TỔNG QUAN
Quá trình hình thành SO 2 trong khói thải
Lưu huỳnh trong nhiên liệu than tồn tại dưới bốn dạng chính: lưu huỳnh vô cơ (FeS2), lưu huỳnh muối sulfat (CaSO4.2H2O, FeSO4.2H2O), lưu huỳnh hữu cơ (CxHySz) và lưu huỳnh nguyên tố Trong đó, lưu huỳnh muối sulfat chiếm khoảng 5% tổng lượng lưu huỳnh và không cháy được, trong khi 95% còn lại bao gồm lưu huỳnh vô cơ, hữu cơ và nguyên tố đều có khả năng cháy Khi cháy trong lò hơi, các thành phần lưu huỳnh này bị oxy hóa, tạo ra hỗn hợp khí SOx, chủ yếu là SO2 trong khói thải.
Khi cháy than, lưu huỳnh hữu cơ và lưu huỳnh nguyên tố thoát ra, tạo thành nhiều hợp chất như H2S, SO2, COS, và CS2, trong đó H2S là hợp chất chính Trong môi trường oxy hóa, các hợp chất này sẽ bị oxy hóa thành SO2 Lưu huỳnh vô cơ trong than cũng bị oxy hóa trực tiếp thành SO2 khi cháy cốc Trong điều kiện có oxy ở nhiệt độ cao, một phần nhỏ SO2 sẽ chuyển thành SO3, thường chiếm khoảng 0.5% đến 2%, tương đương với 1% đến 2% lưu huỳnh trong than thoát ra dưới dạng SO3.
1.1.1 Oxy hóa lưu huỳnh vô cơ (FeS 2 )
Khi than bị đốt cháy trong buồng lửa với môi trường ôxy hóa, lưu huỳnh vô cơ phản ứng với oxy để tạo thành khí SO2.
Thành phần Fe2O3 sẽ thải ra khỏi lò dưới dạng xỉ, còn SO2 sẽ thoát ra ngoài lò theo đường khói
1.1.2 Oxy hóa lưu huỳnh hữu cơ
Trong than, lưu huỳnh hữu cơ phân bố đồng đều, các dạng của lưu huỳnh hữu cơ là R-
SH, R-SS-R (hợp chất hai lưu huỳnh và R-S-R)
Than ít lưu huỳnh chủ yếu chứa lưu huỳnh hữu cơ, với tỷ lệ gấp khoảng 8 lần so với lưu huỳnh vô cơ Ngược lại, than nhiều lưu huỳnh chủ yếu chứa lưu huỳnh vô cơ, với tỷ lệ gấp khoảng 3 lần so với lưu huỳnh hữu cơ.
Khi than được gia nhiệt, các liên kết –SH và –S- yếu khiến hợp chất lưu huỳnh phân hủy ở nhiệt độ thấp dưới 450 °C, tạo ra chất bốc lưu huỳnh Hợp chất RSH có cấu trúc ổn định hơn, chỉ bắt đầu phân hủy khi đạt 930 °C Trong môi trường oxy hóa, lưu huỳnh cháy sẽ được chuyển hóa hoàn toàn thành SO2, trong khi phản ứng oxy hóa RSH cuối cùng tạo ra SO2 và gốc R.
1.1.3 Oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố
Lưu huỳnh nguyên tố trong than sẽ phản ứng với oxy tạo thành SO2 theo phương trình phản ứng sau:
1.1.4 Oxy hóa lưu huỳnh trong các hợp chất hoàn nguyên
Quá trình cháy trong buồng lửa lò hơi sản sinh các hợp chất lưu huỳnh như H2S, CS2 và COS trong môi trường hoàn nguyên Những hợp chất này tiếp tục bị oxy hóa, tạo ra các sản phẩm khác.
SO2 theo phương trình phản ứng sau:
Khi cháy nhiên liệu trong môi trường oxy hóa, lưu huỳnh cháy được chuyển hóa thành SO2 và một lượng nhỏ SO3 Do lưu huỳnh cháy được chiếm phần lớn trong nhiên liệu, hàm lượng lưu huỳnh có thể được sử dụng để ước tính lượng SO2 trong khói thải Sau khi cháy, lưu huỳnh trong than tạo thành SO2 có trọng lượng gấp đôi so với ban đầu, dẫn đến việc mỗi 1% lưu huỳnh trong than tương ứng với nồng độ khoảng 2000 mg/Nm³ SO2 trong khói, nếu không áp dụng phương pháp khử SO2.
