Đồ án xử lý khí thải CO trong môi trường

Đồ án xử lý khí thải CO trong môi trường Tài liệu hướng dẫn xử lý khi thải Co trong môi trường, tài liệu dành cho các bạn nghiên cứu tham khảo trong quá trình học tập của mình về môn học này, cũng như tìm hiểu vấn đề liên quan.

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

I.1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ CACBON MONOXIT:

I.1.1 Đặc điểm lý hóa của khí Cacbon momoxit (CO):

- Công thức phân tử : CO

- Phân tử lượng : 44

- Công thức cấu tạo : C = O

- Là chất khí : không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí

- Nhiệt độ sôi : - 191,5 oC

- Giới hạn cháy trong không khí : 12 – 75 % thể tích

- Dễ cháy, cháy trong không khí với ngọn lửa màu xanh sáng

- Trọng lượng riêng:

· 1,25 g/l ở 0oC , 1 atm

· 1,145 g/l ở 25oC , 1 atm

- Tỉ trọng so với không khí : 0,967

- Hòa tan trong nước : ở

- CO là một khí độc

I.1.2 Nguồn gốc của khí cacbon oxit:

- Cacbon oxit sinh ra do quá trình đốt cháy không hoàn toàn nguyên nhiên liệu (tức là quá trình cháy thiếu oxy)

Đốt cháy hoàn toàn

· Nguyên nhiên liệu - > CO2 + hơi nước + các chất khác (bụi, NOx, ….)

FO

Đốt cháy không hoàn toàn

· Nguyên nhiên liệu - > CO2 + hoi nước + CO + Các chất khác

- Nguồn phát thải khí CO :

v Nguồn nhân tạo : chủ yếu là do quá trình đốt không hoàn toàn : trong động cơ xe máy, trong các quá trình công nghiệp, các thiết bị nhiệt, các

lò đốt ( đốt rác, lò thiêu, ), các nhà máy luyện kim, (hình 2)

v Nguồn tự nhiên : do cháy rừng, núi lửa, các phản ứng hóa học âm ĩ, do các sinh vật, vi sinh vật( các tảo nâu Fucus và Neocystis, sứa Physalia physalis)

Hình 1: Quá trình hình thành khí CO trong tự nhiên

- Lượng phát thải khí CO từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo, lượng khí CO thải

ra do động cơ tính trên 1km đoạn đường,lượng CO phát thải trên 1 tấn nhiên

liệu, được cho ở các bảng :bảng 1, bảng 2, và bảng 3

FO

Hình 2: Sự tạo thành khí CO do quá trình đốt không hoàn toàn

Bảng 1 Lượng phát thải CO chủ yếu từ các nguồn thiên nhiên và nhân tạo

Nguồn gây ô nhiễm

Tải lượng chất ô nhiễm

( 10 6 tấn/năm ) Nguồn nhân tạo

chủ yếu Nguồn thiên nhiên

Nhân tạo

Thiên nhiên

(Nguồn: Tài liệu [1])

Bảng 2: lượng khí độc hại do ô tô thải ra trên 1km đoạn đường

Lượng dộc hại, g/km đường đi

0,69 – 2,57

0,14 – 2,07 0,68 – 1,02 1,28 0,47

- 24.10-6

(Nguồn: Tài liệu [1])

FO

Bảng 3: lượng phát thải khí độc hại CO do đốt nhiên liệu, nhiên liệu

(kg/tấn nhiên liệu)

(Nguồn: [1])

-Nồng độ nền của CO trong tự nhiên : 0,01 ÷ 0,23 mg/m3 ( 0,01 ÷ 0,2 ppm) Nồng độ CO trong các thành phố phụ thuộc vào thời tiết và giao thông Nồng độ trung bình đo trong 8 giờ ≤ 20 mg/m3 ( 17 ppm) Tuy nhiên, nồng độ cực đại trong 8 giờ : trên 60 mg/m3 (53ppm)

( nguồn : [7])

I.1.3 Tác hại của khí CO đối với môi trường:

- Góp phần tăng lượng khí nhà kính CO2 : vì :

