thiết kế hệ thống xử lý khí thải cho nhà máy xi măng lò đứng

măng lò quay Hoàng Thạch và Bỉm Sơn, đến nay đã xuất hiện các nhà máy xi măng với sản lợng hơn 1 triệu tấn/năm.Hiện nay, công nghiệp xi măng ở Việt Nam đang áp dụng 3 loại dây chuyền côn

Mở đầu

Trong những năm gần đây, công nghiệp thế giới đã phát triển đến trình độ kỹ thuật cao, tích luỹ cơ bản của xã hội lớn và con ngời cũng đã có ý thức về phát triển có tính chất cộng đồng và lâu dài – sự phát triển bền vững của xã hội Và mối quan hệ giữa “phát triển kinh tế ” và “bảo vệ môi trờng” đã nhận đợc sự quan tâm sâu sắc, đặc biệt là mối quan tâm của các nớc đang trên đà công nghiệp hoá và hiện đại hoá

Sự nghiệp công nghiệp hoá đòi hỏi sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp Trong đó ngành công nghiệp xi măng là một trong những ngành công nghiệp quan trọng cần đợc đầu t phát triển mạnh và nhanh mới đảm bảo đợc nhu cầu xi măng để xây dựng cơ sở hạ tầng và các cơ sở sản xuất trong cả nớc Tuy nhiên ngành công nghiệp xi măng là một trong những ngành công nghiệp gây ra lọng thải lớn và gây tác hại đến môi trờng và sức khoẻ con ngời Do đó, để phát triển bền vững ngành công nghiệp xi măng cần thiết phải có bớc đánh giá toàn diện về sự phát triển của công nghiệp xi măng cũng nh những ảnh hởng môi trờng và đề ra những biện pháp phòng ngừa và giảm thiểu ô nhiễm trong công nghiệp xi măng

Phần 1Tổng quan về công nghiệp xi măng lò đứng ở Việt Nam

I.Giới thiệu chung về ngành xi măng ở Việt Nam.

Ngành công nghiệp xi măng ở Việt Nam ra đời từ cách đây hơn 100 năm Bắt

đầu từ nhà máy xi măng đầu tiên ở Hải Phòng, bớc ngoặt là sự ra đời 2 nhà máy xi

măng lò quay Hoàng Thạch và Bỉm Sơn, đến nay đã xuất hiện các nhà máy xi măng với sản lợng hơn 1 triệu tấn/năm.

Hiện nay, công nghiệp xi măng ở Việt Nam đang áp dụng 3 loại dây chuyền công nghệ chính sau:

Các nhà máy xi măng lò quay có công suất lớn, dây chuyền thiết bị hiện đại, do

đó có chất lợng xi măng tốt, mác cao, chiếm đợc lòng tin của khách hàng Trong khi

đó, với xi măng lò đứng, hàm lợng vôi trong clinke còn cao, dao động từ 1%-3%, khi

có sự cố của lò có thể lên đến 5%-10% Tuy nhiên công nghệ xi măng lò đứng có kết cấu đơn giản, đầu t thấp hơn nên vẫn đợc sử dụng ở Việt Nam

II.Quy trình công nghệ và dòng thải

nguyên,nhiên

liệu

Đá vôi, đất sét, thạch cao, các loại phụ gia xi măng và than

đ-ợc đập, cán, sấy đạt tiêu chuẩn yêu cầu rồi vận chuyển vào silo hoặc kho chứa

-Quá trình nung phối liệu trong lò dới tác dụng của nhiệt độ cao, các cấu tử trong phối liệu phản ứng với nhau tạo thành các khoáng chính có trong thành phần Clinke xi măng đó là:

3CaO.Al2O3(C3A), 2CaO.SiO2(C2S), 3CaO.SiO2(C3S) và 4CaO.Al2O3.Fe2O3(C4AF)

silo chứa thời gian khoảng 10-15 ngày để CaO tự do còn lại trong clinke phản ứng với nớc trong không khí tạo thành

Ca(OH)2 nở thể tích làm cho clinke dễ nghiền và xi măng không nở nữa, nh vậy làm tăng chát lợng xi măng