Hình 1.1 Đồ thị hàm lượng lưu huỳnh trong khói thải với nồng độ SO 2 hình thành và hiệu suất khử
Các phương pháp khử SO 2
Các phương pháp công nghệ khử SO2 trong nhà máy nhiệt điện dựa trên cơ chế hình thành SO2 trong khói thải bao gồm: khử lưu huỳnh trước khi cháy, khử SO2 trong quá trình cháy và khử SO2 sau quá trình cháy.
1.2.1 Công nghệ khử lưu huỳnh trước khi cháy Đây là phương pháp tách lưu huỳnh sẵn có trong nhiên liệu trước khi đem đốt ở lò hơi nên còn được gọi là phương pháp khử lưu huỳnh nhiên liệu Các công nghệ phổ biến của phương pháp này được liệt kê như dưới đây a) Phương pháp tuyển rửa than
Phương pháp tuyển rửa được áp dụng để khử pirit sắt (FeS2) và một số tạp chất khác khỏi than, dựa vào tỷ trọng của pirit sắt lớn gấp 4 lần than Khi hạt than có kích thước từ 0,5mm trở lên, hiệu suất khử pirit sắt có thể đạt 30-50% Độ mịn của than từ 50-200 µm sẽ làm tăng hiệu suất khử pirit sắt Sử dụng công nghệ tuyển nổi bọt khí có thể khử từ 40-90% pirit sắt, nhưng chi phí cao hơn so với phương pháp tuyển rửa thông thường Hiệu quả của phương pháp tuyển rửa còn phụ thuộc vào kích thước hạt pirit sắt và hàm lượng lưu huỳnh vô cơ trong than, trong khi không khử được lưu huỳnh hữu cơ và sunfua sắt.
Phương pháp xử lý than bằng cách ngâm than trong dung dịch kiểm và chiếu xạ bằng sóng viba giúp phá hủy liên kết hóa học của lưu huỳnh, tạo ra H2S, sau đó loại bỏ H2S bằng phản ứng với kiềm Ngoài ra, phương pháp chuyển hóa than thành khí hoặc lỏng cũng giúp khử lưu huỳnh, tạo ra nhiên liệu thứ cấp tinh khiết Đây là xu hướng phát triển quan trọng trong ngành công nghiệp làm sạch than.
Trong quá trình khí hóa than, lưu huỳnh trong than chủ yếu bị chuyển hóa thành H2S, sau đó dùng các giải pháp thông thường để khử H2S
Trong quá trình hóa lỏng than bằng dung dịch có bổ sung Hydro, lưu huỳnh pirít sắt không tan trong dung dịch và bị phân ly, trong khi lưu huỳnh hữu cơ sẽ chuyển hóa thành H2S khi thêm hydro Sau đó, H2S được khử bằng các phương pháp thông thường.
1.2.2 Công nghệ khử SO 2 trong quá trình đốt cháy than
Công nghệ khử SO2 trong quá trình đốt than được áp dụng cho lò hơi đốt tầng sôi (CFB) bằng cách phun đá vôi (CaCO3) vào buồng lửa Khi than cháy, khí SO2 được sinh ra và phản ứng với đá vôi, tạo thành CaSO4 và thải ra ngoài dưới dạng tro xỉ Đá vôi cần được nghiền nhỏ đến độ mịn thích hợp trước khi phun vào buồng đốt Dưới nhiệt độ cao, CaCO3 sẽ phân hủy thành CaO và CO2.
Trong môi trường oxy hóa, CaO gặp SO2 sẽ hình thành phản ứng khử sau:
Phản ứng khử SO2 trong quá trình đốt cháy than diễn ra chủ yếu ở nhiệt độ tối ưu từ 800 đến 850 độ C, khi đó hiệu suất khử SO2 đạt cao nhất Nếu nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn khoảng này, hiệu suất phản ứng sẽ giảm Do vậy, phương pháp này đặc biệt phù hợp với các lò hơi sử dụng công nghệ đốt tầng sôi (CFB), trong khi các phương pháp đốt khác như đốt cháy theo lớp hay đốt than phun có hiệu quả khử SO2 thấp hơn.
Trong môi trường hoàn nguyên H2S sinh ra sẽ phản ứng với CaCO3 và CaO theo phương trình sau:
Nếu CaS lại gặp Oxy, thì tùy theo nồng độ của oxy sẽ xảy ra các phản ứng:
Nghiên cứu cho thấy, khi nhiệt độ trong buồng lửa đạt trên 1.200 °C ở lò than phun, CaSO4 sẽ phân hủy thành SO2 Điều này dẫn đến hiệu quả khử SO2 của phương pháp này khi áp dụng cho lò than phun rất thấp.
