thiết kế hệ thống xử lý nước cấp lò hơi

trình bày thiết kế hệ thống xử lý nước cấp lò hơi

MỤC LỤC

Chương I: Tổng quan về nồi hơi và nước cấp lò hơi 2

I Tổng quan về lò hơi 2

II Sự hình thành cặn bám trong lò hơi 2

III Các phương pháp loại trừ cặn bám trong lò hơi 3

IV Các phương pháp làm mềm nước cấp cho lò hơi 4

Chương II: Lựa chọn công nghệ xử lý 5

I Số liệu đầu vào và tiêu chuẩn đầu ra 5

II Sơ đồ công nghệ xử lý 6

III Tính toán ban đầu 7

Chương III: Tính toán thiết kế các công trình 10

I Giếng bơm 10

II Giàn mưa 10

III Bể khuấy trộn 13

IV Bể lắng đứng tiếp xúc 15

V Bể chứa nước trung gian 17

VI Bồn lọc áp lực 17

VII Cột lọc cationit 20

VIII Cột lọc anionit 23

IX Bể nén bùn 25

X Máy ép bùn băng tải 28

Tài liệu tham khảo 29

Phụ lục

Chương I: Tổng quan về nồi hơi và nước cấp lò hơi

I Tổng quan về lò hơi:

Trong công nghiệp, nhiều quá trình công nghệ, chẳng hạn như quá trình nấu chảy, quá trình nung nóng vật liệu hoặc sản xuất vật liệu mới… đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc rất cao Để thực hiện các quá trình công nghệ này, người ta xây dựng các thiết bị nhiệt gọi chung là lò hơi công nghiệp Lò hơi giúp đưa nhiệt của quá trình đốt cháy cho nước đến khi nước được đun nóng hoặc thành hơi Nước nóng hoặc hơi dưới tác động của áp suất sẽ truyền nhiệt sang một quy trình Khi nước được chuyển thành hơi, thể tích sẽ tăng lên gấp nhiều lần, tạo ra một lực nén rất mạnh Chính vì hoạt động ở điều kiện áp suất cao như vậy, lò hơi là thiết bị áp lực phải được vận hành với những tiêu chuẩn khắt khe

về an toàn Việc vận hành an toàn những thiết bị này đòi hỏi phải quan tâm kỹ lưỡng đến nhiều nhân tố Một trong những yếu tố ảnh hướng lớn đến hoạt động của lò cũng như nguy cơ gây phá hủy lò là nước cấp cho lò hơi

Sự có mặt của các tạp chất trong nước cấp có thể dẫn đến tạo ra cán cặn bám trên bề mặt đốt của lò và phá hủy chế độ làm việc bình thường của lò, làm xấu chất lượng hơi và ăn mòn các chi tiết kim loại đường hơi và nước

Vì thế để lò hơi làm việc liên tục và kinh tế thì nhiệm vụ của chế độ nước cấp cho lò hơi là:

- Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu sự tạo thành cáu bám trên các bề mặt truyền nhiệt (bề mặt đốt)

- Ngặn ngừa hoặc giảm thiểu quá trình ăn mòn kim loại đường nước

và hơi

- Đảm bảo được hơi có độ sạch yêu cầu

II Sự hình thành cặn bám trong lò hơi:

Do tác dụng của nhiệt và do quá trình bốc hơi, trong nước lò hơi diễn

ra các quá trình hóa lý khác nhau, một loạt hợp chất bị phân hủy và một loạt hợp chất khác sinh ra… Trong nhiều trường hợp quá trình này dẫn đến sự tạo

ra các hợp chất không hòa tan tách ra khỏi dung dịch bão hòa dưới dạng cặn

và trong những điều kiện nhất định biến thành cặn bám hoặc bùn Chất lắng đọng dính chặt trên bề mặt đun nóng hay làm lạnh có khả năng phá hoại sự làm việc bình thường của lò hơi hay các thiết bị trao đổi nhiệt gọi là cặn bám

Chất lắng đọng xốp do căn lơ lửng trong nước lò hơi được tích lũy và nén lại gọi là bùn Lắng đọng dạng cặn bám và dạng bùn gây ra mức độ nguy hiểm như nhau đối với hoạt động của lò hơi

Theo tính chất vật lý có thể đánh giá chất lắng đọng theo các chỉ tiêu:

màu, độ ứng, cường độ kết dính với bề mặt kim loại, chiều dày, độ phân phối đều trên bề mặt…

Theo đặc tính hóa học, thành phần của chất lắng đọng thường được biểu diễn bằng phần trăm các chất như: CaO, MgO, CuO, SO3, SiO2, Fe2O3,