• Trộn phối liệu, vê viên

Bụi sản sinh trong quá trình sản xuất xi măng chủ yếu là bụi than, đất sét, đá vôi, thạch cao, xỉ pirit, clinke, xi măng Lọng bụi phát sinh tuỳ theo công suất và trang thiết bị của nhà máy Nói chung các nhà máy xi măng mới xây dựng gần đây là các nhà máy lò quay khô, dây chuyền thiết bị hiện đại, có lắp đặt thiết bị xử lý bụi Đối với

xi măng lò đứng, trớc 1990 không có nhà máy nào có thiết bị lọc bụi, từ 1990 đến nay mới có các nhà máy có xử lý bụi hoặc lắp đặt thêm tại các nhà máy cũ

b.Khí thải độc hại(CO X ,SO 2 , NO X , HF…)

Trong quá trình nung clinke, việc đốt nhiên liệu ( than, dầu, khí đốt), Các chất hoá học có trong nhiên liệu nh C, N, S, H sẽ tác dụng với oxy không khí sinh ra l… ợng lớn khí thải độc hại (COX,SO2, NOX, HF ) thoát ra theo đ… ờng ống khói gây ô nhiễm

môi trờng.Ngoài ra, quá trình sấy nguyên liệu, nhiên liệu cũng sinh ra các chất thải trên.

+Do cháy nhiên liệu có chứa C

Cacbon là thành phần chính của tất cả các loại than Do đó quá trình đốt than chính là quá trình phản ứng của C với O2, H2O trong không khí

+ Do quá trình phân huỷ Cacbonat ở nhiệt độ cao

chất này sẽ bị phân huỷ nhiệt trong lò nung

CaCO3 = Cao + CO2

MgCO3 = MgO + CO2

2CaSO4 + C= 2CaO + 2SO2 + CO2

+ Do quá trình đốt than trong lò

S + O2 = SO 2

+ Do phân huỷ nguyên liệu

Các nguyên liệu để sản xuất xi măng đều có chứa lu huỳnh dạng S, CaSO4, K2SO4, CaS, Na2S, CS2, Trong quá trình nung clinke tại vùng nung,…với nhiệt độ từ 900-1450, sẽ xảy ra các phản ứng của các chất trên tạo SO2:

2Na2SO4 + C = 2Na2O + 2SO 2 + CO2

2K2SO4 + C = 2K2O + 2SO 2 + CO2

2CaSO4 + C = 2CaO + 2SO 2 + CO2

CS2 + 3O2 = CO2 + SO2

S + O2 = SO2

NOX chủ yếu là NO và NO2, sinh ra từ 2 nguồn chính:

+O2 và N2 không khí tác dụnh với nhau theo phản ứng thuận nghịch:

O2 + N2 = 2NO

NO + 1/2O2 = NO2

+O2 không khí và N trong thành phần nhiên liệu phản ứng với nhau

F làm phụ gia khoáng hoá cho quá trình nung luyện

a.Nớc thải sản xuất

- Nớc từ các công đoạn làm mát máy, bao gồm nớc làm mát ngoài vỏ máy chứa bụi và nớc làm mát ổ trục chứa dầu mỡ, nhiệt độ cao

- Nớc thải sản xuất từ quá trình nghiền nguyên liệu chứa bùn và nhiều tạp chất rắn, trong đó có các kim loại nh sắt nhôm, silic

- Nớc thải rửa sân, khử bụi chứa tạp rắn và các loại tạp bẩn khác.…

b Nớc thải sinh hoạt

Là nớc thải từ các hoạt động phục vụ đời sống nh tắm rẳ, ăn uống, nhà vệ sinh…chứa hàm lợng chất hữu cơ, rắn lơ long, chất dinh dỡng, vi trùng…

c Nớc ma chảy tràn:

Nớc ma chảy tràn vào các khu vực khai thác nguyên liệu hay khu vực nhà máy cuốn theo các chất rắn và xi măng, đất cát, dầu mỡ…

2.3 Chất thải rắn

a.Chất thải rắn sản xuất : chủ yếu là bao bì, giấy phế thải, đất cát rơi vãi và xi

măng đóng rắn Chất thải hữu cơ có thể tái sử dụng, chất thải vô cơ ít gây nguy hại, chỉ có lợng nguy hại là gạch chịu nhiệt có chứa Crom loại ra từ lò nung do sửa chữa hàng năm

b Chất thải rắn sinh hoạt: Thải ra từ hoạt động sinh hoạt của công nhân.

