Các công nghệ mới cho hệ thống giám sát khí thải CEMS

Công nghệ laser lượng tử cascade mới đã cho phép tạo ra các thiết bị phân tích phản ứng nhanh và ít phải bảo trì, có khả năng giám sát đồng thời nhiều loại khí khác nhau.

Hệ thống giám sát khí thải liên tục (CEMS) là yêu cầu bắt buộc đối với hầu hết các nhà máy công nghiệp trên toàn cầu. Theo quy định của luật môi trường tại nhiều quốc gia, CEMS dùng để đo lường và báo cáo lượng khí thải gây ô nhiễm. Ban đầu, danh sách các loại khí cần đo lường khá ít, nhưng với việc mở rộng các quy định, số lượng các loại khí cần theo dõi đã tăng lên, khiến việc thiết kế hệ thống CEMS trở nên phức tạp hơn.

Bài viết này đề cập đến một công nghệ mới dựa trên laser, hiện đã có sẵn cho các ứng dụng CEMS. Thay vì sử dụng nhiều thiết bị phân tích riêng biệt cho từng loại khí, các thiết kế mới tích hợp lên đến sáu loại laser khác nhau, cho phép một thiết bị duy nhất có thể đo được đến mười thành phần khí cùng lúc.

Những thách thức của CEMS

Với mỗi lần quy định được thắt chặt, yêu cầu đối với việc giám sát CEMS ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Việc chọn một thiết bị phân tích phù hợp để đo từng thành phần khí riêng lẻ thì khá đơn giản, nhưng khi cần đo thêm nhiều loại khí mới, việc lựa chọn thiết bị phân tích trở nên khá phức tạp. Mỗi công nghệ phân tích có những ứng dụng riêng nhưng rất ít công nghệ có thể bao quát toàn bộ các thành phần khí cần theo dõi như yêu cầu của nhiều ứng dụng CEMS hiện nay.

Để đảm bảo tuân thủ các quy định về khí thải, nhiều cơ sở đã phải lắp đặt nhiều thiết bị phân tích khác nhau, mỗi thiết bị chỉ đo được một loại khí cụ thể. Ban đầu, cách làm này có vẻ hiệu quả, nhưng về lâu dài lại phát sinh nhiều vấn đề. Mỗi thiết bị phân tích lại đòi hỏi quy trình bảo trì, kỹ thuật và chứng nhận riêng, dẫn đến việc bảo trì và hỗ trợ trở nên rất phức tạp và tốn kém. Đặc biệt, hệ thống CEMS lại càng làm trầm trọng thêm vấn đề này vì nó đòi hỏi phải hoạt động liên tục và độ tin cậy cao.

Chiến lược đo lường hấp thụ

Có một số phương pháp quang học để đo lường các thành phần khí cụ thể, mỗi phương pháp chiếu ánh sáng có tần số đã biết qua mẫu khí, sau đó đo lường lượng ánh sáng bị hấp thụ bởi khí cần quan tâm. Kết quả đo này có thể dùng để tính toán nồng độ của khí trong mẫu.

Máy phân tích NDIR dùng ánh sáng và bộ lọc để đo lượng khí cụ thể. Phương pháp này đo nhanh, rẻ, nhưng chỉ đo được một loại khí mỗi lần. Nếu muốn đo nhiều loại khí cùng lúc thì phải lắp thêm nhiều bộ phận, khiến thiết bị trở nên phức tạp và cồng kềnh hơn.

Phân tích hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là một công nghệ phân tích khí quang học khác. Không giống như NDIR, công nghệ này quét qua một dải tần số rất rộng. Nó có thể phát hiện nhiều loại khí trong một mẫu duy nhất, nhưng chỉ khi các phổ hấp thụ của chúng không chồng lấn nhau nhiều. Tuy nhiên, vì mỗi lần quét mất nhiều thời gian hơn so với NDIR hoặc phương pháp đo dựa trên laser, nên việc sử dụng FTIR trong các phép đo khí liên tục bị hạn chế.

Thiết bị phân tích khí dựa trên laser cung cấp một phương pháp phát hiện quang học khác bằng cách tận dụng ưu điểm của nguồn sáng laser dải hẹp. Sử dụng các laser diode có thể điều chỉnh (TDL) và gần đây hơn, các laser lượng tử cascade (QCL), các thiết bị phân tích dựa trên laser đo lường một loạt các tần số trong các phần rất cụ thể của quang phổ hồng ngoại gần và trung.

Các máy phân tích khí sử dụng công nghệ laser cung cấp một phương pháp phát hiện quang học khác bằng cách khai thác lợi thế của nguồn sáng laser dải hẹp. Bằng cách sử dụng laser diode điều chỉnh được (TDL) và gần đây là laser thác lượng tử (QCL), các máy phân tích dựa trên công nghệ laser có thể đo dải tần số trong các vùng rất cụ thể của phổ hồng ngoại gần và trung bình.

Các laser TDL hoạt động trong vùng hồng ngoại gần để đo các loại khí như H2S, HF, HCL và O2. Các laser QCL bao phủ vùng hồng ngoại trung, nơi việc đo lường với độ nhạy cao của một loạt các thành phần khí, như CO, CO2, NO, NO2, SO2, NH3, H2O và nhiều loại khí khác, hiện đã trở nên khả thi. Bằng cách sử dụng kết hợp các laser TDL và QCL được chọn lựa cẩn thận, một thiết bị phân tích duy nhất có thể phát hiện tới mười thành phần khí khác nhau trong một mẫu khí.

Hình 1: Laser TDL hoạt động ở tần số hồng ngoại gần, trong khi laser QCL hoạt động trong phạm vi rộng của tần số hồng ngoại trung. Nhiều laser TDL và QCL có thể được tích hợp vào một thiết bị phân tích duy nhất, cho phép đo đến mười loại khí trong một mẫu, với phản hồi gần như theo thời gian thực.

Việc sử dụng nguồn phát sáng dải hẹp như laser, với bước sóng có thể được điều chỉnh chính xác theo nhu cầu đo lường, cho phép cấu hình tối ưu để phát hiện khí cần quan tâm. Việc lựa chọn phần phù hợp của phổ hấp thụ của khí, hay còn gọi là "cửa sổ phù hợp," đảm bảo đáp ứng phạm vi ứng dụng và giới hạn phát hiện, đồng thời giảm thiểu sự hấp thụ gây nhiễu từ các loại khí khác có mặt trong dòng khí (Hình 2).

Hình 2: Thiết bị phân tích TDL và QCL hoạt động trong một khoảng tần số được lựa chọn cẩn thận, cho phép đo nồng độ của khí cần quan tâm với độ chọn lọc cao.

Khác với các phương pháp dựa trên NDIR và FTIR, thiết bị phân tích sử dụng các phương pháp quang phổ dựa trên laser tạo ra dữ liệu có độ phân giải cao về sự hấp thụ của khí mục tiêu. Điều này cho phép phân biệt từng loại khí bằng cách đo các "dấu vân tay" hấp thụ đặc trưng của chúng, trong đó khí sẽ chọn lọc hấp thụ ánh sáng ở các tần số khác nhau trong một vùng quan tâm (Hình 3).

Hình 3: Các thành phần khí hấp thụ ánh sáng ở các mức độ khác nhau tại các tần số khác nhau. Bằng cách đo sự hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng cụ thể, thiết bị phân tích quang phổ có thể xác định nồng độ của một số thành phần khí nhất định trong mẫu.

Lưu ý cách hấp thụ của CO2 (màu xanh lá) và CO (màu đỏ) chồng chéo nhau ở giữa biểu đồ, nhưng mỗi loại khí lại có đỉnh hấp thụ khác nhau (CO tại 0,25 và CO2 tại 0,65) tại các điểm khác. Những đặc điểm riêng biệt này, khi được quan sát bằng các phương pháp phát hiện dựa trên laser có độ phân giải cao, cho phép phân biệt được sự đóng góp của từng loại khí và đo lường chính xác nồng độ của từng loại mà không bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp chéo.

Các thiết bị phân tích dựa trên TDL và QCL có những ưu điểm vượt trội so với nhiều công nghệ khác. Chúng không có các bộ phận tiêu hao, giúp giảm chi phí vòng đời và laser trạng thái rắn không có các bộ phận chuyển động, kéo dài tuổi thọ và giảm yêu cầu bảo trì. Chúng cung cấp các phép đo có độ chính xác và độ nhạy cao mà không cần đến các yêu cầu bảo trì hay gặp vấn đề về độ chọn lọc như các công nghệ truyền thống như NDIR. Ngoài ra, chúng còn cung cấp khả năng phân tích khí liên tục và nhanh chóng, điều mà các hệ thống đo lường đa chiều khác như FTIR không thể thực hiện được.

Đặc điểm thiết kế TDL/QCL

Các thiết bị phân tích TDL/QCL tích hợp đến sáu laser mô-đun trong một vỏ bọc nhỏ gọn, mỗi laser có thể được hướng qua một buồng mẫu với tốc độ hơn 1.000 lần mỗi giây. Mỗi laser quét một dải bước sóng cụ thể trong thời gian dưới một mili giây, đo mức độ hấp thụ trong các cửa sổ mục tiêu. Buồng mẫu có tích hợp gương đa lần (Hình 4), giúp tăng chiều dài đường đi qua mẫu khí, từ đó tăng độ nhạy của thiết bị phân tích mà không làm tăng kích thước của nó. Các thiết bị này cũng đo áp suất và nhiệt độ của mẫu, tích hợp các biến số này vào phân tích nồng độ để cung cấp các phép đo có độ chính xác cao.

Hình 4: Các thiết bị phân tích TDL/QCL sử dụng gương trong buồng mẫu để tăng đáng kể đường đi của mỗi tia laser khi nó quét qua mẫu. Đường đi dài hơn này cho phép đo khí xuống đến mức dưới một phần triệu (sub-ppm).

Việc tăng chiều dài đường đi cùng với tập trung vào một dải tần số được lựa chọn cho phép thiết bị phân tích TDL/QCL tạo ra phổ hấp thụ có độ phân giải cao và được xác định rõ hơn nhiều (Hình 5) so với các thiết bị phân tích NDIR và FTIR. Hiệu suất của thiết bị được cải thiện thêm nhờ tốc độ quét rất cao, cho phép thực hiện hàng trăm phép đo mỗi giây. Nhiều lần đo liên tiếp giúp thiết bị loại bỏ hiệu quả nhiễu ngẫu nhiên và tạo ra kết quả đo nhất quán và đáng tin cậy.

Hình 5: Sự kết hợp giữa dữ liệu phổ có độ phân giải cao trong các cửa sổ tần số được chọn, đường đi mẫu dài và tốc độ quét cao tạo ra một phổ mẫu chi tiết hơn nhiều với các thiết bị phân tích TDL-QCL so với các thiết bị NDIR và FTIR. Điều này cho phép độ chọn lọc cao hơn giữa các loại khí có hấp thụ ánh sáng trong các vùng phổ chồng lấn, như trong ví dụ về CO và CO2, nơi phép đo QCL có thể phân biệt các đặc điểm hấp thụ xuất phát từ từng loại khí.

Thiết bị phân tích TDL/QCL có tuổi thọ rất dài và chi phí vòng đời thấp nhờ sử dụng các laser trạng thái rắn có độ tin cậy cao và ít bị trôi và không cần sử dụng vật tư tiêu hao. Các thiết bị phân tích TDL/QCL hàng đầu được thiết kế chú trọng đến việc bảo trì, tích hợp các mô-đun laser dạng mô-đun dễ dàng thay thế mà không cần căn chỉnh.

Các loại máy phân tích này cũng có các tính năng chẩn đoán tích hợp, chẳng hạn như kiểm tra tính hợp lệ của phép đo, cùng với báo cáo cảnh báo/lỗi nếu một số thông số không nằm trong dung sai dự kiến. Thông tin này cho phép can thiệp kịp thời và dễ dàng xử lý sự cố để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.

Có nhiều loại thiết bị phân tích khác nhau được thiết kế đặc biệt cho cả hệ thống mẫu nóng/ướt hoặc lạnh/khô, cho phép công nghệ này được áp dụng cho một phạm vi rất rộng các ứng dụng CEMS (Hình 6), và trong các vỏ bọc phù hợp với nhiều môi trường nhà máy khác nhau, bao gồm cả khu vực nguy hiểm.

Hình 6: Tất cả các thiết bị phân tích khí liên tục TDL/QCL của Emerson đều phù hợp với các mẫu khí lạnh/khô, với các thiết bị Rosemount CT5400 (góc trên bên phải) và Rosemount CT5100 (góc dưới bên trái) cũng hỗ trợ các mẫu khí nóng/ướt. Chúng cũng có sẵn trong nhiều loại vỏ bọc khác nhau bao gồm giá treo hoặc để bàn, vỏ bọc ngoài hiện trường (CT5100 góc dưới bên trái) hoặc vỏ bọc được xếp hạng nguy hiểm (Rosemount CT5800 góc dưới bên phải). 

Áp dụng thực tiễn TDL/QCL

Việc nâng cấp lên sử dụng máy phân tích TDL/QCL CEMS đã mang lại hiệu quả vượt trội, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và thời gian bảo trì.

Một nhà sản xuất dầu lớn điều hành nhiều nhà máy lọc dầu đã phải nâng cấp các thiết bị phân tích CEMS của mình để đáp ứng yêu cầu giám sát khí thải mới. Các kỹ sư môi trường của công ty đã làm việc với nhà cung cấp thiết bị để thiết kế một bộ tủ phân tích TDL/QCL tùy chỉnh nhằm đo các tổ hợp NO, NO2, CO, SO2, O2, H2O, H2S và CH4. Các hệ thống phân tích mới báo cáo dữ liệu qua mạng không dây của nhà máy, cung cấp phân tích theo thời gian thực với tốc độ cao. Nhà cung cấp đã cung cấp các tủ phân tích hoàn chỉnh, cung cấp giải pháp toàn diện.

Một nhà máy thép cần một phương pháp để theo dõi NO, NO2 và NH3 với các dải phát hiện khác nhau trong cả phần nóng/ẩm và lạnh/khô của quy trình khử NO bằng phương pháp xúc tác chọn lọc của họ. Một sự kết hợp giữa máy phân tích QCL cao cấp và máy phân tích QCL chi phí thấp hơn đã được sử dụng, giúp chi phí dự án nằm trong chi phí dự kiến, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy và độ nhạy khí.

Một nhà máy lọc dầu lớn muốn nâng cấp từ các công nghệ phân tích truyền thống, như hóa phát quang, sang các giải pháp dựa trên laser. Nhà máy đã sử dụng hệ thống phân tích QCL trong nhiều ứng dụng nóng/ướt và lạnh/khô trong các khu vực quá trình oxy hóa mercaptan và thu hồi lưu huỳnh. Cài đặt mới đã chứng minh là đáng tin cậy và chính xác hơn nhiều, đồng thời giảm đáng kể yêu cầu bảo trì để giữ cho các thiết bị phân tích hoạt động.

Một nhà máy lọc dầu khác cần đo NO, NO2, SO2 (trong phạm vi thấp và cao), CO, O2 và H2O trong một thiết bị phân tích duy nhất, đồng thời giảm thiểu bảo trì cần thiết. Một thiết bị phân tích QCL đã đáp ứng được yêu cầu này và đã hoạt động đáng tin cậy trong 5 năm với bảo trì tối thiểu.

Kết luận

Nếu hệ thống giám sát khí thải hiện tại của bạn không đáp ứng được yêu cầu hoặc cần bảo trì quá nhiều, hãy nghĩ đến việc nâng cấp lên máy phân tích TDL/QCL. Thị trường giám sát khí thải ngày càng đa dạng, và mặc dù việc đo một số chất như bụi và thủy ngân cần công nghệ riêng, máy phân tích TDL/QCL là giải pháp tối ưu để đo hầu hết các loại khí thải thường gặp.

Thực tế, một máy phân tích TDL/QCL có thể thay thế nhiều máy phân tích khác. Với hiệu suất vượt trội, chi phí vận hành thấp và khả năng đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau, công nghệ này thường là lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống giám sát khí thải mới hoặc nâng cấp hệ thống hiện có.