Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h

MỤC LỤC CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ DẦU FO VÀ KHÍ THẢI TỪ LO HƠI DÙNG DẦU

FO 3

1.1.Tổng quan về dầu FO 3

1.2.Khí thải chủ yếu từ lò hơi 6

1.3.Đặc điểm khí thải lò hơi đốt bằng dầu FO 6

1.4.Tổng quan về khí thải 8

1.4.1 Tổng quan về khí SO 2 8

1.4.2 Tổng quan về bụi 9

1.5.Thực trạng dùng dầu FO tai TP HCM 9

CHƯƠNG II:CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI 11

I.Các phương pháp xử lý khí thải 11

I.1 Phương pháp hấp thụ 11

I.2.Phương pháp hấp phụ 12

I.3.Phương pháp đốt 13

II.Ưu và nhược điểm của các phương pháp 13

II.1 Phương pháp hấp thụ 13

II.2 Phương pháp hấp phụ 14

II.3 Phương pháp đốt 14

III.Một số phương pháp hấp thụ S0 2 15

CHƯƠNG III:ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 17

3.1Tính toán tải lượng các chất ô nhiễm do đốt dầu FO 17

3.1.1 Lựa chọn phương pháp xác định tải lượng 17

3.1.2 Lựa chọn hệ số phát thải ô nhiễm 17

3.1.3 Tính tải lượng và nồng độ 17

3.2.Đề xuất quy trình công nghệ xử lý 18

3.3.Thuyết minh quy trình công nghệ 21

CHƯƠNG IV:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 23

4.1.TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ 23

4.1.1 Đầu vào 23

4.1.2 Đầu ra 24

4.1.3 Xác định phương trình cân bằng 25

4.1.4 Xác định phương trình đường làm việc 27

4.2.TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ 29

4.2.1 Chọn vật liệu đệm 29

4.2.2 Vận tốc khí đi trong tháp 29

4.2.3 Tính đường kính tháp hấp thụ 30

4.2.4 Tính chiều cao tháp hấp thụ 31

4.2.5 Tính trở lực tháp 36

4.3.Tính các công trình phụ trợ 36

4.3.1 Tính bơm 36

4.3.2 Tính quạt 38

4.4.TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 39

4.4.1 Tính bề dày thân tháp 40

4.4.2 Tính nắp và đáy thiết bị 42

4.4.3 Tính đường ống dẫn khí vào ra 43

4.4.4 Tính đường ống dẫn lỏng vào ra 44

4.4.5 Tính bích 45

4.4.6 Tính các thiết bị phụ khác 47

CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

5.1 KẾT LUẬN 52

5.2 KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẦU FO VÀ KHÍ THẢI TỪ LO HƠI DÙNG DẦU FO 1.1 Tổng quan về dầu FO

Dầu FO, còn được gọi là dầu nhiên liệu hay dầu Mazut, là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không Các dầu FO có điểm sôi cao Trong kĩ thuật đôi khi người ta còn chia thành dầu FO nhẹ và

FO nặng Vì thế, các đặc trưng hoá học của dầu mazut có những thay đổi đáng kể nhưng không phải tất cả các đặc trưng này ảnh hưởng tới việc sử dụng chúng làm nhiên liệu

và các kỹ thuật sử dụng để đạt hiệu quả cao

Dầu FO được sử dụng làm nhiên liệu đốt lò trong công nghiệp nồi hơi, lò nung, lò đốt dạng bay hơi, dạng ống khói hoặc cho các loại động cơ đốt trong của tàu biển, Nhiệt trị của dầu FO là 10,175 kcal/kg và tỷ trọng là 0,7 – 0,97 kg/l

Phân loại:

 Dầu FO nhẹ có độ sôi 200-3.000C, tỷ trọng 0,88 - 0,92

 Dầu FO nặng có độ sôi lớn hơn 3.200C và tỷ trọng 0,92 - 1,0 hay cao hơn Độ nhớt của dầu FO rất cao và thay đổi trong phạm vi rộng từ 250-7.000 đơn vị Red-Wood chuẩn, trong khi đó độ nhớt của dầu đo chỉ là 40-70 đơn vị

Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu FO

Nhiên liệu đốt lò thường chứa một lượng lưu huỳnh khá lớn, nồng độ của nó thay đổi tuỳ theo loại.Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu đốt lò dưới nhiều dạng khác nhau, thông thường là dưới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dưới dạng di vòng Khi bị đốt cháy lưu huỳnh sẽ chuyển thành SO2, khí này cùng với khói thải

sẽ được thoát ra ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xác với oxy để chuyển một phần thành khí SO3 Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này

sẽ kết hợp với hơi nước để tạo thành các axit tương ướng, đó chính là các axit vô

cơ có độ ăn mòn các kim loại rất lớn Thực tế thì các axit sulfuaric sẽ gây ăn mòn

ở nhiệt độ thấp hơn 100 ÷ 150oC, còn axit sulfuarơ chỉ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 40 ÷ 50oC

Để hạn chế sự ăn mòn này thì người ta thường dùng các phương pháp sau:

- Dùng nhiên liệu đốt lò có hàm lượng lưu huỳnh thấp

- Gửi cho bề mặt trao đổi nhiệt lớn hơn nhiệt độ điểm sương của các khí

- Dùng một số kim loại hoặc oxyt kim loại (MgO, CaO) để chuyển SO2 thành các hợp chất không ăn mòn CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4

 Phương pháp này vừa giảm được ăn mòn vừa giảm ô nhiễm môi trường do

SO2, SO3 trong khói thải.Ngoài vấn đề ăn mòn thì khi hàm lượng lưu huỳnh càng cao càng làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò

Cũng giống như nhiên liệu Diesel hay nhiên liệu phản lực, trước khi bị đốt cháy nhiên liệu được phun ra dưới dạng các hạt sương, từ các hạt sương này nhiên liệu

sẽ bay hơi tạo với không khí hỗn hợp cháy Quá trình bay hơi nhanh hay chậm phụ thuộc nhiều vào bản chất của nhiên liệu, kích thước của các hạt sương dầu khi phunra

Ở gốc độ của độ nhớt thì ảnh hưởng của nó như sau: khi độ nhớt lớn thì kích thước của các hạt sương phun ra lớn, động năng của nó lớn nên không gian trộn lẫn của nhiên liệu với không khí lớn Tuy nhiên khi kích thước của các hạt lớn thì khả năng bay hơi để tạo hỗn hợp cháy sẽ kém, điều này sẽ làm cho quá trình cháy không hoàn toàn, làm giảm nhiệt cháy và thải ra nhiều chất gây ô nhiễm cho môi trường

Ngoài ảnh hưởng đến quá trình cháy thì khi độ nhớt lớn sẽ làm tăng trở lực ma sát trong hệ thống bơm

Tỷ trọng là một đại lượng rất quan trọng đối với nhiên liệu đốt lò bởi nó liên quan đến bản chất của nhiên liệu, độ nhớt, độ bay hơi nghĩa là nó liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu, tất cả những vấn đề này ta đã đề cập đến ở trên Ngoài ra, trong quá trình xử lý nhiên liệu, người ta tách loại nước bằng phương pháp ly tâm do đó yêu cầu tỷ trọng của nhiên liệu và nước phải khác nhau để đảm bảo cho quá trình tách loại có hiệu quả Trong quá trình vận chuyển hay tồn chứa thì nước thường lẫn vào trong nhiên liệu, khi sự chênh lệch tỷ trọng của hai loại này lớn sẽ giúp cho quá trình lắng tách nước cũng tốt hơn

Nước không phải là thành phần của dầu mỏ nhưng nó luôn có mặt trong dầu thô hay trong tất cả các sản phẩm của dầu mỏ Sự có mặt của nước luôn gây ra những tác hại nhất định Nước có mặt trong dầu thô hay các sản phẩm có thể từ các nguồn gốc sau:

- Trong dầu thô ban đầu nhưng không tách loại hết trong quá trình xử lý

- Do sự thở của các bồn chứa

- Do thủng ở các thiết bị đun nóng lại

- Do lỗi ở các chổ nối

- Nước trong nhiên liệu có thể gây ra những tác hại như sau:

- Sự rít bơm

- Hiện tượng xâm thực

- Quá trình bay hơi lớn dẫn đến hoạt động của mỏ đốt không bình thường

- Sự có mặt của nước sẽ gây rỉ trong bảo quan

Để đánh giá khả năng tạo cặn, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn đặc trưng là

