAA đỉnh cao Cuối cùng, với việc không cần hệ thống lấy mẫu, không băng chuyền kết nối và không cần sắp xếp thêm một khoảng diện tích cần thiết (hay xây tháp hoặc một tòa nhà), chi phí lắp đặt cho một máy phân tích như vậy được cho rằng rẻ hơn rất nhiều cho việc lắp đặt một máy phân tích than PGNAA sử dụng dòng than mẫu
Tình thế khó xử mà các nhà cung cấp máy phân tích đang phải đối mặt bao gồm 3 vấn đề Với những người mới bắt đầu, họ biết rằng những thiết bị này không chính xác khi phân tích một mặt cắt thay đổi và không tối ưu (từ quan điểm vật lý) của than trên băng
chuyền Một vấn đề thứ hai làm nản chí việc phát triển dòng sản phẩm này là việc nhận ra rằng bất kỳ máy phân tích sử dụng công nghệ PGNAA qua băng chuyền như thế này sẽ làm giảm sự đóng góp của băng chuyền với các số liệu phân tích thô, bao gồm cả lượng khí lưu huỳnh không phải không quan trọng trong hầu hết các băng chuyền, sẽ là một nguồn khác dẫn đến mâu thuẫn trong phân tích Và cuối cùng, cảm giác rằng thậm chí nếu có sự xuất hiện của công nghệ PGNAA rẻ tiền nhất trong cấu hình của thiết bị thì chi phí cũng phải cao gấp ba lần một máy đo độ tro tia gamma kép Liệu nhà sản xuất than sẽ sẵn sàng chi trả cho một số tiền như vậy chỉ để có thông tin về lưu huỳnh và/hoặc kết quả
độ tro chính xác hơn thay cho một máy đo độ tro kết quả thấp, khi mà rõ ràng rằng thiết
bị này không phải ngang bằng với một chiếc máy kiểm soát chất lượng than Thermo Gamma-Metrics CQM trong lĩnh vực phân tích? Cuối cùng, quyết định để phát triển một chiếc máy phân tích than công nghệ PGNAA trong cấu hình của băng chuyền là một sự mạo hiểm được tính toán, mà thành công trước đó của những thiết bị PGNAA sử dụng trong công nghiệp xi măng đã làm giảm bớt sự rủi ro
Trang 4NHỮNG THÁCH THỨC GIA TĂNG
Với những người không hiểu rõ lắm, dường như khá đơn giản để định lại cấu hình của máy phân tích xi măng thành máy phân tích than Chỉ cần thay đổi một vài thông số trên màn hình giao diện của người sử dụng, đúng không? Không hoàn toàn như vây Những thách thức được đưa ra bao gồm:
Xác định độ lớn của dòng với trọng lượng trung bình của máy phân tích từng phút khá đơn giản, dựa trên một máy đo tốc độ gốc đầu vào của dây chuyền mẫu cùng với tín hiệu
đo mật độ than khi nó đi qua ống phân tích Trong trường hợp máy trên băng
Hình 3 – Máy phân tích kiểm soát chất lượng than (CQM) của Thermo Gamma-Metrics
Trang 5Hình 4 – Máy phân tích trên băng Thermo Gamma-Metrics ở một nhà máy xi măng
• Máy phân tích than PGNAA, dòng có mật độ lớn sẽ chảy từ băng tải, cần được hòa trộn và đồng nhất
• Máy phân tích dòng mẫu CQM có một mặt cắt bất biến và tối ưu cho các nơ-tron
và tia gamma Máy phân tích trên băng PGNAA sẽ phải điều chỉnh bất kỳ cái gì
mà băng đang tải và thông tin mặt cắt mà nó nhận được Thêm nữa, công việc lấy mẫu vật lý cho thấy rằng việc đặt tối ưu nguồn, đầu dò và vật phản xạ nhiệt đặc biệt khác so với việc đặt chúng trong một máy phân tích nguyên liệu xi măng thô
• Một trong những yếu tố chủ yếu dẫn đến việc phân tích thành công của máy CQM
