KHÁI QUÁT - Lò hơi là nguồn cung cấp nhiệt khá phổ biến trong nhiều loại hình công nghệ, thường gặp trong các công đoạn sấy, gia nhiệt định hình, gia nhiệt cho các phản ứng hóa học, làm
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa Môi trường
(tháp đệm) công suất 12000 m3/ngày
- Giới thiệu tổng quan về các phương pháp xử lý
- Đề xuất công nghệ xử lí
- Tính toán thiết kế dựa trên công nghệ đã chọn
- Khái toán chi phí đầu tư
- Kết luận và kiến nghị
- Thực hiện các bản vẽ mô tả thiết kế
Giáo viên hướng dẫn
Th.s Phan Xuân Thạnh
Trang 4CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
I KHÁI QUÁT……….5
II ĐẶC ĐIỂM KHÓI THẢI TỪ LÒ HƠI - Đặc điểm khói thải lò hơi đốt bằng than đá……….5
- Đặc điểm khói thải lò hơi đốt bằng dầu F.O………6
III TÁC HẠI CỦA KHÍ SO2 - Đối với sức khỏe con người……….7
- Đối với thực vật……… 8
- Đối với môi trường……… 8
IV CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SO2 - Hấp thụ khí SO2 bằng nước……… 9
- Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi………10
- Xử lý khí khí SO2bằng ammoniac………11
- Xử lý khí SO2 bằng magie oxit……… 12
- Xử lý khí SO2 bằng kẽm oxit……… 13
- Xử lý SO2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit ……… 13
- Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ……… 14
- Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính……… 15
- Hấp phụ khí SO2 bằng vôi, đá vôi, đolomit………15
CHƯƠNG II ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ - Lựa chọn dung dịch hấp thụ………17
- Sơ đồ công nghệ……… 18
- Thuyết minh sơ đồ công nghệ……….19
Trang 5TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
I CÂN BẰNG VẬT CHẤT……… 20
II XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG CÂN BẰNG……… 22
III XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC……….26
CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ I TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP HẤP THỤ……….28
II TÍNH CHIỀU CAO THÁP HẤP THỤ 1 Chiều cao tháp hấp thụ………32
2 Tính trở lực tháp……… 36
III TÍNH CÁC CÔNG TRÌNH PHỤ TRỢ a Tính bơm……… 37
b Tính quạt……… 39
IV TÍNH CƠ KHÍ 1 Thân tháp……… 40
2 Nắp và đáy tháp………42
3 Đường ống dẫn khí……… 43
4 Đường ống dẫn lỏng……….45
5 Tính bích……… 46
6 Lưới đỡ đệm……….48
7 Đĩa phân phối………49
8 Cửa nhập liệu và cửa tháo đệm……….49
9 Tải trọng toàn tháp………49
10 Chân đỡ………50
11 Tai treo……… 50
CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH………51
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN……… 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 7CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I KHÁI QUÁT
- Lò hơi là nguồn cung cấp nhiệt khá phổ biến trong nhiều loại hình công nghệ, thường gặp trong các công đoạn sấy, gia nhiệt định hình, gia nhiệt cho các phản ứng hóa học, làm chín thực phẩm, khử trùng…Trong nhiều ngành sản xuất, lò hơi là thiết bị không thể không có
- Lò hơi có thể được cấp nhiệt từ nhiều nguồn khác nhau Ở các lò hơi công suất nhỏ thường cấp nhiệt bằng điện, một số lò hiện đại dùng nhiên liệu là khí đốt hóa lỏng (gas-LPG) kèm theo là hệ thống điều chỉnh tự động Với các lò hơi “sạch” như trên thường không có vấn đề
về mặt khói bụi thải Tuy nhiên, thường gặp trong các cơ sở tiểu thủ công nghiệp tại Thành phố Hồ Chí Minh là các lò hơi dùng nhiên liệu đốt lò chính là gỗ củi, than đá hoặc dầu F.O Các sản phẩm cháy do việc đốt các nhiên liệu trên thải vào không khí thường là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường
II ĐẶC ĐIỂM KHÓI THẢI TỪ LÒ HƠI
- Đặc điểm khói thải của các loại lò hơi khác nhau, tùy theo loại nhiên liệu sử dụng
- SO2 chủ yếu sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu bằng than đá hoặc dầu F.O
Đặc điểm khói thải lò hơi đốt bằng than đá
- Khí thải của lò hơi đốt than chủ yếu mang bụi, CO2, CO, SO2, SO3,
NOx…do thành phần hóa chất có trong than kết hợp với ôxy trong quá trình cháy tạo nên
- Hàm lượng lưu huỳnh trong than khoảng 0,5% nên trong khí thải có