độ cốc hoá, tùy theo phương pháp tiến hành xác định cặn mà cặn thu được gọi là cặn crcbon conradson hoặc cặn carbon rabostton

Hàm lượng cặn cacbon conradson trong dầu nhiên liệu đốt lò thường dao động từ

5 - 10% khối lượng, có khi lên đến 20% khối lượng

Tỷ lệ cao cặn cacbon conradson trong nhiên liệu đốt lò cao luôn luôn gây trở ngại cho quá trình cháy, làm tăng hàm lượng bụi của các chất thải rắn trong dòng khí thải

Các hợp chất cơ kim và muối có trong dầu mỏ đều tập trung đa phần ở dầu cặn, khi đốt nó biến thành tro Tro có nhiều trong nhiên liệu đốt lò sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng như gây tắc ghi lò, làm giảm khả năng truyền nhiệt của lò, ở nhiệt độ cao một số kim loại như vanadi có thể kết hợp với sắt để tạo ra những hợp kim tương ứng có nhiệt độ nóng chảy thấp do đó dễ dẫn đến sự thủng lò

 Nhiệt trị

Nhiệt trị là một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của nhiên liệu đốt lò Thường thì nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò khác cao (>10000 cal/g) đây chính là một trong những yếu tố chính làm cho nhiên liệu đốt lò được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Nhiệt trị này phụ thuộc vào thành phần hoá học Nếu trong thành phần nhiên liệu đốt lò càng có nhiều hydrocacbon mang đặc tính parafinic, càng có ít hydrocacbon thơm nhiều vòng và trọng lượng phân tử càng bé thì nhiệt năng của chúng càng cao

Những thành phần không thuộc loại hydrocacbon trong dầu cặn cũng có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt trị của nó Các hợp chất lưu huỳnh trong dầu mỏ tập trung

chủ yếu vào dầu cặn Sự có mặt của lưu huỳnh đã làm giảm bớt nhiệt năng của dầu cặn, khoảng 85 kcal/kg tính cho 1% lưu huỳnh

Cũng giống như những sản phẩm phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hỏa hoạn của nó.Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá…

1.2 Khí thải chủ yếu từ lò hơi

Khí SO2 là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh (S) như than,…hay nguyên liệu chứa lưu huỳnh như đốt quặng Pirit sắt (FeS2), đốt cháy lưu huỳnh,…trong quá trình sản xuất axit Sunfuric (H2SO4) Trong

tự nhiên, SO2 được phát tán trong không khí chủ yếu là do đốt than, và một phần do núi lửa phun

Trong lò hơi, khí SO2 chủ yếu sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu bằng than đá hoặc dầu F.O

1.3 Đặc điểm khí thải lò hơi đốt bằng dầu FO

Lò hơi đốt bằng dầu FO là loại phổ biến nhất hiện nay Dầu FO là một phức hợp của hợp chất cao phân tử Dầu FO dạng lỏng có lượng sinh nhiệt cao Độ tro ít nên ngày càng được sử dụng rộng rãi Mặt khác, vận hành lò hơi đốt dầu FO đơn giản

và khá kinh tế

Khí thải của lò hơi đốt bằng 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

- Lượng khí thải:

Lượng khí thải khi đốt dầu FO ít thay đổi; nhu cầu không khí cần cấp cho đốt cháy hết 1kg dầu FO là VO20 = 10,6 kg/m3

Lượng khí thải sinh ra khi đốt 1kg dầu FO là: VC20 11,5 m3/kg  13,8 kg khí thải/

1 kg dầu

- Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải:

Với dầu FO đúng theo tiêu chuẩn chất lượng, khi đốt cháy trong lò hơi sẽ có nồng

độ các chất trong khí thải như trong bảng sau:

Bảng 1.1 Nồng độ các chất trong khí thải lò hơi đốt dầu F.O trong điều kiện cháy tốt

(Sổ tay hướng dẫn xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường Tp.HCM)

Bảng 1.2 Các chất ô nhiễm trong khói thải lò hơi

Lò hơi đốt bằng củi Khói + tro bụi + CO + CO2

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

(Sổ tay hướng dẫn xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường Tp.HCM)

