TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN Y TẾ NGUY HẠI
Ch ất thải rắn y tế và hiện trạng Chất thải rắn y tế tại Việt Nam
1.1.1 Giới thiệu về Chất thải rắn y tế a) Các khái niệm
Mọi lĩnh vực và hoạt động kinh tế, xã hội đều tạo ra chất thải, trong đó chăm sóc sức khỏe, một dịch vụ thiết yếu, phát sinh một lượng lớn chất thải y tế (CTYT) CTYT không chỉ chứa đựng nhiều nguy cơ tiềm ẩn mà còn có khả năng nhiễm các vi khuẩn và virus nguy hiểm, gây bệnh cho con người và ô nhiễm môi trường Do đó, CTYT được phân loại là chất thải nguy hại (CTNH).
Theo Tổ chức Y tế thế giới (WHO), chất thải y tế (CTYT) bao gồm tất cả các chất thải phát sinh từ các cơ sở chăm sóc sức khỏe, nghiên cứu và phòng thí nghiệm y học Bên cạnh đó, CTYT còn bao gồm các chất thải từ các nguồn nhỏ lẻ, như chất thải phát sinh trong quá trình chăm sóc sức khỏe tại nhà, chẳng hạn như lọc máu và tiêm insulin.
Tại Việt Nam, dựa theo quyết định 43/2007/QĐ-BYT và thông tư liên tịch
Theo Thông tư 58/2015/TTLT-BYT-BTNMT, chất thải y tế được định nghĩa là tất cả các loại chất thải ở thể rắn, lỏng và khí phát sinh trong quá trình hoạt động của các cơ sở y tế Những ví dụ điển hình về chất thải y tế bao gồm thủy tinh, băng gạc, găng tay, cũng như các vật dụng sắc nhọn như kim tiêm và dao mổ, cùng với gạc và khăn giấy.
Hình 1.1 Hình ảnh chất thải rắn y tế a) Bơm, kim tiêm b) Chai thuốc c) Găng tay, khẩu trang
Chất thải y tế (CTYT) còn được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau, nhưng tất cả đều chỉ đến loại chất thải phát sinh trong quá trình chăm sóc sức khỏe Các chất thải này có khả năng bị nhiễm hoặc đã bị nhiễm bởi các vật liệu truyền nhiễm.
− Chất thải nguy hiểm sinh học
− Chất thải y tế có kiểm soát
− Chất thải y tế truyền nhiễm
− Chất thải từ việc chăm sóc sức khỏe
Giấy văn phòng, chất thải trên sàn nhà và chất thải nhà bếp từ các cơ sở khám chữa bệnh được xem là chất thải y tế (CTYT), mặc dù chưa có quy định cụ thể và không gây hại cho môi trường tự nhiên.
Chất thải rắn y tế (CTRYT) là những chất thải rắn phát sinh từ các hoạt động chăm sóc sức khỏe, bao gồm cả chất thải lây nhiễm và không lây nhiễm Các loại chất thải này có thể bao gồm bông băng, gạc, dây truyền dịch, ống thuốc, ống tiêm, chất thấm máu, dịch của bệnh nhân, bệnh phẩm, giấy bìa các loại và dược phẩm gây độc tế bào.
Thành phần vật lý và hóa học của CTRYT tại Việt Nam được trình bày trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2 (Nguồn: Viện môi trường và tài nguyên, năm 2010).
Bảng 1.1 Thành phần vật lý của chất thải rắn y tế
STT Thành phần vật lý Phần trăm trọng lượng (%)
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của chất thải rắn y tế
Tổng 100 100 b) Phân loại Chất thải y tế
Chất thải y tế được phân loại thành ba nhóm chính dựa trên các đặc điểm lý học, hóa học, sinh học và mức độ nguy hại, bao gồm: Chất thải lây nhiễm, Chất thải nguy hại không lây nhiễm và Chất thải y tế thông thường.
Ch ất thải lây nhiễm: bao gồm
Chất thải lây nhiễm sắc nhọn là loại chất thải nguy hiểm có khả năng gây ra vết cắt hoặc xuyên thủng, bao gồm các vật dụng như kim tiêm, bơm liền kim tiêm, đầu sắc nhọn của dây truyền, kim chọc dò, kim châm cứu, lưỡi dao mổ, đinh, cưa dùng trong phẫu thuật và nhiều vật sắc nhọn khác.
Chất thải lây nhiễm không sắc nhọn bao gồm các chất thải thấm, dính, có chứa máu hoặc dịch sinh học của cơ thể, cũng như các chất thải phát sinh từ buồng bệnh cách ly.
Chất thải có nguy cơ lây nhiễm cao bao gồm các mẫu bệnh phẩm, dụng cụ chứa mẫu và chất thải dính mẫu phát sinh từ các phòng xét nghiệm an toàn sinh học cấp III trở lên Điều này được quy định tại Nghị định số 92/2010/NĐ-CP ngày 30 tháng 8 năm 2010 của Chính phủ, nhằm đảm bảo an toàn sinh học trong phòng, chống bệnh truyền nhiễm.
− Chất thải giải phẫu bao gồm: Mô, bộ phận cơ thể người thải bỏ và xác động vật thí nghiệm
Ch ất thải nguy hại không lây nhiễm: bao gồm
− Hóa chất thải bỏ bao gồm hoặc có các thành phần nguy hại;
− Dược phẩm thải bỏ thuộc nhóm gây độc tế bào hoặc có cảnh báo nguy hại từ nhà sản xuất;
− Thiết bị y tế bị vỡ, hỏng, đã qua sử dụng thải bỏ có chứa thủy ngân và các kim loại nặng;
− Chất hàn răng amalgam thải bỏ;
Chất thải nguy hại được quy định tại Thông tư số 36/2015/TT-BTNMT, ban hành ngày 30 tháng 6 năm 2015, của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường, nhằm quản lý hiệu quả loại chất thải này.
Ch ất thải y tế thông thường: bao gồm
− Chất thải rắn sinh hoạt phát sinh trong sinh hoạt thường ngày của con người và chất thải ngoại cảnh trong cơ sở y tế;
Chất thải rắn thông thường từ cơ sở y tế không nằm trong danh mục chất thải y tế nguy hại, nhưng vẫn có thể chứa yếu tố nguy hại dưới ngưỡng chất thải nguy hại theo quy định tại Thông tư liên tịch 58/2015/TTLT-BYT-BTNMT.
− Sản phẩm thải lỏng không nguy hại
CTRYT được phân loại ngay từ nguồn phát sinh bởi nhân viên bệnh viện, bao gồm các chất thải lây nhiễm và không lây nhiễm như bông băng, gạc, dây truyền dịch, ống thuốc, ống tiêm, chất bị thấm máu, dịch của người bệnh, bệnh phẩm, giấy bìa và dược phẩm gây độc tế bào Việc xử lý các CTYT này diễn ra tại nhà máy xử lý rác, theo quy định tại quy chế quản lý chất thải y tế nguy hại số 43/2007/QĐ-BYT ngày 30 tháng 11 năm 2007 của Bộ Y tế.
1.1.2 Hiện trạng Chất thải rắn y tế tại Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển với hệ thống cơ sở hạ tầng xử lý chất thải chưa hoàn thiện Khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm và mưa nhiều tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của mầm bệnh, làm tăng nguy cơ mắc bệnh cho con người Sự gia tăng số lượng bệnh nhân dẫn đến lượng rác thải y tế cũng tăng theo, gây khó khăn trong việc quản lý và xử lý rác thải này.