1.2.3 Công nghệ khử SO 2 sau quá trình cháy Đây là phương pháp khử SO2 trong khói thải sau quá trình cháy nên còn gọi là phương pháp khử SO2 trong khói thải
Các công nghệ khử SO2 trong khói thải bao gồm khử SO2 kiểu khô, kiểu ướt và bằng nước biển Phương pháp khử SO2 kiểu khô tạo ra sản phẩm phản ứng ở trạng thái khô, bất kể chất khử có dạng ướt hay khô Phương pháp phun sương là công nghệ phổ biến nhất trong nhóm này, bên cạnh đó còn có phương pháp khử SO2 bằng chùm điện tử.
Phương pháp khử SO2 bằng cách sử dụng chất khử dạng nhũ tương được bơm vào thiết bị phun sương, nơi chất khử lỏng được phun thành hạt mịn vào khói của thiết bị hấp thụ kiểu khô Nhiệt độ khói khi vào bộ hấp thụ dao động từ 120~160 o C, qua quá trình sương hóa và hấp thụ SO2, khói được làm nguội xuống 60~80 o C Tro bụi và sản phẩm phản ứng khô theo khói vào thiết bị khử bụi, một phần được tái tuần hoàn về hệ thống tạo nhũ tương với nồng độ chất rắn 30~50% Để đảm bảo nhũ tương sương hóa tốt, thiết bị sương hóa kiểu ly tâm với tốc độ 10^4 vòng/phút được sử dụng, tạo ra hạt có đường kính từ 20~400μm, giúp tối ưu hóa quá trình phân bố hạt chất khử và phản ứng với SO2 Phương pháp khô phun sương này thường áp dụng cho lò hơi nhà máy nhiệt điện có hàm lượng lưu huỳnh dưới 2%, với hiệu suất khử lưu huỳnh đạt 70~90% Chất khử thích hợp chủ yếu là dung dịch kiềm.
Na2CO3, vôi CaO hoặc là vôi tôi Ca(OH)2 Trong đó Na2CO3 có giá đắt hơn CaO và Ca(OH)2
Hình 1.2 Sơ đồ khử SO2 kiểu khô phun sương
Phương pháp khử SO2 bằng chùm điện tử là một kỹ thuật tiên tiến sử dụng chùm điện tử để chiếu xạ khói, đồng thời khử cả SO2 và NOx Thiết bị này bao gồm một hệ thống phát sinh điện cao áp một chiều với điện áp lên tới 800kV và máy gia tốc điện từ Khi chùm điện từ được tạo ra qua lỗ chiếu xạ, nó sẽ chiếu lên khói trong thiết bị phản ứng Năng lượng cao của chùm điện từ có khả năng biến đổi các phân tử oxy và hơi nước trong khói, góp phần làm sạch môi trường.
Oxy có khả năng oxy hóa mạnh, làm cho SOx và NOx trong khói nhanh chóng chuyển hóa thành axit sulfuric và nitric Các sản phẩm trung gian này được đưa vào thiết bị phản ứng với ammonia, tạo ra (NH4)2SO4 và NH4NO3 dưới dạng bụi mịn Sau đó, khói chứa các hạt bụi này được đưa qua bộ lọc bụi tĩnh điện để loại bỏ trước khi thải ra khí quyển qua ống khói.
Hình 1.3 Sơ đồ phương pháp khử SO2 bằng chùm điện từ b) Phương pháp khử SO2 kiểu ướt:
Phương pháp khử SO2 này đặc trưng bởi việc bố trí toàn bộ hệ thống khử SO2 ở cuối đường khói, sau bộ khử bụi Chất khử SO2 được sử dụng trong quá trình này nhằm loại bỏ khí SO2, đồng thời sản phẩm phụ của phản ứng cũng được quản lý hiệu quả.
Bộ gia tốc điện từ Lỗ chiếu xạ
Phản ứng khử tái sinh và xử lý SO2 được thực hiện trong trạng thái ướt, với nhiệt độ phản ứng thấp hơn nhiệt độ đọng sương, do đó khói sau khi khử SO2 cần được gia nhiệt trước khi thải ra ống khói Quá trình khử SO2 diễn ra trong môi trường khí – lỏng, giúp tăng tốc độ phản ứng và hiệu suất khử, đồng thời nâng cao hệ số sử dụng canxi Chất khử SO2 thường sử dụng là đá vôi CaCO3 hoặc vôi tôi Ca(OH)2.