- CO: là sản phẩm của quá trình cháy trong điều kiện thiếu O2, CO gây ức chế sự

hô hấp của động vật và tế bào thực vật Có thể gây tử vong cấp kì ở nồng độ 0,8 ppm

- NOx: bao gồm NO, NO2… là những chất ô nhiễm do quá trình đốt cháy nhiên liệu phát thải vào bầu khí quyển, trong đó ở gần ngọn lửa khí NO chiếm 90 – 95% và phần còn lại là NO2

- SOx: hầu hết các loại nhiên liệu lỏng đều có chứa lưu huỳnh trong dầu đốt Khi cháy thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu phản ứng với oxy tạo thành khí oxit lưu huỳnh, trong đó khoảng 99% là khí sunfua đioxit SO2

- Bụi: trong sản phẩm cháy của các nguyên liệu lỏng, rắn hầu hết đều có mang theo bụi; nhiên liệu khi cháy sinh ra một hàm lượng bụi lớn nhưng nhất thiết cần được xử lý để tránh bụi phát tán ra môi trường gây ra các bệnh liên quan đến đường hô hấp và làm mất vệ sinh môi trường xung quanh nguồn thải

1.4 Tổng quan về khí thải

1.4.1 Tổng quan về khí SO 2

o Khí sunfurơ là chất khí không màu ,có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm,là sản phẩm của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh (ví dụ dầu FO)

o SO

2 có nhiệt độ nóng chảy ở -750C và nhiệt độ sôi ở -100C

o SO

2 rất bền nhiệt((ΔH0

tt =- 296,9kJ/mol)

o Khí SO

2 là một chất khí ô nhiễm khá điển hình.SO

2 có khả năng hòa tan trong nước cao hơn các khí gây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của con người và động vật

o Độc tính chung của SO2 thể hiện ở rối loạn chuyển hoá protein và đường,thiếu vitamin B,C ức chế enzyme oxydaza Khi hàm lượng thấp, SO2 có th ể làm sưng viêm mạc

Bảng 1.3 Liều lượng gây độc

mg SO 2 /m 3 Tác hại

20 – 30 Giới hạn gây độc tính

50 Kích thích đường hô hấp, ho

130 – 260 Liều nguy hiểm sau khi hít thở (30 – 60 phút)

1000 – 1300 Liều gây chết nhanh (30 – 60 phút)

o SO

2 làm thiệt hại đến mùa màng, nhiễm độc cây trồng.Khí SO

2 trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa dưới tác động của nhiệt độ,ánh sáng chúng chuyển thành SO

3.Khi gặp nước SO

3 + H

2O = H

2SO

4 là nguyên nhân gây nên mưa axit gây thịêt hại lớn.Nhà cửa,kiến trúc công trình làm bằng kim loại dễ bị ăn mòn, động vật và thực vật chậm phát triển hoặc chết

1.4.2 Tổng quan về bụi

o Ô nhiễm bụi gây tác hại đến sức khoẻ đặc biệt nếu bụi chứa các chất độc hại Thành phần hoá học ,thời gian tiếp xúc là các yếu tố ảnh hưởng đến các cơ quan nội tạng Mức độ bụi trong bộ máy hô hấp phụ thuộc vào kích thước ,hình dạng, mật độ hạt bụi và cá nhân từng người

o Bụi đất đã không gây ra các phản ứng phụ trong cơ thể do có đặc tính trơ

và không chứa các hợp chất có tính độc hại.Bụi đất ,cát có kích thước lớn (bụi thô) ,nặng , ít có khả năng di vào phế nang phổi ,ít ảnh hưởng đến sức khoẻ

o Bụi than tạo thành trong quả trình đốt nhiên liệu có thành phần chủ yếu

là các chất Hydrocacbon đa vòng là chất ô nhiễm có độc tính cao vì có khả năng gây ung thư Khi tiếp xúc ,phần lớn bụi than có kích thước lớn hơn 5 micromet bị các dich nhầy ở các tuyến phế quản và các long giữ lại Chỉ có các hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 5 micromet vào được phế nang Bụi vào phổi gây kích thước cơ học,xơ hoá phổi dẫn đến các bệnh hô hấp như khó thở ,ho, khạc đờm, ho ra máu,đau ngực,…

o Tiêu chuẩn bộ y tế Việt Nam năm 1992 quy định đối với bụi than trong không khí tại khu vực dân cư là 0.15 mg/m3,TCVN 1995 quy định bụi tổng cộng trong không khí xung quanh 0.5 mg/m3