2.4.Tiếng ồn

Tiếng ồn phát ra từ các khâu gia công cơ học, thờng ở cờng độ rất cao, đặc biệt

2.5.Ô nhiễm nhiệt

Công nghệ sản xuất xi măng sử dụng khá nhiều nhiêth năng, đặc biệt là tại lò nung, nhiệt độ lên đến 14500C Tại các máy nghiền cũng sinh nhiệt do ma sát và va

đập Nhiệt truyền qua vỏ lò và khói lò vào môi tròng Tuy nhiên lợng nhiệt có thể

đợc khắc phục bằng giải quyết thông gió tự nhiên, thông gió cỡng bức, bằng bảo

ôn, cách nhiệt…

Kh«ng khÝ Khãi lß(HF, CO,

CO2, SO2, NOx)

Bôi, ån Bôi, ån

Sơ đồ: Công nghệ sản xuất xi măng và các dòng thải

Phần 2

Xác định tải lợng chất ô nhiễm khí cho nhà máy xi măng lò

đứng:

Sụ ủoà tớnh caõn baống vaọt chaỏt cho loứ nung

Thaứnh phaàn hoựa hoùc cuỷa nguyeõn lieọu (%) :

Tyỷ leọ phoỏi lieọu cho 1 Kg clinke:

-ẹaự voõi:1,24 Kg/Kg clinke

-ẹaỏt seựt: 0,297 Kg/Kg clinke

-Xổ pirit: 0,017Kg/Kg clinke

-Photphorit:0,032Kg/Kg clinke

Thaứnh phaàn hoựa hoùc cuỷa boọt lieọu:

Nhửừng chaỏt khaực

Loứ nung

A.Tính dòng vào:

- Lượng than tiêu tốn để nung 1 Kg clinke: Xt=0,19 Kg/Kg clinke

- Lượng nguyên liệu ẩm vào lò:

Lượng nguyên liệu ẩm vào lò được tính theo công thức sau:

-GC : Lượng nguyên liệu khô vào lò có tính đến lượng bụi tổn thất, được tính theo công thức sau:

-Wc : Độ ẩm của phối liệu vào lò

_GT

C : Lượng nguyên liệu khô lý thuyết vào lò nung, được tính theo công thức sau:

-aTT :Tỉn thÊt nguyªn liƯu cho lß ph¶n øng

Với phương pháp ướt aTT =3-5%, Với phương pháp khô aTT =5-10%

-MKN: Phần trăm chất mất khi nung của phối liệu

-A : Hàm lượng tro của than (%)

-a: Độ lắng đọng tro than trong lò nung ( a= 0,8-1)

Aùp dụng các công thức đã nêu trên và giả thiết:

- tổn thất nguyên liệu theo bụi ra ngoài là aTT = 0,5%(max)

- Độ lắng đọng tro than trong lò nung là a = 1

- Độ ẩm phối liệu vào lò WC = 2%

- Tính lượng không khí vào lò :

-V0 : Lượng không khí lý thuyết vào lò nung, nếu dùng nguyên liệu rắn được tính theo công thức sau :

100

* 21 , 0

* 429 , 1

) ( 32

32 2

16 12

3

O S H

-α : Hệ số dư không khí (α = 1,05-1,15)

-γ : Khối lượng riêng của không khí (γ = 1,293)

B, Tính dòng ra

I.Tính hàm lượng bụi thất thoát trong quá trình nung luyện clinke:

+ Bụi do quá trình phân hủy phối liệu:

Gb = ( GC – GT

C) x (1 – MKN x β x 0,01) Kg/Kg clinke -Gb : Lượng bụi thất thoát do quá trình phân hủy phối liệu (Kg/Kg clinke)