là khả năng dễ dàng lấy mẫu đại diện từ một dòng 4-20 tph, sử dụng trong việc hiệu chuẩn Không những tốc độ dòng nhỏ này hỗ trợ cho yêu cầu trên mà thực tế dòng này không phải là dòng chính cũng là một ưu thế Trong trường hợp sử dụng thiết bị PGNAA, nếu gần đó không có hệ thống lấy mấu nào, việc lấy mẫu vật lý đại diện của dòng than qua máy phân tích thực sự là thách thức lớn
• Trong khi những máy phân tích dòng mẫu luôn nhận được thông tin mặt cắt khá đồng nhất bởi sự trộn tại phễu đầu vào của dòng than, thì máy phân tích trên băng thường đưa ra những thông tin về thành phần của lớp than trên băng chuyền rất khác nhau
Những khó khăn khác mà nhà cung cấp máy phân tích phải vượt qua còn bao gồm chi phí đền bù băng chuyền, đăng ký thiết bị hạt nhân và thiết kế tiêu chuẩn đặt mẫu đo tại nhà
Trang 6máy và tham chiếu trên thực địa Thêm vào đó, ngoài một số lý do đã đề cập, còn có thể
có sự sai lệch chưa được biết và chưa dự đoán được trong việc phân tích (khi so sánh máy phân tích bằng công nghệ PGNAA cho than trên băng chuyền với những máy phân tích
sử dụng công nghệ PGNAA cho dòng than mẫu), mà những khách hàng ban đầu mua máy phân tích này phải sẵn sàng chấp nhận
ƯU ĐIỂM
Máy phân tích nguyên tố trên băng chuyền có một số ưu điểm rõ ràng so với những máy phân tích dòng mẫu PGNAA:
• Không đòi hỏi hệ thống lấy mẫu cho máy phân tích – Điều này có nghĩa là
không những không cần máy lấy mẫu, mà còn không cần băng chuyền kết nối, không cần giấy phép cho những qui định kiểm tra ngành dọc, không cần tìm kiếm một diện tích mặt bằng để đặt máy phân tích Ngoài ra, sự thành công của việc sử dụng máy phân tích không phụ thuộc vào một hệ thống liên quan Tuy nhiên, có một nhược điểm quan trọng do không có một hệ thống lấy mẫu là việc lấy những mẫu vật lý để tổi ưu hiệu chỉnh mẫu đo tại thực địa trở nên khó khăn hơn
• Chi phí lắp đặt – Chi phí cho một máy phân tích trên băng chuyền PGNAA
được lắp đặt có thế xấp xỉ khoảng 300.000 USD, bao gồm cả một máy đo độ ẩm
Điều này tương phản với những máy phân tích dòng mẫu PGNAA được lắp đặt
có chi phí từ 450.000 đến 750.000 USD
• Thời gian lắp đặt: Không tính cấu trúc cần hỗ trợ thêm và thời gian vận chuyển
đường ống, đường điện, thang hay bảng điện, không lắp đặt thêm máy lấy mẫu và băng tải mới, thời gian lắp đặt sẽ giảm đi một cách đáng kể
• Tính linh hoạt của nơi đặt thiết bị - Nó có thể đặt ở bất kỳ chỗ nào cần thiết,
không nhất thiết phải ở nơi đặt được một hệ thống lấy mẫu Không cần hạn chế cho kích thước các phần, trong khi những máy PGNAA phân tích dòng mẫu thường bị hạn chế khoảng cách tới đỉnh là 3-4 inch
• Dễ lắp đặt lại – Với thiết kế đơn giản, sẽ rất dễ dàng lắp đặt lại máy phân tích khi
phải di chuyển di chuyển các băng tải
• Dễ bảo dưỡng – Mặc dù có các dây băng tải hình ống trong những máy phân tích
trên băng chuyền mà đôi khi cần phải thay thế, thiết bị không có các cảm ứng cấp
độ, sự truyền động dây curoa hay phễu đầu vào có các bộ phận phụ thuộc vào việc đôi khi ngừng hoạt động hoặc thay thế thiết bị
