phương pháp, dây chuyền công nghệ xử lý khí thải cho nhà máy

Khí thải từ ống khói các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp... được xem là nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí. Các chất khí độc hại như: SOx, NOx, VOC, CO, CO2, hydocacbon, bụi... đang dần gia tăng trong bầu khí quyển.

LỚI NÓI ĐẦU

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các ngành sảnxuất công nghiệp, làm cho xã hội loài người biến đổi rõ rệt Các nhà máy, xí nghiệp, cáckhu công nghiệp, trại chăn nuôi tập trung được hình thành tất cả sự phát triển này đềuhướng tới tạo ra sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu của con người tạo điều kiện sống tốt hơn.Nhưng đồng thời thải ra các loại thất thải khác nhau làm cho môi trường ngày càng trở nênxấu đi Các chất thải độc hại có tác động xấu tới con người, sinh vật, hệ sinh thái, các côngtrình nhân tạo Nếu môi trường tiếp tục suy thoái thì có thể dẫn hậu quả nghiêm trọng choloài người Vì vậy việc bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác động có hại của các chất ô nhiễm

là vấn đề của toàn cầu

Khí thải từ ống khói các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp được xem là nguyênnhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí Các chất khí độc hại như: SOx, NOx,VOC, CO, CO2, hydocacbon, bụi đang dần gia tăng trong bầu khí quyển Gây nên các hiệntượng, hiệu ứng nhà kính, mưa xít, sương mù quang hóa tác động xấu đến con người, sinhvật và các hệ sinh thái, hoạt động lao động sản xuất

Để bảo vệ môi trường và bảo vệ cho cuộc sống của con người, sinh vật khí thải từống khói nhà máy, từ hoạt động khác cần được xử lý trước khi thải vào môi trường khôngkhí Hiện nay có rất nhiều phương pháp và các dây chuyền công nghệ để xử lý khí thải vàđược áp dụng cụ thể đối với từng loại khí thải và từng nhà máy

Dựa trên các phương pháp và dây chuyền công nghệ xử lý đã có hiện nay, trong bàithiết kế môn học này tôi xin giới thiệu các phương pháp, dây chuyền công nghệ xử lý khíthải cho nhà máy

PHẦN MỞ ĐẦU: NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

I Tính toán lưu lượng khí thải của nhà máy:

Lưu lượng khí thải của nhà máy : V = 4000 m3/h = 1,11 m3/s

II Nồng độ các chất thải độc hại trong khí thải của nhà máy

 Nêu rõ nguồn gốc khí thải, phương pháp xử lý, nguyên tắc xử lý

2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ:

 Tính toán các thiết bị:

 Tính kích thước của thiết bị: Cao, dài, rộng

 Hiệu suất làm việc của thiết bị

 Lượng nguyên vật liệu, chất xúc tác cần thiết cho quá trình làm việc (có thểđặt các giả thuyết để quá trình tính toán được đơn giản)

Trong đó VOC, CO ở nhiệt độ cao 8200C sẽ bị ôxi hóa thành CO2 và H2O.

1.2 Cơ sở lựa chọn thiết bị xử lý khí thải

Khí thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn TCVN 5939-2005 (chất lượng không khí – tiêuchuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ)

STT Thông số

Giới hạn tối đa (mg/m3)Loại A Loại B

1 Bụi khói

- Nấu kim loại

- Bê tông nhựa

- Xi măng

- Các nguồn khác

- Bụi chứa silic

- Bụi chứa amiang

400500400600100Không

20020010040050Không

Giá trị giới hạn ở cột A áp dụng cho các cơ sở đang hoạt động

Giá trị giới hạn ở cột B áp dụng cho tất cả các cơ sở kể từ ngày cơ quan quản lý môi trường quy định

Khí thải sau khi xử lý phải đạt tiêu chuẩn loại B

1.3 Xác định thiết bị xử lý khí thải của nhà máy.

Do nhiệt độ của dòng khí thải rất lớn 8200C, trong dòng khí thải không tồn tại hợpchất VOC, khí CO đã bị chuyển hóa thành CO2 và nồng độ bụi nhỏ Nhiệm vụ thiết kế vàtính toán thiết bị xử lý các khí thải: nhiệt độ, SO2, NOx

Lựa chọn phương pháp xử lý các khí thải:

Căn cứ vào các phương pháp xử lý, thiết bị xử lý, các chất phụ gia, hiệu quả xử lýcủa các phương pháp đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay Các phương pháp xử lý khíthải cho nhà máy A :

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

 Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ bằng nước

 Xử lý NOx: bằng phương pháp hấp phụ, thiết bị là tháp đệm và vật liệu hấpphụ là than hoạt tính

Sơ đồ dây chuyền công nghệ :

CHƯƠNG II:TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ XỬ LÝ

Tháp hấp thụ SO2bằng vôi sữa

Khí sạch

thuận tiện và hiệu quả xử lý các công đoạn phía sau một cách cao nhất, cần hạ thấp nhiệt độtrong dòng khí thải từ ống khói nhà máy.

Để có thể hạ nhiệt độ của dòng khí thải, sử dụng phương pháp trao đổi nhiệt trongtháp trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt là nước

2.1.1 Nguyên lý của quá trình:

Dòng khí và chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều nhau trong tháp trao đổi nhiệt.Chất tải nhiệt chuyển động trong các ống con (được xếp trong tháp), dòng khí chuyển độngbên ngoài các ống con Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và dòng khí trong thápdiễn ra quá trình trao đổi nhiệt

Sau khi dòng khí ra khỏi tháp nhiệt độ sẽ hạ xuống do chất tải nhiệt lấy đi một phầnnhiệt độ của dòng khí thải

Chất tải nhiệt sẽ được tuần hoàn (chuyển động thành dòng liên tục), vì vậy sau khinhận nhiệt từ dòng khí thải, chất tải nhiệt sẽ được đưa đến thiết bị làm mát, tại đây chất tảinhiệt sẽ được làm mát xuống một nhiệt độ cần thiết và tiếp tục được đưa vào tháp để làmmát dòng khí thải

2.1.2 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị trao đổi nhiệt

2.1.3 Tính toán quá trình truyền nhiệt.

Quá trình truyền nhiệt gồm những bước sau:

 Cấp nhiệt từ khói lò đến bề mặt ngoài của ống

 Dẫn nhiệt qua thành ống

 Cấp nhiệt từ bề mặt trong của ống đến nước

Nhiệt độ của khói lò sẽ giảm từ 8200C xuống 600C Nước đi vào ở nhiệt độ trung bìnhkhoảng 250C và được đun ở áp suất cao 10 at, nước sôi ở 1780C

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

Ta có :

1 2

t2đ = 250C, t2c = 1780C

=>

2 1

2 1

tb

Δtt

Δttln

ΔttΔtt

Δtt  

=

820 178 60 25 0

208,6 C642

ln35

  



Nhiệt độ trung bình của nước là:

C101.52

251782

tt

Nhiệt dung riêng của khói lò

Ta có công thức tính nhiệt rung riêng của hỗn hợp khí:

C = c1x1 + c2x2 + c3x3 + +cnxn

Trong đó: c1, c2, c3 là nhiệt rung riêng phân tử của các cấu tử thành phần

x1, x2, x3 là thành phần của các cấu tử khí, phần molTrước hết ta phải xác định nhiệt rung 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 rung riêng

-Suy ra nhiệt rung riêng phân tử của các khí thành phần với nhiệt độ trung bình của khói

lò là: ttb = 4400C = 440 + 273 = 7130K và % mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí

Độ nhớt của khói lò được xác định theo công thức:

3 3 3 2 2 2 1 1 1

3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 hh

.TM.m.TM.m.TM.m

.TM μm.TM μm.TM μmμ

M1, M2, M3 – Khối lượng phân tử của các cấu tử

T1, T2, T3 - Nhiệt độ tới hạn của các cấu tử

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

Thay các giá trị vào công thức trên ta có: μhh = 262,47 x 10-7N.s/m2

Chọn thiết bị kiểu có ống xoắn bên ngoài vỏ, vật liệu làm thiết bị trao đổi nhiệt ta chọn làm bằng thép cacbon, đường kính ống d1/d2= 50/60 mm

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là:  = 45,35 W/m.độ

Chọn bước ống: s1 = 2,1d2 ; s2= 2d2

Lượng nhiệt do khí mang vào thiết bị là: Qk = n1 Cp t1đ

Trong đó : n1 - lượng khí thải đi vào thiết bị

1,11.1

0,01240,082.(820 273)