1.5 Thực trạng dùng dầu FO tai TP HCM

Do đặc điểm về địa lý hầu hết các nhà máy ở phía Nam nước ta hay ở khu vực

TP Hồ Chí Minh đều sử dụng các sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ làm nhiên liệu cung cấp năng lượng:lò hơi,lò sấy,lò nung… Nguồn thải do dầu đốt (chủ yếu là dầu FO) được coi là nguồn thải quan trọng nhất,có khối lượng lớn nhất và phân bố rộng nhất.Là nguồn thải có chứa đầy đủ các chất ô nhiễm gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật

Nhu cầu tiêu thụ dầu FO tại Tp.HCM ngày càng tăng có thể thấy ở bảng sau:

Bảng 1.4 Nhu cầu tiêu thụ dầu FO tại TP.HCM

FO(tấn/ngày)

1995 1.107.000

1996 1.895.000

1997 1.885.000

1998 1.748.000

1999 1.882.000

2000 1.843.000

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI

I.1 Phương pháp hấp thụ

Hấp thụ là quá trình lôi cuốn chọn lọc một cấu tử nào đó từ hỗn hợp khí bởi chất lỏng Dựa vào sự tương tác giữa chất hấp thụ (dung môi) và chất bị hấp thụ(chất ô nhiễm) trong pha khí , phân thành 2 loại hấp thụ:

Hấp thụ vật lý:Dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng(tương tác

vật lý).Hấp thụ vật lý được sử dụng rộng rãi trong xử lý khí thải

Hấp thụ hóa học:Cấu tử trong pha khí và pha lỏng có phản ứng hóa học với

nhau (tương tác hóa học)

Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của dung môi

và các chất ô nhiễm trong khí thải

Hấp thụ là một quá trình mà truyền khối mà ở đó các phân tử chất khí chuyển dịch và hòa tan vào chất lỏng.Sự hòa tan có thể diễn ra đồng thời với một phản ứng hóa học giữa các hợp phần của pha lỏng và pha khí hoặc không có phản ứng hóa học

Truyền khối thực chất là một quá trình khuếch tán mà ở đó chất khí ô nhiễm dịch chuyển từ trạng thái có nồng độ cao đến trạng thái có nồng độ thấp hơn Việc khử chất khí diễn ra theo 3 giai đoạn:

1 Khuếch tán chất khí ô nhiễm đến bề mặt chất lỏng

2 Truyền ngang qua bề mặt tiếp xúc pha khí /lỏng

3 Khuếch tán chất khí hoàn tan từ bề mặt tiếp xúc pha vào trong pha lỏng

Sự chênh lệch nồng độ ở bề mặt tiếp xúc pha thuận lợi cho động lực của quá trình và quá trình hấp thụ diễn ra mạnh mẽ trong điều kiện diện tích tiếp xúc pha lớn,độ hỗn loạn cao và độ khuếch tán cao.Bởi vì một số hợp phần của hỗn hợp khí

có khả năng hòa ta mới có thể hòa tan được trong chất lỏng,cho nên quá trình hấp thụ chỉ đạt hiệu quả cao khi lựa chọn dung dịch hấp thụ có tính hòa tan cao hoặc những dung dịch phản ứng không thuận nghịch với chất khí cần được hấp thụ Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc càng lớn càng tốt giữa hai

pha khí và lỏng Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ như sau

- Dòng khí được dẫn vào ở đáy tháp, dung dịch hấp thụ được phun ở đỉnh tháp

- Dòng khí cần xử lý tiếp xúc với dung dịch hấp thụ, chất cần xử lý được giữ lại trong dung dịch hấp thụ và được thu ở đáy tháp.Dòng không khí sạch thoát ra ngoài trên đỉnh tháp

Có nhiều dạng kiểu thiết bị hấp thụ khác nhau và có thể phân thành các loại chính sau:

1 Buồng phun,tháp phun:Trong đó chất lỏng được phun thành giọt nhỏ trong