Thiết kế hệ thống xử lý khí thải so2 từ lò hơi, sử dụng nhiên liệu dầu fo bằng thiết bị tháp (tháp đệm) hấp thụ công suất 950 m3h

Trang 1 KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN ĐỒ ÁN MƠN HỌC: KĨ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI SO2 TỪ LÒ HƠI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DẦU FO BẰNG THIẾT BỊ THÁP THÁP ĐỆM

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: KĨ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI SO2 TỪ LÒ HƠI ( SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DẦU FO ) BẰNG THIẾT BỊ THÁP ( THÁP ĐỆM ) HẤP THỤ CÔNG SUẤT 950 m3/h

GVHD: ThS PHAN XUÂN THẠNH

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Sau khi hoàn thành “Đồ án môn học Xử lý Khí Thải”, chúng em có thể hiểu rõ hơn

có thể biết vận dụng những kiến thức về phân tích, tính toán, thiết kế đã học để giải quyết các bài toán thực tế Hơn nữa, bằng cách tính toán và thiết kế các thiết bị như cyclone, tháp hấp thụ,… chúng em có cái nhìn sâu hơn về nguyên lý hoạt động, các sự cố có thể xảy ra

và các phương án thay thế

Để thực hiện được đồ án này, chúng em xin trân trọng cảm ơn ThS Phan Xuân Thạnh

vì đã tư vấn, hỗ trợ, chỉ bảo nhiệt tình và tận tình Đây là lần đầu tiên chúng em thực hiện

đồ án kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm không khí nên không thể tránh khỏi những sai sót và khó khăn, nhưng người hướng dẫn của chúng em đã dành thời gian sửa chữa, cung cấp thêm thông tin chi tiết, phản hồi và khuyến khích chúng em hàng tuần để giúp chúng em hoàn thành dự án này đúng hạn Từ nay, nhờ ThS Phan Xuân Thạnh, chúng em biết làm một dự

án đúng cách và chúng em sẽ cải thiện nhiều hơn nữa để dự án này và các dự án sắp tới tốt hơn

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: KĨ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI

- Thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Thiết kế cyclone, tháp hấp thụ với các thiết bị phụ trợ

- Sơ đồ công nghệ: 01 tờ (A1)

- Bản vẽ chi tiết cyclone: 01 tờ (A1)

- Bản vẽ chi tiết tháp hấp thụ: 01 tờ (A1)

