Thiết kế hệ thống giám sát liên tục nồng độ khí thải của nhà máy xi măng

Thiết kế hệ thống giám sát liên tục nồng độ khí thải của nhà máy xi măng Tổng quan công nghệ sản xuất xi măng và thành phần khí phát thải; phân tích lựa chọn phương án đo khí thải chính; phân tích lựa chọn nền tảng IOT phù hợp cho hệ thống; thiết kế và tích hợp hệ thống giám sát khí thải; kết quả và đánh giá.

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 CÔNG 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 soát, 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 mô hình IoT thông thường 31

3.3 Lựa chọn mô 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

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 thông 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

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 công 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 công 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

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, cô giáo thuộc Viện Điện Chính các thầy giáo, cô 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 hoàn 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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các kí hiệu dùng trong Luận văn

Danh mục các các chữ viết vắt trong Luận văn

Chữ viết tắt

BTNMT Bộ tài nguyên và môi trường

CCS Carbon Capture and Storage Hệ thống thu giữ và cất trữ carbon

giữa hai mạng khác nhau IoT Internet of Things Internet vạn vật

SNCR Selective non-catalytic

reduction

Công nghệ xử lý NOx sau quá trình cháy bằng phản ứng hóa họcSSID Service Set Identifier Tên mạng Wi-Fi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công 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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1: Mô 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 lò 16

Hình 3: Đồ thị điển hình minh họa mối tương quan giữa tỷ lệ nhiên liệu/không khí (A/F) với sản phẩm các khí từ quá trình đốt cháy nhiên liệu 20

Hình 4: Sơ đồ khối đề xuất về hệ phân tích khí giúp tối ưu hóa quá trình vận hành lò nung ủ Klinker 22

Hình 5: Mô 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 không tán sắc NDIR hai kênh thu IR 25

Hình 8: Cảm biến dùng cho thử nghiệm theo cấu hình không 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 vuông cho đèn dây tóc 27

Hình 11: Sự phụ thuộc tuyến tính của Log(V o /V g ) vào nồng độ khí CO của cảm biến đã chế tạo 27

Hình 12 - Mô hình IoT kiểu kết nối trực tiếp với gateway 32

Hình 13 - Mô hình IoT kiểu kết nối gián tiếp gateway 33

Hình 14 - Mô hình IoT không sử dụng gateway 34

Hình 15 - Mô 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 nguyên 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 môi trường gửi về khi có yêu 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 rò 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

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 hoàn toàn 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 công bố và cũng chưa có cơ quan quản lý Nhà nước nào thẩm định chất lượng của hệ thống này tại Việt Nam

- Mục đích nghiên cứu của luận văn:

Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát liên tục các thông số môi 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 mô 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 còn 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 thông số môi trường mất an toàn

- Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:

Mô hình thử nghiệm đã chế tạo có khả năng nhận thông tin đo đạc, tự động tạo file tổng hợp về nồng độ khí CO, nhiệt độ, độ ẩm, chuyển được thông 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 thông số chính của môi 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 thông số chính của môi trường tại Nhà máy xi-măng Luận văn

sẽ giải quyết bài toán 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 công 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 toàn hệ thống IoT sau khi hiệu chỉnh

Chương 1 - TÌM HIỂU CÔNG 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 công suất cỡ trung bình và nhỏ (<2500 tấn Clinker/ngày) Năng lượng từ quá 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 đoàn FLSmidth cùng với Tổng Công ty Công 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 môi 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 công 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 công 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 không có trợ giúp từ hệ thống phân tích khí hoặc đã hỏng không sử dụng được Ngoài ra, môi trường khí từ quá trình sản xuất xi-măng là rất khắc nhiệt (nồng bụi lớn, độ ẩm lớn, nhiệt độ cao, nhiều tác nhân ăn mòn, ) 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

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 không 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 công 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 toán 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 soát, 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 môi 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 môi trường đang trở thành một nhu cầu cần thiết

Theo QCVN 23:2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp sản xuất xi-măng, ban hành ngày 16/11/2009, mục 2 quy định sau: [3]

Trong đó:

Cột A quy định nồng độ C cúa các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi mǎng làm cơ sở tính toán 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 công nghiệp sản xuất xi mǎng làm cơ sở tính toán 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 thông số ô nhiễm trong khí thải công 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 soát 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 thông thường chỉ có thể kiểm soát được hàm lượng bụi Do đó, để giảm thiểu phát thải NOx độc hại cần có những biện pháp công nghệ phù hợp

Hai loại công nghệ kiểm soát và hạn chế NOx trong các Nhà máy sản xuất măng hiện nay thường dùng là công nghệ SCR (xử lý NOx sau quá 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 nguyên tắc hoàn toàn tương tự như công 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 môi và

xi-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 thông qua hệ thống thu giữ và cất trữ carbon (CCS) Công nghệ này hiện đã được sử dụng trong một số nhà máy điện, ngoài ra còn sử dụng trong sản xuất bê tông Thông qua quá trình bão hòa 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

giữ CO2 ổn định, dài hạn Là một công nghệ để giảm nhẹ, có thể đạt được quá trình bão hòa 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 công nghệ kiểm soát 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 Công nghệ sản xuất xi-măng tiên tiến và phổ biến nhất hiện nay trên thế giới là công nghệ

lò 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 quá trình nung ủ trong lò sử dụng nhiên liệu than

Hình 1: Mô 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 lò Ở đó, có nhiều điểm phát thải khí ra

môi 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 lò nung Clinker theo kiểu lò 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 lò

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 lò 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 (lò quay) tại các vị trí 4 Năng lượng nhiệt từ đốt than sinh ra được luân chuyển trong toàn hệ

thống (lưu chuyển khí nóng ngược với nguồn nguyên 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 lò hiện đại, công 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 lò quay (ví trí 3) Ngoài 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 lò nung và duy trì lò 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 toàn mang tính bắt buộc trong sản xuất xi-măng là cần thiết

Các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao luôn có trong môi trường khí phát thải

Vì vậy, việc phân tích từng loại khí trong môi trường này là rất phức tạp, đòi 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 quá trình sản xuất ra môi trường không khí (thường đi kèm công 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, còn 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 Ngoài ra, việc tối ưu hóa được quá 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 môi trường, trong đó các loại khí chính trong môi trường khí thải là CO, CO2, NOx và

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 Thông 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, không 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 vòng 1 phút, vì vậy đây chính là thông số quan trắc cần chú ý nhất Bên cạnh đó các yếu tố môi 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

Chương 2 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO KHÍ

THẢI CHÍNH

2.1 Nguyên 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 công nghệ, cần kiểm soát và điều khiển các thông 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 hoàn toàn 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 NO2,

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 hoàn toàn thì sản phẩm của quá 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 ô nhiễm môi 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 “không 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 14,3:1<A/F<15,1:1 là vùng cháy tối ưu, cho nồng độ khí CO2 là lớn nhất (nhiên liệu cháy hết hoàn toàn, lượng khí oxy vừa đủ;

(3) “Lean” tương ứng A/F>15,1:1 là vùng cháy nghèo hay thừa O2, tương ứng cho nồng độ các khí thải NOx lớn

Như vậy, nếu chúng ta biết được nồng độ các khí điển hình phát thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu là O2, CO, CO2, NOx và HC thì chúng ta có thể biết được quá trình cháy nhiên liệu có tối ưu hay không 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/không 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 quá trình đốt cháy nhiên liệu

Việc tối ưu hóa được quá 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 măng

xi-Trên thực tế, các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao luôn có trong môi trường khí phát thải làm việc phân tích từng loại khí trong môi trường sản xuất xi-măng trở nên phức tạp, đòi hỏi những thiết bị, công nghệ hiện đại, có thể chia làm hai loại:

Một là, đo đạc và phân tích chính xác đồng thời hầu hết các loại khí phát thải

từ quá 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 quá 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 lò được áp dụng phổ biến ở hai khu vực:

Vùng I là trong hệ tháp nung-lò 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 môi 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 không cần quá trình làm nguội