Các bệnh viện và cơ sở chăm sóc sức khỏe thải ra lượng chất thải y tế (CTYT) có ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, gây nguy hiểm cho con người và động vật, đồng thời làm thay đổi tính chất của đất và nước ngầm Những chất thải này chứa các hóa chất độc hại, vi khuẩn và virus gây bệnh, vì vậy việc quản lý và xử lý CTYT đã trở thành vấn đề được các nhà quản lý y tế, chuyên gia môi trường và cộng đồng quan tâm đặc biệt.
Phương pháp thiêu đốt trong xử lý Chất thải rắn y tế
1.2.1 Hiện trạng xử lý Chất thải rắn y tế tại Việt Nam
Hiện nay, tại Việt Nam, phần lớn chất thải y tế được xử lý chủ yếu bằng hai phương pháp là đốt và chôn lấp Đáng chú ý, vẫn còn 30.8% bệnh viện sử dụng lò đốt một buồng, thiêu đốt thủ công hoặc tự chôn lấp chất thải ngay trong khuôn viên bệnh viện.
Số lư ợng c a nhi ễm ( ca )
Trong số 1263 bệnh viện, chỉ có 53.4% có hệ thống xử lý nước thải, trong khi 46.6% không có Về chất thải rắn, 90% bệnh viện thực hiện thu gom hàng ngày, 67% xử lý bằng lò đốt hoặc công nghệ đốt khác, và 32.2% sử dụng lò thủ công hoặc chôn lấp ngay trong bệnh viện.
Hình 1.3 Lò đốt tại Bệnh viện Đa khoa Huyện Đông Triều Nguồn Báo Quảng Ninh
Hình 1.4 Hình ảnh một hố chôn chất thải y tế tự phát [15]
Tính đến tháng 10/2017, Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam đã cấp
Giấy phép xử lý chất thải nguy hại (CTNH) đã được cấp cho 107 cơ sở, trong đó có 7 cơ sở thực hiện xử lý chất thải y tế nguy hại theo mô hình tập trung, chuyên biệt cho việc xử lý riêng chất thải y tế.
Hà Nội, Hải Phòng, Nghệ An, Quảng Nam, Bình Định, TP Hồ Chí Minh và An Giang là những địa phương có cơ sở thu gom và xử lý chất thải y tế chủ yếu phát sinh trong nội bộ Các cơ sở này thường có công suất xử lý từ 600 đến 2.000 tấn chất thải y tế mỗi năm Bên cạnh đó, một số đơn vị xử lý chất thải nguy hại cũng thực hiện thu gom và xử lý chất thải y tế tại các lò đốt đã được cấp phép.
Mặc dù có 9 tỉnh như Hải Dương, Quảng Ngãi, và Nam Định đã có cơ sở xử lý chất thải nguy hại (CTNH), nhưng số lượng này vẫn còn quá ít so với 64 tỉnh, thành phố trên toàn quốc.
1.2.2 Giới thiệu về phương pháp thiêu đốt Chất thải y tế
Phương pháp đốt cháy là phương pháp phổ biến nhất để xử lý chất thải lây nhiễm và chất thải y tế tại Việt Nam hiện nay Đốt cháy chất thải được hiểu là quá trình phá hủy chất thải thông qua nhiệt độ cao, dao động từ 850°C đến 1100°C, trong điều kiện vận hành được kiểm soát chặt chẽ.
Hệ thống lò đốt trong quá trình xử lý chất thải y tế (CTYT) bao gồm hai phần chính: buồng đốt sơ cấp và buồng đốt thứ cấp Buồng đốt sơ cấp thực hiện quá trình cháy không hoàn toàn với nhiệt độ đạt từ 760°C đến 980°C Sản phẩm khí thải từ buồng đốt sơ cấp được chuyển sang buồng đốt thứ cấp, nơi diễn ra quá trình đốt cháy hoàn toàn Tại buồng đốt thứ cấp, khí thải được đốt cháy trong ít nhất 2 giây với nhiệt độ duy trì từ 980°C đến 1,095°C.
Đốt chất thải y tế (CTYT) là một phương pháp xử lý hiệu quả, giúp giảm thể tích chất thải lên đến 90% và khối lượng chất thải khoảng 70% Phương pháp này không chỉ khử trùng triệt để mà còn có khả năng thu hồi năng lượng, đồng thời được chứng minh là một giải pháp xử lý chất thải đáng tin cậy về mặt kỹ thuật.
Đến tháng 4/2003, chỉ có 61 bệnh viện (khoảng 7%) trên toàn quốc được trang bị lò đốt rác, nhưng các lò này hoạt động không ổn định, hiệu quả thấp và chi phí cao Hầu hết lò đốt được nhập khẩu, như lò Hoval từ Thụy Sĩ có giá khoảng 200.000 USD và lò C-300 của Ixraen (công nghệ Mỹ) giá khoảng 100.000 USD Chi phí xử lý 1kg rác thải bệnh viện dao động từ 10-20 ngàn đồng Tại TP Hồ Chí Minh, các bệnh viện thải ra khoảng 7,4 tấn rác mỗi ngày, dẫn đến chi phí đốt rác lên tới hàng trăm triệu đồng Hà Nội cũng đã sử dụng lò đốt rác y tế tại Tây Mỗ từ năm 1999 với công suất 4 tấn/ngày, nhưng chỉ hoạt động 1-2 lần mỗi tuần do chi phí cao, khiến nhiều bệnh viện không chịu nổi Một số bệnh viện đã chọn lò đốt rác của Hàn Quốc để giảm bớt chi phí.
Hệ thống xử lý rác thải y tế tại Việt Nam còn nhiều hạn chế, dẫn đến tình trạng khí đốt phát tán mùi hôi khó chịu, ảnh hưởng đến cộng đồng xung quanh Mặc dù một số đơn vị đã thử nghiệm chế tạo lò đốt rác y tế, nhưng việc áp dụng vào thực tế vẫn chưa hiệu quả Các trạm y tế xã thường thiếu hệ thống xử lý, buộc phải chôn lấp rác thải Đồng thời, nhiều bệnh viện và phòng khám tư nhân ở vùng sâu, vùng xa không có biện pháp xử lý rác thải đúng cách, chỉ thực hiện qua loa rồi xả thẳng ra môi trường.
Hình 1.5 Hình ảnh một lò đốt chất thải y tế [19]
Hiện nay, các lò đốt chất thải y tế (CTYT) phải tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn quy định trong Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải rắn y tế.
Theo Quy chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT, trong điều kiện hoạt động bình thường, lò đốt CTRYT cần tuân thủ các thông số kỹ thuật cơ bản được quy định tại Bảng 1.6.
Bảng 1.6 Các thông số kỹ thuật cơ bản của lò đốt chất thải rắn y tế
TT Thông số Đơn vị Giá trị yêu cầu
1 Nhiệt độ vùng đốt sơ cấp °C ≥ 650
2 Nhiệt độ vùng đốt thứ cấp °C ≥ 1050
3 Thời gian lưu cháy trong vùng đốt thứ cấp s ≥ 2
4 Lượng oxy dư (đo tại điểm lấy mẫu) % 6 -15
5 Nhiệt độ bên ngoài vỏ lò (hoặc lớp chắn cách ly nhiệt) °C ≤ 60
6 Nhiệt độ khí thải ra môi trường (đo tại điểm lấy mẫu) °C ≤ 180
Một lò đốt được thiết kế tốt không chỉ giảm khối lượng chất thải mà còn phải đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường Do đó, lò đốt CTRYT cần đáp ứng các yêu cầu về làm sạch khí thải sau quá trình thiêu đốt để bảo vệ môi trường Trong hoạt động bình thường, các thông số ô nhiễm trong khí thải của lò đốt CTRYT không được vượt quá giới hạn quy định.