-β : Mức độ phân hủy hoàn toàn cacbonnat của bụi không thu hồi (β = 0,3-0,6)

+ Bụi của tro nhiên liệu sinh ra

(

Kgclinke Kg

A X

α

−

II Tính hàm lượng khí SO 2 sinh ra do quá trình nung clinke xi măng

- Tính hàm lượng khí SO2 do quá trình đốt than:

Lưu huỳnh tồn tại trong than có tới 90% ở dạng đơn chất và 10% ở dạng sunfua kim loại, hợp chất hữu cơ Khi đốt, phản ứng cháy với oxy tạo thành SO2

Lượng khí SO2 sinh ra do quá trình đốt than được được tính theo phản ứng với hiệu suất chuyển hóa là 90%:

+ Tính hàm lượng khí SO 2 do quá trình nung luyện clinke trong lò nung:

V 0 =

Để tính lượng SO2 sinh ra do quá trình nung nguyên liệu ở nhiệt độ cao trước hết phải tính được lượng S có trong nguyên liệu ban đầu:

Lượng lưu huỳnh có trong nguyên liệu ban đầuNguyên liệu Kg/Kg clinkeLượng

Lượng lưu huỳnh

M2

Song các phản ứng trên trong thưc tế không bao giờ đạt đến hiệu suất 100%

Vì vậy tải lượng khí SO2 thực tế có thể nhỏ hơn giá trị tính

Vậy tổng lượng khí SO2 sinh ra do quá trình đốt than và quá trình nung nguyên liệu ở nhiệt độ cao là:

MT

SO2 = M1

SO2 + M2

III.Tính lượng khí NO x sinh ra do quá trình đốt than:

Việc hình thành các khí NOx trong quá trình đốt than trong lò diễn ra rất phức tạp, vì vậy tải lượng các chất khí này được tính bằng phương pháp đánh giá nhanh của WHO

Theo phương pháp đánh giá nhanh của Tổ chức Y Tế Thế Giới (WHO) thì cứ

1 tấn than đem đốt sẽ phát sinh 9,0 Kg khí NO2 Vậy nếu đem đốt 0,19 Kg than (tương ứng với Kg clinke) thì tải lượng khí NO2 sinh ra sẽ là:

MNO2 = (9,0:1000) x 0,19 = 0,0017 Kg/Kg clinke

ệụực tớnh taỷi lửụùng oõ nhieóm tửứ nhửừng nguoàn chớnh

cuỷa nhaứ maựy xi maờng loứ ủửựng:

STT Chaỏt oõ nhieóm Taỷi lửụùng oõ nhieómTaỏn/Taỏn clinke Taỷi lửụùng oõ nhieóm Taỏn/naờm

1.1 Chuyển sang ding nhiên liệu có hàm lợng S thấp:

a.Than đá có hàm lợng lu huỳnh thấp

b.Dầu có hàm lợng lu huỳnh thấp

c.Khí tự nhiên

1.2 Sử dụng than và dầu đã dợc khử lu huỳnh:

a Khử lu huỳnh khỏi than đá:

Tuyển (rửa) nhờ trọng lực Khí than hoá

Sản xuất nhiên liệu lỏng tổng hợp từ than

b Khử lu huỳnh khỏi dầu

2 Giảm thiểu NOx:

2.1 Hạ thấp hệ số d không khí:

nhiệt độ cũng nh nồng độ oxy ở vùng sau đốt tăng Duy trì hệ số d không khí <10%

Điều này làm cho nhiệt độ cũng nh nồng độ oxy sau đốt giảm

2.2 Quay vòng sản phẩm khí cháy:

Một phần sản phẩm cháy (10-20%) đợc đa quay trở lại vùng cháy nhằm hạ nhiệt

độ ngọn lửa và giảm lợng oxy d

2.3 Thực hiện quá trình cháy 2 giai đoạn

ở giai đoạn 1 cấp khí dới mức tình theo hệ số tỷ lợng Tiếp đó ở giai đoạn 2 bổ sung khí ở nhiệt độ thấp để đốt cháy hết phần nhiên liệu còn lại Mục đích là giảm nhiệt độ của quá trình cháy