Fe3O4, Al2O3, P2O5 và cả lượng cặn bay hơi Thành phần cặn bám trong lò hơi có thể phân ra như sau:

1) Cặn bám kim loại kiềm thổ chủ yếu bao gồm các hợp chất của canxi và magie

2) Cặn bám oxit sắt: trong thành phần của loại cặn lắng đọng này có thể có silicat sắt, phophat sắt, oxit sắt…

3) Cặn bám đồng 4) Cặn bám silicat: tính chất quan trong nhất của cặn bám là độ dẫn nhiệt thấp, nó thay đổi phụ thuộc vào cấu trúc và độ rỗng của vật chất lắng đọng từ 0,12 đến 1,2at/m.K

III Các phương pháp loại trừ cặn bám trong lò hơi:

a Làm mềm triệt để nước lò hơi

b Ngăn ngừa quá trính làm bẩm nước cấp do các sản phẩm của quá trình gỉ kim loại của hệ lò hơi

c Khử hiện tượng thấm hút nước làm lạnh vào thiết bị ngưng tụ của tuabin

d Tổ chức xử lý nước bên trong lò hơi để giữ chế độ hóa học hợp lý cho lò hơi

e Khử hiện tượng nung quá nhiệt cục bộ trên các ống phát hơi

IV Các phương pháp làm mềm nước cấp cho lò hơi:

a Làm mềm bằng phương pháp lắng cặn: dựa trên cơ sở chuyển những muối hòa tan trong nước thành những hợp chất ít hòa tan và lắng xuống

b Làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi ion: dùng phương pháp lắng cặn không thể làm mềm hoàn toàn nước thiên nhiên Vì thế thường dùng sơ đồ phối hợp, trong đó xử lý sơ bộ bằng lắng cặn và xử lý bậc cao hơn bằng trao đổi ion

Xử lý nước bằng phương pháp trao đổi ion dựa vào khả năng của một số chất không hòa tan trong nước gọi là ionit, các chất này làm thay đổi thành phần ion của

nước theo hướng mong muốn

Thời gian của chu trình làm việc của thiết bị trao đổi ion được xác định bởi dung lượng trao đổi của ionit Sau một thời gian làm việc thì khả năng trao đổi ion

của ionit giảm xuống, khi đó cần phải hoàn nguyên để khôi phục khả năng trao đổi

ion ban đầu của ionit

CHƯƠNG II: Lựa chọn công nghệ xử lý

I Số liệu đầu vào và tiêu chuẩn đầu ra:

Số liệu đầu vào:

II Sơ đồ công nghệ:

Thu gom, chôn lấp

Bùn lỏng

Cặn

Nước rửa lọc

NaHCO 3

Bể chứa nước trung gian

- Nước sau khi qua giàn mưa để khử CO2, đồng thời oxi hoá Fe và Mn sẽ được

đưa đến bể khuấy trộn Tại đây sẽ tiến hành châm hoá chất để tăng độ kiềm cho nước nhằm thúc đẩy quá trình oxi hoá Fe và Mn xảy ra được hoàn toàn

- Nước sau khi được ra khỏi bể khuấy trộn sẽ được đưa sang bể lắng để lắng cặn

Fe và Mn kết tủa được tạo thành do phản ứng oxi hoá Nước sau lắng được chứa trong bồn chứa nước trung gian, sau đó được bơm đến bể lọc áp lực để loại hoàn toàn phần cặn lơ lửng trong nước

- Sau khi qua bể lọc, nước sẽ được khử cứng (Ca2+ và Mg2+) bằng cách cho đi qua

cột lọc cationit và khử khoáng (Cl-, SO42-, SiO32-) bằng cách cho đi qua cột lọc anionit

- Nước sau khi qua hệ thống trao đổi ion sẽ được khử khí (CO2 và O2) bằng cách

đun nóng, đồng thời cho thêm hydrazine N2H4 để khử oxi triệt để theo phương trình:

N2H4 + O2 -> N2 + 2H2O

- Cặn lắng phát sinh từ bể khuấy trộn và bể lắng, cũng như cặn có trong quá trình

rửa lọc sẽ được đưa đến bể nén bùn, bùn sau khi lắng sẽ được đưa đến máy ép bùn dạng băng tải

- Bùn sau khi được ép sẽ được đem đi chôn lấp, còn nước sinh ra từ quá trình ép

bùn sẽ được đưa đến hệ thống thoát nước chung của trạm xử lý

III Tính toán ban đầu:

+ Nồng độ CO2 ban đầu có trong nước:

  

 