10 – 06 – 2022

GVHD

Phan Xuân Thạnh

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1 Khái quát: 6

1.1 Giới thiệu lò hơi: 6

1.2 Khói thải từ lò hơi: 6

1.3 Tính chất hoá lý của 𝑺𝑶𝟐 7

1.4 Tác hại của 𝑺𝑶𝟐 9

2 Các công nghệ xử lý trong xử lý 𝑺𝑶𝟐 12

2.1 Xử lý SO2 bằng cách sử dụng nước làm chất hấp thụ 12

2.2 Xử lý SO2 bằng cách sử dụng sữa vôi làm chất hấp thụ 12

2.3 Xử lý SO2 bằng cách sử dụng amoniac làm chất hấp thụ 12

2.4 Xử lý SO2 bằng than hoạt tính 13

3 Các công nghệ xử lý trong việc xử lý các vấn đề dạng hạt 13

3.1 Lọc vải 13

3.2 Cyclone 16

3.3 Kết tủa tĩnh điện (ESP) 17

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 18

1 Quy trình công nghệ: 18

2 Thuyết minh: 20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN 21

1 Tính toán thiết bị Cyclone: 21

1.1 Dữ liệu 21

1.2 Kích thước Cyclone: 21

1.3 Đường kính của lốc xoáy hạt có thể đạt được 50% hiệu quả loại bỏ: 22

1.4 Đối với Cyclone Tiêu chuẩn, chúng ta vận dụng công thức Lapple’s: 22

2 Tính toán tháp hấp thụ: 23

2.1 Dữ liệu đầu vào: 24

2.2 Dữ liệu đầu ra: 24

2.3 Cân bằng khối lượng: 25

2.4 Tính toán hấp thụ: 30

2.5 Vật liệu đệm 32

2.6 Đường kính tháp hấp thụ: 33

2.7 Chiều cao tháp hấp thụ: 34

2.8 Tính trở lực áp: 36

3 Tính các công trình phụ trợ 36

3.1 Đường ống: 36

3.2 Bơm 37

3.3 Quạt 38

3.4 Ống khói 38

4 Tính cơ khí 39

4.1 Thân tháp 39

4.2 Mặt bích 40

4.3 Lưới đỡ đệm 42

4.4 Đĩa phân phối 42

4.5 Nắp và đáy tháp 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Khái quát:

1.1 Giới thiệu lò hơi:

Lò hơi là một thiết bị phổ biến để tạo ra nhiệt trong một số hoạt động công nghiệp, chẳng hạn như quá trình sấy khô, thanh trùng và khử trùng, hoặc thậm chí hoạt động như một yếu tố xúc tác cho một số phản ứng hóa học,… Có thể thấy rằng lò hơi là một phần quan trọng của thời đại của hiện đại hóa và công nghiệp hóa

Nguồn cung cấp nhiệt cho lò hơi có thể đạt được từ nhiều nguồn khác nhau Các

lò hơi công suất nhỏ thường chạy bằng điện, ngược lại một số lò hiện đại sử dụng nhiên liệu khi đánh lửa bằng gas (gas-LPG) kèm theo hệ thống điều hòa tự động Những loại nồi hơi này thường không có vấn đề gì với bụi hoặc các hạt Tuy nhiên, các loại lò hơi phổ biến của thủ công mỹ nghệ ở Thành phố Hồ Chí Minh đều có củi, than hoặc dầu

FO làm nguồn nhiệt Các hậu phẩm thải ra khí quyển sau khi đốt các vật liệu này là thủ phạm gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

1.2 Khói thải từ lò hơi:

Các đặc tính của khói thải của lò hơi có thể khác nhau, tùy theo loại nguồn nhiệt được

- Đặc điểm của khói thải lò hơi sử dụng than làm nguồn nhiệt:

hóa học trong than kết hợp với oxy trong quá trình đốt cháy

khói thải với nồng độ khoảng 1333 mg / m3

- Đặc điểm của khói thải lò hơi sử dụng nhiên liệu dầu (FO) làm nguồn nhiệt: + Khói thải từ lò hơi sử dụng FO chủ yếu chứa CO2, CO, SO2, SO3, NOx, hơi nước,…

+ Do đó, có thể có một lượng tro và các hạt lẫn với dầu chưa cháy hết (ta gọi là muội than hoặc muội khói)

Bảng 1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải lò hơi F.O

Bảng 2 Các chất ô nhiễm trong khí thải lò hơi

Đặc tính Sulfur Dioxide Nguồn gốc

Ngưỡng mùi: không khí

Dung môi hữu cơ

chloroform, ether, sulfuric acid

- Ảnh hưởng của SO2 đối với sức khỏe con người:

SO2 là một chất kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây co giật ở các cơ trơn của khí quản Nồng độ cao hơn sẽ gây tăng tiết dịch nhầy của khí quản Khi tiếp xúc với mắt, chúng có thể tạo thành axit

Bảng 4 Liều lượng độc hại của SO2

Giới hạn tiếp xúc (ppm) Ảnh hưởng

khỏe mạnh khi tập thể dục hoặc hít thở sâu

phổi khi nghỉ ngơi và tăng sức cản đường thở

khỏe mạnh

tức

nhiễm kéo dài

150 Chịu đựng trong vài phút

SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt Cuối cùng, chúng có thể xâm nhập vào hệ thống tuần hoàn

Khi tiếp xúc với bụi, SO2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ có thể xâm nhập vào mạch máu nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 um

SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các biến đổi hóa học Kết quả là lượng kiềm trong máu giảm, amoniac được thải ra ngoài qua nước tiểu Vào máu, SO2 tham gia vào nhiều phản ứng hóa học, làm rối loạn chuyển hóa đường và protein, gây thiếu vitamin B, C, ức chế men oxidase, tạo methemoglobin

để chuyển Fe2 + (hòa tan) thành Fe3 + (kết tủa), gây tắc mạch của mạch máu

- Tác dụng của SO2 đối với thực vật:

- Ảnh hưởng của SO2 đối với môi trường:

SO2 bị oxy hóa trong không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit sunfuric hoặc muối sunfat, gây ra mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường

Quá trình hình thành mưa axit:

- Phản ứng hóa học giữa hợp chất lưu huỳnh và hydroxyl:

SO2 + OH → HOSO2

- Phản ứng giữa hợp chất bazơ HOSO2 và O2 sẽ tạo ra hợp chất bazơ HO và SO3:

HOSO2 + O2 → HO2 + SO3

- SO3 sẽ phản ứng với nước tạo thành H2SO4 Đây là thành phần chính của mưa axit:

SO3 (không khí) + H2O (lỏng) → H2SO4 (lỏng)

Tác hại của mưa axit:

Mưa axit rơi xuống mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng và kim loại độc hại xuống

ao nuôi, gây ô nhiễm nguồn nước và đe dọa sự tồn tại của các loài thủy sinh

Bảng 6 Ảnh hưởng của pH đến các loài thủy sản

ăn bị chết (sinh vật phù du, .), đây là nguồn thức ăn quan trọng cho cá

sót Cá lớn bị biến dạng do thiếu dinh dưỡng và có thể chết vì ngạt thở

sinh vật ban đầu, đã xuất hiện

Rừng bị tàn phá và sản lượng nông nghiệp giảm: mưa axit làm hỏng lá, cản trở quá trình quang hợp, lá chuyển sang vàng và rụng, làm giảm độ phì nhiêu của đất, cản trở sự phát triển của cây cối

Sức khỏe con người đang đứng trước bờ vực nguy hiểm: các hạt sunfat và nitrat hình thành trong khí quyển làm hạn chế tầm nhìn Hơn nữa, do tích lũy sinh học nên

khi con người tiêu thụ thực phẩm có chứa chất độc, các chất độc này sẽ tích tụ trong

cơ thể và gây ra những hậu quả khó lường

Ngoài ra, mưa axit có thể gây ăn mòn vật liệu và phá hủy cơ sở hạ tầng

SO2 + H2O ↔ H + + HSO3-

Nhược điểm: Do khả năng hòa tan của khí SO2 trong nước quá thấp nên để

hấp thụ khí thường phải sử dụng một lượng nước lớn và kích thước lớn, cồng kềnh

Để tách SO2 ra khỏi dung dịch, nó cần phải được đun nóng lên đến 100oC, do đó tốn rất nhiều năng lượng và chi phí để duy trì hệ thống sẽ cao

Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu thô rẻ và sẵn có ở mọi nơi:

CaCO3 + SO2 ↔ CaSO3 + CO2

CaO + SO2 ↔ CaSO3

2CaSO3 + O2 ↔ 2CaSO4

Ưu điểm: Công nghệ thích ứng đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn

Chi phí vận hành thấp và chất hấp thụ vôi rẻ và dễ kiếm Thiết bị có thể làm sạch không khí mà không cần làm mát trước và tách bụi, không cần vật liệu chịu axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng

Nhược điểm: Có thể xảy ra hiện tượng kết tủa do tạo thành CaSO4 và CaSO3,

có thể gây tắc đường ống và ăn mòn thiết bị

Phương pháp này hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch amoniac, tạo ra muối amoni sunfit và amoni bisulfit theo phản ứng sau:

SO2 + 2NH3 + H2O ↔ (NH4) 2SO3

(NH4) 2SO3 + SO2 + H2O ↔ 2NH4HSO3

Ưu điểm: Hiệu suất cao, chất hấp thụ amoniac dễ kiếm và sản phẩm sau phản

ứng có thể sử dụng cho các mục đích khác

Nhược điểm: Vốn đầu tư ban đầu và chi phí vận hành cao

2.4 Xử lý SO2 bằng than hoạt tính

Phương pháp này có thể áp dụng để xử lý khói thải của 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, áp dụng được cho mọi quy trình công nghệ

thải khí SO2 liên tục hoặc gián đoạn, có thể hoạt động với điều kiện khí thải có nhiệt

độ cao (trên 100oC)

Nhược điểm: Quá trình hoàn nguyên có thể tiêu tốn nhiều chất hấp phụ, sản

phẩm thu hồi sẽ khó tận dụng vì hỗn hợp axit sunfuric đặc

3 Các công nghệ xử lý trong việc xử lý các vấn đề dạng hạt

3.1 Lọc vải

Hệ thống lọc baghouse bao gồm các túi lọc bụi được đặt trong một buồng kín

Hệ thống đường ống thu gom bụi được phân bố đến từng khu vực phát sinh bụi, sử dụng hệ thống này khi lượng bụi phát sinh lớn và cho tổ hợp thu gom bụi tại một nơi