TIÊU CHÍ THIẾT KẾ
Thông số đầu vào
- Hàm lượng lưu huỳnh trong than
- Lưu lương khói thải tại đầu vào bộ khử SO2
- Nhiệt độ khói thải tại đầu vào bộ khử SO2
- Nồng độ SO2 trong khói thải tại đầu vào bộ khử SO2
- Nồng độ SO2 trong khói thải tại đầu ra bộ khử SO2 (theo tiêu chuẩn cho phép)
- Thành phần khói thải khác: hơi nước, N2, O2, CO2, NOx, bụi
- Thành phần chất khử là đá vôi hoặc nước biển tương ứng với công nghệ lựa chọn:
Thành phần đá vôi điển hình như sau
+ Nước biển: thành phần nước biển (tổng lượng kiềm tính theo CaCO3, nhu cầu oxy hóa học COD, oxy hòa tan DO, độ pH, nhiệt độ nước biển
Thành phần nước biển điển hình áp dụng trong công nghệ khử SO2 bằng nước biển như sau (*) :
Thành phần Đơn vị Tối thiểu Tối đa Thành phần Đơn vị Tối thiểu Tối đa pH 7.29 8.24 Clorur mg/l 17963 20147
Nhiệt độ oC 25.3 58.5 Chlorine mg/l 0.11 0.9 Độ đục NTU 0 0 Sulfate ion mg/l 1629 1678.55 Độ dẫn điện mS/cm 52.6 65.32 Nitrite ion mg/l 0 0
Fe3+ mg/l 0 0.11 Nitrate ion mg/l 0 2.8
Fe2+ mg/l 0.07 0.15 Amoni mg/l 0.01 0.3 Độ cứng Phenolphtalinity mmol/L 1.58 1.94 Calcium ion mg/l 255.77 350.7
CaCO3) mmol/L 2.41 3 Magnesium ion mg/l 1185.6 1327
Tổng độ cứng mmol/L 115 131.22 Aluminum ion mg/l 0 0 Độ cứng Carbonate mmol/L 113.27 121.77 Potassium ion mg/l 351 385
CO2 tự do mg/l 0 5.78 Sodium ion mg/l 10766.67 10829
Tổng chất rắn mg/l 34577 34799 Phosphate ion mg/l 0.01 0.4
Chất rắn lơ lửng mg/l 2 9 Cu 0 0
Chất rắn hòa an mg/l 34573 34793 Pb 0 0
Tổng lượng dầu mg/l 0.01 0.38 As 0 0
Oxy hòa tan mg/l 5.4 6.8 Mn mg/l 0.04 0.1
Nhu cầu Oxy hóa học mg/l 3 7 Se mg/l 0 0
Silica hoạt tính mg/l 0.08 0.16 Cr 0 0
Bicarbonate ion mg/l 121.62 125.32 Br- mg/l 0.02 0.15
*Tham khảo bảng kết quả phân tích nước biển khu vực TTĐL Vĩnh Tân
Thông số tính toán
- Hiệu suất bộ khử SO2 (để đảm bảo nồng độ phát thải SO2 theo tiêu chuẩn cho phép)
- Nhu cầu chất khử: lượng đá vôi hoặc nước biển cần cung cấp
- Nhu cầu nước bổ sung cho quá trình khử
- Khối lượng các sản phẩm phản ứng từ quá trình khử
Công suất yêu cầu cho các thiết bị phụ trợ như bơm, quạt, động cơ máy khuấy, máy nghiền, băng tải, thiết bị bốc dỡ, dung tích bồn chứa nước và kho chứa là rất quan trọng Những thiết bị này đóng vai trò thiết yếu trong quy trình vận hành, đảm bảo hiệu suất và năng suất tối ưu cho hệ thống Việc xác định chính xác công suất cần thiết giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và tiết kiệm năng lượng.
Sản phẩm thạch cao sinh ra từ quá trình khử phải đáp ứng các yêu cầu sau
Thông số Gía trị Độ tinh khiết (CaSO4 2H2O) Lớn hơn 90% (cơ bản là khô)
Kích thước hạt (kích thước trung bình) 40 micron Độ ẩm Nhỏ hơn 12% pH 5 9
Tiêu chuẩn áp dụng
QCVN 05 & 06 2009 - Chất lượng không khí xung quanh
QCVN 22 2009BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp nhiệt điện
QCVN 40-2011-Nước thải công nghiệp
ASME Section IX - Welding and Brazing Qualifications
ASTM A 123 Zinc (Hot-Dip Galvanized) Coatings on Iron and Steel
Microsoft Excel: để thiết lập công thức tính toán chất khử, hiệu suất phản ứng…
Phần mền tính toán chuyên dụng của từng nhà sản xuất
SAP, TEKLA, CAD…để vẽ, mô phỏng 2D, 3D và tính toán kết cấu trong hệ thống khử SO2.
