Thiết kế hệ thống xử lý bụi nhà máy xi măng a công suất 20000 tấn clinke/năm lưu lượng khí thải 350m3h

Thiết kế hệ thống xử lý bụi nhà máy xi măng a công suất 20000 tấn clinke/năm lưu lượng khí thải 350m3h

Đề bài:

Thiết kế hệ thống xử lý bụi nhà máy Xi măng A

- Công suất: 20000 tấn Clinke/năm

Lưu lượng khí thải: 350m 3 /h

Yêu cầu của thiết kế môn học

KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ TIẾNG ỒN

1 Đặt vấn đề

- Nêu tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu

- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Tính tải lượng khí ô nhiễm  tính nồng độ các khí ô nhiễm

- Yêu cầu: + Khí thải sau xử lý đạt quy chuẩn QCVN 23: 2009/BTNMT (loại B2)

+ Nhiệt độ khí sau xử lý: <100oC

2 Lựa chọn hệ thống xử lý

- Xác định các khí cần xử lý (nếu cần thiết, phải làm nguội khí thải trước khi cho khí thải đi vào hệ thống xử lý)

- Xác định các thiết bị xử lý các khí đó: nêu rõ nguyên tắc xử lý, nguồn gốc khí thải, phương pháp xử lý tốt nhất

3 Lập sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý khí thải

4 Tính toán các thiết bị

Các thiết bị phải được tính về:

- Kích thước của thiết bị: B, L, chiều cao làm việc, chiều cao tháp,

- Hiệu suất làm việc

- Lượng nguyên vật liệu, chất xúc tác cần thiết cho quá trình (nếu có)

- Có thể tự đặt các giả thuyết (phù hợp với thực tế) để quá tình tính toán đơn giản hơn

1- Nêu tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu:

- Xử lý khói thải của nhà máy xi măng nhằm bảo đảm vệ sinh cho môi trường không khí, bảo vệ sức khỏe cho người lao động

- Tăng cường an toàn lao động, bảo đảm chất lượng sản phẩm;

- Giảm sự mài mòn máy móc, tăng hiệu suất sử dụng, giảm chi phí bảo trì máy móc;

- Bảo đảm sự làm việc chính xác và kiên tục của các thiết bị công nghệ;

2- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:

3- Tính tải lượng khí ô nhiễm, tính nồng độ các khí ô nhiễm.

Mở đầu:

Đặc trưng của chất thải ngành công nghiệp ximăng là ô nhiễm bụi gây tác hại lớn với môi trường và sức khoẻ con người, bụi là nguồn ô nhiễm chủ yếu cần được xử lý Do đó việc thiết kế một hệ thống xử lý bụi trong nhà máy trước khi thải ra môi trường không khí là hết sức cần thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ximăng Nhà máy sản xuất ximăng A với công nghệ lò quay theo phương pháp khô nên sản lượng ximăng lớn và ô nhiễm ít hơn nhiều so với công nghệ lò đứng Trong đồ án đề cập tới hệ thống xử lý bụi ximăng bằng thiết bị lọc bụi tay áo

Tác hại của bụi xi măng: Nhìn chung, bụi xi măng không gây bệnh bụi phổi nhưng nếu trong bụi xi măng có trên 2% Silic tự do và tiếp xúc lâu trong thời gian dài thì

có thể phát sinh bệnh bụi phổi Động vật hít thở bụi xi măng không gây biến đổi bệnh lý cấp tính hoặc mãn tính nào Tuy nhiên bụi xi măng bám trên lá cây làm cho thực vật không quang hợp được Bụi clinker và bụi xi măng có khả năng theo gió phát tán trong không khí và sa lắng xuống nước và mặt đất Khi sa lắng xuống môi trường nước sẽ làm tăng độ đục của nước và gây tác động xấu tới thủy sinh vật Khi sa lắng xuống môi trường đất sẽ làm cho đất đai xung quanh khu vực bị chai cứng, khả năng giữ nước kém đi, đất trở nên nghèo dinh dưỡng, bị thoái

hóa…

Thiết kế hệ thống xử lý khí thải là dạng bài tập nhằm giúp cho sinh viên môi trường vừa vận dụng các kiến thức đã học vào quá trình thiết kế lý thuyết, vừa có nhận thức được công việc cần phải làm sau khi ra trường

Với mô hình và các số liệu giả định, mục tiêu của bài tập lớn là “thiết kế hệ

thống xử lý bụi”, đưa ra sơ đồ công nghệ để xử lý bụi của nhà máy xi măng.