Bảng 1.7 Giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong khí thải
TT Thông số ô nhiễm Đơn vị
Giá trị tối đa cho phép
2 Axit clohydric, HCl mg/Nm 3 50 50
3 Cacbon monoxy, CO mg/Nm 3 350 200
4 Lưu huỳnh dioxyt, SO2 mg/Nm 3 300 300
5 Nitơ oxyt, NOx (tính theo NO2) mg/Nm 3 500 300
6 Thủy ngân và hợp chất tính theo thủy ngân, Hg mg/Nm 3 0.5 0.5
7 Cadmi và hợp chất tính theo Cadmi, Cd mg/Nm 3 0.2 0.16
8 Chì và các hợp chất tính theo chì, Pb mg/Nm 3 1.5 1.2
9 Tổng đioxin/furan, PCDD/PCDF ngTEQ/Nm 3 2.3 2.3 Trong đó:
− Cột A áp dụng đối với lò đốt CTRYT tại cơ sở xử lý CTRYT tập trung theo quy hoạch (không nằm trong khuôn viên cơ sở y tế)
− Cột B áp dụng đối với lò đốt CTRYT được lắp đặt trong khuôn viên của cơ sở y tế
Theo báo cáo của Phạm Ngọc Châu và Đàm Thương Thương, trong số 92 bệnh viện được nghiên cứu, chỉ có 51 bệnh viện có lò đốt chất thải y tế (CTYT), và chỉ 3,9% trong số đó đạt tất cả các tiêu chí đánh giá theo QCVN 02:2012/BTNMT.
Theo thống kê, 98% bệnh viện đáp ứng tiêu chí về lượng oxy dư, trong khi 96.1% đạt tiêu chuẩn về thời gian lưu cháy trong vùng đốt thứ cấp Hệ thống xử lý khí thải lò đốt có mặt tại 92.2% bệnh viện, và 84.3% bệnh viện đạt tiêu chí về nhiệt độ vùng đốt sơ cấp Tuy nhiên, tỷ lệ bệnh viện có lò đốt đạt tiêu chí về nhiệt độ vùng đốt thứ cấp, nhiệt độ bên ngoài vỏ lò, và nhiệt độ khí thải ra môi trường lần lượt chỉ đạt 56.9%, 51.0%, 29.4% và 23.5%.
Bảng 1.8 Tỉ lệ lò đốt đạt tiêu chí đánh giá (nQ)
Tiêu chí đánh giá Số lượng Tỉ lệ %
Số bệnh viện có lò đốt 51 100
Nhiệt độ vùng sơ cấp (≥ 650°C) 43 84.3
Nhiệt độ vùng thứ cấp (≥ 1050°C) 29 56.9
Thời gian lưu cháy trong vùng đốt thứ cấp (≥ 2 giây) 49 96.1
Lượng oxy dư (đo tại điểm lấy mẫu) (6-12%) 50 98.0
Nhiệt độ bên ngoài vỏ lò (hoặc lớp chắn cách 26 5.0
Nhiệt độ khí thải ra môi trường (đo tại điểm lấy mẫu (≤ 180°C) 15 29.4
Có hệ thống xử lý khí thải 47 92.2 Đạt tất cả các chỉ tiêu 2 3.9
Lò đốt Chất thải rắn y tế sử dụng áp suất âm của hãng Kusukusu
1.3.1 Giới thiệu về hãng Kusukusu
Hiện nay, việc xử lý chất thải chủ yếu dựa vào chôn lấp, đốt cháy hoặc xả thải ra môi trường, nhưng những phương pháp này gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng Đốt cháy chất thải phát sinh khí thải độc hại, trong khi chôn lấp có thể làm ô nhiễm nguồn nước ngầm Nhiều loại chất thải cần hàng nghìn năm để phân hủy tự nhiên, đặc biệt là chất thải phóng xạ, hóa học và sinh học, có thể gây hại cho sức khỏe con người nếu không được xử lý đúng cách Việc xử lý "rác thải" và "nước thải" theo cách thủ công và chi phí thấp hiện tại có thể dẫn đến những hậu quả nặng nề trong tương lai Do đó, tìm ra giải pháp xử lý chất thải hiệu quả và giảm thiểu tác động đến môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu của toàn cầu.
Nghiên cứu về xử lý rác thải đã mang lại nhiều sản phẩm hiệu quả, tiêu biểu là lò đốt rác thải Kusukusu Sản phẩm này đã được công nhận và ứng dụng rộng rãi tại Nhật Bản cũng như trên toàn cầu Lò đốt Kusukusu đầu tiên được lắp đặt vào năm
1994 và hiện nay đã đăng ký sáng chế ở 30 nước trên toàn thế giới
Hình 1.9 Hình ảnh một lò đốt Kusukusu [22]
Dưới đây là một số dấu mốc quan trọng của hãng Kusukusu [22]:
− 1995: Giải thưởng về công nghệ công nghiệp của tỉnh Ibaraki
− 1996: Nhận chứng chỉ cấp 1 - Tiêu chuẩn công nghiệp Thượng Hải về khói thải lò đốt
− 1998: Phát triển kỹ thuật đốt bán chưng cất – áp suất âm tại hội nghị chuyên đề kĩ thuật, bảo vệ môi trường lần thứ 11
− 1999: Xuất hiện tại JETRO-NEW-TECHNOLOGY-JAPAN – Giới thiệu về lò đốt rác thải ý tế Kusukusu
Năm 2001, tổ chức JETRO-NEW-TECHNOLOGY-JAPAN đã diễn ra sự kiện quan trọng, nơi nhận giải thưởng danh giá từ Chánh Văn phòng Tổ chức các doanh nghiệp vừa và nhỏ cho những thành tựu xuất sắc trong lĩnh vực thiết bị và môi trường, đánh dấu lần thứ 27 tổ chức giải thưởng này.
− Thuyết trình về hệ thống đốt áp suất âm, bán chưng cất tại Đại hội Khoa học năng lượng lần thứ 10 tại Nhật Bản
− Xuất hiện trong tạp chí các thiết bị môi trường của các nhà sản xuất máy móc Công nghiệp của Nhật Bản
1.3.2 Nguyên lý hoạt động của lò đốt Kusukusu a) Nguyên lý hoạt động chung
Nguyên tắc hoạt động của lò đốt rác được phân thành sáu giai đoạn cơ bản:
− Giai đoạn nung nóng và sấy khô rác tại khoang sơ cấp
− Nhiệt phân các hợp chất hữu cơ thành các phân tử nhỏ hơn trong điều kiện thiếu oxi và nhiệt độ cao
Giai đoạn cháy yếm khí diễn ra khi các sản phẩm nhiệt phân bị phân hủy và khí hóa trong điều kiện thiếu oxy, tạo ra những hợp chất cháy không hoàn toàn Quá trình này thường xảy ra ở nhiệt độ từ 650 oC đến 800 oC.
Khí cháy không hoàn toàn từ khoang sơ cấp được chuyển sang khoang thứ cấp, nơi mà không khí được cung cấp thêm và được gia nhiệt đến nhiệt độ cao nhờ vào đầu đốt.
1000 o C tới 1300 o C, các khí cháy không hoàn toàn sẽ được oxi hóa hoàn toàn thành các hợp chất không có hại
Sản phẩm cháy cuối cùng được đưa qua bộ trao đổi nhiệt với khí đầu vào cho buồng sơ cấp, giúp tái sử dụng một phần nhiệt lượng Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất hoạt động của lò mà còn tiết kiệm năng lượng và giảm đáng kể nhiệt độ khí thải.
Khí sau khi trao đổi nhiệt sẽ được xử lý triệt để trong buồng xử lý khí thải, nơi khí thải được giải nhiệt và hấp phụ các chất khí hòa tan, có tính axit trước khi được thải ra môi trường.