VP n RT

Cp - nhiệt dung riêng của khí thải kJ/kmol.độ, Cp = 10,93 kJ/kmol.độ

t1đ - nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp khí, 0CNhiệt độ của khói lò là t = 820.0C

0,0124 10,93 820 111,14

k

Lượng nhiệt mà hỗn hợp khí mang ra là Q1 = m1 Cp t1c

Với t1c=600C, ở 600C ta tính nhiệt dung riêng của các khí theo công thức

2 2 1

Qm: Nhiệt lượng mất mát, lấy Qm=5%Qk= 5,56 kJ/s

Qn: Nhiệt lượng nước nhận

Q1: Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị

 Qn=Qk- Qm-Q1 =111,14 – 5,56 – 5,4 = 100,18 kJ/sVậy nhiệt lượng cung cấp cho nước là: Qn = 100,18 kJ/s = 24,04 kcal/sLượng nhiệt nước nhận tính theo công thức:

Qn=Gn[Cn(ts-tv)+r] kcal/sVới Qn= 24,04 kcal/s

Nhiệt dung riêng của nước ở 1780C, Cn=1.047 kcal/kg.độ

Nhiệt độ ban đầu của nước: tv=250C

Nhiệt hoá hơi của nước ở 10at: r = 482.1 kcal/kg

Thay các giá trị trên vào công thức ta tính được lượng nước được đun nóng:

0,03741,047(178 25) 482,1

n

ở 1780C ta có khối lượng riêng của nước là: =888.74kg/m3

 Lưu lượng nước vào thiết bị: V= 0,0374888,74 3600 = 0,15 m3/h

Theo thực tế lượng nước đưa vào thiết bị để làm nguội khí không được truyền nhiệthoàn toàn mà chỉ đạt một hiệu suất nhất định Giả sử chỉ đạt hiệu suất là 60% do vậy lượngnước thực tế cần đưa vào thiết bị là 0.4 100 0, 25

Khối lượng riêng của nước: n=958 kg/m3

Hệ số dẫn nhiệt của nước: n=0.68 w/m.độ

Độ nhớt của nước: n=0.280 x 10-3Ns/m2

Độ nhớt động lực của nước: vn=n/n= 0.292 x 10-6m2/sChuẩn số Pr=1.5 [1]

6 1

10292.0

05.05.0d

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.1.R

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

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

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

Vậy ta có Nu = 0.021 x (0.856 x 105)0.8 x (1.5)0.43 = 220.76

05.0

68.076.220d

Đường kính ngoài của ống: d2=0.06m

Khối lượng riêng của khói tính theo công thức:

V

M

9 

K là hệ số đoạn nhiệt

Khói lò là hốn hợp thành phần nhiều nguyên tử nên B =1,72

Cp: nhiệt dung riêng của khói lò; j/kg.độ

Phân áp suất của CO2 và H2O khi coi áp suất của khói là 1at:

PCO2=0.082 1=0,082at PCO2.ltb==1,815 cm at

PH2o=0.127 1=0,127at PH2O.ltb==2,81 cm at

Với nhiệt độ khói là : t=tCO2 =tH2O=440oC tra bảng ta có : [3 ]

Độ đen của CO2 và H2O:CO2=0,052, H2O=0,08

Độ đen của khói tính như sau: K=CO2+H2O

Coi =1 ta có: K=0,052 + 1 0,08=0,132

Để tính nhiệt độ của bề mặt ống ta giả thiết: bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt của vách và do

đó nhiệt độ bề mặt bên ngoài và bên trong ống là như nhau

Gọi độ chênh lệch nhiệt độ của khói với nhiệt độ bề mặt là t1

Gọi độ chênh lệch nhiệt độ của nước với nhiệt độ bề mặt là t2

ở nhiệt độ này độ đen của thép là w=0.73

Hệ số bức xạ của hệ thống, trong trong đó C0 = 5,7 W/m2.0K4

Ch=

4 0 2

w k

174.0

1148.01

7.51

11

Q F

n n

1  đoạn,  chiều dài bố trí ống: 36.s1=4,5 m

Do có hai ống uốn khúc cách nhau 0,144 nên ta chọn đường kính thiết bị là 5m;