CO + ½ O2 = CO2

- CO là khí độc , ảnh hưởng đến sức khỏe sinh vật và con người

I.1.4 Tác hại của khí CO lên sức khỏe con người:

Các nguồn đốt trong Các nguồn đốt ngoài

Nhiên liệu lỏng Than đá Chất ô nhiễm Động

cơ xăng

Động

cơ Diezen Nhiệt điện

Sinh hoạt và công nghiệp

Nhiệt điện

Sinh hoạt và công nghiệp

Trong đó :

RMV (respiratory minute volume) lưu lượng khí hít thở vào : Lít/phút Ppm CO : nồng độ ppm của CO

t : thời gian tiếp xúc ( phút)

- Hàm lượng COHb trong máu từ 2 ÷ 5 % bắt đầu có dấu hiệu ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương Khi hàm lượng COHb trong máu tăng đến 10 ÷ 20

% các chức năng hoạt động của các cơ quan khác nhau trong cơ thể bị tổn thương Nếu hàm lượng COHb tăng đến ≥ 60%- tương ứng với nồng độ khí

CO trong không khí = 1000 ppm thì tính mạng bị nguy hiểm và dẫn đến tử

vong.(xem bảng 5)

- Tuy nhiên, khí CO không để lại hậu quả bệnh lý lâu dài hoặc gây ra khuyết tật nặng nề đối với cơ thể Người bị nhiễm CO khi rời khỏi nơi ô nhiễm, nồng độ Cacboxy- hemoglobin trong máu giảm dần do Cacbon oxit được thải ra ngoài qua đường hô hấp

- Bình thường nồng đọ COHb trong máu được giữ ở mức 0,4 % do khí CO sản sinh bên trong cơ thể không phụ thuộc vào nguồn bên ngoài

I.1.5 Các giới hạn nồng độ của CO trong môi trường:

ü Nồng độ giới hạn cho phép của CO:

· Trong khu vực dân cư một lần tối đa : 3mg/m3

· Trung bình ngày đêm : 1 mg/m3

· Trong khu vực sản xuất : 20 mg/ m3

ü Tiêu chuẩn của khí CO trong môi trường xung quanh theo 5937– 1995 :

· trung bình 1 giờ : 40 mg/m3

· Trung bình 8 giờ : 10 mg/m3

· Trung bình 24 giờ : 5 mg/m3

ü Tiêu chuẩn đối với khí thải công nghiệp : TCVN 5939- 1995

Giới hạn A ( áp dụng cho các cơ sở đang hoạt động): 1500 mg/m3

Giới hạn B (áp dụng cho các cở sở từ ngày cơ quan quản lý môi trường

quy định ) : 500 mg/m3

ü Giới hạn tối đa cho phép đới với khí thải lò đốt chất thải rắn y tế :

TCVN 6560- 1999 : CO : 100 mg/m3

Giới hạn tối đa cho phép đối với khí thải động cơ : TCVN 6438- 2001

ü Giới hạn của CO trong khí thải động cơ được cho ở bảng 4

Bảng 4 Giới hạn tối đa cho phép của CO trong khí thải động cơ

Động cơ xăng Động cơ Diezen

Để khử khí độc CO, có thể dùng các phương pháp sau đây:

I.2.1 Phương pháp đốt :

- Nguyên tắc : CO + ½ O2 - > CO2

- Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ gần 1000oC > có thể tận dụng nhiệt do phản ứng sinh ra

- Phản ứng xảy ra khi có xúc tác chứa Cu và các kim loại khác

- Khi hàm lượng CO thấp, O2 cao, khí được đốt trong buồng đốt nồi hơi

- Khi có xúc tác , ở nhiệt độ gần 500oC, phản ứng giữa CO và H2O như sau :

