Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: 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

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN 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)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG BẢO HƯNG MSHV: 1870214

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 mô hình thực tế để tìm ra bộ thông 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

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 quá trình nghiên cứu để kịp thời hoàn thành luận văn này đúng thời hạn

Đồng thời tôi 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, tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong khoa Cơ Khí đã tham gia giảng dạy chương trình Thạc sĩ trong thời gian tôi theo học ở trường Thầy/Cô đã trang bị cho tôi những kiến thức để có thể hoàn 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 tôi 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

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 Môi trường sống bị ô nhiễm không còn 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 thông 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 thông số vận tốc dòng khí, đường kính ống lọc và công suất điện nhằm tìm ra bộ thông số hợp lý Chất lượng không 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

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

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 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

Nguyễn Hoàng Bảo Hưng

MỤC LỤC

-     -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

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 quá trình hàn 11

2.2.4 Thành phần hoá 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

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 Thông số thí nghiệm 32

3.2 Mô hình thí nghiệm 34

3.2.1 Thiết bị dùng để thí nghiệm 34

3.2.2 Phôi 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

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bộ lọc kém chất lượng, thường xuyên bị ngẹt lớp than hoạt tính 14

Hình 1.2 Khói hàn được xả thẳng ra môi trường không 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 khô [1] 17

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán thiết bị lọc bụi kiểu ống.[1] 19

Hình 2.7 Sơ đồ tính toán 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 Mô 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 Phôi và que hàn 39

Hình 3.10 Kết nối hệ thống hút với mô 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

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 thông số đến hiệu suất lọc bụi 48

Hình 3.16 Đồ thị tối ưu hoá 49

DANH SÁCH BẢNG BIỂUBảng 3.1 Thông số thí nghiệm 48

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm thăm dò 52

Bảng 3.3 Mã hoá thông số 53

Bảng 3.4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm X 54

1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Hàn là một phương pháp gia công 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 quá trình thi công trên công trường (chủ yếu là việc ghép nối các chi tiết cơ khí đã được gia công 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, Ôtô, 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 không thể đáp ứng được

Quá trình hàn sinh ra các hạt nhỏ li ti bị phát tán vào không 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 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 không 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

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 mô phỏng quá trình lọc tĩnh điện với hai thông số điện trường và vận tốc dòng 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 mô phỏng quá 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 lò quay Trong dây chuyền công nghệ xi măng lò 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 công 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 ngoài, tính toán các thông số kỹ thuật chính, lập quy trình công 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 lò 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 Công thương (NARIME): Giai đoạn đầu 2008 -

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 mô 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, phòng học thực hành còn thấp, dẫn đến việc hệ thống lọc không đạt hiệu quả hoặc xả thẳng khói hàn ra ngoài môi trường xung quanh

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

Hình 1.2 Khói hàn được xả thẳng ra môi 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

Hình 1.3 Thiết bị lọc khói hàn bằng công 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

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

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, dòng khí đầu ra sau máy lọc có số hạt bụi < 2.5µm là 24, số hạt bụi từ 2.5÷10µm 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 thông 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 quá trình lọc tĩnh điện, tiết kiệm chi phí chế tạo, lắp đặt, vận hành và bảo trì bảo dưỡng

1.5 Lợi ích và ý nghĩa của đề tài

Đảm bảo không khí đầu ra không 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

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 dòng khí hoặc không 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 nguyên 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 (aêrozon) cũng là hệ thống vật chất rời rạc gồm các hạt thể rắn và thể lỏng ở dạng lơ lửng trong thời gian dài không hạn định Tốc độ lắng chìm của các hạt aêrozon rất bé Những hạt bé nhất của aêrozon có kích thước gần bằng kích thước các nguyên tử lớn, còn những hạt lớn nhất có kích thước khoảng 0,2 ÷ 1µm

Khái niệm về aêrozon thô có thể xem là đồng nghĩa với bụi Aêrozon 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 môi 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 có kích thước nhỏ hơn bụi thô (5÷75 µm) được hình thành từ các quá trình cơ khí như nghiền, tán, dập …