SO2 với nồng độ khoảng 1333mg/m3
Trang 8
Đặc điểm khói thải lò hơi đốt bằng dầu F.O
- Khí thải của lò hơi đốt dầu F.O thường có các chất sau: CO2, CO, SO2,
SO3, NOx, hơi nước…
- Ngoài ra còn có một hàm lượng nhỏ tro và các hạt tro rất nhỏ trộn lẫn với dầu cháy không hết tồn tại dưới dạng sol khí mà ta thường gọi là mồ hóng
Bảng: Nồng độ các chất trong khí thải lò hơi đốt dầu F.O
công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và môi trường Tp.HCM )
Bảng: Các chất ô nhiễm trong khói thải lò hơi
Lò hơi đốt bằng than đá Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx
Lò hơi đốt bằng dầu
F.O Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx
công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và môi trường Tp.HCM )
Trang 9III TÁC HẠI CỦA KHÍ SO 2
- Khí SO2 là loại khí không màu, không cháy, có vị hăng cay Do quá trình quang hóa hay do sự xúc tác, khí SO2 dễ dàng bị oxy hóa và biến thành SO3trong khí quyển
- Khí SO2 là loại khí độc hại không chỉ đối với sức khỏe con người, động thực vật mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường
Đối với sức khỏe con người
130 - 260 Liều nguy hiểm sau khi hít thở (30 - 60 phút)
1000 - 1300 Liều gây chết nhanh (30 - 60 phút)
- SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt Cuối cùng, chúng có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn
- Khi tiếp xúc với bụi, SO2có thể tạo ra các hạt axit nhỏ có khả năng xâm nhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 μm
- SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học Kết quả là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt
- Trong máu, SO2 tham gia nhiều phản ứng hóa học, gây rối loạn chuyển hóa đường và protein, gây thiếu vitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza, tạo ra methemoglobine để chuyển Fe2+ (hòa tan) thành Fe3+
Trang 10(kết tủa) gây tắc nghẽn mạch máu cũng như làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu, gây co hẹp dây thanh quản, khó thở
Đối với thực vật
- Các loài thực vật nhạy cảm với khí SO2 là rêu và địa y
Bảng: Nồng độ gây độc
0,03 Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả
1 – 2 Chấn thương lá cây sau vài giờ tiếp xúc
Đối với môi trường
- SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit sulfuric hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường
Quá trình hình thành mưa axit của SO 2
- Phản ứng hoá hợp giữa lưu huỳnh điôxít và các hợp chất gốc hiđrôxyl:
Các tác hại của mưa axit
- Nước hồ bị axit hóa: mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng trên mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồn nước trong hồ, phá hỏng các loại thức ăn, uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các sinh vật khác trong nước
Trang 11Bảng: Các ảnh hưởng của pH đến hệ thủy sinh vật
pH<6,0 Các sinh vật bậc thấp của chuỗi thức ăn bị chết (phù du…),
đây là nguồn thức ăn quan trọng của cá
pH<5,5 Cá không thể sinh sản được Cá con khó sống sót Cá lớn bị
dị dạng do thiếu dinh dưỡng Cá bị chết do ngạt
pH<5,0 Quần thể cá bị chết
pH<4,0 Xuất hiện các sinh vật mới khác với các sinh vật ban đầu
- Rừng bị hủy diệt và sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm tổn thương lá cây, gây trở ngại quá trình quang hợp, làm cho lá cây bị vàng
và rơi rụng, làm giảm độ màu mỡ của đất và cản trở sự sinh trưởng của cây cối
- Làm tổn hại sức khỏe con người: các hạt sulfate, nitrate tạo thành trong khí quyển làm hạn chế tầm nhìn Hơn nữa, do hiện tượng tích tụ sinh học, khi con người ăn các loại cá có chứa độc tố, các độc tố này sẽ tích
tụ trong cơ thể và gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người
- Gây ăn mòn vật liệu và phá hủy các công trình kiến trúc
IV CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SO 2
Hấp thụ khí SO 2 bằng nước
- Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2
trong khí thải, nhất là trong khói từ các lò công nghiệp
- Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được
SO2 + H2O H++ HSO3
Nhược điểm: do độ hòa tan của khí SO2 trng nước quá thấp nên thường phải dùng một lượng nước rất lớn và thiết bị hấp thụ phải có thể tích rất
Trang 12lớn, cồng kềnh Để tách SO2 khỏi dung dịch phải nung nóng lên đến
1000C nên tốn rất nhiều năng lượng, chi phí nhiệt lớn
Hấp thụ khí SO 2 bằng dung dịch sữa vôi
- Là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi
- Nhược điểm: đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO4 và CaSO3, gây tắc nghẽn các đường ống và ăn mòn thiết bị
Trang 13( T rang 95 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn )
- Ưu điểm: hiệu quả rất cao, chất hấp thụ dễ kiếm và thu được muối
amoni sunfit và amoni bisunfit là các sản phẩm cần thiết
- Nhược điểm: rất tốn kém, chi phí đầu tư và vận hành rất cao
(Trang 100 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
Trang 14 Xử lý khí SO 2 bằng magie oxit
- Các phản ứng xảy ra như sau:
MgO + SO2 MgSO3
MgSO3 + SO2 + H2O Mg(HSO3)2
Mg(HSO3)2+ MgO 2MgSO3 + H2O
- Ưu điểm: có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm lạnh sơ bộ, thu
được axit sunfuric như là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao, MgO dễ kiếm và rẻ
- Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, vận hành khó, chi phí cao,
tổn hao MgO khá nhiều
(Trang 105 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
Trang 15 Xử lý khí SO 2 bằng kẽm oxit
- Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:
SO2 + ZnO + 2,5 H2O ZnSO3 2,5H2O
ZnSO3 2,5H2O => ZnO + SO2 + 2,5H2O
- Ưu điểm: có thể làm sạch khí ở nhiệt độ khá cao (200 - 2500C)
- Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi
về kinh tế nên phải thường xuyên tách chúng ra và bổ sung lượng ZnO tương đương
Xử lý SO 2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit
- Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:
Na2CO3 + SO2 Na2SO3+ CO2
Na2SO3+ SO2+H2O 2NaHSO3
2NaHSO3 + ZnO ZnSO3 + Na2SO3 + H2O
- Ưu điểm: không đòi hỏi làm nguội sơ bộ khói thải, hiệu quả xử lý cao
- Nhược điểm: hệ thống xử lý khá phức tạp và tiêu hao nhiều muối natri
(Trang 110 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
Trang 17 Hấp phụ khí SO 2 bằng than hoạt tính
- Phương pháp này có thể áp dụng rất tốt để xử lý khói thải từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện kim và sản xuất axit sunfuric với hiệu quả kinh tế đáng kể
- Ưu điểm: sơ đồ hệ thống đơn giản và vạn năng, có thể áp dụng được
cho mọi quá trình công nghệ có thải khí SO2 một cách liên tục hay gián đoạn, cho phép làm việc được với khí thải có nhiệt độ cao (trên 1000C)
- Nhược điểm: tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên có thể là tiêu hao
nhiều vật liệu hấp phụ hoặc sản phẩm thu hồi được có lẫn nhiều axit sunfuric và tận dụng khó khăn, phải xử lý tiếp mới sử dụng được
(Trang 116 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
Hấp phụ khí SO 2 bằng vôi, đá vôi, đolomit
- Ưu điểm: hiệu suất hấp phụ cao
- Nhược điểm: cần chi phí đầu tư lớn do vật liệu chế tạo thiết bị đắt (thiết
bị làm việc trong môi trường ăn mòn mạnh và nhiệt độ cao)
Trang 18CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH
- Theo QCVN 19: 2009/BTNMT, nồng độ tối đa cho phép của bụi và SO2
được tính theo công thức sau:
- Kp là hệ số lưu lượng nguồn thải quy định tại mục 2.3
- Kvlà hệ số vùng, khu vực quy định tại mục 2.4
Trang 19Ta có:
- Nồng độ tối đa cho phép của bụi và SO2:
Cbụi= 200 1 1 = 200 mg/Nm3
CSO2=500 1 1 = 500 mg/Nm3
- Vì thế, ta áp dụng QCVN 19: 2009/BTNMT cho đầu ra của HTXL
Hiệu suất của quá trình xử lý bằng hấp thụ
) 55 273 (
4 , 22
- NaOH và Na2CO3 là các chất hấp thụ có hoạt độ hấp thụ mạnh, có thể
xử lý SO2ở bất kỳ nồng độ nào Do đó, dung dịch hấp thụ lựa chọn cho quy trình công nghệ là dung dịch NaOH (pha loãng với nước)
Trang 20Quạt
Tháp hấp thụ
Cặn