Chều cao thiết bị là 5,1m;

Các thông số của thiết bị nồi hơi

2.4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ:

Hấp thụ là qua trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng nhiều trong thực tiễn.Hấp thụ dựa trên cơ sở củ quá trình truyền khối, nghĩa là có sự vận chuyển từ pha này sangpha khác Phụ thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụtrong pha khí

Phương pháp hấp thụ chia làm hai loại:

- Hấp thụ vật lý: dựa trên sự hoà tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng

- Hấp thụ hoá học: giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ hoặc cấu tử trong pha lỏng

Y, X: Nồng độ chất bị hấp thụ trong pha khí và pha lỏng (mol/m3)

Yp, Xp:Nồng độ chất hấp thụ trên bề mặt phân chia trong pha khí và pha lỏng(mol/m3)

Kk, Kl:Hệ số truyền khối tổng quát trong pha khí và pha lỏng (m/s)

Y*, X*:Nồng độ cấu tử trong pha khí và pha lỏng cân bằng với nồng độ trongpha lỏng và khí tương ứng (mol/m3)

Quan hệ giữa hệ số truyền khối  và hệ số truyền khối tổng quát:

l k k

m

1 1

;

l k

l m

1 1 1

- Có khả năng xử lý khí ma không cần làm nguội

- Xử lý phần bụi còn lại trong dòng khí thải

phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình hấp thụ SO2 bằng dung dịch vôi sữa

O H CaSO SO

OH

O H Ca

O H O

Khí thải sau khi ra khỏi Xiclon tách bụi và túi lọc bụi tay áo dòng khí thải được đi vàotháp hấp thụ (1), trong đó xảy ra quá trình hấp thụ SO2 bằng dung dịch sữa vôi tưới trên lớp

đệm bằng vật liệu rỗng Nước chứa axit chảy ra từ tháp (1) được bổ sung thường xuyênbằng sữa vôi mới Trong nước chảy ra từ tháp (1) có chứa nhiều sunfit và sunfat dưới dạngtinh thể CaSO3.0,5H2O; CaSO4.2H2O và một ít bụi còn sót lại trong khí thải Các tinh thểcanxi sunfit, canxi sunfat được tách lọc qua thiết bị (2) (thiết bị số 2 là một bình rỗng chophép dung dịch lưu lại 1 thời gian đủ để hình thành các tinh thể sunfit và can xi sunfat) Sau

bộ phận tách tinh thể 2, dung dịch 1 phần vào tưới cho tháp hấp thụ, phần còn lại đi quabình lọc chân không (3) ở đó các tinh thể được giữ lại dưới dạng cắn bùn và được thải rangoài Đá vôi được đập vụn và nghiền thánh bột ở các thiết bị (7) và (8) và đưa vào thùng(6) để pha trộn với dung dịch loãng chảy từ ộ phận lọc chân không số (3), cùng với 1 lượngnước bổ sung để được dung dịch sữa vôi mới

Nguyên liệu vôi được sử dụng một cách hoàn toàn, cụ thể là: cắn bùn từ hệ thống sử lýthải ra có thể được sử dụng làm chất kết dính trong xây dựng sau khi chuyển sunfit thànhsunfat trong lò nung

Sau khi đi qua tháp hấp thụ, hàm lượng các chất độc hại trong khí thải: bụi, SO2, đãđược xử lý đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 5939:1995, trừ nito và các hợp chất của Nito,tuy nhiên hàm lượng nito và hợp chất nito trong khí thải không đáng kể, và một lượng nhỏ

đã được xử lý trong tháp hấp thụ Khí thải sau khi ra khỏi tháp hấp thụ được kiểm tra hàmlượng các chất còn lại trong khí đi ra khỏi tháp, nếu hàm lượng nito trong khí ra cao hơntiêu chuẩn, dòng khí đi ra được cho đi qua tháp hấp phụ để loại bỏ nito và hợp chất của nóđạt tiêu chuẩn và thải ra ngoài môi trường không khí

2.3.3. Tính toán tháp hấp thụ

2.3.3.1 Tính toán nồng độ các chất trong quá trình hấp thụ

Gọi :