Quá trình cháy, hút khí và cung cấp oxy được thực hiện hiệu quả nhờ hệ thống tạo áp suất âm đặc biệt, cho phép dễ dàng điều khiển và giám sát từ xa thông qua phòng điều khiển trung tâm.
Cấu trúc của lò đốt này được mô tả trong Hình 1.11
Hình 1.10 Mô hình lò đốt CTYT của hãng Kusukusu
Lò đốt bao gồm ba phần chính: buồng đốt sơ cấp, buồng đốt thứ cấp và ống khói Buồng đốt sơ cấp thực hiện quá trình cháy không hoàn toàn của chất thải, với nhiệt độ có thể đạt từ 650°C đến 1000°C và khả năng chứa khoảng 1.2 tấn chất CTYT mỗi ca Sản phẩm từ buồng đốt sơ cấp, bao gồm tro bụi và khí độc hại, được chuyển đến buồng đốt thứ cấp, nơi diễn ra quá trình đốt cháy hoàn toàn nhờ vào đầu đốt dầu, duy trì nhiệt độ từ 1000°C trở lên.
Buồng đốt thứ cấp Đầu đốt
Tại nhiệt độ 1300°C, luồng khí thải di chuyển trong buồng đốt thứ cấp với thời gian tối thiểu 2 giây theo quỹ đạo xoáy trôn ốc, nhằm loại bỏ bụi còn sót lại bằng lực ly tâm Trước khi ra ống khói, khí thải được hòa trộn với luồng khí từ quạt thổi tạo áp suất âm, giúp giảm nhanh nhiệt độ khí thải Mục đích là đảm bảo khí thải có nhiệt độ an toàn khi thoát ra môi trường và giảm thiểu sự tái tổ hợp khí độc.
Việc hòa trộn khí thải sau đốt cháy với không khí gây khó khăn trong việc kiểm soát nồng độ các chất độc hại như SO2, NO, NO2 và HCl trong khí thải Do thiếu các bước xử lý hiệu quả, tính an toàn của lò đốt đối với môi trường và sức khỏe con người không thể được đảm bảo.
Sự cháy của chất thải trong buồng đốt sơ cấp của lò đốt được duy trì nhờ áp suất âm, giúp tiết kiệm nhiên liệu sinh nhiệt và kiểm soát quá trình cháy qua công suất quạt Tuy nhiên, khi thiêu hủy chất thải ẩm như CTNH có nguy cơ chứa Sars-CoV-2, hiệu suất cháy rất thấp Quá trình đốt rác thải y tế trong lò đốt Kusukusu thực chất là quá trình cháy của ba loại chất: rắn, lỏng và khí ở nhiệt độ cao.
− Chất rắn là bản thân rác thải
− Chất lỏng gồm nhiên liệu phụ, chất lỏng cung cấp từ ngoài vào là dầu
DO và những thành phần lỏng được tách ra từ chất thải trong quá trình nhiệt phân
− Chất khí là những sản phẩm của quá trình đốt và khí hoá chất thải như
CO, H 2 , CO 2 , SO 2 , NO x , một số hydrocacbon, một số khí độc tính cao như dioxin, furan
Khi chất thải được đốt ở nhiệt độ cao, quá trình xử lý diễn ra triệt để, tạo ra tro và khói lò Một phần tro sẽ được thu hồi dưới dạng xỉ từ lò, trong khi phần còn lại sẽ được cuốn theo khói lò dưới dạng bụi.
Khói từ lò đốt với nhiệt độ cao khoảng 1100 °C chứa bụi và nhiều khí ô nhiễm như SO2, NOx, CO2 và CO Để đảm bảo an toàn trước khi thải vào khí quyển, khói cần được xử lý để giảm nhiệt độ, loại bỏ bụi và khí độc, đồng thời loại trừ độc tính Quy trình này có thể giảm thiểu thể tích rác thải đến 90-95% và tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn gây bệnh.
Phương pháp xử lý rác thải này đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về tiêu hủy an toàn, ngoại trừ việc phát thải khí cần xử lý, nên được coi là phương pháp triệt để nhất so với các phương pháp xử lý chất thải rắn khác Quá trình đốt cháy rác thải trong lò đốt bao gồm các bước như nung sấy, nhiệt phân, khí hóa, cháy và tạo ra tro xỉ.
− S ấy: Là quá trình nâng nhiệt độ chất thải từ nhiệt độ ban đầu tới khoảng
THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ ĐỐT ÁP SUẤT ÂM XỬ LÝ
Quy trình công ngh ệ cải tiến của hệ thống xử lý Chất thải rắn y tế
Chúng tôi đã nghiên cứu và áp dụng các phương án cải tiến mô hình lò đốt nhằm kiểm soát chất lượng khí thải, đảm bảo an toàn và khả năng xử lý chất thải nguy hại có nguy cơ chứa Sars-CoV-2 Phương pháp tạo áp suất âm đã được chuyển từ gián tiếp sang trực tiếp, sử dụng quạt hút thay vì quạt thổi, giúp ngăn chặn sự hòa trộn không khí vào khí thải trước khi thải ra môi trường Nồng độ O2 trong khí thải luôn được duy trì dưới 16% trong quá trình hoạt động của lò đốt Hệ thống xử lý khí thải mới được lắp đặt ngay sau buồng đốt thứ cấp, thay thế cho ống khói cũ.
Sơ đồ khối và mô hình công nghệ của hệ thống xử lý chất thải rắn nguy hại bằng lò đốt áp suất âm Kusukusu được trình bày trong Hình 2.1.
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống lò đốt được cải tiến
Tháp phun nước dập bụi
Tháp phun dung dịch NaOH
Khoang hấp phụ (than hoạt tính) Ống khói
Nước thải chứa cặn tro bụi
Nước thải chứa cặn muối
Buồng đốt sơ cấp Buồng đốt th ứ cấp
Hệ thống xử lý nước th ải
Không khí nóng Đường ống khí tắt phòng sự cố
Hình 2.2 Sơ đồ dây chuyền xử lý chất thải rắn y tế nguy hại sử dụng lò đốt Kusukusu
Nguyên lý hoạt động của hệ thống lò đốt cải tiến được mô tả như sau:
Sau khi khí thải được đốt cháy hoàn toàn trong khoang thứ cấp, chúng được dẫn đến tháp phun nước dập bụi, được thiết kế với ba lớp: lớp gốm chịu nhiệt và ăn mòn ở trong cùng, lớp cách nhiệt ở giữa và lớp vỏ thép bên ngoài Hệ thống giàn phun nước được lắp đặt trên đỉnh tháp, nơi nước được phun ra với áp lực mạnh và kích thước tia nước nhỏ, nhằm hạ nhiệt độ khí thải nhanh chóng và loại bỏ tro bụi Nước mang theo tro bụi sau đó được thu lại ở đáy tháp và dẫn đi xử lý.
Sau khi đi qua tháp phun nước dập bụi, khí thải được dẫn qua tháp phun NaOH, nơi có cấu trúc tương tự Trong tháp phun NaOH, một dàn phun dung dịch NaOH được bố trí nhằm loại bỏ axit và oxit axit có trong khí thải Giàn phun này nằm ở giữa tháp, và phía trên nó là nhiều lớp ống ngắn được thiết kế để ngưng tụ hơi nước trong khí thải Các giọt nước thu được sẽ chảy xuống bể thu gom nước ở đáy lò để được xử lý.
Sau khi khí thải khô được dẫn vào khoang hấp phụ, chúng tôi đã lắp đặt nhiều tấm than hoạt tính Các tấm than hoạt tính được sắp xếp một cách tối ưu để tăng diện tích tiếp xúc với khí thải, đồng thời đảm bảo khả năng lưu thông của khí trong lò đốt không bị giảm Trong khoang này, các thành phần khí độc hại còn lại sẽ được than hoạt tính hấp phụ hiệu quả.
