CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG QUAN TRẮC KHÍ THẢI ONLINE

Quan trắc khí thải tự động, liên tục theo nghị định 40/2019/NĐ-CP là quan trắc 08 thông số cơ bản sau: SO2, CO, NOx, O2 dư, bụi, lưu lượng, áp suất và nhiệt độ. Tuỳ vào các thông số và mục tiêu cần quan trắc, việc lựa chọn công nghệ phù hợp đối với các thông số rất quan trọng. Cùng FNF Việt Nam tìm hiểu về các công nghệ đang được ứng dụng trong hệ thống quan trắc khí thải online. 

1. Quan trắc bụi
Đối với thông số bụi, một số phương pháp được áp dụng rộng rãi:
a. Phương pháp va đập tia sáng (scattered light): sensor phát ra chùm tia sáng bởi đèn Halogen chiếu vào các hạt bụi trong ống khói. Khi gặp các hạt bụi, chùm tia bị phản xạ trở lại. Dựa vào mức độ phản xạ mà tính được mật độ bụi có trong ống khói. 
b. Phương pháp điện động (electroDynamic): sensor được đặt sau bộ lọc bụi. Một điện áp được đặt giữa sensor đo và lọc bụi. Khi các hạt bụi trong dòng khí thải bám lên bộ lọc bụi sẽ tác động lên sensor đo làm thay đổi sức điện động giữa hai điện cực mà từ đó tính toán được mật độ bụi trong khí thải. Phương pháp này tránh được ảnh hưởng của vận tốc hạt bụi có trong khí thải. 
c. Phương pháp quang học truyền kép (Transmission): Thiết bị sử dụng phương pháp đường truyền kép theo nguyên tắc tự động đối chiếu. Chùm sáng truyền qua khoảng cách đo hai lần. Độ suy giảm của chùm sáng theo hàm lượng bụi có trong khí thải và hàm lượng bụi sẽ được đo và ghi nhận. 

Hình ảnh thiết bị đo bụi model DR-220 sử dụng phương pháp quang học truyền kép
Hãng sản xuất: Durag - Đức

d. Phương pháp ma sát điện từ (tribo-electric): sử dụng đầu dò thiết bị để lấy mẫu khí. Khi khí mẫu đi qua đầu dò, quá trình trao đổi điện tích diễn ra giữa dòng khí và đầu dò. Từ dòng phóng điện, tín hiệu được tạo ra phụ thuộc vào đặc tính cơ và điện của bụi. Vi điều khiển được tích hợp trong thiết bị bụi cho biết mức độ của hàm lượng bụi trong khí thải. Đối với phương pháp này, cần đặc biệt lưu ý đến lưu lượng của khí thải. Vì khi lưu lượng của dòng khí thải lớn mang theo nhiều bụi hơn thì sẽ tạo ra ma sát lớn hơn, dẫn đến việc đo hàm lượng không còn chính xác. Vì vậy, trong công thức tính toán có thâm số bù tốc độ. Đối với lưu lượng khí thải thấp, tham số bù tốc độ được bỏ qua. Đối với lưu lượng khí thải cao, tham số bù tốc độ bắt buộc phải có. 

Hình ảnh thiết bị đo bụi model PFM 14 sử dụng phương pháp ma sát điện từ
Hãng sản xuất: Dr. Födisch Umweltmesstechnik AG (Đức)

e. Phương pháp đẳng tốc Iso kết hợp cảm biến tán xạ ánh sáng (Optical dust measurement with laser beam - scatted light): Phương pháp được áp dụng chủ yếu đối với khí có độ ẩm hoặc bão hoà với hơi nước do sự tồn tại các giọt nước và sol khí cũng tạo ra các hiệu ứng tán xạ ánh sáng, điều này làm sai lệch kết quả đo. Vì vậy, trong những trường hợp này, kỹ thuật đo mẫu chiết sẽ được chọn lựa. Cơ sở của các phương pháp mẫu chiết là tạo ra một dòng khí đẳng động lực riêng biệt tốt hơn từ dòng khí chính. Nguyên tắc của phương pháp đo là đo sự tán xạ ánh sáng hoặc đo lường hiện tượng ma sát điện có thể được thực hiện.

Hình ảnh thiết bị đo bụi dành cho khí ẩm model PFM 06 ED
Hãng sản xuất: Dr. Födisch Umweltmesstechnik AG (Đức)
 

2. Quan trắc lưu lượng:
Thiết bị quan trắc lưu lưu lượng thường sử dụng các nguyên lý sau:
a) Phương pháp chênh lệch áp (differential pressure): Ống điện cực đo được đặt xuyên qua ống khói. Sự thay đổi áp suất trước và sau ống điện cực sẽ tính được tốc độ dòng khí. Vận tốc nhân với diện tích mặt cắt ống khói cho ta lưu lượng. Phương pháp này bị ảnh hưởng do bụi bị tích lũy trên đầu đo và khó thực hiện với ống khói có đường kính lớn.