- Khói: gồm các hạt vật chất có thể là rắn hoặc lỏng được tạo ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc quá trình ngưng tụ có kích thước hạt δ = 1÷ 5µm Hạt bụi cỡ này có tính 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 thô 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 quá trình hô hấp – tức những hạt có kích thước δ < 10µm Người ta gọi cỡ bụi này là bụi hô 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 không 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 không được thông gió trong nhà xưởng

- Các hạt có kích cỡ trên 100 µm không tồn tại lâu trong không khí thường sẽ rơi xuống xung quang vũng hàn ngay sau khi bị phát tán vào không khí

- Các hạt có kích cỡ từ 30 µm đến 100 µm tồn tại không lâu trong không 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 thoát 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 không 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 thông một lượng không khí rất lớn qua phổi do đó chỉ cần một lượng chất độc hại với tỷ lệ nhỏ tồn tại trong không 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 công 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 hô hấp, còn 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 quá trình hàn - Kim loại vật hàn

- Kim loại bù, thuốc bảo vệ - Khí bảo vệ

- Tác động của nhiệt lên môi trường - Các chất phủ, các lớp mạ bề mặt vật hàn

- Bụi sinh ra trong quá trình mài, gia công cơ khí - Bản thân môi trường làm việc

2.2.4 Thành phần hoá học trong khói hàn

- Nhôm: 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 không 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 không có các triệu chứng báo trước

- Titan: Không chắc chắn có ảnh hưởng đến sức khỏe

- Vonfram: không 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

- Argon-Heli: Chỉ gây ngạt nếu trong môi trường thiếu oxy - CO2: Chỉ gây ngạt

- CO: Sinh ra do quá trình đốt cháy không 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 hô hấp và tuần hoàn

- Ozon: Sinh ra do tác động của tia cực tím lên oxy không 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 môi clo, gây tổn thương nghiêm trọng lên phổi Do đó cần tránh để các dung môi clo gần khu vực hàn

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 dòng khí mang bụi đi qua, những phân tử khí trong dòng khí sẽ bị ion hóa rồi truyền điện tích âm (electron)

Nhờ thế các hạt bụi bị hút về phía cực dương, đọng lại trên bề mặt trong của ống hình trụ, mất tích điện và rơi xuống phễu chứa bụi.

Ngoài thiết bị lọc bụi bằng điện kiểu ống, người ta còn có thể tạo cực dương hút bụi bằng các tấm bản đặt song song hai bên các dây cực âm và lúc đó ta có thiết bị lọc bằng điện kiểu tấm bản (hình 2.2)

Hình 2.2 Thiết bị lọc bụi tĩnh điện kiểu tấm bản [1]

Các kiểu thiết bị lọc bụi bằng tĩnh điện vừa nêu trên được gọi là kiểu một vùng (giai đoạn), tức là vùng ion hoá và vùng hút bụi cùng kết hợp làm một Nhược điểm của loại thiết bị này là đòi hỏi phải có nguồn cao áp 50 ÷ 100KV Với điện áp cao như vậy những hiện tượng không mong muốn thường xảy ra như tạo khí NOx , ozon…và khá phức tạp trong khâu cấp điện

Để tránh những nhược điểm nêu trên, người ta chế tạo loại thiết bị lọc bụi bằngđiện hai vùng Sơ đồ nguyên lý của loại này được thể hiện ở hình 2.3 và 2.4

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị lọc bụi bằng điện hai vùng [1]: 1-Vùng ion hóa; 2-vùng hút bụi; 3-bộ phận nắn dòng và tăng điện áp

Hình 2.4 Sơ đồ phối cảnh của thiết bị lọc bụi tĩnh điện hai vùng [1]