2.4 Chọn cấu tạo của buồng đốt thích hợp:

tránh dùng

2.5 Hạn chế việc gia nhiệt khí trớc đa vào buồng đốt:

Mục đích là giảm nhiệt độ của quá trình cháy

Bên cạnh việc áp dụng các biện pháp cải tiến công nghệ và giảm thải tại nguồn, chúng

ta cần phải áp dụng các biện pháp xử lý khí ô nhiểmx thích hợp để làm giảm tải lợng ô nhiễm vào môi trờng xung quanh

Phần 3Thiết kế hệ thống xử lý khí thải cho nhà máy xi măng lò đứng

và bị giữ lại ở đó

Buồng lắng có u điểm là cấu tạo đơn giản, đầu t thấp, dễ xây dựng bằng các vật liệu có sẵn nhng với lu lợng lớn thì buồng lắng sẽ rất cồng kềnh, chiếm nhiều không gian và chỉ tách đợc các hạt bụi lớn

I.1.2 Thiết bị tách bụi bằng lực tĩnh điện: (ESP)

Thiết bị tách bụi bằng lực tĩnh điện tách bụi nhờ lực tĩnh điện Thiết bị có khả năng tách đợc các hạt bụi mịn, đạt hiệu suất cao nhng thiết bị chỉ lamf việc tốt với loại bụi rắn có điện trở suất trung bình, trong khoảng 107 đến 2.1010 Ω Ngoài ra, trang thiết bị tốn kém, hoạt động đòi hỏi rất nhiều năng lợng

I.1.3.Thiết bị tách bụi bằng vật liệu lọc:

Dòng khí bụi đợc đa qua một môi trờng xốp, bụi đợc giữ lại phía trên hoặc phía trong thể tích của các môi trờng xốp do tác dụng của các lực khuếch tán, quán tính …

và đợc tách ra khỏi dòng khí

Thiết bị tách bụi bằng vật liệu lọc có khả năng tách đợc bụi có kích thớc nhỏ, hiệu suất tách bụi cao Tuy nhiên không thích hợp với bụi có độ ẩm cao, hiệu suất tách bụi phụ thuộc nhiều vào vật liệu lọc, nếu tái sinh không tốt có thể gây tác cho từng bộ phận, đầu t cho vật liệu lọc khá tốn kém

I.1.4 Cyclon

Cyclon tách bụi nhờ tác dụng của lực ly tâm Gia thành đầu t thấp, cấu tạo đơn giản dễ vận hành, chi phí bảo dỡng thấp, có khả năng làm việc liên tục, có thể chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau Tuy nhiên cyclone đạt hiệu suất tách bụi thấp với bụi có d<5àm.

I.1.5 Thiết bị tách bụi ớt

Tạo ra sự tiếp xúc giữa dòng khí bụi và chất lỏng, bụi trong dòng khí bị chất lỏng giữ lại và đợc thải ra ngoài dới dạng bùn cặn Thiết bị có khả năng xử lý đồng thời cả khí lẫn bụi, có hiệu suất tách bụi cao đối với bụi có kích thớc nhỏ, có thể vận hành ở nhiệt độ cao, không có hiện tợng bụi quay lại

I.2 Xử lý NOx:

Công nghệ khử xúc tác chọn lọc xử lý NOx sử dụng chất xúc tác và tác nhân khử

NH3 ở nhiệt độ cao Với chất xúc tác có chứa V2O5 thông dụng hiện nay, nhiệt độ làm việc của quá trình thờng từ 300-4500C Phản ứng quan trọng trong quá trình là phản ứng khử chọn lọc giữa NH3 và NOx tạo thành N2 và nớc trên bề mặt xúc tác Ngoài ra trong dòng khí có mặt nhiều chất khí khác nên còn có nhiều phản ứng phụ có thể làm

NH3 oxy hoá SO2 thành SO3

Phản ứng khử chọn lọc:

4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O2NO + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2OCác phản ứng phụ

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2OOxy hoá SO2:

I.3.1.Trộn thêm đá vôi (CaCO3) vào nhiên liệu trớc khi đôt trong lò tầng sôi

Đá vôi đợc trộn với than đá trớc khi đốt SO2 đợc tạo thành trong quá trình đốt phản ứng trực tiếp với đá vôi tạo Canxi sunfat

Phơng pháp này có hiệu suất cao nhng tỉ lệ giứa đá vôi và than đá đạt 1/4 trong khi hàm lợng S trong than đá chỉ khoảng 3% Do đó lợng chất thải rắn phát sinh lớn.I.3.2.Hấp thụ bằng sữa vôi

Dùng dịch sữa vôi hấp thụ khí SO2 trong khí thải theo phong trình phản ứng tổng hợp sau:

Ca(OH)2 + SO2 → CaSO3 + H2O

Phơng pháp này đơn giản, rẻ tiền

I.3.3.Hấp thụ bằng sữa vôi kết hợp với MgSO4

Thực chất quá trình hấp thụ đợc thực hiện bởi MgSO3 Tiếp đó, MgSO3 đợc tái sinh nhờ thực hiện kết tủa Canxi sunfat ở bể phía ngoài tháp hấp thụ

Phơng pháp này có thể tránh đợc cặn đọng, tuy nhiên yêu cầu phải xử lý bụi với mức độ cao trớc khi xử lý SO2

I.3.4.Hấp thụ bằng dịch Mg(OH)2

đề chất thải rắn Tuy nhiên tốn năng lợng cho quá trình tái sinh này

I.3.5.Hấp thụ bằng dung dịch kiềm hoặc amoni

Dung dịch hấp thụ là Na+ hoặc NH4OH Sau hoàn nguyên có thể sử dụng SO2 để sản xuất H2SO4 Tuy nhiên, tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn là Na2SO4 và (NH4)2SO4

Nh vậy, qua các thiết bị xử lý đã nêu, ta sử dụng cyclone để xử lý bụi ở giai

đoạn đầu sau đó kết hợp với các thiết bị tách bụi ớt ở giai đoạn sau để có thể giảm lợng bụi thoát ra ngoài đạt tiêu chuẩn cho phép Cyclone tổ hợp không thích hợp cho xử lý bụi nhà máy xi măng vì bụi này có độ kết dính cao Do đó, lựa chọn xử lý bụi băng cyclone đơn Sau xử lý bụi, nhiệt độ dòng khí thải vẫn đạt trên 3700C Do đó đảm cho việc xử lý NOx bằng khử xúc tác chọn lọc NH3 Cuối cùng là công đoạn xử lý SO2 bằng sữa vôi Phơng pháp này rẻ tiền và tận dụng đợc nguồn nguyên liệu có sẵn, hiệu suất hấp thụ cao, có khả năng xử lý lợng bụi còn lại

II.Tính toán thiết kế xyclon

I.1.Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của xyclon

Khả năng tách bụi của xyclon là do lực ly tâm tác dụng lên hạt bụi Khi dòng khí đi vào thiết bị hình trụ theo phơng tiếp tuyến, dòng khí chuyển động xoáy ốc bên trong thiết bị, làm cho các hạt bụi văng về phía thành xyclon Dới tác dụng của lực trọng trờng, các hạt bụi này rơi xuống đáy xyclon Nh vậy bụi đợc tách ra khỏi dòng khí Dòng khí va vào đáy thiết bị, giữ nguyên chuyển động xoáy và đi theo đờng ống trung tâm ra ngoài Lực ly tâm đợc tính theo công thức:

r

v m

F = . 2

Trong đó: v- vận tốc dài

m- khối lợng hạt r- bán kính quỹ đạo

Cấu tạo của xyclon đợc minh hoạ trên hình vẽ

I.2.Tính toán xyclon

Dựa vào hiệu suất tách bụi của xyclon đối với chế độ chảy rối của dòng khí:

η

9

exp 1

2

i

b c

W

d v n

Trong đó:η−Hiệu suất tách bụi kích thớc d

n- Số dòng xoắn mà dòng khí chuyển động trong xyclon