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KỸ THUẬT
Phân tích các giải pháp kỹ thuật
3.1.1 Phương pháp khử SO2 trong quá trình cháy bằng đá vôi:
Phương pháp sử dụng đá vôi phun vào buồng lửa để phản ứng với SO2 tạo thành CaSO4, được thải ra dưới dạng xỉ, cho hiệu suất khử SO2 cao nhất ở nhiệt độ 800~850°C Nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn khoảng này sẽ làm giảm hiệu suất phản ứng khử Do đó, phương pháp này đặc biệt phù hợp với các lò hơi sử dụng công nghệ đốt tầng sôi (CFB), trong khi các phương pháp đốt khác như đốt cháy theo lớp hay đốt than phun có hiệu quả khử SO2 thấp hơn.
Nghiên cứu cho thấy khả năng hấp thụ SO2 của chất khử lưu huỳnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm bản chất của chất khử như chủng loại, hoạt tính và kích thước hạt, cũng như các điều kiện phản ứng trong buồng lửa như vị trí phun, hàm lượng lưu huỳnh trong than và nồng độ SO2 trong khói Thời gian lưu lại của chất khử trong buồng lửa, tình trạng phân bố và sự hòa trộn với khói cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả khử Để tối ưu hóa hiệu quả khử SO2 thông qua việc phun đá vôi, cần xử lý chính xác các yếu tố ảnh hưởng này.
Việc phun đá vôi vào buồng lửa của lò hơi gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho các bộ phận liên quan Hậu quả trực tiếp bao gồm tăng hàm lượng tro bụi trong khói và tạp chất trong tro, làm giảm nhiệt độ biến dạng của tro, tăng cường hiện tượng đóng xỉ và mài mòn bề mặt truyền nhiệt Sự gia tăng CaO trong tro xỉ làm giảm khả năng thải xỉ, trong khi tro bám ở các bộ phận sinh hơi ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt và gây hư hại cho bề mặt kim loại Ngoài ra, nồng độ bụi tăng cao cũng ảnh hưởng đến năng suất của bộ khử bụi tĩnh điện Do đó, cần cân nhắc các biện pháp hợp lý như thay đổi chi tiết trong lò hơi, lắp thêm bộ thổi bụi và nâng cao năng suất hệ thống khử bụi.
3.1.2 Phương pháp khử SO 2 trong khói kiểu khô dạng phun sương
Phương pháp khử SO2 bằng dung dịch nhũ tương của chất khử như vôi tôi và Na2CO3 được phun vào thiết bị phản ứng, nơi diễn ra phản ứng khử SO2 Sản phẩm phản ứng sau đó được lọc bụi trước khi thải ra môi trường Phương pháp này thường áp dụng cho lò hơi nhà máy điện đốt than có hàm lượng lưu huỳnh dưới 2% Tương tự như phương pháp khử SO2 bằng cách phun đá vôi vào buồng lửa, phương pháp này yêu cầu bộ khử bụi có công suất lớn để xử lý bụi và sản phẩm từ quá trình khử Mặc dù nhiều nhà máy điện trên thế giới đã áp dụng công nghệ này, như Alstom (GE), Babcock & Wilcox, và Hamon Research Cottrell, nhưng tại Việt Nam chưa có dự án nào sử dụng công nghệ này, dẫn đến thiếu kinh nghiệm trong vận hành và bảo dưỡng.
Một số ưu điểm của phương pháp khử SO2 kiểu khô so với phương pháp kiểu ướt:
Bể hấp thụ có thể được xây dựng bằng thép cacbon mà không cần lớp lót, giúp giảm chi phí đầu tư cho các tổ máy có công suất nhỏ hơn 300MW Tuy nhiên, đối với nhà máy có công suất lớn hơn 300MW, yêu cầu nhiều module hơn sẽ dẫn đến chi phí đầu tư cao hơn so với công nghệ kiểu ướt.
Yêu cầu về bơm và điện tiêu thụ nhỏ hơn
Sản phẩm sau quá trình khử ở trạng thái khô có thể dễ dàng vận chuyển bằng các thiết bị vận chuyển tro bay bằng khí nén thông thường Nó có thể được sử dụng để san lấp mặt bằng hoặc thải cùng với tro bay.