Dựa vào khảo sát và các phân tích trên, lựa chọn mô hình hệ thống phân tích khí giúp tối ưu hóa quá trình vận hành điều khiển lò 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

Bộ xử lý

(III) Trung tâm điều khiển

Bộ xử lý tổng

Xử lý, truyền mạng không dây

Ghép nối

(Điều khiển

tự động)

Màn hình hiển thị nồng độ khí

Điều khiển, vận hành quá trình sản xuất xi măng

(Môi trường

khí thải)

(Môi trường không khí)

(Môi trường

khí thải)

(Môi trường không khí)

Điều khiển bán tự động

Hình 4: Sơ đồ khối đề xuất về hệ phân tích khí giúp tối ưu hóa quá trình vận hành

lò 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 ZrO2 + 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

Mô hình ứng dụng cảm biến khí để tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu được trình bày như trong Hình 5 Trường hợp đơn giản, hệ thống sẽ điều khiển

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 đòi 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 mô hình có kết hợp các loại cảm biến khí khác như CO, CO2, NOx

và HC (minh họa trong Hình 5b)

Hình 5: Mô 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

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 môi 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 quá trình đốt cháy nhiên liệu (môi trường nhiệt

độ cao đến 500oC) Mỗi loại khí có tính chất hấp thụ chọn lọc một số vùng bước

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 môi 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 4,25-4,7 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 quá 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 không khí có vai trò rất quan trọng và hữu hiệu để tối ưu hóa được quá trình đốt cháy (giảm tiêu hao nhiên liệu và khí phát thải độc hại ra môi trường không 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 Ngoài ra, cảm biến điện hóa hoạt

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 vòng 1 phút, vì vậy đây

là thông số quan trắc cần chú ý nhất, bên cạnh đó các yếu tố môi 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, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người Đề tài này sẽ đo đạc ba thông số đó, giúp cơ quan chức năng có thể giám sát liên tục

Phòng 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 Sông 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 không 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 không

tán sắc NDIR hai kênh thu IR

Từ đó đề ra cấu tạo cảm biến và linh kiện sử dụng như hình 8:

Hình 8: Cảm biến dùng cho thử nghiệm theo cấu hình không tán sắc (NDIR) sử

dụng đầu thu hồng ngoại hai kênh đã tích hợp kính lọc quang

Sau đó đã tiến hành thử nghiệm cảm biến này (hình 9)

Hình 9: Hệ thử nghiệm hoạt động của cảm biến và bo mạch điện tử

Kết quả thu được về đáp ứng điện thế của đầu thu thermopile so sánh (Ref.)

và đầu thu thermopile nhạy khí (Sensing) sau được khuếch đại 10.000 lần và đo trực tiếp bằng thiết bị Kiethley 2700 được thể hiện trong hình 10 Từ các kết quả này,

đường đặc trưng độ nhạy Log(Vo/Vg), (với Vo, Vg lần lượt là điện thế cực đại của đầu thu Ref và Sensing) được tính toán theo nồng độ khí như chỉ trên Hình 11 (đặc trưng phụ thuộc này là tuyến tính)

Hình 10: Đáp ứng điện áp (đã khuếch đại 10.000 lần) của hai đầu thu thermoplie

khi cấp nguồn thế (5V) dạng xung vuông cho đèn dây tóc

Hình 11: Sự phụ thuộc tuyến tính của Log(V o /V g ) vào nồng độ khí CO của cảm biến

đã chế tạo

Các kết quả ban đầu trong việc chế tạo cảm biến này (Hình 11) đã minh chứng về khả năng chế tạo Cảm biến khí dựa trên nguyên lý hấp thụ hồng ngoại Tuy vậy, để có thể hoàn thiện Cảm biến khí thành thiết bị ứng dụng được trong thực

tế thì các khối tổng thể cho cảm biến sẽ phải tuân theo như trên Hình 7 và Cảm biến Hấp thu hồng ngoại đo khí CO sẽ được áp dụng vào hệ thống phân tích khí cũng như quan trắc môi trường trong thời gian tới [10]

Chương 3 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN NỀN TẢNG IoT PHÙ HỢP