Phần I: Nhiệm vụ thiết kế.

Hệ số ô nhiễm và tải lượng ô nhiễm không khí từ các nguồn thải của sản xuất

xi măng theo phương pháp khô:

Hoạt động Hệ số ô nhiễm, kg/tấn clinke Tải lượng ô nhiễm.(Tấn/năm).

Hệ số ô nhiễm x lượng clinke sản xuất trong một năm.

BụiA Bụi B SO 2 NO 2 Bụi A Bụi B SO 2 NO 2

I.1 Các chất khí cần xử lý trong nhà máy:

I.2 Cơ sở lựa chọn thiết bị xử lý khí thải.

Nồng độ C của các thông số ô nhiễm làm cơ sở tính toán nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi măng được quy định tại Bảng 1 dưới đây:

Bảng 1: Nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản

Chú thích:

- Đối với các lò nung xi măng có kết hợp đốt chất thải nguy sẽ có quy chuẩn

kỹ thuật quốc gia về môi trường riêng

- Đối với xưởng nghiền nguyên liệu/clinke không quy định các nồng độ CO, NOx, SO2

Trong đó:

- Cột A quy định nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công

nghiệp sản xuất xi măng làm cơ sở tính toán nồng độ tối đa cho phép đối với các dây chuyền sản xuất của nhà máy, cơ sở sản xuất xi măng hoạt động trước ngày 16 tháng 1 năm 2007 với thời gian áp dụng đến ngày 01 tháng 11 năm 2011;

- Cột B1 quy định nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi măng làm cơ sở tính toán nồng độ tối đa cho phép áp dụng đối với:

+ Các dây chuyền sản xuất của nhà máy, cơ sở sản xuất xi măng hoạt động trước ngày 16 tháng 1 năm 2007 với thời gian áp dụng kể từ ngày 01 tháng 11 năm

2011 đến ngày 31 tháng 12 năm 2014;

+ Các dây chuyền sản xuất của nhà máy, cơ sở sản xuất xi măng bắt đầu hoạt động kể từ ngày 16 tháng 01 năm 2007 với thời gian áp dụng đến ngày 31 tháng 12 năm 2014;

- Cột B2 qui định nồng độ C để tính nồng độ tối đa cho phép các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất xi măng áp dụng đối với:

+ Các dây chuyền sản xuất của nhà máy, cơ sở sản xuất xi măng xây dựng mới hoặc cải tạo, chuyển đổi công nghệ;

+ Tất cả dây chuyền của nhà máy, cơ sở sản xuất xi măng với thời gian áp dụng

kể từ ngày 01 tháng 01 năm 2015;

- Ngoài 04 thông số quy định tại Bảng 1, tuỳ theo yêu cầu và mục đích kiểm soát ô nhiễm, nồng độ của các thông số ô nhiễm khác áp dụng theo quy định tại cột A hoặc cột B trong Bảng 1 của gia QCVN 19: 2009/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quôc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ

Các thông số đầu vào nhà máy xi măng A:

- Tải lượng bụi trong một giờ: qgiờ = 29206,25 kg/h

- Thể tích khí đầu vào V = 550 000 m3/h

- Nồng độ bụi: 29206,25/550000 = 0,053102 kg/m3 = 53102 mg/m3

- Khối lượng riêng bụi xi măng: ρ = 2 840 kg/m3

- Sau xử lý đạt QCVN 23: 2009/BTNMT (loại B2)

- Nồng độ bụi: 100 mg/m3

- Nhiệt độ của khí sau khi xử lý : 100oC

Phần II: Lựa chọn sơ đồ công nghệ và thiết bị xử

lý:

II.1.Xác định công nghệ và thiết bị xử lý khí thải của nhà máy:

Căn cứ vào các phương pháp xử lý, thiết bị xử lý, các chất phụ gia, hiệu quả xử lý của các phương pháp đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay Các phương pháp xử

lý khí thải cho nhà máy được lựa chọn như sau:

 Xử lý nhiệt: bằng phương pháp trao đổi nhiệt bằng tháp trao đổi nhiệt

 Xử lý bụi: bằng phương pháp sử dụng thiết bị lọc tay áo

II.2 Sơ đồ công nghệ:

Thiết bị

xử lý nhiệt

Thiết bị

xử lý bụi

Phần III: Tính toán các thiết bị xử lý.