Sử dụng ít thiết bị hơn phương pháp ướt do đó chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn
Độ giảm áp đi qua tháp hấp thụ nhỏ hơn
Khói ra khỏi tháp hấp thụ có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đọng sương nên không cần bộ gia nhiệt khói-khói
Không có nước thải từ quá trình công nghệ
Tuy nhiên phương pháp khử SO2 kiểu khô cũng tồn tại một số nhược điểm so với kiểu ướt:
Công suất mỗi module lớn nhất áp dụng trong các nhà máy điện là từ 250MW đến 300MW
Chất khử sử dụng là vôi, vôi tôi, Na2CO3 có chi phí đắt hơn đá vôi của phương pháp kiểu ướt
Hệ thống thải ra một lượng lớn chất thải khô, nhưng hiện tại chưa có nhiều ứng dụng khai thác đặc tính thành phần của nó Trong khi đó, phương pháp ướt có thể tận dụng sản phẩm từ quá trình khử để phục vụ cho mục đích thương mại.
3.1.3 Phương pháp khử SO 2 trong khói kiểu khô dùng chùm điện từ Ở phương pháp này cần thiết lắp đặt 2 bộ khử bụi (một bộ trước thiết bị phản ứng và một bộ sau), tháp làm mát, bộ cấp khí NH3, thiết bị tạo chùm điện từ Phương pháp này có thể đồng thời khử SO2 và NOx trong khói thải với hiệu quả cao, hiệu suất khử
SO2 có thể đạt hiệu suất trên 95%, trong khi hiệu suất khử NOx vượt quá 80% Quá trình khử SO2 diễn ra ở trạng thái khô, do đó không cần hệ thống xử lý nước thải Các sản phẩm phụ như amoni surphát và amoni nitrat có thể được tận dụng trong ngành công nghiệp hóa chất.
Do phương pháp này yêu cầu thiết bị tạo chùm điện từ cũng như máy gia tốc điện từ nên có chi phí đầu tư ban đầu cao
3.1.4 Phương pháp khử SO 2 kiểu ướt đá vôi-thạch cao
Phương pháp khử SO2 này rất phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt tại các khu vực gần mỏ đá vôi và xa biển Sản phẩm chính của quá trình này là thạch cao, có thể được ứng dụng trong điêu khắc và xây dựng Hệ thống tháp hấp thụ SO2 được lắp đặt ở cuối đường khói, sau bộ khử bụi tĩnh điện, sử dụng đá vôi làm chất khử, một nguyên liệu có giá thành rẻ và dễ tìm.
3.1.5 Phương pháp khử SO 2 bằng nước biển Được áp dụng cho các nhà máy điện có vị trí đặt ở gần biển, thuận lợi cho việc lấy và thải nước biển Phương pháp này có chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp nhất vì ít thiết bị, không tốn tiền mua chất khử như các phương pháp khác Phương pháp này rất phổ biến trên thế giới và hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều nhà máy áp dụng và vận hành hiệu quả tin cậy như Vĩnh Tân 2, Duyên Hải 1 Phương pháp này chỉ sử dụng nước biển và không khí, không có sản phẩm phụ của quá trình công nghệ nên giảm được chi phí vận hành nhà máy Ngoài ra với nguyên lý vận hành đơn giản ít thiết bị nên hệ thống có thể được tự động hóa, không cần người vận hành trong quá trình vận hành bình thường và có thể giám sát từ xa trong phòng điều khiển Hệ thống sử dụng rất ít thiết bị quay do đó nhu cầu điện tự dùng nhỏ, chi phí vận hành bảo dưỡng thấp
Các nhà máy nhiệt điện than ở Việt Nam hiện nay có công suất lớn (trên 600MW/tổ máy) cần áp dụng hai phương pháp khử SO2 hiệu quả Phương pháp khử kiểu ướt đá vôi-thạch cao là lựa chọn tối ưu cho các nhà máy xa biển, trong khi phương pháp khử SO2 bằng nước biển phù hợp cho các nhà máy gần biển.
Dưới đây sẽ trình bày phương pháp lựa chọn cấu hình, thiết bị cho 2 công nghệ này.
Lựa chọn giải pháp kỹ thuật
3.2.1 Hệ thống khử SO 2 bằng nước biển
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện như hình vẽ bên dưới:
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khử SO2 bằng nước biển
Quá trình khử SO2 bằng nước biển bao gồm hai hệ thống chính: hệ thống đường khói, giúp làm sạch khói và tái nhiệt trước khi thải ra ống khói, và hệ thống xử lý nước biển, nơi nước biển được bơm vào tháp hấp thụ để khử SO2, sau đó đi qua bể sục khí trước khi thải ra biển.
Các phương trình phản ứng mô tả công nghệ khử SO2 bằng nước biển:
SO2 (khí) + H2O = SO3 2- + 2H + (1) xảy ra trong tháp hấp thụ
SO3 2- + ẵ O2 = SO4 2- (2) oxy húa xảy ra chủ yếu trong bể sục khớ
Phản ứng trung hòa HCO3 - + H + = CO2 + H2O cho thấy quá trình chuyển đổi của SO2 từ trạng thái khí thành ion sulphit và ion hydrogen H + khi tiếp xúc với nước trong tháp hấp thụ Sự xuất hiện của H + dẫn đến tăng tính axít của nước biển, làm giảm độ pH Tiếp theo, trong bể sục khí, ion sulphit được oxy hóa thành ion sulphát, cho thấy sự thay đổi nồng độ trong quá trình này.
SO2 liên quan đến chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) trong tháp hấp thụ nước biển Quá trình cấp oxy bằng quạt sục khí nhằm đáp ứng tiêu chuẩn COD và đảm bảo nồng độ oxy hòa tan (DO) đạt yêu cầu trước khi thải ra biển Trong phản ứng, 3 ion bicacbonat HCO3- trong nước biển phản ứng với ion H+ sinh ra từ phản ứng trước, dẫn đến việc tăng độ pH của nước biển.
Hệ thống khử SO2 bằng nước biển bao gồm các thành phần chính sau:
Hệ thống đường ống dẫn khói bao gồm các van, cánh hướng khói (damper)
Hệ thống gió chèn: quạt gió chèn, bộ gia nhiệt gió chèn
Bộ gia nhiệt khói đi kèm với hệ thống giảm rò rỉ, hệ thống thổi bụi
Hệ thống tháp hấp thụ bao gồm các thành phần chính như tháp hấp thụ, đường ống cung cấp nước biển và hệ thống phân phối nước biển Ngoài ra, thiết bị tách nước và bơm cấp nước biển cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của tháp hấp thụ.
Hệ thống sục khí: bể sục khí, hệ thống phân phối khí, quạt sục khí
1 Hệ thống đường ống dẫn khói
Phạm vi lắp đặt đường ống dẫn khói hệ thống FGD bắt đầu từ đầu ra quạt khói đến điểm kết nối ống khói, với toàn bộ đường ống được bọc cách nhiệt và gia cố bằng các thanh gân Hệ thống support bằng kết cấu thép được tính toán để đảm bảo chịu lực cho các tải trọng tĩnh, động, gió và động đất trong quá trình vận hành Đường ống dẫn khói được thiết kế với tiết diện hợp lý, có thể là hình tròn hoặc hình chữ nhật, trong đó tiết diện hình chữ nhật phổ biến hơn do dễ gia công và thiết kế support Vật liệu chính là thép carbon, với bề mặt sơn dày phù hợp, và đoạn ống từ tháp hấp thụ đến ống khói có lớp flake liner chống ăn mòn bên trong.
Tại các vị trí chuyển hướng hoặc đấu nối đường dẫn khói, cần lắp đặt khớp nối giãn nở có tiết diện tương thích với đường dẫn khói Để thuận tiện cho quá trình thi công, lắp đặt và bảo trì, cần bố trí cửa thăm trên đường ống dẫn khói tại các vị trí thích hợp.
Tại vị trí đầu vào và đầu ra của hệ thống FGD, van khói (damper) được lắp đặt để ngắt hệ thống khỏi đường khói trong trường hợp xảy ra sự cố Ngoài ra, một van khói đi tắt cũng được trang bị trên đường ống dẫn khói đến ống khói Khi cần ngắt hệ thống FGD, van khói đi tắt sẽ mở hoàn toàn để cho khói đi vào ống khói Các van khói được thiết kế có kích thước tương thích với đường dẫn khói.
Hệ thống gió chèn cung cấp gió chèn cho các van khói và bộ gia nhiệt khói-khói
Hệ thống gió chèn bao gồm quạt gió chèn, bộ gia nhiệt và hệ thống đường ống dẫn
Quạt gió chèn được lựa chọn dựa trên lưu lượng và cột áp phù hợp với các yêu cầu về thông số chèn cho van khói và bộ gia nhiệt khói-khói Việc xác định thông số quạt chèn phụ thuộc vào công nghệ hệ thống FGD của nhà sản xuất và thường được đề xuất bởi họ Van khói ở đầu vào bộ FGD sử dụng gió nóng để chèn, trong khi van khói đầu ra sử dụng gió tự nhiên trong quá trình ngắt bộ FGD Van khói đi tắt có độ lọt khói tối đa khoảng 2%, do đó không cần gió chèn Gió chèn cho bộ gia nhiệt khói-khói giúp ngăn chặn khói nóng thoát ra ngoài trong suốt quá trình vận hành và vệ sinh thiết bị.