CHO HỆ THỐNG

3.1 Khái niệm chung về IoT

Internet Vạn Vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc

là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) hiện chưa được định nghĩa một cách chính xác, được công nhận rộng rãi Theo từ điển Bách khoa mở Wikipedia, IoT là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện truyền tải thông tin (được gọi là “thiết bị kết nối” và “thiết bị thông minh”) giữa các phòng ốc, nhà cửa, phương tiện giao thông,… và các trang thiết bị khác được nhúng với phần mềm các con chip, vi xử lý, điều khiển, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập

và truyền tải dữ liệu IoT là một kịch bản, trong đó mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài

để thực hiện một công việc nào đó

Tóm lại, có thể hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau và con người sẽ có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng chỉ bằng một thiết bị thông minh như điện thoại thông minh, máy tính,

Theo Gartner Inc (một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ), sẽ có gần

26 tỷ thiết bị trên IoT vào năm 2020 còn ABI Research ước tính có hơn 30 tỷ thiết

bị sẽ được kết nối không dây với “Kết nối mọi thứ” (Internet of Everything) vào năm 2020 Theo một cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi “Dự

án Internet Pew Research”, nhiều chuyên gia công nghệ đã hưởng ứng tham gia sử dụng IoT với 83% chuyên gia đồng ý với quan điểm cho rằng Internet / Cloud of

Things, nhúng và tính toán (cùng các hệ thống năng động, tương ứng) sẽ có tác động rộng rãi và mang lại lợi ích đến năm 2025 Như vậy, rõ ràng IoT sẽ bao gồm một số lượng rất lớn các thiết bị được kết nối với Internet

Do khả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với CPU, bộ nhớ từng bước được tăng giới hạn và năng lượng bền bỉ IoT được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực Hệ thống IoT có thể có nhiệm vụ thu thập thông tin trong các thiết lập khác nhau, từ các hệ sinh thái tự nhiên cho các nhà máy hay các tòa nhà, do đó việc tìm kiếm các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị cũng như các khu công nghiệp

Mặt khác, không chỉ cảm nhận mọi thứ xung quanh, hệ thống IoT cũng có thể thực hiện các hành động Chẳng hạn với hệ thống mua sắm thông minh, có thể theo dõi thói quen mua người dùng bằng cách theo dõi điện thoại di động của họ (với sự đồng ý của người đó) Người dùng sau đó có thể được cung cấp các cập nhật trên sản phẩm mình yêu thích, hoặc thậm chí là vị trí, danh mục các sản phẩm mà

họ cần, hay các thiết bị lưu trữ thức ăn, đồ uống như tủ lạnh, tủ đá của họ, v.v Tất

cả tự động chuyển vào điện thoại cá nhân Một số ứng dụng khá phổ biến khác của IoT là bổ sung các cảm biến trong quan trắc môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, nước thải, nồng độ khí thải,…), điện và quản lý năng lượng, cũng như hỗ trợ hành trình của các hệ thống giao thông vận tải (cảm biến quang, hình ảnh, tốc độ,…)

Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạn trong các lĩnh vực này Trường hợp sử dụng chuyên ngành khác của IoT cũng có thể được áp dụng Tổng quan về một số lĩnh vực nổi bật nhất, dựa trên các miền ứng dụng, sản phẩm IoT có thể chia thành năm loại khác nhau:

- Thiết bị đeo thông minh

- Nhà thông minh,

- Thành phố thông minh

- Môi trường thông minh

- Doanh nghiệp thông minh

Các sản phẩm và giải pháp IoT trong mỗi thị trường có đặc điểm khác nhau

và do vậy ứng dụng của IoT cũng vô cùng rộng lớn, có thể kể ra một số ứng dụng như sau:

1 - Quản lý chất thải

2 - Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị

3 - Quản lý môi trường

4 - Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp

5 - Mua sắm thông minh

6 - Quản lý các thiết bị cá nhân

7 - Đồng hồ đo thông minh

8 - Tự động hóa ngôi nhà [9,26]

Luận văn này hướng tới các ứng dụng số 1, 3 và 4 và phần nào là số 7 trong những ứng dụng đã kể ở trên