Trang 21 Thuyết minh sơ đồ công nghệ
- Vì nồng độ bụi tương đối cao hơn so với nồng độ cho phép (300 mg/m3
> 200 mg/m3) nên ta phải xử lý bụi Cho dòng khí thải có chứa bụi đi qua Cyclone để thu hồi bụi
- Do nhiệt độ dòng khí thải cao (2500C) nên sau khi qua Cyclone, dòng khí được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ xuống thích hợp cho quá trình hấp thụ xảy ra hiệu quả
- Dùng quạt thổi khí vào tháp đệm từ dưới lên Dung dịch hấp thụ NaOH được bơm từ thùng chứa lên tháp và tưới trên lớp vật liệu đệm theo chiều ngược với chiều của dòng khí đi trong tháp
Trang 22
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
- Nồng độ đầu ra: CSO2c = 500 mg/m3
- Nhiệt độ của dung dịch NaOH: 250C
- Chọn điều kiện làm việc của tháp là nhiệt độ trung bình của dòng khí vào và dòng lỏng vào, t0 = 400C Hỗn hợp khí xử lý xem như gồm SO2
082,0
12000.1
h
kmol RT
2
M
V C SO
2 3
1
hhkhí mol SO
mol G
10.362
,31
đ A y y
Trang 23- Khối lượng riêng của pha khí ở 00C và 1atm:
293,1
10.362,3193,2
10.362,31
3 3
2
m kg y
y
kk
đ A SO
đ A hhđ
=
−+
=
−+
ρρ
ρ => ρhhđ = ,1295(kg/m3)
- Khối lượng riêng của pha khí ở 550C và 1atm:
55273
273.1
1.295,1
P đ đ
+
=
=ρρ
09375
,0
2
3 mol SO mol hhkhí G
G c B
10.211
,01
c A y y
- Khối lượng riêng của pha khí ở 00C và 1atm:
293,1
10.211,0193,2
10.211,01
3 3
2
m kg y
y
kk
c A SO
c A hhc
=
−+
=
−+
ρρ
ρ => ρhhc = ,1293(kg/m3)
- Khối lượng riêng của pha khí ở 400Cvà 1atm (ta xem như nhiệt độ dòng khí ra bằng với nhiệt độ làm việc là 400C):
40273
273.1
1.293,1
P c c
+
=
=ρρ
Trang 24II XÁC ĐỊNH PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG
- Xác định đường cân bằng thông qua các dữ kiện về độ hòa tan của SO2
- Điều kiện làm việc của quá trình hấp thụ là ở 400C và áp suất 1atm
Bảng: Bảng thể hiện độ hòa tan của SO 2 trong nước ở 40 0 C và áp suất 1atm
Trang 251 Tính toán cho cặp giá trị p *
SO2 = 60mmHg và C SO2 = 0,5gSO 2 /100gH 2 O
*= = =
t
SO P
p y
- Tỉ số mol:
,008572
07895,01
Pha lỏng
- Nồng độ phần mole SO2trong pha lỏng:
0014,018
100645,0 64
5,0
2 2
2
=+
=+
=
O H mol dich dung trong SO mol
dich dung trong SO mol x
- Tỉ số mol:
2 Kết quả
C SO2 gSO 2 /100gH 2 O P
* SO2
Trang 26 Vẽ đường cân bằng
ĐƯỜNG CÂN BẰNG
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Trang 28 Vẽ đường cân bằng (X-Y)
ĐƯỜNG CÂN BẰNG
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
L
:
)/
(876,520
0000598,0
10.211,010.373
,30)
Trang 29- Suất lượng mole thực tế:
c đ
Y Y G
2 (
0000399 ,0
) 10 211 ,0 10 373 ,3
.(
35268
663 , 444 )
dd mol SO mol
Y Y L
- Đường làm việc đi qua 2 điểm (Xc, Yđ) và (Xđ, Yc)
Vẽ đường cân bằng và đường làm việc trên cùng đồ thị
ĐƯỜNG CÂN BẰNG-ĐƯỜNG LÀM VIỆC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Trang 300-CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ
I TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP HẤP THỤ
- Hấp thụ SO2bằng dung dịch NaOH 10% khối lượng
- Nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ là 400C
Bảng: Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 10% (kg/m 3 ) theo nhiệt độ (ở áp suất khí quyển)
khối-Nhà xuất bản ĐH Quốc gia Tp.HCM - 2008)
Bảng: Độ nhớt động lực của dung dịch NaOH 10% (Cp) theo nhiệt độ
V: lưu lượng của dòng khí qua tháp hấp thụ (m3/s)
υ: vận tốc biểu kiến của dòng khí ứng với tổng tiết diện của tháp (m/s)
Trang 31, 0 3
2
.75
,1
L L t
k f
G
L C
V
ρµ
µρ
ρσυ
µL: độ nhớt động lực của pha lỏng ở nhiệt độ làm việc (kg/m.s)
µl: độ nhớt động lực của nước ở 200C (mPa.s)
L, G: suất lượng dòng lỏng và dòng khí ( kg/s)
C: hệ số phụ thuộc dạng quá trình, đối với quá trình hấp thụ
( C = 0,022 cho vật liệu đệm là vòng hay xoắn )
- Vận tốc làm việc của pha khí được xác định theo công thức sau:
- Khối lượng riêng của đệm: ρđ =500 (kg/m3)
( Trích Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm - Tập 3 - Truyền
khối - Vũ Bá Minh)
- Khối lượng riêng của pha khí:
)/(103
,12
128,1078,12
3
m kg
c hh
đ hh tb
ρ