Sau khi hoàn tất các giai đoạn xử lý, khí thải được dẫn ra ống khói và thải ra môi trường Quá trình này tạo ra nước thải chứa tro bụi và muối trung hòa, được đưa vào hệ thống xử lý nước thải Tại đây, nước thải được xử lý bằng dung dịch Ca(OH)2 kết hợp với các phương pháp lọc và lắng Sau khi loại bỏ cặn bẩn, nước đã được xử lý sẽ được tái tuần hoàn cho quá trình xử lý khí thải của lò đốt.
Sau đây là mô tả chi tiết từng phần của hệ thống lò đốt:
Hình 2.3 Cấu tạo lò đốt chất thải rắn y tế nguy hại
Buồng đốt sơ cấp: Là nơi nung nóng, nhiệt phân và hóa khí chất thải tới khoảng nhiệt độ từ 650°C đến 850 °C
Lò đốt chất thải rắn y tế hoạt động dựa trên nguyên lý áp suất âm, sử dụng không khí được cung cấp từ cơ chế hút Nguồn không khí cho buồng đốt sơ cấp đến từ một quạt hút lớn với công suất 7.5 kW Đặc biệt, quá trình cháy tại đây không được gia nhiệt bằng bất kỳ phương pháp nào.
Các thông số của buồng đốt sơ cấp được thể hiện trong Bảng 2.1 Các thông số của buồng đốt sơ cấp
Bảng 2.1 Các thông số của buồng đốt sơ cấp
Kích thước: Cao * Rộng * Dài (mm) 1660×1820×2380
Kích thước cửa cho rác vào (mm) 1280×1200
Kích thước cửa kiểm tra và nạp bổ sung rác (mm)
Kích thước buồng đốt sơ cấp được thiết kế dựa trên công suất của lò, với tường buồng đốt sơ cấp được cấu tạo từ 4 lớp, như thể hiện trong Hình 2.4.
Hình 2.4 Cấu tạo tường buồng đốt sơ cấp
Lớp ngoài cùng (1) là vỏ lò bằng thép
Lớp số (2) là sứ cách nhiệt, chịu được tới 900 °C
Lớp số (3) là bông chịu nhiệt chịu được nhiệt độ tới 1200 °C
Lớp trong cùng số (4) là bê tông chịu nhiệt, chịu được nhiệt độ tới 1400 °C
Tổng chiều dầy của 4 lớp là 160 mm, giúp cho vò lò không vượt quá 60 °C kể cà khi lò hoạt động trong thời gian dài
Buồng đốt sơ cấp và thứ cấp cùng bộ trao đổi nhiệt được lắp đặt trên một khối thống nhất Khí thải từ buồng đốt thứ cấp đi qua bộ trao đổi nhiệt, truyền nhiệt lượng trở lại khí đầu vào của buồng đốt sơ cấp, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho lò.
Khí nóng được đưa vào không chỉ giúp sấy khô rác mà còn nâng nhiệt độ cháy trong buồng sơ cấp lên từ 650 đến 800 °C Nhờ công nghệ hút áp suất âm, khí nóng từ bộ trao đổi nhiệt được trộn đều với rác, đảm bảo rằng rác cháy trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc, từ đó nâng cao nhiệt độ và hiệu quả cháy.
Trong buồng sơ cấp, trong điều kiện thiếu oxy và nhiệt độ cao, rác thải sẽ bị phân hủy và chuyển hóa thành các hợp chất đơn giản hơn Quá trình này xảy ra khi các liên kết hóa học bị bẻ gãy, và các chất này sẽ theo luồng gió nóng di chuyển sang khoang thứ cấp.
Các phản ứng xảy ra trong buồng sơ cấp:
Cl 2 + H 2 O → 2HCl + 1/2O 2 PT 2.7 Để cải thiện hiệu quả thiêu đốt các loại CTNH có nguy cơ chứa Sars-CoV-2 của lò đốt, chúng tôi đã nghiên cứu phương án cung cấp thêm nhiệt lượng cho buồng đốt sơ cấp Trong thiết kế ban đầu của lò đốt, buồng đốt sơ cấp có các cửa cung cấp không khí cho sự cháy của chất thải bên trong buồng đốt Chúng tôi
Hệ thống ống dẫn khí cung cấp không khí nóng vào buồng đốt sơ cấp, thay vì không khí ở nhiệt độ thường, giúp nâng cao hiệu suất cháy và hiệu quả xử lý chất thải Không khí này được dẫn qua hệ thống xử lý nước thải và khí thải, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, vừa làm mát cho hai hệ thống xử lý của lò đốt, vừa cung cấp nhiệt lượng cho sự cháy Luồng không khí nóng không chỉ giúp sấy khô chất thải trong buồng đốt, giảm độ ẩm và kích thích sự cháy, mà còn có các khe gió được tạo thêm để tăng diện tích tiếp xúc với chất thải, nâng cao hiệu quả sấy khô và cung cấp nhiệt lượng Nhờ đó, hiệu suất cháy và khả năng xử lý chất thải của lò đốt được cải thiện rõ rệt.
Buồng đốt thứ cấp là khu vực nơi khói thải từ buồng đốt sơ cấp được đốt cháy ở nhiệt độ trên 1050 °C Để đạt được nhiệt độ này, quá trình cháy trong buồng đốt thứ cấp được hỗ trợ bởi một đầu đốt dầu DO.
Các thông số của buồng đốt thứ cấp được thể hiện trong Bảng 2.2 Thông số của buồng đốt thứ cấp
Bảng 2.2 Thông số của buồng đốt thứ cấp Đặc điểm buồng thứ cấp Thông số
Kích thước: cao × rộng × dài (mm) 1740 × 1124 × 1124
Kích thước cửa kiểm tra (mm) 248 × 275
Vách khoang thứ cấp của lò cũng có cấu tạo tương tự như khoang sơ cấp Kích thước được tính toán phù hợp để thời gian lưu khói ≥ 2 giây
Áp suất âm mạnh mẽ và liên tục tạo ra khí nóng cùng các hợp chất phân hủy không hoàn toàn và dễ cháy, bao gồm Dioxin và Furan, được hút vào khoang thứ cấp.
Các thi ết bị được sử dụng cho lò đốt
2.2.1 Đầu đốt dầu diesel (Burner) Đầu đốt dầu là một thiết bị cơ học kết hợp dầu nhiên liệu với lượng không khí thích hợp trước khi đưa hỗn hợp đến điểm đánh lửa trong buồng đốt Điều cần thiết cho hiệu quả của quá trình đốt cháy là hỗn hợp dầu / không khí được đồng nhất hóa tốt và càng ít giọt dầu nguyên chất càng tốt Đầu đốt kiểu súng (súng áp lực) là một vòi đốt loại súng nguyên tử hóa dầu nhiên liệu bằng cách buộc dầu qua vòi phun và phun vào vòi phun nguyên tử giống như súng Chất lỏng tạo thành các hạt hoặc hạt siêu nhỏ được trộn đều và bay hơi một phần trước khi đốt cháy trong buồng đốt
Hình 2.9 Đầu đốt dầu DO kiểu súng [25]
Một đầu đốt kiểu súng dân dụng thường yêu cầu áp suất dầu 80 - 130 psi Đầu đốt thương mại và công nghiệp cần 100 - 300 psi
Loại đầu đốt này rất linh hoạt và có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng như làm lò đốt rác, lò hơi,…
Cấu tạo của đầu đốt kiểu súng được mô tả trong Hình 2.10:
Hình 2.10 Cấu tạo của đầu đốt kiểu súng
2 - Kết nối dầu trở lại
3 – Bộ điều chỉnh áp suất bơm
4 - Bộ kết nối đồng hồ đo áp suất
5 - Kết nối máy đo chân không
6 - Van an toàn cho động cơ
11 - Trục điều chỉnh đầu đốt
12 - Nhóm van có giắc cắm
Mục tiêu chính của quá trình đốt là tối ưu hóa hiệu suất đốt cháy dầu, đồng thời đảm bảo an toàn trong vận hành và giảm thiểu ô nhiễm không khí.