Chương 1: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt.

Để giảm nhiệt độ khí thải xuống, chúng ta sẽ sử dụng thiết bị nồi hơi để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt Bản chất của quá trình trao đổi nhiệt chính là quá trình truyền nhiệt giữa khí thải và chất lưu.Có thể dùng thiết bị ống chùm nhưng đối với khí thái của nhà máy xi măng có nhiều bụi nên dễ là tắc ồng chùm, do đó ta chọn thiết bị ống cong, trao đổi nhiệt ngược chiều

Quá trình truyền nhiệt gồm những bước sau:

 Cấp nhiệt từ khí thải đến bề mặt ngoài của ống

 Dẫn nhiệt qua thành ống

 Cấp nhiệt từ bề mặt trong của ống đến nước

Nhiệt độ của khí thải sẽ giảm từ 3500C xuống còn 1000C Nước đi vào ở nhiệt độ trung bình khoảng 250C và được đun ở áp suất cao 10 at, nước sôi ở 1780C

Sơ đồ cấu tạo của thiết bị trao đổi nhiệt

3 CỬA VỆ SINH THIẾT BỊ

4 CỬA DẪN NƯỚC TẢI LẠNH VÀO THÁP

5 CỬA ĐƯA NƯỚC TẢI NHIỆT RA KHỎI THÁP

6 ĐƯỜNG ỐNG DẪN NƯỚC

Lựa chọn thiết bị:

Lựa chọn loại thiết bị trao đổi nhiệt là tháp trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn đứng gồm có vỏ hình trụ, 2 đầu hàn 2 lưới ống , các ống truyền nhiệt được ghép chắc, kín vào lưới ống Đáy và nắp nối với vỏ bằng một mặt bích có bu lông ghép chắc Trên vỏ và đáy có cửa ống để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị được đặt trên giá đỡ nhờ tai đỡ hàn vào vỏ

Chọn loại ống thép có hệ số dẫn nhiệt λ = 23,2+ W/m.độ, đường kính trong là 10

I.1 Tính toán quá trình truyền nhiệt:

Hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể chuyển động có thể tính như đối với trường hợp hai lưu thể chuyển động ngước chiều nhau

Áp dụng công thức :

c d

c d tb

t t

t t

2 1

2 1

tb

Δt

Δt ln

Δt Δt

Δt = −

=

100

172 ln

) 0 100 ( ) 178

` 200

I.2 Lượng nhiệt cần trao đổi và lượng nước cần sử dụng:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng cho tháp trao đổi nhiệt như sau:

Qk=Qm+Qn+Q1

Trong đó:

Qk – Nhiệt lượng khí mang vào ở tđ = 200 oc

Qm - Nhiệt lượng mất mát, lấy Qm=10%Qk

Qn - Nhiệt lượng nước nhận

Q1 - Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị

a Nhiệt lượng khí thải mang vào:

Lượng nhiệt do khí mang vào thiết bị trong một giây là: Qk = mk Cp t1đ

Trong đó :

m1 - lượng khí thải đi vào thiết bị

Cp - nhiệt dung riêng của khí thải kJ/kmol.độ

t1đ - nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp khí, tđ = 200 0C

Với mk là khối lượng của khí được xác định theo công thức

ni i

∑

ni, Mi : số mol và khối lượng phân tử của khí i trong khói lò;

V: thể tích của hốn hợp khíVới các giá trị trên thay vào được ρk = 1,2 kg/m3

=> m k =V ρk = 7,64.1, 2 9,168 = kg/s = 33005 kg/h.

b.Tính nhiệt dung riêng của khói lò :

Công thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí:

C = c1x1 + c2x2 + c3x3 + +cnxn

Trong đó:

c1, c2, c3 là nhiệt dung riêng phân tử của các cấu tử thành phần

x1, x2, x3 là thành phần của các cấu tử khí, phần mol

Trước hết ta phải xác định nhiệt dung riêng của các cấu tử thành phần:

cp = a0 + a1T - a2.T -2

Các giá trị a0, a1, a2 được xác định theo bảng sau:

Bảng 3 Các hệ số của hàm nhiệt dung riêng

Suy ra nhiệt dung riêng phân tử của các khí thành phần với nhiệt độ trung bình của khói lò là:

ttb = 222 + 273 = 495 0K và % mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí

Vậy: Lượng nhiệt do khí mang vào thiết bị trong một giây là:

Qk = mk Cp t1đ = 9,168.2,275.200 = 4171kJ/sNhiệt lượng mất mát: Qm = 10%.Qk = 417 kJ/s

c Nhiệt lượng khí thải mang ra:

Lượng nhiệt mà hỗn hợp khí mang ra là:

Lượng nhiệt nước nhận tính theo công thức:

Qn = Gn[Cn(ts-tv)+r] kcal/s

Với Qn= 3984 kcal/s

Nhiệt dung riêng của nước: Cn = 1,047 kcal/kg.độ

Nhiệt độ ban đầu của nước: tv = 00C

Nhiệt hoá hơi của nước ở 10 at: r = 482,1 kcal/kg

Vậy ta có lượng nước cần cho quá trình là:

= +

=

482,1 0)

1,047(178

-3984

Ta có khối lượng riêng của nước là: ρ = 966kg/m3

⇒ Lưu lượng nước vào thiết bị: V=6.3600/966 = 22,5m3/h

Theo thực tế lượng nước đưa vào thiết bị để làm nguội khí không được truyền nhiệt hoàn toàn mà chỉ đạt một hiệu suất nhất định Giả sử chỉ đạt hiệu suất là 80%

do vậy lượng nước thực tế cần đưa vào thiết bị là =

80

100 5 , 22

28(m3/h)

Vậy: Lượng nhiệt cần trao đổi là: 3984 kcal/s.

Lưu lượng nước vào thiết bị là 22,5 m 3 /h.

I.3 Xác định hệ số truyền nhiệt:

Ta có d2/d1 = 10,5/10 < 2 nên hệ số truyền nhiệt qua vách trụ có thể được tính như vách phẳng như sau:

Trong đó:

λ - hệ số dẫn nhiệt của vách: λ = 23,2 W/m.độ

α1 – Hệ số cấp nhiệt của khí thải

α2 – Hệ số cấp nhiệt của nước chảy trong ống

δ – Độ dày của vách, δ = 0,005 m

a Hệ số cấp nhiệt của khí thải:

Hệ số cấp nhiệt tính theo công thức:

1

1

k

Nu d

d2 – đường kính ngoài của ống

Nu – chuẩn số Nussel Xác định theo công thức:

εR=(s1/s2)1/6=(1,05)1/6=1Đối với khói tiêu chuẩn Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên A=1

Với khí thải coi là khí nhiều nguyên tử là Pr =1

Chuẩn số Reynol : Re k 2

k

d

ω ν

M1, M2, - Trọng lượng phân tử của các cấu tử.

T1, T2, - Nhiệt độ tới hạn của các cấu tử

Các giá trị Mi, Tthi, và M i T i được xác định theo bảng sau:

Vì Re >104 nên nước chảy rối trong ống.

Hệ số toả nhiệt của nước được xác định theo công thức:

Nu=0.021.Re0.8.Pr0.43.A.ε1.εR

Do hệ số tỏa nhiệt của nước αn lớn hơn rất nhiều của khói nên nhiệt độ của vách ống bên trong tw hầu như bằng nhiệt dộ của nước: tw= tn vì vậy : A=(Pr/PrT)0,25≈1

Hệ số ε phụ thuộc vào tỷ số l/d của ống, ở đây chiều dài ống: l >50d nên ε1=1

Vì phần uốn cong nhỏ so với chiều dài ống nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của ống uốn cong, εR=1

k

Nu d

λ

b Hệ số cấp nhiệt của nước:

Hệ số cấp nhiệt của nước được xác định theo công thức:

2

1

n

Nu d

Pr = 1,5, chuẩn số Prandtl, đặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường.

A = (Pr/ PrT)0,25 ≈ 1 (do nhiệt độ bên trong vách ≈ nhiệt độ nước)

εR = 1, vì phần uốn cong nhỏ so với chiều dài ống nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của ống uốn cong

νn – độ nhớt động học của nước, vn=µn/ρn, ở nhiệt độ tntb = 89 0c, ta

có độ nhớt của nước: µn=0.3202 x 10-3Ns/m2, khối lượng riêng của nước: ρn=966 kg/m3 nên :

n

Nu d

I.4 Xác định bề mặt trao đổi nhiệt:

Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của các ống:

t k

Q F

10 1668

46

2 1

=

=

=

π ω

πd n

F l

(m)