HẠN CHẾ
Cùng với những ưu điểm, đồng thời máy phân tích PGNAA trên băng chuyền cũng có một số hạn chế:
• Hoạt động với độ chính xác chưa cao – Hoạt động của máy phân tích PGNAA
trên băng chuyền không đạt hiệu quả cao như máy phân tích dòng mẫu do cấu trúc vật lý biến thiên và chưa tối ưu của than trên băng chuyền, và cần thiết phải giảm bớt những ảnh hưởng của nguyên liệu trên băng chuyền
• Sự phức tạp trong hiệu chuẩn mẫu đo – Trong nhiều trường hợp, việc lấy mẫu
vật lý để so sánh với máy phân tích cũng là một thách thức Việc sử dụng các khối
Trang 7tham chiếu cũng sẽ khó khăn hơn bởi vì kích thước của tiêu chuẩn, đặc biệt khi áp dụng với những băng chuyền rộng (Xem hình 5)
• Chất liệu của băng chuyền – Với máy phân tích trên băng chuyền, nhà sản xuất
khuyến cáo không nên sử dụng thiết bị này cho những băng chuyền cáp bằng
thép, do thành phần sắt của băng chuyền là rất cao và khác nhau
Hình 5: Chuẩn tham chiếu
TỔNG HỢP VỀ VIỆC LẮP ĐẶT MÁY PHÂN PGNAA TRÊN BĂNG CHUYỀN
Đến nay, ở Mỹ và Australia đã lắp đặt một số máy phân tích PGNAA trên băng chuyền, chủ yếu do công ty Thermo Gamma-Metrics cung cấp Dưới đây là tổng hợp việc lắp đặt của Thermo Gamma-Metrics:
Chủ sở hữu
máy phân tích
Địa điểm Thời gian
lắp đặt
Độ rộng băng chuyền
Ứng dụng
Millmerran Queensland,
Australia
7/2002 1200 mm Kiểm soát sự giảm sút
chất lượng ngoài vỉa than của mỏ
Coastal
Coal
Brooks Run Mine, WV
5/ 2002 42 inch Kiểm soát tại nhà máy
Pre plant Andalex
Coal
East Carbon, UT
6/2002 48 inch Giám sát chất lượng than
được bàn giao từ xe đến xe
Sempra
Energy
Twin Oaks Generating Station, TX
2/2003 60 inch Kiểm soát chất lượng
hàng dự trữ
Trans-Alta
Utilities (2 máy
phân tích)
Centralia, WA Trạm phát điện
1/2003 48 inch Giám sát và kiểm soát
kho trên tàu chứa
Trang 8Hình 6 – Bảng tổng hợp lắp đặt máy phân tích PGNAA trên băng chuyển
ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG
Những kết quả về hoạt động của máy phân tích trên băng chuyền, được gọi là ECA (máy phân tích nguyên tố than) của Thermo Gamma-Metrics cho đến nay được đánh giá là rất xuất sắc Mặc dù như dự đoán trước, độ chính xác sẽ không cao như máy phân tích dòng mẫu, nhưng điều này chỉ xảy ra với khoảng 50% đơn đặt hàng hoặc xấp xỉ như vậy Trong khi máy phân tích quản lý chất lượng than của Thermo Gamma-Metrics CQM hoạt động chính xác cho biết lưu huỳnh là 0.03-0.04%, thì máy ECA cho kết quả là 0.05-0.06% Tương tự như với độ tro, máy CQM cho kết quả độ chính xác là 0.3-0.4 % thì máy ECA đạt gần đến 0.5-0.7% Dưới đây là kết quả so sánh giữa phòng thí nghiệm và máy phân tích Việc sử dụng địa điểm đặc biệt này để minh họa cho bài báo là do một số
Trang 9yếu tố sau: (1) có nhiều mẫu so sánh; (2) có một máy lấy mẫu gần máy phân tích, mặc dù