Để đạt được mục tiêu này, việc sử dụng các cụm đầu đốt phù hợp và vận hành chính xác là rất quan trọng Chúng tôi sử dụng đầu đốt hoạt động theo kiểu phun sương, mang lại hiệu quả tối ưu cho quá trình.
Đầu đốt dầu phun sương có nhiệm vụ dẫn nhiên liệu vào vùng đốt và phân tán thành các hạt sương nhỏ Dầu phun sương sẽ được hoá hơi nhờ nhiệt bức xạ từ ngọn lửa, sự truyền nhiệt và nhiệt lượng tuần hoàn trong quá trình cháy Kích thước giọt dầu phun sương thường dao động từ 10 đến 200 μm, tuy nhiên, chất lượng dầu, kiểu phun sương và hoạt động của đầu đốt có thể dẫn đến sự xuất hiện của các giọt dầu lớn hơn.
Tùy thuộc vào kiểu phun sương, sự phân bố kích thước và các hạt sương sẽ có sự thay đổi đáng kể Đầu đốt phun sương bằng không khí, hay còn gọi là kiểu gió tán sương, có những đặc điểm nổi bật riêng.
− Phun sương mịn, vận tốc tương đối lớn, nên hoà trộn tốt với không khí dùng để đốt cháy
− Kết cấu đơn giản, không cầu kì mà vẫn cháy tốt, hiệu suất cao
− Không kén dầu, có thể đốt được dầu xấu
− Cần phải trang bị thêm máy nén khí
Một đầu đốt dầu chất lượng cao cần có quá trình đốt cháy hoàn hảo và đảm bảo lượng không khí dư tối thiểu Quá trình đốt cháy lý tưởng mang lại nhiều lợi ích quan trọng, bao gồm hiệu suất năng lượng tối ưu và giảm thiểu khí thải độc hại.
1 Hiệu suất của nồi hơi được cải thiện bởi sự giảm được lượng khí thải, đồng thời giảm được tổn thất theo đường khí thải và tiếp theo đó là do việc tạo ra ít muội than nên các bề mặt trao đổi nhiệt sạch hơn, tạo sự trao đổi nhiệt tốt hơn
2 Giảm được lượng các chất thải phóng thích vào môi trường
3 Do giảm được việc sinh ra axit sulfuric và hạ thấp được điểm sương, nên giảm được sự ăn mòn hoá học
2.2.2 Quạt hút ly tâm công nghiệp
Quạt ly tâm, hay còn gọi là quạt hút ly tâm, là loại quạt hút không khí theo chiều dọc trục Nhờ vào lực ly tâm, không khí được đưa ra quanh vỏ quạt và sau đó được đẩy ra theo hướng vuông góc với trục quạt.
Quạt ly tâm trực tiếp có mô tơ gắn liền với cánh quạt, mang lại ưu điểm về tốc độ hút gió nhanh Tuy nhiên, loại quạt này không phù hợp cho môi trường axit hoặc nơi có nhiệt độ quá cao.
Quạt ly tâm gián tiếp hoạt động bằng cách kết nối mô tơ với cánh quạt thông qua dây curoa Khi mô tơ hoạt động, dây curoa sẽ chuyển động và làm cho cánh quạt quay.
Sản phẩm này có khả năng chịu nhiệt độ cao, cho phép sử dụng trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả môi trường axit Tuy nhiên, tốc độ hút gió của nó không đạt hiệu quả như quạt ly tâm trực tiếp.
Hình 2.11 Quạt hút ly tâm trực tiếp và gián tiếp [26]
Quạt ly tâm được cấu tạo từ bốn bộ phận chính, bao gồm vỏ quạt, cánh quạt, hệ curoa truyền động và motor, như được minh họa trong Hình 2.12.
Vỏ quạt được chế tạo từ kim loại chống rỉ và phủ sơn tĩnh điện, có vai trò quan trọng trong việc giữ vững quạt và kết nối với vị trí lắp đặt Bên cạnh đó, vỏ quạt còn giúp giảm thiểu độ rung và tiếng ồn phát sinh từ động cơ trong quá trình hoạt động.
− Cánh quạt ly tâm: Được cân bằng động bởi hệ thống điều khiển kỹ thuật số, đảm bảo quạt chạy êm và không rung lắc
Hệ curoa truyền động đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối mô tơ với phần đuôi cánh quạt ở cửa hút Dây curoa thường được chế tạo từ cao su chất lượng cao, đảm bảo độ bền và hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
− Mô tơ: Là bộ phận tạo ra chuyển động của quạt ly tâm
Hình 2.12 Cấu tạo quạt ly tâm [27]
Nguyên lý ho ạt động của quạt ly tâm:
Quạt hoạt động dựa trên nguyên lý bơm ly tâm, trong đó rô-to hút không khí dọc theo trục Khi này, áp suất tại tâm quạt giảm, khiến không khí di chuyển từ vùng áp suất cao sang vùng áp suất thấp Điều này có nghĩa là không khí được đưa vào tâm quạt và nhận thêm năng lượng ly tâm.
Thi ết kế khối mạch điều khiển hệ thống lò đốt
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển lò đốt được mô tả trong Hình 2.19:
Hình 2.19 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lò đốt
Khối mạch điều khiển thu nhận tín hiệu từ các thiết bị điện công nghiệp và cảm biến đo nhiệt độ trong lò đốt, nhằm tính toán và cập nhật trạng thái hoạt động của lò Đồng thời, khối mạch này cũng truyền tín hiệu điều khiển để điều chỉnh các thiết bị điện và hiển thị nhiệt độ tại từng bộ phận của lò đốt thông qua các LED 7 thanh.
Khối mạch điều khiển đảm nhiệm việc giao tiếp với phần mềm điều khiển trên máy tính, cho phép cập nhật liên tục trạng thái hoạt động của lò đốt trên giao diện phần mềm Đồng thời, các lệnh điều khiển từ xa cũng được thực hiện dễ dàng thông qua phần mềm này.
47 cũng được khối mạch điều khiển thu nhận, truyền đi và điều khiển các thiết bị thực thi
Khối mạch điều khiển gồm 4 khối chính:
− Khối nguồn cung cấp nguồn điện áp cho toàn bộ mạch điều khiển
− Khối các mạch thu nhận tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ
− Khối các mạch điều khiển Rơle
− Khối vi điều khiển: trung tâm của khối mạch điều khiển
Sơ đồ khối của khối nguồn được thể hiện trong Error! Reference source not found.:
Hình 2.20 Sơ đồ khối khối nguồn điện áp
Khối nguồn chuyển đổi điện áp một chiều +5V từ nguồn tổ ong thành các nguồn điện áp ổn định +5V và +3.3V để cung cấp cho vi điều khiển, mạch điều khiển Rơle và mạch thu nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ Để tạo ra các nguồn điện áp này, IC AMS1117_5V và AMS1117_3.3V được sử dụng, cho phép điều chỉnh điện áp +6V DC thành +5V và +3.3V với cường độ dòng điện tối đa 1A tại đầu ra.