Vật liệu lọc được sử dụng trong thiết bị này là vải bông, len, vải tổng hợp và sợi thủy tinh Trong đó, vải tổng hợp đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay bởi những ưu điểm như chịu nhiệt độ cao, bền dưới các tác động cơ học, hóa học, giá thành rẻ Kích thước hạt bụi từ 2-10µm, hiệu quả xử lý của phương pháp khá cao từ 85-99,5%

Hệ thống hoạt động thông qua ba quá trình:

- Giai đoạn đầu khi vải còn sạch, các hạt bụi lắng đọng trên các lớp sợi nằm trên

bề mặt sợi và giữa các sợi Hiệu quả lọc bụi ở giai đoạn này tương đối thấp

- Giai đoạn thứ hai là khi trên bề mặt vải đã xuất hiện một lớp bụi Lớp bụi này tạo thành phương tiện lọc thứ hai Hiệu quả lọc bụi của công đoạn này rất cao

- Sau một thời gian, lớp bụi trên vải sẽ dày lên, làm tăng sức cản của luồng gió, vì vậy cần phải vệ sinh vải lọc

Có ba loại phương pháp làm sạch:

- Máy lắc cơ học

Cơ học uốn được tạo ra bởi một trục điều khiển động cơ để rũ bỏ bụi trong bộ lọc Hệ thống có hiệu suất cao với túi dệt chắc chắn và dễ vận hành, nhưng phải tránh nhiệt độ thấp và khó làm sạch

Hình 1 Nhà máy đóng bao bằng máy lắc cơ khí

- Luồng gió ngược

Nhà túi dòng khí ngược là một hệ thống làm sạch năng lượng thấp, trong đó khí bẩn đi vào bên trong bộ lọc và các hạt được thu thập ở bề mặt bên trong của bộ lọc Sau đó, khí sạch thoát ra ở đỉnh của tủ chứa và chuyển động ngược chiều theo hướng ngược lại do van bướm tạo ra để thổi sạch bụi trong hệ thống Kỹ thuật này phù hợp với nhiệt độ cao với hiệu quả cao Tuy nhiên, dòng khí đảo chiều baghouse cần phải bảo trì thường xuyên và không khí đầu ra phải được lọc

Hình 2 Nhà túi khí ngược

- Vòi khí nén

Lọc túi vải giũ bụi bằng khí nén cần năng lượng cao để hoạt động, khí bẩn chảy từ bên ngoài vào bên trong túi lọc và các chất dạng hạt bám vào bề mặt bên ngoài của bộ lọc

Có một vòi phun venturi được gắn trên đầu của các túi lọc để tạo ra khí nén Không khí nén

đi qua toàn bộ chiều dài và uốn túi để rũ sạch bụi Hoạt động này có hiệu quả thu gom cao với túi dệt chắc chắn và không gian nhỏ hơn cần thiết Ngược lại, nó yêu cầu khí nén khô, cần tránh nhiệt độ thấp đến trung bình, và không thể hoạt động với khí có độ ẩm cao

Hình 3 Lọc túi vải giũ bụi bằng khí nén

Ưu điểm: Các bộ lọc phương tiện có thể được tái sử dụng và thay thế, dễ vận hành

Hệ thống lọc baghouse thường yêu cầu cấu trúc hệ thống lớn, thường được sử dụng cho các

nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi, nhà máy xi măng, nhà máy gạch, nhà máy thép,… những nơi có các chất dạng hạt có giá trị

Nhược điểm: Các bộ lọc phương tiện dễ bị tổn thương bởi nhiệt độ cao và không khí

đầu vào có tính axit, và chúng có thể bị xuống cấp sau khi được tái sử dụng nhiều lần

Hệ thống lọc bụi Cyclone là thiết bị hút bụi công nghiệp lợi dụng lực ly tâm khi dòng khí chuyển động xoáy trong thiết bị để làm sạch bụi Dòng khí chứa bụi đi vào cyclone theo phương tiếp tuyến với thân xylanh ở phần trên rồi xoáy xuống gặp mặt cắt hình phễu Dòng điện này thu hẹp dần đường kính xoáy và di chuyển lên trên, đi vào hình trụ trung tâm và thoát ra ngoài Do tác dụng của lực ly tâm, các hạt bụi bị văng về phía thành ống, mất dần vận tốc và rơi dần xuống phễu để đi vào thùng chứa