Chọn chiều dài 1 ống uốn khúc là 2m, vậy số lớp ống là : m = 22/2 = 11 (lớp ống).Gọi khoảng cách giữa 2 lớp ống uốn khúc là s1 = 2,1.d2 = 2.0,105 ≈ 0,22 (m).Vậy chiều cao trao đổi nhiệt là : h = 11.s1 = 11.0,22 = 2,4 (m)

Vậy chiều cao của tháp là : H = h + hđỉnh + hđáy = 2,2 + 0,25 + 0,25 = 2,9 (m)

Gọi khoảng cách giữa hai ống uốn khúc liền kề là s2 = 2.d2=2.0,105 =0,2(m).Chiều rộng tháp B= 1,2m Chiều dài L=2,5

Các thông số của 1 tháp trao đổi nhiệt:

Chương II : Tính toán thiết bị lọc bụi :

Trước hết ta đi tìm hiểu sơ đồ công nghệ sản xuất Clinker và ximăng để có thể thấy được các khâu phát sinh ra bụi :

II.1 Sơ đồ công nghệ :

a Sơ đồ công nghệ sản xuất Clinker :

Nguồn gốc gây ô nhiễm không khí trong quá trình sản xuất Clịnker gồm :

- Bụi nguyên liệu (đá vôi, đất sét, laterite, cát) phát sinh trong quá trình vận

chuyển, dự trữ trong các kho, bãi chứa

- Bụi nguyên liệu sinh ra trong quá trình vận chuyển trên các băng tải, gầu nâng, máng trượt, phễu, cân định lượng, đổ rót, nhgiền, trộn…

- Khí thải sinh ra từ ống khói lò nung Clinker có chứa bụi, CO, CO2, SO2, NOx…

- Bụi Clinker trong quá trình vận chuyển Clinker tới Silo, rút Clinker từ Silo xuống băng tải…

b Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng:

Phân ly khí động Gầu nâng

Máy nghiền bi

Băng tải định lượng Gầu múc

Băng tải

-Clinker

-Thạch Cao

-Puzoland

Nguồn gốc gây ô nhiễm không khí trong quá trình sản xuất ximăng gồm:

- Bụi Clinker và phụ gia (thạch cao, puzoland) trong khu vực máy đập, máy nghiền

bi, máy sàng, máy phân ly và hệ thông vận chuyển…

- Bụi ximăng sinh ra trong quá trình đóng bao

- Bụi ximăng sinh ra trong quá trình vận chuyển ximăng bao thành phẩm lên oto, nhà kho…

II.2 Tính toán thủy lực.

Bụi phát sinh trong nhà máy bao gồm từ các khâu: Dự trữ than (Silo); Đập, nghiền, sàng ; Dự trữ nguyên liệu; Dự trữ Clinke (Silo); Dự trữ xi măng; Đóng bao xi măng; Vận chuyển bằng băng tải; Nung Clinke; Làm nguội Clinke; Nghiền Clinke; Đập sàng nguyên liệu

+ Vận chuyển bằng băng tải: 18097 (m3/h).

- Chụp hút:

Chọn chụp hút hình chữ nhật: F = 0,61 × 0,7 = 0,427 m2

Vận tốc tại miệng chụp hút là 1,1 m/s

Nghiền Clinker Làm nguội

Clinker

Nung

Đập sàng nguyên liệu

Đập nghiền sàng

Dự trữ than

Dự trữ nguyên liệu 2

14

8

6 5

7 3

11 10

Ta có bảng độ dài các nhánh như sau:

Khoảng

cách

Độ dài (m)

Lưu lượng (m3/s)

Đường kính (mm)

sát λ=64/Re

Q d

Côn thay đổi tiết diện với α = 300:

2 2

Các đoạn ống khác làm tương tự, cuối cùng ta tính được :

Tổng tổn thất áp suất từ đường ống đến thiét bị xử lý:

∑ΔP = 9 258 (N/m2)

II.3 Tính thiết bị lọc tay áo:

II.3.1 Tính toán công nghệ:

- Nhiệt độ không khí là tk = 350C, khối lượng riêng ρk = 1,146 (kg/m3)

- Nhiệt độ khí bụi tb = 1000C, khối lượng riêng ρb = 2840 (kg/m3)

- Lưu lượng khí cần lọc: do lưu lượng khí quá lớn nên ta sẽ phân lưu lượng khí cần lọc bụi ra 10 phần bắng nhau cho qua 10 thiết bị lọc tay áo

Q = 550000/10 = 55000 (m3/h)

- Nồng độ bụi vào thiết bị lọc 53102 mg/m3