Hình 2.21 AMS1117_3.3V (bên trái) và AMS1117_5V (bên phải) [31]
Sơ đồ thiết kế sử dụng hai IC này được thể hiện trong Hình 2.22:
Hình 2.22 Khối nguồn cung cấp
2.3.2 Khối mạch thu tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ a) Giới thiệu về ADS1118
ADS1118 là một bộ chuyển đổi tương tự sang số 16 bit (ADC) với độ chính xác cao và công suất thấp, được thiết kế để đáp ứng đầy đủ các tính năng cần thiết cho việc đo lường các tín hiệu từ các cảm biến phổ biến, bao gồm cả cặp nhiệt điện loại K.
ADS1118 là một giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng đo cảm biến nhờ tích hợp bộ khuếch đại có thể lập trình (PGA), điện áp tham chiếu, bộ dao động và cảm biến nhiệt độ chính xác cao Với phạm vi nguồn hoạt động rộng từ 2 V đến 5.5 V, ADS1118 phù hợp cho những thiết bị hạn chế về không gian và năng lượng.
ADS1118 hỗ trợ tốc độ chuyển đổi lên tới 860 mẫu mỗi giây (SPS) và có PGA cho phép đo phạm vi đầu vào từ ± 256 mV đến ± 6.144 V, giúp thực hiện các phép đo tín hiệu lớn và nhỏ với độ phân giải cao.
MUX cho phép đo hai đầu vào vi sai hoặc bốn đầu vào đơn, giúp theo dõi nhiệt độ một cách chính xác Cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao có thể được sử dụng để giám sát nhiệt độ trong hệ thống hoặc bù điểm lạnh cho cặp nhiệt điện.
Dữ liệu của ADS1118 được truyền qua chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp SPI
Sơ đồ chân của ADS1118 được thể hiện trong Hình 2.24:
Hình 2.24 Sơ đồ chân của ADS1118 [33]
Các thông số cơ bản của ADS1118 được thể hiện trong:
Bảng 2.5 Khoảng giá trị các thông số cơ bản của ADS1118 [33]
Tối thiểu Tối đa Đơn vị Điện áp nguồn VDD – GND − 0.3 7 V Điện áp tín hiệu tương tự đầu vào
AIN3 GND − 0.3 VDD + 0.3 V Điện áp tín hiệu số đầu vào
DIN, DOUT/DRDY��������, SCLK, CS��� GND − 0.3 VDD + 0.3 V
Dòng điện đầu vào, liên tục
Tất cả các chân, trừ chân nguồn − 10 10 mA
Nhiệt độ Điểm nối (“Junction”) − 40 150 °C
Nội tại (“Storage”) − 60 150 b) Đo giá trị cặp nhiệt điện sử dụng ADS1118
Mỗi cặp nhiệt điện sử dụng trong hệ thống lò đốt chất thải được kết nối với
1 cặp chân tín hiệu vào trên ADS1118 (AIN0-AIN1 và AIN2-AIN3) Sơ đồ kết nối được mô tả trong Hình 2.25:
Hình 2.25 Mô hình cấu tạo ADS1118 [33]
Giá trị nhiệt độ được truyền từ ADS1118 đến vi điều khiển qua giao tiếp SPI, sau đó vi điều khiển sẽ biên dịch các giá trị này thành dạng số.
Quy trình tính toán để xác định được nhiệt độ tại cảm biến được thể hiện trong Hình 2.26:
Hình 2.26 Sơ đồ tính toán giá trị nhiệt độ
ADS1118 sẽ truyền dữ liệu từ cặp nhiệt điện và cảm biến nhiệt độ đến vi điều khiển Hai giá trị điện áp này tạo ra điện áp bù cho cặp nhiệt điện, được tính bằng công thức VThực tế = VCJ + VTC Sau đó, VThực tế được chuyển đổi thành nhiệt độ TThực tế thông qua bảng tra cứu NIST.
2.3.3 Mạch điều khiển Rơ-le a) Rơ-le (Relay)
Rơ le là một thiết bị chuyển mạch hoạt động bằng điện, trong đó dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường hút lõi sắt non, làm thay đổi trạng thái công tắc Với khả năng bật hoặc tắt dòng điện qua cuộn dây, rơ le có hai vị trí chuyển mạch linh hoạt.
Rơ le là thiết bị quan trọng trong các bo mạch điều khiển tự động, giúp đóng cắt dòng điện lớn mà hệ thống không thể trực tiếp can thiệp Thiết bị này có nhiều hình dáng, kích thước và chân cắm khác nhau, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành công nghiệp.
Rơ le tôi lựa chọn sử dụng trong mạch điều khiển là Relay 5V10A SRD- 05VDC-SL-C Điện áp điều khiển là 5V, dòng điện cực đại là 10 A
Hình 2.27 Relay 5V10A SRD-05VDC-SL-C [34] b) Mạch điều khiển Rơ-le
Mạch điều khiển rơ-le sử dụng opto cách ly PC817, giúp chuyển đổi tín hiệu digital và ngăn chặn nhiễu từ các nguồn khác Thiết kế của mạch opto cách ly PC817 nhỏ gọn, dễ sử dụng, mang lại hiệu quả cao trong việc bảo vệ tín hiệu.
Hình 2.28 Mạch điều khiển Rơ-le
2.3.4 Vi điều khiển a) Giới thiệu về vi điều khiển TM4C123GH6PM
TM4C123GH6PM được xây dựng dựa trên lõi xử lý ARM Cortex-M, mang lại hiệu suất cao với chi phí thấp Bộ xử lý này đáp ứng nhu cầu thực hiện các tác vụ với bộ nhớ tối thiểu, giúp giảm số lượng pin và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.
52 điện năng thấp, trong khi vẫn có thể cung cấp hiệu suất tính toán vượt trội và khả năng phản hồi tốt của hệ thống đối với các ngắt
Hình 2.29 Vi điều khiển TM4C123GH6PM [35]
Chương trình trên vi điều khiển này được viết trên phần mềm Code Composer Studio, sử dụng ngôn ngữ lập trình C
Hình 2.30 Phần mềm Code Composer Studio
Hình 2.31 Giao diện phần mềm Code Composer Studio
53 b) Giao tiếp SPI với ADS1118
ADS1118 truyền tải dữ liệu thông qua giao tiếp SPI
SPI (Serial Peripheral Bus) là chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao được phát triển bởi Motorola, hoạt động theo mô hình Master-Slave Trong cấu trúc này, một chip Master điều phối quá trình truyền thông với các chip Slaves, cho phép giao tiếp chỉ diễn ra giữa Master và Slave SPI hỗ trợ truyền thông song công (full duplex), cho phép truyền và nhận dữ liệu diễn ra đồng thời Chuẩn này thường được gọi là “4 dây” với bốn đường giao tiếp chính: SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input) và SS (Slave Select).
SCK giữ vai trò quan trọng trong giao tiếp SPI, vì đây là chuẩn truyền đồng bộ yêu cầu một đường xung nhịp Mỗi xung trên chân SCK tương ứng với một bit dữ liệu được truyền đi hoặc nhận về, khác biệt hoàn toàn so với truyền thông không đồng bộ như chuẩn UART Sự hiện diện của chân SCK giúp giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền, cho phép tốc độ truyền của SPI đạt mức rất cao Xung nhịp này chỉ được tạo ra bởi chip Master.
Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau
MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường
Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau
SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc Nếu chip Master kéo đường
Thi ết kế phần mềm điều khiển trên máy tính
2.4.1 Tổng quan về Java a) Lịch sử Java
Java được phát triển bởi James Gosling và nhóm của ông tại Sun Microsystems vào năm 1991, ban đầu mang tên Oak Ngôn ngữ này được thiết kế để thay thế C++ nhưng có nhiều tính năng tương tự như Objective C Cần phân biệt Java với JavaScript, vì chúng chỉ giống nhau về tên và cú pháp Hiện tại, Sun Microsystems vẫn giữ bản quyền và tiếp tục phát triển Java.