nó được sản xuất tại gia đình và không có trong hướng dẫn của ASTM; và (3) là một khu vực có nhiều thách thức nhất trong việc phân tích vì tải băng chuyền khác nhau rất nhiều (thường rơi dưới dòng tối thiểu theo khuyến nghị) và than được lấy từ nhiều nguồn khác nhau với thành phần độ ẩm khác nhau Mặc dù có những sự thông báo đó từ trước, cả máy phân tích và phòng thí nghiệm đều đồng ý thực hiện một cách có thiện chí
Hình 7: Hoạt động phân tích lưu huỳnh của máy ECA
Hình 8: Hoạt động phân tích tro của máy ECA
Trang 10MỘT SỐ ĐỀ XUẤT VỚI NGƯỜI MUA HÀNG
Khi những máy phân tích nguyên tố trên băng chuyền ngày càng phổ biến trong công nghiệp than, chúng ta rất nên tìm đến những lời khuyên về sự lựa chọn vị trí đặt máy phân tích, loại máy phân tích và thậm chí cả những người bán máy phân tích nữa
Vị trí đặt máy phân tích
Khi lựa chọn vị trí đặt máy, có hai yếu tố chủ yếu cần được xem xét Một cách lý tưởng, máy phân tích nên đặt tại điểm trong qui trình mà chúng ta biết là nơi thành phần của than có giá trị cao nhất Trong trường hợp chọn than, máy phân tích nên đặt gần, nhưng ngược chiều, với điểm chọn than Nếu tổ hợp than bao gồm nhiều đường than, có thể sẽ cần không chỉ một máy phân tích, vị trí đặt máy được xác định tại nơi cho rằng có sự khác nhau lớn nhất về chất lượng than Và trong trường hợp trộn than, tốt hơn là nên đặt máy phân tích xuôi chiều, tại điểm mà tất cả các dòng than gặp nhau Nhưng cũng thật không may, vị trí đặt máy lý tưởng thì thường lại không thực hiện được vì yếu tố chủ yếu thứ hai, ảnh hưởng của vật lý và môi trường, bao gồm những yếu tố sau:
• thiếu một hệ thống mẫu (để hoặc cung cấp cho máy phân tích hoặc có thể đôi khi lấy mẫu vật thể để so sánh máy phân tích)
• hạn chế về khoảng cách của máy với trần nhà hoặc với xung quanh
• sự bất tiện của các vật dụng đang hoạt động
• việc bảo vệ khỏi các nguyên tố chưa đủ
Do đó, việc lựa chọn vị trí máy phân tích thường bị thỏa hiệp Hi vọng rằng sự ra đời của các máy phân tích nguyên tố trên băng chuyền sẽ làm giảm sự thỏa hiệp này
Loại máy phân tích
Việc lựa chọn các loại máy phân tích thường tập trung vào máy đo độ tro (và độ ẩm) sử dụng tia gamma kép, máy phân tích nguyên tố trên băng chuyền và máy phân tích nguyên
tố dòng mẫu Tiêu chí quan trọng nhất trong việc lựa chọn giữa những máy đo độ tro tia gamma kép và máy phân tích nguyên tố than công nghệ PGNAA là:
• Tham số cần quan tâm – Nếu nhà sản xuất than không cần đo khí lưu huỳnh
trực tuyến thì một chiếc máy đo độ tro tia gamma kép có thể là đủ
• Yêu cầu độ chính xác – Khi những yêu cầu về độ chính xác trở nên nghiêm ngặt
hơn, nên dành sự ưu tiên cho việc chuyển từ một chiếc máy đo tro tia gamma kép sang một chiếc máy phân tích nguyên tố trên băng chuyền, và cuối cùng khi yêu cầu độ chính xác cao nhất, sự lựa chọn sẽ là một chiếc máy phân tích nguyên tố dòng mẫu
• Sự phức tạp của than và sự biến thiên của chất lượng than – Trong những ứng
dụng tại vỉa than nhiều tầng và trong nhiều trường hợp, khi mà thành phần sắt trong tro rất khác nhau (dao động khoảng 4% trong hợp chất Fe2O3), một máy đo
độ tro tia gamma kép chắc sẽ không hoạt động thành công Sơ đồ logic (Hình 9)
có thể có ích với khách hàng mua máy phân tích:
