SỢI VẢI SIÊU LỌC

Tác giả: Nathan Schindler, Evonik Corporation
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 10/2023, Tr.53-59
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.

Trong bài viết này, Nathan Schindler, Công ty Evonik Corporation, mô tả cách thức sử dụng vật liệu sợi vải hiệu suất lọc cao có thể giúp các nhà máy xi măng tránh gây ô nhiễm không khí và đáp ứng các tiêu chuẩn EPA.
Sản xuất các loại hàng hóa công nghiệp, như xi măng, là cần thiết cho những lợi ích của cuộc sống hiện đại: đường xá, bệnh viện, các cây cầu, các tòa nhà tồn tại lâu dài, các thành phố đô thị có thể đi bộ được. Một trong những cân nhắc quan trọng đối với các nhà sản xuất xi măng là phải đảm bảo giảm thiểu tác động tới môi trường. Hàng ngày, ngành này đã có được những hiểu biết mới về tác động của ngành lên môi trường và những cách thức để giải quyết các tác động đó. EPA Hoa Kỳ mới đây đã đề xuất các tiêu chuẩn mới mà, nếu được thông qua, sẽ yêu cầu giảm lượng khí thải PM­_2,5 trong tương lai.¹ Bài viết này sẽ bàn luận về những thách thức xung quanh việc kiểm soát các phát thải dạng hạt mịn như PM­_2,5 bằng buồng túi lọc kiểu tia xung phản lực, và giải quyết vấn đề đặt ra đối với việc liệu các nhân viên vận hành có thể tin tưởng vào các các túi lọc được làm từ các vật liệu như P84^® và P84 HT không.
Các nhà máy xi măng đang sản xuất các hạt vật liệu ở dạng xi măng. Trải qua nhiều thập kỷ, ngành xi măng đã thực hiện nhiều giải pháp để giảm thiểu các tác động của phát thải dạng hạt tới môi trường. Trong năm 2015-2016, Portland Cement NESHAP (thường được biết đến là Cement MACT) đã yêu cầu tất cả các nhà máy xi măng hiện có ở Mỹ phải giảm thiểu lượng phát thải vật chất dạng hạt và kiểm soát lượng phát thải thủy ngân. Phương pháp phổ biến nhất được các nhà máy xi măng thực hiện để kiểm soát các phát thải này là các bộ lọc bằng vải kiểu tia xung phản lực cho khí thải lò nung và nhiều vị trí khác trong toàn bộ nhà máy xi măng.
Trong tháng 1, EPA Hoa Kỳ đã công bố các kế hoạch tiếp tục xu hướng giảm bớt  tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh đối với các hạt PM_2,5 bằng cách hạ hạn mức PM_2,5 trong không khí xung quanh hàng năm từ 12 µg/m³ xuống khoảng  8 – 11 µg/m³.
Hạt PM_2,5 bao gồm các hạt mịn có thể hít vào được với đường kính nói chung là 2,5 µm và nhỏ hơn.² 2,5 µm là rất mịn; nó mịn hơn khoảng 30 lần so với tóc người bình thường. EPA Hoa Kỳ đã ước tính rằng hàng năm phát thải PM_2,5 gây thiệt hại hàng tỷ Đô-la Mỹ cho các hoạt động y tế cộng đồng.³ Khi các nhà máy tiếp tục tối ưu hóa năng suất sản xuất và đảm bảo rằng sản phẩm của họ và các vật liệu dạng hạt khác được thu gom một cách hiệu quả, tổng chi phí sở hữu của các hệ thống thu gom kiểu tia xung phản lực sẽ tăng lên.
Bốn yếu tố thuộc chi phí sở hữu bộ lọc vải kiểu tia xung phản lực
Các bộ lọc vải kiểu tia xung phản lực được chấp nhận sử dụng  rộng rãi trong các nhà máy xi măng. Chúng ngăn chặn những lượng khí thải dạng hạt vào khí quyển trong các ứng dụng khác nhau, từ lò nung nhiệt độ cao, máy nghiền liệu, và các dòng khí máy làm nguội clinker đến các ứng dụng có nhiệt độ thấp hơn như máy nghiền than, máy nghiền xi măng, và các silo chứa. Không kể đến thành phần của dòng khí thải ống khói, toàn bộ các tia xung khí hoạt động với cùng một thiết kế cơ bản. Khí đốt hoặc khí được tạo ra dưới áp suất âm vào phía nhiễm bẩn của buồng túi lọc. Khí mang bụi tác động lên các túi bộ lọc được treo lơ lửng từ một lưới ống. Định kỳ, một luồng khí mang áp cao được thổi phun vào phía sạch của túi, làm cho túi bật tung ra và làm rơi lớp bụi vào trong phễu thu. Khí đã được làm sạch sau đó đi ra khỏi bộ lọc từ phía sạch và được thải vào khí quyển.
Khi các hạt mịn xuyên qua vật liệu lọc (Hình 1), hệ thống tạo xung không thể loại bỏ hiệu quả các hạt liệu. Qua thời gian, khi túi bị phủ kín bụi, độ sụt áp suất dư tăng lên, khiến tạo ra xung thường xuyên hơn. Các túi bị bít kín làm tăng thêm đáng kể tổng chi phí sở hữu vận hành một thiết bị lọc.⁴ Việc lựa chọn đúng loại vật liệu lọc cho ứng dụng là quan trọng để vận hành hiệu quả nhà máy.

Hạt mịn có tác động rất lớn tới hiệu suất bộ lọc
Hạt PM_2,5 có thể nhỏ, nhưng nó có tác động rất lớn tới hiệu suất của vật liệu lọc và khiến cho chi phí vận  hành bộ lọc tăng lên đáng kể. Evonik đã có kinh nghiệm xử lý tác động của hạt mịn từ việc nâng cấp cải tạo bộ lọc vải tại các nhà máy điện Eskom ở Nam Phi trong những năm 1990. Trong quá trình thử nghiệm tại nhà máy sử dụng các loại vải tiêu chuẩn trong vật liệu lọc, các bộ lọc liên tục bị dừng khi xảy ra độ sụt áp suất cao. Sau khi đánh giá tình trạng các túi lọc, nhà máy đã xác định được rằng các hạt mịn đã xuyên qua phớt lọc, làm bít kín các túi lọc. Nhà máy đã có thể khắc phục được các vấn đề này bằng cách tích hợp hình dạng đa thùy không đều của P84 như là một lớp bề mặt. Nhiều thập kỷ sau đó, nhà máy tiếp tục hưởng lợi từ độ sụt áp suất thấp và tuổi thọ kéo dài của túi lọc như là kết quả của giải pháp lọc này.

            Hiện nay, một số nhà máy đã nhận ra tác động của các hạt mịn tới quá trình vận hành các thiết bị lọc của họ. Một số nguồn hạt mịn phổ biến trong buồng túi lọc chính là các hạt mịn trong khí thải lò nung và máy làm nguội clinker. Than hoạt tính, được bổ sung thêm vào ở rất nhiều nhà máy xi măng ở Mỹ mới đây để kiểm soát lượng phát thải thủy ngân, làm gia tăng số lượng các hạt mịn mà vật liệu lọc cần phải xử lý. Rất nhiều nhà máy cũng đang nghiền xi măng đến cấp độ ngày càng mịn hơn, như UF-II. Cuối cùng là, các bộ lọc máy nghiền than có thể chịu tác động do việc chuyển sang các loại nhiên liệu như than cốc, yêu cầu nghiền mịn hơn.
            Khi đánh giá độ mịn của hạt, một số phương pháp được áp dụng. Phương pháp thông thường nhất trong xi măng là độ mịn Blaine, đưa ra cỡ hạt tương đối khi so sánh với các vật liệu khác tương tự nhưng không đưa ra độ phân phối hạt. Phương pháp khác xem xét phần trăm khối lượng của các hạt có kích thước khác nhau. Điều này có thể hữu ích cho đánh giá đặc tính tải trọng khối, nhưng có thể gây nhầm lẫn khi đánh giá hiệu suất lọc. Phương pháp cuối cùng đánh giá số lượng hoặc số lượng các hạt trên một loạt các kích cỡ. Khi đánh giá các vật liệu cực mịn, phương pháp này hữu ích hơn trong quá trình lọc. Ví dụ như than hoạt tính có bán trên thị trường (Hình 2). Khi được đánh giá dựa trên khối lượng, dưới 10% hạt nhỏ hơn 2,5 µm. Tuy nhiên, khi được đánh giá dựa trên số lượng, thì hơn 95% hạt nhỏ hơn 2,5 µm.
            Sự khác biệt này giữa số lượng và khối lượng là quan trọng về hiệu suất lọc khi xử lý các hạt mịn, vì các các hạt mịn có khả năng xuyên thấu vào và qua vật liệu lọc hơn các hạt lớn hơn.
            Một giải pháp phổ biến để nâng cao hiệu suất lọc cho các ứng dụng với các hạt mịn ở Bắc Mỹ là sử dụng màng chắn e-PTFE cho bề mặt lọc của túi lọc. Màng chắn PTFE mở rộng được là một lớp màng mỏng, thoáng khí, hiệu quả trong việc loại bỏ các hạt vì nó có kết cấu lỗ rỗng đủ rộng cho khí đi qua, nhưng lại nhỏ vừa đủ để ngăn các hạt có kích thước tiêu chuẩn đi qua. Nó cũng thoát bụi tốt, vì vậy bụi không mong muốn không tích tụ trên bề mặt túi. Những thuộc tính này của màng chắn e-PTFE thực sự gây bất lợi khi hầu hết các hạt là hạt mịn.

            Kết cấu lỗ rỗng của màng chắn e-PTFE chất lượng cao có các lỗ rỗng khoảng 1-2 µm. Trong một ứng dụng mới đây, các túi được làm bằng sợi thủy tinh cùng với màng chắn ePTFE đã được lắp vào một thiết bị lọc để thu giữ sản phẩm đất sét gồm 80% (theo số lượng) hạt mịn hơn 1 µm. Các hạt đi thẳng qua màng chắn, khiến cho nhà máy vượt quá tiêu chí phát thải trong vài ngày. Hình 3 cho thấy sự hư hại lớp màng chắn trong một ứng dụng nghiền xi măng, cho phép các hạt siêu vi bít kín phớt lọc.
Đưa ra giải pháp
Sợi vải P84 được biết đến trong ngành công nghiệp lọc cho các ứng dụng nhiệt độ cao và mang lại hiệu suất lọc tuyệt vời. Dòng sản phẩm sợi vải P84 của Evonik có thể chịu được nhiệt độ vận hành cao, cho phép sử dụng nó trong hầu hết các ứng dụng lọc khô. Tuy nhiên, điều khiến cho P84 thực sự độc đáo chính là hình dạng đa thùy không đều của nó.
Như đã thấy ở Hình 4, tiết diện ngang của mỗi sợi vải P84 là khác nhau. Hình dạng này cho phép P84 tạo ra mảng bụi xốp, trường tồn trên bề mặt của túi lọc, ngăn không cho các hạt xuyên thấu vào trong phớt lọc.⁵ Các sợi vi tế P84 (cũng có thể thấy ở Hình 4) mang lại diện tích bề mặt lớn hơn ngăn không cho các hạt mịn nhất phát thải vào trong khí quyển.
Evonik mới đây đã tiến hành thử nghiệm bên thứ ba để đánh giá hiệu quả của vật liệu lọc được làm bằng lớp phủ sợi vi tế P84 và một sản phẩm đất sét siêu mịn. Phương pháp thử nghiệm VDI nổi tiếng đã được sử dụng để mô phỏng các điều kiện lọc bằng tia xung phản lực theo tỷ lệ cao (2 m/phút) khí/vải. Mảng bụi xốp và phong phú được tạo thành bởi lớp phủ sợi vi tế (Hình 5) ngăn ngừa lượng phát thải của đất sét mịn. Phát thải PM_2,5 nằm dưới mức giới hạn phát hiện, trong khi độ sụt áp suất dư và chu kỳ thời gian xung vẫn duy trì ở mức tốt.
Hỗ trợ các nhà máy xi măng cải thiện hiệu suất lọc
Ở Bắc Mỹ, một nhà máy xi măng đã sử dụng sợi vải P84 cùng với lớp phủ sợi vi tế để xử lý các hạt mịn của lò nung và máy nghiền liệu với vận tốc lọc cao được khoảng 20 năm. Thử nghiệm độ phân bố cỡ hạt xác định rằng các hạt trong khí thải ống khói trung bình là 1,5 µm. Khi được phân tích theo số lượng, hơn 95% hạt mịn hơn 2,5 µm. Trong một số khoang của thiết bị này, tỷ lệ khí/vải đạt 2 m/phút, cao hơn nhiều so với mức tối đa 1 m/phút được đề nghị.
Trong những năm 2000, nhà máy đã tiến hành các thử nghiệm với các vật liệu lọc khác nhau trước khi sử dụng lớp phủ sợi vi tế P84.
Nhà máy đã đánh giá sợi thủy tinh chất lượng cao với màng chắn e-PTFE. Các hạt mịn và vận tốc cao gây hư hại đáng kể cho màng chắn, khiến bụi hoàn toàn đi xuyên qua sợi vải.
Mặt khác, vật liệu lọc bằng lớp phủ sợi vi tế P84 đã mang lại năng suất lọc tuyệt vời trong hơn 48 tháng. Hình 8 cho thấy việc ngăn ngừa liên tục bụi xuyên thấu vào trong vật liệu lọc qua tuổi thọ của các túi lọc đồng thời tránh được sự hư hỏng về cơ khí. Kết quả là, nhà máy đã được hưởng lợi từ chi phí vận hành thấp hơn, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp hơn, năng suất tăng lên, và tiêu hao năng lượng thấp hơn. Những lợi thế tương tự này cũng đã đạt được trong các thiết bị lọc của nghiền xi măng, máy làm nguội clinker, và nghiền than.
Kết luận
Đội ngũ tại Evonik chào đón cơ hội được làm việc với các nhà máy để giúp họ tối ưu hóa vật liệu lọc phù hợp dựa trên các điều kiện vận hành thực tế.
Công ty thường xuyên khám phá các giải pháp mới để cải thiện P84, bao gồm cả việc phát triển P84 HT để chịu được nhiệt độ cao hơn và cho các kết cấu vật liệu lọc mới. Công ty cũng đã phát triển các giải pháp nhằm giảm thiểu các nhu cầu nhiên liệu khi sử dụng các sản phẩm của họ để cung cấp không khí được tăng cường oxy tại chỗ với chi phí thấp hơn so với các hệ thống khác.⁶
Tài liệu tham khảo

1. Proposed Decision for the Reconsideration of the National Ambient Air Quality Standards for Particulate Matter (PM), January 6, 2023 – https://www.epa.gov/pm-pollution/proposed-decision-reconsideration-national-ambient-air-quality-standards-particulate.
2. Particulate Matter (PM) Basics – https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics.
3. Proposed Revisions to National Ambient Air Quality Standards for Particulate Matter, January 2023 – https://www.epa.gov/system/files/documents/2023-02/PM%20NAAQS%20Reconsideration%20Proposal%20-%20Overview%20Presentation_0.pdf
4. SHCINDLER, N. and OGILVIE, K., ‘Uncovering the True Cost’, World Cement, May 2020.
5. HARFMANN, P. and ROFF, G., ‘Filter Media Today and for Future Requirements’, Technical Textiles, 2008.
6. SCHEER, C. and SCHINDLER, N., ‘Pulling a Production Boost out of Thin Air’, World Cement, December 2022.