Quạt gió chèn loại li tâm thường được thiết kế với cấu hình 2x100%, bao gồm một quạt hoạt động và một quạt dự phòng Cấu hình này giúp giảm số lượng quạt cần thiết, từ đó đơn giản hóa quá trình vận hành và điều khiển, đồng thời giảm thiểu số lượng vật tư dự phòng cần thiết.
Bộ gia nhiệt gió chèn là thiết bị quan trọng giúp gia nhiệt không khí trước khi đưa vào các vị trí có nhiệt độ cao Có hai loại thiết bị gia nhiệt cho gió chèn: loại sử dụng hơi tự dùng và loại sử dụng điện Việc lựa chọn phương pháp gia nhiệt phụ thuộc vào triết lý thiết kế của nhà sản xuất thiết bị FGD Chẳng hạn, nếu nhà sản xuất FGD sử dụng hơi tự dùng cho thiết bị thổi bụi, bộ gia nhiệt gió chèn sẽ được lắp đặt với loại dùng hơi Ngược lại, nếu khí nén được sử dụng để thổi bụi, thì bộ gia nhiệt gió chèn bằng điện sẽ được ưu tiên.
Hệ thống đường ống dẫn gió chèn từ quạt chèn đến các vị trí chèn
3 Bộ gia nhiệt khói-khói
Bộ gia nhiệt khói-khói có chức năng gia nhiệt khói sạch sau khi xử lý, đạt nhiệt độ khoảng 90oC, giúp hạn chế sự ăn mòn đường ống khói do axit đọng sương Ngoài ra, bộ gia nhiệt này còn làm giảm nhiệt độ khói chưa xử lý đầu vào, từ đó tăng cường hiệu quả phản ứng khử SO2 trong tháp hấp thụ.
Bộ gia nhiệt trong nhà máy nhiệt điện hiện nay chủ yếu sử dụng kiểu quay nhờ vào những ưu điểm như cấu trúc đơn giản, vận hành ổn định, dễ dàng vệ sinh và bảo trì, cũng như giảm tổn thất áp suất Thiết bị này gồm hai ngăn: ngăn nóng và ngăn lạnh Tại ngăn nóng, khói chưa xử lý có nhiệt độ cao sẽ gia nhiệt cho các tấm trao đổi nhiệt, sau đó đi vào tháp hấp thụ Bộ gia nhiệt quay với tốc độ nhất định, đưa các tấm trao đổi nhiệt qua vùng lạnh, nơi khói sạch sau xử lý được gia nhiệt đến nhiệt độ thiết kế.
Bộ gia nhiệt khói-khói hoạt động với chuyển động quay, yêu cầu hai gối trục đỡ ở trên và dưới phải có gió chèn để ngăn khói thoát ra bên ngoài Gió chèn này được cung cấp từ hệ thống cung cấp gió chèn.
Khói thải chứa bụi, và theo thời gian, bụi này bám trên bề mặt các tấm kim loại trao đổi nhiệt, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt Để khắc phục tình trạng này, hệ thống thổi bụi được lắp đặt nhằm làm sạch bụi bám trên các tấm trao đổi nhiệt Thiết bị thổi bụi có thể sử dụng hơi hoặc khí nén, tùy thuộc vào nhà sản xuất Thiết bị này hoạt động định kỳ theo lịch trình đã đặt trước hoặc dựa trên tín hiệu chênh lệch nhiệt độ giữa khói đầu vào và đầu ra của bộ gia nhiệt.
Hình 5.2 mô tả các vị trí lọt khói của bộ gia nhiệt khói-khói
4 Hệ thống tháp hấp thụ
Tháp hấp thụ là thiết bị quan trọng trong quá trình hấp thụ SO2 vào nước biển, hoạt động thông qua sự tiếp xúc ngược chiều giữa khói và nước biển Khói được đưa từ dưới tháp lên, trong khi nước biển được phân phối đều từ trên xuống Tháp có thể được xây dựng bằng bê tông hoặc thép, với bề mặt trong được phủ lớp chống ăn mòn Lựa chọn vật liệu xây dựng phụ thuộc vào công nghệ của từng nhà sản xuất, như Alstom (GE) thường sử dụng bê tông, trong khi Lentjes (DOOSAN) chọn thép cho tháp hấp thụ của mình.