CO + H2O > CO2 + H2 + 9,5 kcal

- Có thể sử dụng xúc tác là hỗn hợp các oxit của Fe và Crom ( 87% Fe2O3

và 65% Cr2O3 )với các chất MgO và K2O có chức năng kích thích phản ứng

FO

Bảng 5: Triệu chứng của cơ thể ứng với nồng độ Cacboxy- Hemoglobin trong máu

1 Không có dấu hiệu gì < 1,0

2 Một vài biểu hiện không bình thường trong thái độ ứng xử 1,0 ÷ 2,0

3 Aûnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, giảm khả năng phân biệt về khoảng thời gian, kém nhạy cảm giác quan

kém phân biệt độ sáng và một vài chức năng tâm ký khác 2,0 ÷ 5,0

4 Chức năng tim phổi bị ảnh hưởng 5,0 ÷ 10,0

5 Đau đầu nhẹ, giãn mạch máu ngoại vi 10,0 ÷ 20*

6 Đau đầu, mấp máy thái dương 20 ÷ 30

7 Đau đầu nhiều, mệt mỏi, hoa mắt chóng mặt, buồn nôn, nôn mửa và suy sụp 30 ÷ 40

8 Suy sụp, ngất, mạch đập và nhịp thở chậm dần 40 ÷50

9 Ngất , giảm mạch đập và nhịp thở, hôn mê và co giật từng cơn 50 ÷ 60

10 Hôn mê, co giật từng cơn, tim mạch suy giảm và nguy cơ tử vong 60 ÷ 70

11 Mạch yếu, thở chậm và yếu dần rồi tắt thở sau vài giờ 70 ÷ 80

12 Chết trong vòng < 1 tiếng đồng hồ 80 ÷ 90

13 Chết trong vòng vài phút > 90

(Nguồn: Tài liệu [1])

I.2.2 Phương pháp hấp thụ :

- Sử dụng phương pháp hấp thụ , sử dụng một trong các dung dịch hấp thụ

v Nitơ lỏng

v Dung dịch [ Cu(NH3)m(H2O)n]+

v COCH

v Dung dịch Clorua đồng nhôm CuAlCl4.

I.2.2.1 Hấp thụ bằng dung dịch [ Cu(NH 3 ) m (H 2 O) n ] +

[Cu(NH3)m(H2O)n]+ + xNH3 + yCO ↔ [Cu(NH3)m+n(CO)y(H2O)n]+ + Q

- Tùy theo từng nồng độ của phức, tăng áp suất của CO, giảm nhiệt độ, thì khả năng hấp thụ tăng

I.2.2.2 Hấp thụ bằng Clorua đồng nhôm CuAlCl 4 (20- 50%) và

-Các khí CO2, O2, N2, H2, không tham gia phản ứng với phức CuAlCl4 nhưng hơi nước lại phản ứng :

CuAlCl4 + H2O → 2HCl + CuCl + CuAlCl4 .CuOCl

- Vì vậy, trước khi hấp thụ khí phải được sấy khô Đây là nhược điểm của phương pháp này

I.2.2.3 Hấp thụ bằng Nitơ lỏng

- Khử CO bằng phương pháp đốt có xúc tác là phù hợp, nhưng trong dòng khí thải, ngoài CO còn có các khí khác có thể là chất độc đối với xúc tác

- Quá trình này được ứng dụng trong công nghiệp nitơ bao gồm 3 giai đoạn:

* Làm nguội sơ bộ và sấy khô khí

* làm sạch khí và ngưng tụ một phần các cấu tử

* Rửa khí (lọai bỏ CO, CO2, CH4, )

I.2.3 Hấp phụ bằng than hoạt tính :

- Dòng khí thải được dẫn vào ở đáy tháp, đi qua lớp vật liệu hấp phụ bằng than hoạt tính, chất ô nhiễm CO được giữ lại trong các khe rỗng của than và trên bề mặt than Còn không khí sạch thoát ra ngoài đỉnh tháp

- Khi than đã bão hòa, người ta nhả hấp để thu hồi chất ô nhiễm và để than có thể hấp phụ trở lại

FO

CHƯƠNG II

YÊU CẦU THIẾT KẾ

II.1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ:

- Thiết kế tháp hấp thụ khí thải chứa khí CO

II.2 CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÍ THẢI:

II.2.1 Các thông số của khí thải đầu vào:

- Công suất xử lý : 10.000 m3/h

- Khí thải ban đầu chứa : 6% CO + 4% N2

II.2.2 Các thông số của khí thải đầu ra

- Nồng độ CO sau khi ra khỏi hệ thống xử lý đạt chuẩn 1000 mg/m3

(TCVN 5939-1995)