K = 10mgCaCO3/l = 0,2mđlg/l – độ kiềm ban đầu

µ = 0,000022P - lực ion của dung dịch

P – tổng hàm lượng muối (mg/l) < 1000 => µ = 0,022

K1 – hằng số phân ly bậc 1 của axit cacbonic

K1            

  

     ! + Độ kiềm sau làm thoáng:

Alksau = Alkđầu – 0,036Fe2+ = 0,2 – 0,036 x 1 = 0,164 mđlg/l + pH sau làm thoáng:

+ Nồng độ oxi trong nước sau làm thoáng:

[O2]còn = [O2]hoà tan – (0,47H2S + 0,143Fe2+)

= 8,1 – (0,4 x 1 + 0,143 x 1) = 7,487 mg/l Thế oxi hoá khử của oxi:

)*   & +"# ,  -./01

= 2– 2+  ( ,   -./41  556 Thế oxi hoá khử của Fe:

)?@A ?@  B )C DC nên cũng xảy ra sử oxi hoá Mn

+ Ban đầu ta có: pH = 6 => [H+] =10-6 mol/l = 10-3 mg/l

[OH-] = 10-8 mol/l = 1,7.10-4 mg/l Alktổng = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] – [H+] (eq/l)

ð 10/50000 = = [HCO3-] + 2[CO32-] + 10-8 – 10-6 (1)

E FDG/%C91

/D%C91  :   (2) (1)(2)=> [CO32-] = 9,45.10-9 mol/l = 2,835.10-4 mg/l

[HCO3-] = 2.10-4 mol/l = 12,2 mg/l

+ Sau khi xử lý bằng giàn mưa, nước phải đạt pH > 6,8 và có độ kiềm > 2 mđlg/l để

hiệu quả xử lý sắt xảy ra tốt Theo tính toán, sau giàn mưa nước có pH = 6,13 và

Alk = 0,164 mđlg/l, do đó cần phải bổ sung thêm độ kiềm cho nước

Sau làm thoáng, pH = 6,13 và Alk = 0,164 mđlg/l

ð [HCO3-] = 10,004 mg/l Theo yêu cầu: pH = 6,8 và Alk = 2mđlg/l

ð [HCO3-] = 121,39 mg/l

ð Lượng HCO3- cần thêm là 121,39 – 10,004 =111,386 mg/l

ð Lượng NaHCO3- =153,384mg/l

CHƯƠNG III: Tính toán thiết kế các công trình

Lưu lượng nước lên giàn mưa: Q = 100m3/h = 2400m3/ngđ

Tổng diện tích giàn mưa:

S TK

U   

qm = 10m3/m2.h – cường độ mưa (qm = 10-15m3/m2.h)

Chọn 2 giàn mưa, diện tích mỗi giàn mưa là:

V W7    , vậy chọn kích thước giàn mưa là 2m x 2,5m

Diện tích bề mặt tiếp xúc của giàn mưa:

X 
hfij2 ! – hàm lượng CO2 ứng với pH=7,5 và độ kiềm nước nguồn

hf  (2 ! – hàm lượng CO2 ứng với pH và độ kiềm đã biết ở 250C

i   – hệ số kể đến lượng muối hoà tan trong nước

Bảng 1.1: trị số hệ số i Lượng muối trong nước

Diện tích bề mặt đơn vị (m2/m3)

Trọng lượng (kg/m3)

ð Vận tốc nước trong ống là 0,8m/s (nằm trong giới hạn)

Chọn đường kính ống dẫn nước từ sàn thu nước xuống có d=120mm

ð Vận tốc nước trong ống là 1,2m/s (nằm trong khoảng 1,0-1,5m/s)

Giàn mưa gồm 4 tầng, mỗi tấng cách nhau 0,8m

Hệ thống phân phối nước cách sàn trên cùng 0,8m

Chiều cao phần thu nước lấy bằng 0,3m

Vậy chiều cao của giàn mưa là: H = 0,3 x 5 + 4 x 0,8 = 4,7m

Hệ thống cửa chớp được bố trí trên toàn bộ chiều cao của giàn mưa và xung quanh

giàn mưa

III Bể khuấy trộn hoá chất:

Công suất xử lý của trạm:

Q = 100m3/h Diện tích tiết diện ngang ở phần trên của bể trộn với vận tốc nước dâng trong bể vd=

25mm/s = 0,025m/s:2

VX z_

{ (     Vậy chọn kích thước bể trộn là 1,1m x 1,1m

Chọn đường kính ống dẫn nước vào bể trộn là d = 180mm

ð Vận tốc nước trong ống là 1,09m/s (nằm trong khoảng 1-1,5m/s) Vậy diện tích phần đáy bể (phần nối với ống) sẽ có diện tích là:

fđ = 0,18 x 0,18 = 0,0324 m2

Chọn góc nón α = 400 thì chiều cao phần dưới của bể là:

a{ e|X& |{g}$~ e & 5g}$~  (

Thể tích phần dưới:

R{  a{eVX , V{, VX  V{   (e ,  ,   

 (Thể tích toàn phần của bể với thời gian lưu nước là t = 1,5 phút:

R  _  ~(   (  Thể tích phần trên là: Wt = 2,5 – 0,6 = 1,9m3

Chiều cao phần trên của bể là:aX €\

 \ O  :, chọn ht = 1,6m

Chiều cao toàn phần của bể:

H = ht + hd = 1,6 + 1,26 = 2,86m Thu nước bằng máng vòng có lỗ ngập trong nước Nước chảy trong máng đến chỗ

ống dẫn nước ra khỏi bể theo 2 hướng ngược nhau, vậy lưu lượng nước tính toán

của máng là:

x  _    Diện tích tiết diện máng với tốc độ nước chảy trong máng vm = 0,6m/s:2

V‚ xz‚

‚ (  (   Chọn chiều rộng máng bm = 0,25m thì chiều cao máng là:

 † N  2!2 Các lỗ được bố trí ngập trong nước 70mm (tính đến tâm lỗ)

Chu vi phía trong của máng: Pm = 4bm = 4 x 1,1 = 4,4m

ð Khoảng cách giữa các tâm lỗ là: c  ‡U

Tốc độ nước dâng trong bể:

z #  ~     (  5 y2Diện tích toàn phần của bể lắng:

S €D

† PPP  Chia làm 2 bể lắng, diện tích mỗi bể là:V  7   ((:

Lưu lượng nước qua mỗi bể là:x  s‚n 9  ! y

Chọn diện tích ống trung tâm có d = 130mm => f = 0,0133m2

ứng với vận tốc v = 1,05m/s Tổng diện tích mỗi bể kể cả ống trung tâm là :

F = 16,67 + 0,01333 = 16,6833m2 = 4,1m x 4,1m (chọn bể lắng hình vuông) Đường kính ống phân phối nước trung tâm là:

Dtt = 0,2B = 0,2 x 4,1 = 0,82m Đường kính phần loe của ống phân phối:

Dloe = 1,35Dtt = 1,35 x 0,82 ƒ 1,1m Chiếu cao của vùng lắng bằng 0,8 chiều cao phần trên của bể lắng, ta có:

Tổng chiều cao của bể lắng là: H = Htr + Hnón + Hbv = 2,5 + 2,2 + 0,5 = 5,2m

Để thu nước sau lắng, ta dùng hệ thống máng vòng chảy tràn xung quanh thành bể,

nước chảy theo 2 chiều nên diện tích mặt cắt ngang của máng vòng là:

V… …K P   (v = 0,6m/s – vận tốc nước trong máng)

Chọn tiết diện máng là 0,1m x 0,12m

Thể tích bể chứa nước trung gian:

V = Q.t = 100 x 0,5 = 50m 3/h

t = 30 phút = 0,5h – thời gian lưu nước trong bể Chọn bể chứa nước có dạng hình chữ nhật

Kích thước của bể là L x B x H = 2,5m x 2m x 2m

Chọn chiều cao bảo vệ là 0,3m

Vậy kích thước của bể là L x B x H = 2,5m x 2m x 2,3m

VI Bồn lọc áp lực:

a Tính toán kích thước bồn:

Cấu tạo của bồn:

- Thân hình trụ tròn, đáy và nắp là mặt e-lip

Chia làm 4 bồn lọc, diện tích 1 bồn: 2

V  S ((:  ((:

ð Đường kính bể là d = 1,45m

ð Chọn d = 1,5m Diện tích lọc tổng cộng: S sŠ    ::

ð Vận tốc lọc z  K7  ƒ  a

b Chiều cao của bồn lọc:

Chiều cao của bồn lọc được tính như sau:

H = hđ + hvl + hn +hbv-hđ = 0,2m – chiều cao lớp sỏi đỡ -hvl = 1m – chiều cao lớp vật liệu lọc

hthan = 0,5m

hcát = 0,5m -hbv = 0,3m – chiều cao bảo vệ -hn – khoảng cách từ bề mặt vật liệu lọc tới phễu phân phối nước

hn = hvl.e + 0,3 = 1 x 0,5 + 0,3 = 0,8 m e: hệ số nở tương đối của vật liệu khi rửa ngược