Xđ: Nồng độ ban đầu của SO2 trong dung dịch hấp thụ Ca(OH)2, Xđ = 0 mg/m3

Xc: Nồng độ cuối của SO2 trong dung dịch hấp thụ Ca(OH)2 mg/m3

Yđ: Nồng độ ban đầu của SO2 trong hỗn hợp khí thải, Yđ = 1980 mg/m3

Yc: Nồng độ cuối của SO2 trong khí thải sau khi xử lý, lấy theo TC Yc = 500mg/m3

Gy: Lượng khí thải đi vào tháp, Gy = 4000 (m3/h)

Gx: Lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ (m3/h)

Gtr: Lượng khí trơ vào thiết bị (m3/h)

Khối lượng khí SO2 đi vào tháp hấp thụ trong hỗn hợp khí thải trong 1 giờ:

74 8

9, 25( / )64

Gl SO

Ca OH ddCa OH

m

Mặt khác, do trong khí thải đi vào trong tháp hấp thụ còn có lẫn các thành phần như: CO2,

NO2 nên trong tháp còn xảy ra các phản ứng:

CaSO3 + 1/2O2 + H2O = CaSO4 + 2H2O (2)2Ca(OH)2 + 4NO2 = Ca(NO3)2 + Ca(NO2)2 + 2H2O (3)Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O (4)

Để đảm bảo lượng dung dịch Ca(OH)2 cần hấp thụ khí SO2, lượng dung dịch thực tế cungcấp vào tháp hấp thụ phải lớn hơn lượng dung dịch Ca(OH)2 tính theo phương trình (1).Khối lượng dung dịch Ca(OH)2 cần thiết đưa vào tháp cần nhân với hệ số k, lấy k = 2,2:

 2 2, 2  2 2, 2 231, 25 508,75( / )

Trong đó: mCa(OH)2TT: Lượng dung dịch Ca(OH)2 thực tế đưa vào tháp (kg/h)

MCa(OH)2tt: Lượng dung dịch Ca(OH)2 tính toán theo phản ứng (1)Khối lượng riêng của dung dịch Ca(OH)2 Ở 250C, nồng độ dung dịch 4% có khối lượng riêng :

Thể tích SO2 bị giữ lai trong tháp:

Khối lượng SO2 bị giữa lại: m = 8 (kg/h)

Khối lượng riêng của SO2 ở 250C, 1 at: 3

0 0

2

3

83,1( / )2,62

SO SO

.

816( / ) 16.10 /0,5

2.3.3.2. Tính toán kích thước của tháp hấp thụ :

Đường kính tháp hấp thụ được tính theo công thức:

Chiều cao có ích (chiều cao làm việc) của tháp hấp thụ được tính theo công thức:

HXD = 6 +1 + 1,5 = 8,5 m.

Chọn cơ cấu tưới dung dịch Ca(OH)2 dùng rây hở

2.5 Xử lý NO x bằng than hoạt tính.

Ta thấy lượng khí SO2 bị giữ lại ở tháp hấp thụ là không lớn 3,1 m3 nên xem như lượng khí

đi vào thiết bị xử lý NOx vẫn là 4000 m3/h

Nồng độ NOx có trong dòng khí thải CNOx = 3500 mg/m3 => Lưu lượng khí NOx trong dòngkhí thải QNOx = 3500 4000 = 14.106 mg/h = 14 kg/h

Gọi :

Xđ: Nồng độ ban đầu của NOx trong vật liệu hấp phụ, Xđ = 0 mg/m3

Xc: Nồng độ cuối của NOx trong vật liệu hấp phụ mg/m3

Yđ: Nồng độ ban đầu của NOx trong hỗn hợp khí thải, Yđ = 3500 mg/m3

Yc: Nồng độ cuối của NOx trong khí thải sau khi xử lý, lấy theo TCVN 5939 – 1995 theogiới hạn B, Yc = 1000mg/m3

Gy: Lượng khí thải đi vào tháp, Gy = 4000 (m3/h)

Gx: Lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ (m3/h)

Gtr: Lượng khí trơ vào thiết bị (m3/h)

Ta có lượng khí NOx đi vào tháp hấp phụ :

=> Chiều dày lớp vật liệu hấp phụ H = 5 1 = 5 m

Đây cũng chính là chiều cao làm việc của tháp hấp phụ, Hlv = 5 m