II.3 CÁC GIẢ THUYẾT TRONG QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN:

- Quá trình hấp thụ là đẳng nhiệt

- Khí thải gồm chủ yếu là H2, CO, N2

CHƯƠNG III

ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ

III.1 CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ:

ÿ Lựa chọn công nghệ : phương phâp hấp thụ , vì:

- Khử CO băng phương pháp đốt có xúc tác là phù hợp, nhưng trong dòng khí thải, ngoài CO còn có các khí khác có thể là chất độc đối với xúc tác

- Phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính thì chi phí cao, do than hoạt tính đắt tiền

- Hấp thụ bằng Clorua đồng nhôm CuAlCl4, hay hấp thụ bằng Hấp thụ bằng dung dịch [ Cu(NH3)m(H2O)n]+ là hấp thụ hóa học , phát sinh các hóa chất thứ cấp, cần phải sấy khô dòng khí - > chi phí cao, sinh các chất ô nhiễm

thứ cấp

- Hấp thụ CO bằng nitơ lỏng là hấp thụ vật lý, đơn giản , chi phí thấp

Ưu điểm của phương pháp hấp thụ :

v Phương pháp hấp thụ có thể áp dụng khi cần xử lý với lưu lượng lớn, nồng

độ chất ô nhiễm cao ( > 1%)

v Đạt hiệu quả kinh tế cao

v Có thể thu hồi các chất để sử dụng tuần hoàn lại , hoặc chuyển sang công

đoạn sản xuất ra sản phẩm khác

Do đó ta lựa chọn phương pháp hấp thụ

III.2 SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ VÀ CÁC LOẠI THIẾT BỊ HẤP

THỤ:

III.2.1 Sơ lược về phương pháp hấp thụ

- Sự hấp thụ là quá trình hút thu chọn lọc 1 hay một số thành phần của hỗn hợp khí bằng chất hút thu thể dịch, ta gọi chất hút thu thể dịch là chất hấp thụ

- Có 2 phương thức hấp thụ : Hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học

+ Hấp thụ vật lý : những phần tử bị hấp thụ không đi vào những phần tử hấp

thụ ( không xảy ra bất cứ phản ứng hóa học nào), quá trình xảy ra do sự chênh lệch áp suất riêng phần của chất cần hấp thụ trong dòng khí và trong dung dịch hấp thụ

FO

+ Hấp thụ hóa học : những phần tử bị hấp thụ sẽ tác động tương hỗ hóa học

với các chất hấp thụvà tạo thành hỗn hợp hóa học mới Động học của quá trình là do chênh lệch nồng độ và do phản ứng hóa học cơ bản

- Yêu cầu của chất hấp thụ :

1 Có khả năng hấp thụ cao - > giảm lưu lượng chất hấp thụ - > giảm chi phí năng lượng và chi phí cho chất hấp thụ

2 Có tính chọn lọc cao theo quan hệ với chất cần được tách ra - >đảm bảo khả năng phân ly hoàn toàn hỗn hợp khí

3 Có thể có tính bốc hơi nhỏ > vì không cần áp suất riêng phần của chất hấp thụ lớn

4 Có những tính chất động học tốt > Giảm chiều cao thiết bị

5 Có khả năng hoàn nguyên tốt - > giảm thời gian hoàn nguyên và giảm lưu lượng chất mang nhiệt

6 Có tính ổn định nhiệt hóa học - > tăng thời gian sử dụng chất hấp thụ

7 Không có tác động ăn mòn thiết bị

8 Có giá thành rẻ và dễ tìm trên thị trường

III.2.2 CÁC LOẠI THIẾT BỊ HẤP THỤ:

- Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng càng lớn càng tốt Có nhiều dạng tháp hấp thu:

III.2.2.1 Tháp phun:

- Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất trong đó chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua Tháp phun đươc sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn

III.2.2.2 Tháp sủi bọt (tháp mâm):

- Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước mỏng

III.2.2.3 Tháp sục khí:

- Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng Quá trình

phân tán khí có thể thực hiện bằng cách cho khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học

III.2.2.4 Tháp đệm:

- Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng

III.2.2.5 Tháp đĩa:

- Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế hơn những tháp khác Được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và môi trường không ăn mòn

FO

Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ (xem hình 5)

Hình 5: Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ

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

ü 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

Tháp hấp thụ phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

ü Hiệu quả và có khả năng cho khí đi qua

ü Trở lực thấp (<3000Pa)

ü Kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện

ü Khối lượng nhỏ

ü Không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ

ü Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng phải rất lớn

III.3 ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ:

- Áp dụng thực tế của đề tài : xử lý khí thải chứa CO của nhà máy sản xuất

Chất lỏng vào

Chất lỏng ra Dòng khí vào

III.4 THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ:

- Khí thải trước khi vào tháp hấp thụ được làm nguội và làm lạnh qua nhiều bậc bằng chính nguồn khí sạch đi ra từ tháp hấp thụ và bằng NH3 (amoniăc) lỏng hóa hơi qua các thiết bị truyền nhiệt kiểu ống xoắn,vỏ ống.Trong từng bậc, một số thành phần trong khí ngưng tụ được tách ra bằng các bình tách lỏng, bằng các thiết bị hút ẩm chứa vật liệu hút ẩm silicagel

- Ban đầu, khí thải (có áp suất 2,8÷3 Mpa, nhiệt độ 303÷318oK) được dẫn qua thiết bị truyền nhiệt khí-khí (1) để được làm lạnh bằng khí sạch đi ra từ tháp

- Sau đó, khí thải được dẫn qua bình tách lỏng (2) rồi được dẫn tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt khí-lỏng (3) Tại đây, khí thải được làm lạnh lần nữa bằng

NH3 lỏng

- Khí thải ra khỏi (3) được tách ẩm bằng bình tách ẩm silicagel (4) và được làm lạnh lần nữa bằng khí sạch sau tháp tại thiết bị trao đổi nhiệt khí-khí (5) Khí thải được dẫn tiếp qua bình tách lỏng (2/ ),rồi qua thiết bị trao đổi nhiệt khí-lỏng (6)

- Trước khi vào thiết bị (6), nhiệt độ khí thải khoảng 103oK Dung dịch rửa ở đáy tháp được bốc hơi nhờ valve tiết lưu (7) Valve tiết lưu có nhiệm vụ giảm áp dung dịch rửa từ 2,5 Mpa xuống còn khoảng 1,64 MPa, làm cho dung dịch rửa chuyển thành hơi Hơi này vào thiết bị (6) để làm lạnh cho khí thải xuống còn 83o K

- Sau đó khí thải vào tháp hấp thụ Hơi dung dịch rửa được tách lỏng bằng bình tách lỏng (2// ), ra khỏi (2// ), hơi N2 được nén lên áp suất 3 Mpa nhờ máy nén (11) trước khi vào thiết bị trao đổi nhiệt (10)

- Khí thải sau khi qua (6) được dẫn vào đáy tháp hấp thụ Nitơ lỏng được bơm (14) bơm lên bồn cao vị (13) rồi được phân phối vào đỉnh tháp Trong tháp hấp thụ Nitơ lỏng và khí thải đều ở nhiệt độ khoảng 83oK, áp suất khoảng 2,25 Mpa Nitơ lỏng và khí chuyển động ngược chiều xảy ra qua trình tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí Khi đó, CO được hấp thụ và được giữ lại trong pha lỏng Một phần N2 khuếch tán vào pha khí Khí sạch ( nồng độ

CO đạt yêu cầu) được quạt (9) dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt (10) Tại đây, hơi N2 được ngưng tụ thành lỏng và tuần hoàn vào tháp hấp thụ

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ – TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

IV.1 TÍNH SỐ BẬC TRUYỀN KHỐI:

- Thành phần khí thải có : CO, H2, N2 với nồng độ như sau :

hh

y M y

G Y G

12 51

.,

C y r

- Phần khối lượng trong hỗn hợp cuối:

6 0

cp co c

Ac tro

G y

Ac c tro

Hệ số Henry tra bảng có: H =40000(mmHg)

- Phương trình đường cân bằng trở thành:

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700

- Lượng N2 lỏng tối thiểu cần :

lt

A n

A

h h

-

Z A

h = - : mức độ tách chất ô nhiễm

Z A