3.2 Các mô hình IoT thông thường

Các thiết bị trong một hệ thống IoT thông thường sẽ sử dụng các loại sóng không dây với đa dạng các loại sóng như wifi, bluetooth, Zigbee, RF, Mục tiêu khi cài đặt các thiết bị này là làm sao để kết nối được nó vào môi trường internet

- Đối với thiết bị sử dụng sóng wifi làm phương thức truyền dẫn thì các thiết

bị đó có thể kết nối với internet thông qua điểm truy cập wifi Như vậy chỉ cần nhập SSID và PASSWORD là xong Nhưng các thiết bị IoT thông thường sẽ không có bàn phím và màn hình để nhập các thông tin ở trên vào và không thể cài đặt cứng cái SSID và PASSWORD vào trong chương trình được vì nếu thay đổi mật khẩu wifi hoặc cầm đi chỗ khác thì không thể sử dụng được Do đó phải kết nối nó với một thiết bị khác có bàn phím và màn hình để có thể nhập được hai thông tin trên như máy tính PC hay điện thoại cá nhân chẳng hạn

- Đối với thiết bị sử dụng sóng 3G, 4G thì có thể kết nối trực tiếp với Internet, tuy nhiên vẫn phải kết nối với thiết bị hiển thị khác như máy tính, điện thoại,…

- Đối với các thiết bị sử dụng sóng không thể kết nối với mạng internet thì không thể kết nối trực tiếp đến mạng internet được mà phải kết nối gián tiếp Hệ thống cần phải có một bộ chuyển đổi (gateway), liên kết chúng với hệ thống mạng

có dây hoặc không dây rồi kết nối ra bên ngoài

Với các yêu cầu chung của một hệ thống IoT như trên và các phương pháp kết nối các thiết bị với nhau trong hệ thống, thông thường có các mô hình kết nối như sau:

Mô hình 1:

Hình 12 - Mô hình IoT kiểu kết nối trực tiếp với gateway

Ở mô hình này, các thiết bị sẽ kết nối trực tiếp với gateway (Hình 12) Gateway sẽ có nhiệm vụ định tuyến, tiền xử lý dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu giữa hai thành phần devices và server

Gateway thông thường sẽ kết nối với mạng internet bên ngoài bằng dây để đảm bảo đường truyền được ổn định nhất

Với cách kết nối này thì các thiết bị truyền nhận dữ liệu với server là rất nhanh Nhưng khoảng cách để truyền thì sẽ phụ thuộc vào công nghệ truyền tín hiệu

mà thiết bị đó sử dụng Trên thực tế sẽ có nhiều gateway để tăng tốc độ truyền tải

dữ liệu cũng như mở rộng tầm hoạt động của hệ thống

Mô hình 2:

Hình 13 - Mô hình IoT kiểu kết nối gián tiếp gateway

Ở mô hình này, các thiết bị vừa làm chức năng của thiết bị đầu cuối vừa có thể định tuyến cho dữ liệu gửi từ thiết bị khác về Gateway gốc (Hình 13) Gateway làm nhiệm vụ liên lạc, nó sẽ định tuyến, tiền xử lý dữ liệu và truyền nhận dữ liệu giữa các bên để giữ cho kết nối được thông suốt

Có thể thấy đối với mô hình này thì các thiết bị có thế kết nối với khoảng cách cực xa Bên cạnh đó thì độ trễ cũng là một vấn đề cần bàn tới Khoảng cách xa thì độ trễ truyền nhận không thể nhỏ được, đó là nhược điểm lớn của mô hình này và rất khó khắc phục

Hình 14 - Mô hình IoT không sử dụng gateway

Yêu cầu để các thiết bị có thể làm được điều đó là các thiết bị phải sử dụng công nghệ kết nối trực tiếp được vào mạng internet như sử dụng kết nối wifi, 2G, 3G, 4G, 5G, [7] Hình 15 sau đây mô tả mô hình kết nối internet của 3G:

Hình 15 - Mô hình kết nối Internet của 3G

Như đã nói ở trên, để cài đặt ban đầu cho các thiết bị này kết nối được mạng

ta phải kết nối chúng với một thiết bị thông minh khác như điện thoại thông minh chẳng hạn, sau đó cấu hình các cài đặt cần thiết để chúng có thể tự liên lạc được với thế giới bên ngoài Hình 15 cho thấy có thể điều khiển thiết bị bằng tin nhắn hay cuộc gọi bằng điện thoại di động thông qua mạng 3G, 4G,… một cách dễ dàng và chính xác, có tính bảo mật cao Ở chiều ngược lại, các thiết bị (máy tính nhúng) cũng có thể phản hồi trở lại thiết bị thông minh ở bên ngoài đã điều khiển nó để xác nhận hay kiểm tra thông tin bằng các lệnh gửi tin nhắn hay gửi dữ liệu đi

3.3 Lựa chọn mô hình IoT phù hợp cho hệ thống quan trắc môi trường Nhà máy Xi-măng

Để đơn giản hệ thống quan trắc môi trường Nhà máy xi-măng sẽ sử dụng kiểu

3, hình 14, sử dụng bộ phát 4G Chúng được kết nối trực tiếp với mạng internet Việc cần làm là phải viết một đoạn chương trình thực hiện chức năng kết nối ban đầu, thiết lập cấu hình Sever cho module 4G ấy Modul 4G có chức năng phát thông tin để các thiết bị khác kết nối vào như một điểm truy cập (Access point)

Hệ thống sẽ bao gồm 03 bộ đo đạc nồng độ khí thải (cụ thể là đo nồng độ khí CO), lắp đặt tại các vị trí sau:

- Đỉnh tháp nung sơ bộ (1)

- Trạm nghiền thô (2)

- Ống thải khí của nhà máy (3)

Thông số nồng độ khí CO tại 3 vị trí này sẽ được tổng hợp và đưa về bộ xử lý tín hiệu tổng, tạo file dữ liệu để chuyển tới số điện thoại cần kiểm tra khi có yêu cầu

và phân tích, đưa ra cảnh báo nếu có vị trí nào đó nồng độ khí CO vượt mức cho phép tới số điện thoại đó một cách tự động thông qua bộ thu phát tín hiệu (Hình 16)

Việc lắp đặt bộ đo đạc nồng độ khí thải tại 3 vị trí trọng yếu này vừa giúp cơ quan quản lý có thể giám sát liên tục các thông số môi trường vừa giúp cho người vận hành có cái nhìn tổng quan về nồng độ khí thải của dây chuyền sản xuất xi-

măng, từ đó đưa ra phương án vận hành phù hợp và điều chỉnh lượng nguyên liệu đầu vào hợp lý, góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu lượng khí phát thải

Hình 16 - Các vị trí lắp đặt bộ đo đạc nồng độ khí thải

Trong giới hạn của luận văn này, như đã đề cập ở “Mục đích nghiên cứu của

luận văn” tại phần “MỞ ĐẦU”, học viên chế tạo mô hình thử nghiệm gồm 01 bộ đo

nồng độ khí CO (mở rộng thêm đo nhiệt độ, độ ẩm) và 01 bộ thu phát tín hiệu để thử nghiệm truyền thông tin không dây nhằm chứng minh tính khả thi của nghiên cứu thiết kế trên

Chương 4 - THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG GIÁM SÁT

- Thiết bị hiển thị kết quả đo được; đơn giản, dễ quan sát

- Thiết bị cung cấp và lưu trữ dữ liệu đã đo được có chứa thông tin về thời gian thực (kết quả đo tức thời); gọn nhẹ, có dung lượng lớn

Hai là bộ thu phát tín hiệu đã đo được, bao gồm hai bộ phận chính:

- Module Sim 4G; đồng bộ với bộ xử lý tín hiệu đo ở trên

- Sim 4G; đã đăng ký mạng và có tài khoản dư

Hai thành phần trên được kết nối với nhau theo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện, điện tử và truyền thông

Ngoài ra hệ thống cũng bao gồm các thành phần kết nối khác như nguồn điện cấp, các loại dây nối và bảng mạch