ð H =0,2 + 1 + 0,8 + 0,3 = 2,3m

c Hệ thống phân phối nước và thu nước: Q = 100m3/h

4 bồn lọc, lưu lượng nước cho mỗi bồn: 25m3/h

Chọn ống dẫn nước vào bồn lọc có D = 100m

ð Vận tốc nước trong ống v = 0,88m/s (quy phạm từ 0,8 - 1,2m/s)

Ta rửa lọc bằng nước thuần tuý

Lưu lượng nước rửa cho 1 bồn:

_ˆ € sŠs :/s

W = 15 l/s.m2 – cường độ rửa lọc Chọn ống dẫn nước có D = 100mm = 0,1m

hvl =0,25 bar/m x 0,45m =0,1125bar = 1,15mH2O-TTAL qua lớp nhựa

Số lượng chụp lọc trong bồn: H    V  sŠ :2}Ž

Lưu lượng nước rửa lọc: Qr = 0,0027 m3/s

=>lưu lượng nước qua mỗi chụp lọc:

Độ cứng ban đầu: CCa2+ = 60mgCaCO3/l = 1,2 mđlg/l

CMg2+ = 10mgCaCO3/l = 0,2 mđlg/l

ð C0 =1,2 + 0,2 = 1,4 mđlg/l (hay 1,4 eq/l) Thời gian làm việc: T = 24h

Dung lượng trao đổi của nhựa DOWEX HGR-W2 là 2eq/l

Tổng dung lượng cần trao đổi:

(C0 – C) x Q x T = (1,4 – 0,02) x 100 x 24 = 3312 eq Với C = 0,02 eq/m3 – yêu cầu độ cứng sau xử lý Thể tích nhựa cần thiết:

‘ NN  

Chọn chiều cao lớp nhựa: hnh = 0,45m

Vận tốc rửa ngược là 25m/h, tra đồ thị 1 trong catalogue ta có độ giãn nở của lớp

nhựa e = 70%

ð chiều cao bảo vệ hbv = 70% x hnh + 0,3 = 0,615m

ð Lấy chiều cao h bv = 0,65m

Chiều cao lớp đỡ: hđ = 0,2m

Chiều cao bồn lọc: H = hnh + hbv + hđ = 1,3m

b Tính toán hoàn nguyên: hoàn nguyên nhựa bằng dung dịch HCl 5%

Lượng HCl cần thiết để hoàn nguyên: mHCl = as.Vnh.ĐHCl

as = 2eq/l – dung lượng trao đổi của nhựa

vnh = 1656 l – thể tích lớp nhựa

ĐHCl = 36,5g/eq – đượng lượng của HCl

ð MHCl = 2 x 1656 x 36,5 = 120888g = 120,888kg Lượng dung dịch HCl 5% cần dùng:

{{D%^ NNNs’  ::(Q

Giả sử dung dịch HCl 5% có khối lượng riêng là 1kg/l

Thể tích dung dịch HCl 5% là:

;{{D%^ ‚ ” P  ::(!  Vận tốc hoàn nguyên lấy bằng 3m/h

Thời gian hoàn nguyên:

~   a  2"a•~

Chọn bồn pha dung dịch có thể tích 2,5m3

Ống dẫn hoàn nguyên có D = 50mm

Bơm hoá chất có lưu lượng: _    a

c Hệ thống thu nước và phân phối:

Chọn ống dẫn nước có D=50mm

Phểu phân phối nước có đường kính đáy nhỏ là 50mm, đường kính đáy lớn là

200mm

Chiều cao phểu là 150mm

Chọn số lượng chụp lọc trên 1m2 cột lọc là 40 cái

D = CSO42- + CCl- + C0SiO32- - C1SiO32- = 1,269 mđlg/l hay 1,269eq/l Thời gian làm việc: T = 24h

Dung lượng trao đổi của nhựa là as = 1,1eq/l

... 2.10-4 mol/l = 12,2 mg/l

+ Sau xử lý giàn mưa, nước phải đạt pH > 6,8 có độ kiềm > mđlg/l để

hiệu xử lý sắt xảy tốt Theo tính tốn, sau giàn mưa nước có pH = 6,13

Alk = 0,164... tấng cách 0,8m

Hệ thống phân phối nước cách sàn 0,8m

Chiều cao phần thu nước lấy 0,3m

Vậy chiều cao giàn mưa là: H = 0,3 x + x 0,8 = 4,7m

Hệ thống cửa chớp bố trí... hd = 1,6 + 1,26 = 2,86m Thu nước máng vòng có lỗ ngập nước Nước chảy máng đến chỗ

ống dẫn nước khỏi bể theo hướng ngược nhau, lưu lượng nước tính tốn

của máng là:

x