Hình 4 Cyclone

Ưu điểm:

- Hệ thống không có nhiều bộ phận chuyển động, chủ yếu dựa vào chuyển động của luồng gió để tách các hạt bụi

- Hệ thống có thể chịu được nhiệt độ cao (lên đến 500℃)

- Các hạt bụi thu được khô, có thể tái sử dụng (như xi măng, tinh bột, hạt gỗ,…)

- Việc tăng nồng độ hạt không ảnh hưởng đến hiệu quả làm sạch

- Hệ thống dễ xây dựng, vận hành và bảo trì

Nhược điểm: Hiệu quả loại bỏ bụi của phương pháp này thấp, từ 65-95%, không thể loại

bỏ hết các hạt bụi có kích thước siêu nhỏ trong luồng gió

3.3 Kết tủa tĩnh điện (ESP)

Xử lý bụi công nghiệp bằng thiết bị lọc bụi tĩnh điện (ESP) là hệ thống lọc bụi sử dụng nguyên lý tĩnh điện Nguyên lý hoạt động của ESP là: Khi dòng khói đi qua điện trường (tạo bởi dòng điện cao áp một chiều), dòng khói sẽ bị điện phân tạo thành các electron, ion âm và ion dương

Bụi khi đi qua điện trường cũng bị nhiễm điện, các hạt bụi mang điện sẽ bị hút về phía các điện cực đối diện và bám vào bề mặt các điện cực

Sau một thời gian, lớp bụi trên bề mặt điện cực sẽ có độ dày nhất định, sẽ được hệ thống búa gõ, hạt bụi sẽ được máy rung tách ra và đưa đến phễu thu

Hình 5 Thiết bị kết tủa tĩnh điện

- Hệ thống này thường được sử dụng để xử lý các loại bụi có khả năng tĩnh điện,

dễ cháy nổ như nhôm, titan, vảy ngô, nhựa epoxy, cám than,

- Có thể thi công cho các hạt khô hoặc ướt

Nhược điểm:

- ESP cần chi phí vốn cao và diện tích lớn

- ESP không thể thu thập các chất ô nhiễm dạng khí

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

1 Quy trình công nghệ:

Yêu cầu: Thiết kế hệ thống xử lý bụi và khí thải SO2 từ lò hơi bằng hệ thống xyclon và tháp hấp thụ

Bảng 7 Dữ liệu đầu vào

Dữ liệu nước thải

Theo QCVN 19: 2009 / BTNMT, nồng độ tối đa của các chất gây ô nhiễm trong khí thải của ngành sản xuất được tính theo công thức sau:

𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝐶 × 𝐾𝑝× 𝐾𝑣Với:

𝐶: Giới hạn ô nhiễm tối đa theo QCVN 19: 2009 / BTNMT

phải nung đến 100oC để tách SO2 ra khỏi dung dịch hấp thụ, quá trình này đòi hỏi rất nhiều nhiệt và điện, vì vậy nó có thể là một gánh nặng cho ngành công nghiệp

NaOH và Na2CO3 là NaOH và Na2CO3 là chất hấp thụ có khả năng hấp thụ mạnh,

có thể dùng để xử lý SO2 ở bất kỳ nồng độ nào Do đó ta chọn NaOH làm chất hấp thụ cho thiết bị hấp thụ (phải pha loãng với nước)

2 Thuyết minh:

Nồng độ tro bụi cao hơn yêu cầu của QCVN 19: 2009 / BTNMT (300 mg / m3> 200

mg / m3) thì phải xử lý Đầu tiên luồng gió sẽ đi qua thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt

độ, sau đó đi qua hệ thống cyclone để thu gom và làm giảm nồng độ bụi

Sau đó, ta dùng quạt để thổi không khí vào tháp hấp thụ từ tầng thấp lên tầng trên Chất hấp thụ NaOH sẽ được bơm từ thùng chứa lên tháp và sẽ tưới lên lớp vật liệu đệm theo chiều ngược lại của dòng khí trong tháp