Năm 2010, Java được Oracle mua lại từ Sun MicroSystem b) Đặc điểm chính của Java
Java là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng (OOP) cho phép lập trình viên làm việc với các lớp (Class) Cú pháp của Java được kế thừa từ C/C++, nhưng đơn giản hơn và ít tính năng xử lý cấp thấp, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và làm quen với ngôn ngữ này hơn so với C/C++.
Khẩu hiệu nổi tiếng của Java là “Viết một lần, Chạy mọi nơi”, nghĩa là phần mềm viết bằng Java có thể chạy trên mọi nền tảng khác nhau Để đạt được điều này, Java sử dụng máy ảo JVM (Java Virtual Machine) Khi biên dịch, mã nguồn không được dịch trực tiếp thành mã máy như các ngôn ngữ khác, mà được chuyển thành mã bytecode Mã bytecode này có thể được phân phối đến các thiết bị khác nhau, và JVM sẽ thực thi mã đó, đảm bảo tính tương thích trên nhiều nền tảng.
55 thiết bị đó sẽ dịch tiếp bytecode này thành mã máy giúp bạn Có thể mô tả quá trình biên dịch này bằng sơ đồ sau
Hình 2.33 Quá trình biên dịch ngôn ngữ Java c) Tại sao nên chọn Java khi lập trình?
− Cú Pháp (Syntax) Đơn Giản
Như đã nói ở trên, do Java được kế thừa từ C/C++, nên sẽ vẫn giữ được sự đơn giản ở cú pháp so với những gì C/C++ đã đạt được
Java đã loại bỏ nhiều khái niệm phức tạp của C/C++, giúp ngôn ngữ này trở nên đơn giản và dễ sử dụng hơn Một số điểm nổi bật bao gồm việc loại bỏ lệnh Goto và không còn khái niệm con trỏ, mang lại trải nghiệm lập trình thuận tiện hơn cho người dùng.
Nạp Chồng Toán Tử (Overload Operator), và còn bỏ đi khái niệm Con Trỏ (Pointer), bỏ file Header, bỏ luôn Union, Struct,…
− Hoàn Toàn Hướng Đối Tượng (Object Oriented Programming)
Trong Java, chỉ có các kiểu dữ liệu nguyên thủy như int, long, và float là không theo hướng đối tượng Tất cả các loại dữ liệu khác trong Java đều yêu cầu lập trình viên suy nghĩ và làm việc theo nguyên tắc hướng đối tượng.
Tất cả các chương trình đều được tổ chức trong một lớp cụ thể, nơi mọi thực thể được xem như một đối tượng Mọi dữ liệu và hàm trong chương trình đều được đóng gói vào lớp này.
− Độc Lập Với Nền Tảng Hệ Điều Hành Và Phần Cứng
Khẩu hiệu của Java, “Viết một lần, Chạy mọi nơi”, thể hiện tính độc lập của ngôn ngữ này với nền tảng phần cứng Khi lập trình bằng Java, bạn không cần lo lắng về sự tương thích với kiến trúc hệ thống.
56 của từng loại hệ điều hành hay phần cứng, chính JVM sẽ giúp các bạn lo điều này
− Là Một Ngôn Ngữ Mạnh Mẽ
Java là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ nhờ vào khả năng chạy trên nhiều nền tảng khác nhau Một trong những tính năng nổi bật của Java là Bộ Dọn Rác (Garbage Collection), giúp tự động giải phóng bộ nhớ bằng cách dọn dẹp các đối tượng không còn sử dụng, điều này tiết kiệm thời gian cho lập trình viên so với việc phải thực hiện thủ công như ở các ngôn ngữ khác Hơn nữa, Java còn hỗ trợ tốt cho lập trình đa nhiệm (Multithread), cho phép thực hiện nhiều tác vụ đồng thời một cách hiệu quả.
− Tính an toàn và bảo mật
Ngôn ngữ lập trình Java yêu cầu chặt chẽ về kiểu dữ liệu
− Dữ liệu phải được khai báo tường minh
− Không sử dụng con trỏ và các phép toán với con trỏ
Java đảm bảo an toàn trong việc truy cập mảng và chuỗi bằng cách kiểm soát chặt chẽ, ngăn chặn việc sử dụng các kỹ thuật tràn Điều này giúp đảm bảo rằng các truy cập không vượt quá kích thước của mảng hoặc chuỗi, từ đó nâng cao tính ổn định và bảo mật của ứng dụng.
− Quá trình cấp phát và giải phóng bộ nhớ được thực hiện tự động
− Cơ chế xử lý lỗi giúp việc xử lý và phục hồi lỗi dễ dàng hơn
Java cung cấp một môi trường quản lý chương trình với nhiều mức khác nhau
− Mức 1: Chỉ có thể truy xuất dữ liệu cũng như phương phức thông qua giao diện mà lớp cung cấp
− Mức 2: Trình biên dịch kiểm soát các đoạn mã sao cho tuân thủ các quy tắc của ngôn ngữ lập trình Java trước khi thông dịch
− Mức 3: Trình thông dịch sẽ kiểm tra mã byte code xem các đoạn mã này có đảm bảo được các quy định, quy tắc trước khi thực thi
Java kiểm soát việc nạp các lớp vào bộ nhớ nhằm giám sát các vi phạm giới hạn truy xuất trước khi chúng được nạp vào hệ thống Điều này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình phát triển phần mềm.
Môi Trường Phát Triển là một môi trường mà ở đó nhà Phát Triển Phần
Môi Trường Phát Triển Phần Mềm Java (Java Development Environment) cung cấp những công cụ thiết yếu để xây dựng một ứng dụng hoàn chỉnh Các thành phần chính của môi trường này bao gồm trình biên dịch, thư viện, và công cụ gỡ lỗi, giúp lập trình viên dễ dàng phát triển và kiểm tra mã nguồn.
− Hệ Điều Hành (Operating System)
Bất kể bạn đang sử dụng hệ điều hành nào như Windows, Linux hay Mac, bạn đều có khả năng cài đặt Môi Trường Phát Triển Phần Mềm cho Java một cách dễ dàng.
Bộ Công Cụ Phát Triển Java (JDK) cung cấp các công cụ cần thiết để biên dịch và thực thi ứng dụng Java, đồng thời tạo ra môi trường để ứng dụng của bạn có thể hoạt động hiệu quả.
− Môi trường phát triển tích hợp (IDE)
Môi trường phát triển tích hợp (IDE - Integrated Development Environment) là công cụ hỗ trợ lập trình viên viết mã Java, không chỉ cho phép lập trình mà còn kiểm tra lỗi cú pháp và liên kết với JDK để tự động biên dịch và thực thi chương trình.
Khi nhắc đến Java, không thể không đề cập đến JVM (Java Virtual Machine), một thành phần quan trọng không thể thiếu JVM có nhiều đặc điểm nổi bật, đóng vai trò then chốt trong việc thực thi mã Java, giúp đảm bảo tính di động và hiệu suất của ứng dụng.
− Máy ảo Java là phần mềm giả lập máy tính, nó tập hợp các lệnh logic để xác định hoạt động của máy
− Có thể xem nó như là một hệ điều hành thu nhỏ
− JVM chuyển mã byte code thành machine code tùy theo môi trường tương ứng (gọi là khả năng khả chuyển)
− JVM cung cấp môi trường thực thi cho chương trình Java (gọi đó là khả năng độc lập với nền)