Hiệu quả lọc của thiết bị lọc bằng điện phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của hạt bụi, cường độ của điện trường và thời gian hạt bụi nằm trong vùng tác dụng của điện trường Trong thiết bị lọc bằng điện hai vùng, nguồn điện có điện áp 220V được cấp vào bộ phận nắn dòng và tăng điện áp để tạo thành nguồn điện một chiều với điện áp 13 và 6,5kV Điện áp 13kV được nối vào các điện cực dương bằng dây

thép mảnh đường kính âm dương xen kẽ dưới dạng các tấm bản đặt cách nhau 10mm, cực âm nối đất và cực dương nối với nguồn điện cõ 6,5kV

2.3.2 Đặc điểm và phân loại lọc bụi tĩnh điện khô

Phân loại lọc bụi tĩnh điện được trình bày trong hình 2.5

Hình 2.5 Phân loại lọc bụi tĩnh điện khô [1]

Vì muốn hướng đến ứng dụng lọc khói hàn bằng phương pháp lọc tĩnh điện nên đề tài chỉ xin đề cập đến thiết bị lọc bụi tĩnh điện loại khô, là thiết bị làm sạch khí xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao hơn điểm sương, bụi thu được luôn ở trạng thái khô

+ Theo vùng:

Lọc bụi tĩnh điện khô có thể chia thành hai nhóm:

- Nhóm một vùng (một giai đoạn), giai đoạn ion hoá và giai đoạn lắng bụi xảy ra trong cùng một vùng đươc bố trí cực phóng và cực lắng

- Nhóm hai vùng (hai giai đoạn), giai đoạn ion hoá xảy ra ở vùng một và giai đoạn lắng bụi xảy ra ở vùng hai theo chiều di chuyển của dòng khí bụi

+ Theo hình dáng cực lắng:

Thiết bị một vùng chia ra hai loại, kiểu ống và kiểu tấm bản

- Kiểu ống là loại thiết bị lọc bằng điện kiểu đứng Khí cần làm sạch di chuyển bên trong ống, hệ thống cực phóng đặt tại trung tâm ống và được cách điện với vỏ máy Thiết bị kiểu ống có thể bố trí nối tiếp tạo thành thiết bị nhiều trường.

Theo hướng của khí trong vỏ máy loại thiết bị tấm bản lại chia ra: kiểu nằmngang và kiểu đứng:

- Loại nằm ngang: Khí di chuyển theo phương song song với mặt đất, cònphương lực trọng trường của bụi thì cắt phương di chuyển của dòng khí.

- Loại đứng: Khí di chuyển theo phương vuông góc với mặt đất, còn phương lực trọng trường của bụi thì trùng phương di chuyển của dòng khí nhưng cùng chiều hoặc ngược chiều, tùy theo dòng khí hướng lên trên hoặc xuống dưới.

- Khi bố trí lắp nối tiếp riêng biệt các cực thì tạo thành thiết bị nhiều trường, khi bố trí lắp các trường song song trên cùng cao độ thì tạo thành thiết bị nhiều đơn nguyên (nhiều phần) hoạt động độc lập tương đối với nhau, trong trường hợp phải bố trí các trường chồng lên nhau thì tạo thành thiết bị hai tầng Nếu phải phân tầng, phương án tối ưu (nếu mặt bằng cho phép) thì nên bố trí các trường lọc song song nhưng đặt trong một thân vỏ Sự phân chia loại thiết bị lọc bụi bằng điện thể hiện trên sơ đồ hình 2.5

2.4 Hiệu suất lọc bụi bằng tĩnh điện

2.4.1 Phương trình của phương pháp lọc bụi bằng tĩnh điện

Đầutiêntaxemxéttrườnghợpthiếtbịlọcbụibằngkiểuống,bánkínhốngcựcdươnghút bụilà R,đường kínhdây kim loại cực âm ở giữa rất nhỏso vớiR ta cóthểbỏqua Tachọntrụcxtrùng vớidâycực âm –tức trụccủa ốnghình trụvà trụcycủatrụclàvuônggóctheophươngbánkínhcủahìnhtrụ(hình 2.1)

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán thiết bị lọc bụi kiểu ống.[1]