b) Phương pháp tán xạ nhiệt: Hai điện cực đo được đặt trong ống khói. Một điện cực được gia nhiệt, một điện không được gia nhiệt. Khí thải thổi qua điện cực làm giảm nhiệt độ điện cực đo. Căn cứ vào mức độ mất nhiệt ta tính toán được vận tốc dòng khí từ đó tính được lưu lượng. Phương pháp này ít bị ảnh của bụi trong khí thải và khong phụ thuộc vào đường kính ống khói.
c) Phương pháp tương quan hồng ngoại (Infrared correlation): phương pháp tương tự như đo lưu lượng bằng sử dụng nhuộm hoặc đánh dấu phóng xạ. Vận tốc được xác định bằng việc xác định thời gian vẩn chuyển các chất đánh dấu giữa hai điểm đo khi mà khoảng cách giữa hai điểm đo đó đã biết. Thay vì phải tạo các hạt đánh dấu, thiết bị sử dụng trực tiếp dòng khí bất ổn tự nhiên để đánh dấu.

Nhiễu loạn dòng khí gây ra các biến động trong bức xạ hồng ngoại phát ra bởi dòng khí. Quá trình này thay đổi liên tục và được giám sát bởi hai cảm biến hồng ngoại gắn kết cách nhau 1m theo hướng dòng khí. Một thiết bị so sánh tương quan điện tử được sử dụng để so sáng liên tục hai tín hiệu cảm xác định thời gian trễ giữa hai điểm đo, từ đó xác định được vận tốc dòng khí.

3. Quan trắc các thông số hóa học:
Quan trắc các thông số hóa học dựa vào các nguyên lý chính như sau:
a) Nguyên lý quang học: Dựa trên sự hấp thụ ánh sáng của các chất cần phân tích. Cường độ hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Lambert-Beer. Trong nguyên lý quang học người ta sử dụng các công nghệ như sau:
- Hồng ngoại gần không tán sắc (NDIR): đo đồng thời 5 chỉ tiêu là O2, CO, SO­­­2, NO, CO2. Muốn đo được NOx thì cần phải đo thêm NO2. Muốn đo NO2 cần phải có bộ chuyển hóa xúc tác NO2 thành NO. Ưu nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi phải có môi trường nhiệt độ thấp và khô ráo để bảo vệ thiết bị phân tích và khí đo phải được làm sạch bụi và khô trước khi đi vào máy phân tích. Việc ngưng tụ làm lạnh để loại hơi nước có thể làm mất SO2.

- Hồng ngoại chuyển hóa Furie (FTIR): có thể đo một lúc 16 chỉ tiêu là H2O, CO2, CO, N2O, NO, NO2, SO2, HCl, HF, NH3, C2H6, C3H8, C2H4 và CH2O. Ưu nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi phải có môi trường nhiệt độ thấp và khô ráo để bảo vệ thiết bị phân tích và khí đo phải được làm sạch bụi và khô trước khi đi vào máy phân tích. Việc ngưng tụ làm lạnh để loại hơi nước có thể làm mất SO2.
- Ánh sáng tử ngoại quang phổ hấp thụ quang tán sắc (UV-DOAS: Differential Optical Absorption Spectroscopy): Có thể đo được cùng một lúc các thông số như CO, SO2, NOx là các chất có hiệu ứng hấp thụ tử ngoại. Ưu nhược điểm của phương pháp này là sử dụng gương quang học và các diode array nên chịu được điều kiện môi trường nóng và ẩm và không bị mất mát SO2. 
- Ánh sáng laser (TDLAS-Tubo diode Laser Spectroscopy): đo được nhiều thông số nhưng mỗi thiết bị chỉ có thể đo được một thông số. Phương pháp này sử dụng chùm tia xuyên qua ống khói (cross-duck) nên không có phần nào tiếp xúc với khí thải nên tránh được sự ăn mòn thiết bị, đặc biệt trong ngành sản xuất phân bón apatit chứa khí thải HF. Khí HF là chất ăn mòn cực mạnh, ăn mòn tất cả các kim loại và hợp kim kể cả Haslloy-C là vật liệu chuyên cho nhành công nghiệp hóa chất. Ưu nhược điểm của phương pháp này là đo được nhiều chỉ tiêu, tính chọn lọc cao, không bị  ăn mòn bởi khí thải.
b) Nguyên lý điện hóa: Mỗi sensor điện hóa được tẩm một dung dịch điện hóa tương ứng. Khi các chất cần đo phản ứng với dung dịch điện hóa làm thay đổi điện thế trên bề mặt điện cực. Sự thay đổi này tỷ lệ với nồng độ chất cần đo. Mỗi thông số cần một sensor. Sensor điện hóa làm việc sau một thời gian sẽ bị già hóa và phải thay mới. Thông thường mỗi sensor làm việc được từ 16.000 - 18.000 giờ.
- Phương pháp này có thể đo được rất nhiều chỉ tiêu và đặc biệt là các chỉ tiêu không có hiệu ứng hấp thụ ánh sáng mà phương pháp quang học không thể đo được. Tuy nhiên thời gian đáp ứng chậm, sau một thời gian sử dụng thì phải định kỳ thay sensor. Tuổi thọ của sensor điện hóa là từ 16000 đến 18000 giờ làm việc (khoảng 2 năm). Chi phí khí chuẩn thấp, thông thường sau 1 tháng mới hiệu chuẩn một lần.