Nếu dòng khí chuyển động trong ống với vận tốc trung bình tương đối nhỏ tức là chế độ chuyển động của khí mang tính chất chảy tầng thì trường vận tốc trên mặt cắt ngang của ống sẽ có dạng gân như parabol Lúc đó vận tốc dòng khí chảy dọc theo trục x tại tung độ y bất kỳ sẽ được biểu diễn bằng phương trình (2.6), [1]:

𝑣 = 𝑑𝑥

𝑅 (2.1)Trong đó: vmax - vận tốc cực đại của dòng khí ở tại tâm của tiết diện ống Có thể chứng tỏ được rằng vmax đúng bằng 2 lần vận tốc trung bình của dòng khí trong ống, tức là [1]:

𝜋𝑅 (2.2)Với: L -Lưu lượng của dòng khí đi qua ống, m3/s;

R -Bán kính tiết diện ngang của ống, m

Vận tốc di chuyển của hạt bụi dưới tác dụng của lực tĩnh điện: 𝜔 = 𝑑𝑦

𝑑𝜏 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2.3) Từ (2.1) và (2.3) ta có thể rút ra được:

𝜔 (1 −𝑦

𝑅 ) (2.4) Tích phân phương trình (2.4) với lập luận rằng giới hạn cuối cùng của hạt bụi để nó bị giữ lại trong thiết bị là khi nó đi hết chiều dài l của ống hình trụ thì nó cũng vừa chạm vào thành ống [1]:

𝜋𝑅𝜔 (2.5) Khi chế độ chuyển động của khí trong ống là chảy rối thì trường vận tốc trên mặt cắt ngang của ống gần như hình chữ nhật, tức vận tốc ở tâm cũng như ở cách xa tâm đều bằng nhau 𝑣 ≈= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 lúc đó ta sẽ có:

𝑙 = 𝑅= (2.6) Cần lưu ý rằng chuyển động của dòng khí trong thiết bị lọc bụi bằng tĩnh điện trên thực tế thường mang tính chấy chảy rối Biểu thức (2.5), (2.6) là phương trình của thiết bị lọc bụi bằng tĩnh điện

Bởi vì là hàm số của đường kính hạt bụi , nên các phương trình nêu trên cho phép ta xác định được chiều dài l của thiết bị lọc ứng với các thông số khác đã cho để toàn bộ cỡ bụi đường kính nào đó cho trước đều bị giữ lại trong thiết bị lọc, nói cách khác là để thiết bị đạt hiệu quả lọc 100% đối với cỡ bụi cho trước

Ngược lại, khi mọi thông số của thiết bị lọc đã biết, các phương trình (2.5); (2.6); cho phép ta xác định được cỡ hạt bụi đường kính mà tất cả các loại hạt có đường kính ≥ bị giữ lại hoàn toàn trong thiết bị Các cỡ bụi nhỏ hơn cũng có thể

2.4.2 Hiệu suất lọc theo cỡ hạt của thiết bị lọc bụi tĩnh điện.

Hình 2.7 Sơ đồ tính toán hiệu suất lọc của thiết bị kiểu tấm bản [1] Ta xem xét tường hợp thiết bị lọc bụi tĩnh điện kiểu tấm bản:

Giả thiết sự phân bố nồng độ bụi trên tiết diện ngang của thiết bị là như nhau và không phụ thuộc vào khoảng cách từ đầu vào đến tiết diện xem xét

Giá trị tuyệt đối của nồng độ bụi dọc theo chiều dài của thiết bị lẽ dĩ nhiên là giảm dần Mức độ lọc của thiết bị được xác định theo trị số trung bình của nồng độ bụi trên toàn tiết diện ngang của thiết bị Ta kí hiệu trị số nồng độ trung bình nói trên tại mặt cắt ngang ở khoảng cách x tính từ đầu vào của thiết bị là Cx (hình 2.7) Lúc đó nồng độ C0 của bụi ở gần các bản cực hút bụi có thể biểu diễn dưới dạng:

𝐶 = 𝛹𝐶 (2.7)