thiết kế hệ thống xử lý khí thải nồi hơi công suất 100m3 hơi/h sử dụng than đá

trình bày thiết kế hệ thống xử lý khí thải nồi hơi công suất 100m3 hơi/h sử dụng than đá

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI NỒI HƠI CÔNG

Chương I:Yêu cầu thiết kế

I.1.Số liệu đầu vào

-Công suất nồi hơi:100 m3hơi/h

V V

lấy α=1,25

Vo lượng không khí cần để đốt 1 kg than,m3/kg

lấy Vo=7,1 m3/kg t-nhiệt độ khí thải,°C

lấy t=150°C Nguồn[1]

Tính toán lượng than đốt trong 1 giờ

Nhiệt lượng cần tiêu tốn để làm bay hơi 1 tấn nước ở 30°C(xem nước bay hơi ở 100°C)

Q=MC∆t,J

Trong đó: C-nhiệt dung riêng của nước,J/kg.K

M-khối lượng nước cần bay hơi,kg

∆t-hiệu số giữa nhiệt độ cuối và đầu,°C Q=1000*4200*(100-30)=294*106J=294*103=70237,47 kcal

Than An-tra-xit có nhiệt lượng là 6810 kcal/kg(Nguồn[4])

I.2.Số liệu đầu ra

Khí thải sau khi xử lý cần đạt QCVN 19:2009/BTNMT_Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ)

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 Được trích ở bảng sau:

Nếu so với quy chuẩn khí thải sau xử lý đạt chất lượng loại B thì hàm lượng SO2

và bụi vượt quá giới hạn cho phép nên cần xử lý hai thành phần này

I.3 Đề xuất và thuyết minh quy trình công nghệ

I.3.1 Đề xuất quy trình công nghệ xử lý

Xử lý bụi

Các loại than đá được sử dụng ở TP.Hồ Chí Minh đa số là than An-tra-xit.Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy tỷ lệ phân bố các loại hạt bụi ở các đường kính trung bình trong khí thải nồi hơi đốt than như sau:

Dtb(µm) 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-86 86-100 >100

(Nguồn[1])

Với kết quả nghiên cứu trên kết hợp với bảng sau:

Bảng:Các thông số đặc trưng của thiết bị thu hồi bụi khô

tối đa(m3/h)

Hiệu quả

xử lý

Trở lực(Pa) Giới hạn

nhiệt độ(°C)

ta sử dụng buồng lắng bụi để lắng các hạt bụi có kích thước >100µm,sau đó dòng

khí được dẫn qua xiclon để xử lý tiếp các hạt nhỏ hơn

Trong các thiết bị dùng cho phương pháp hấp thụ thì dung dịch hấp thụ được sử dụng có thể là nước hoặc dung dịch hoá học như dung dịch kiềm,dung dịch sữa vôi…nếu dùng dung dịch hoá học thì hiệu suất hấp thụ các chất ô nhiễm sẽ cao nhưng đắt tiền.Dùng nước thì rẻ tiền và anh toàn cho thiết bị nhưng hiệu suất hấp thụ các chất ô nhiễm dạng khí sẽ kém hiệu quả hơn

Do dòng khí thải chứa thành phần ô nhiễm chính là SO2 nên dung dịch hấp thụ được chọn là dung dịch Ca(OH)2vì các ưu điểm sau:

-Chất thải thứ cấp của nó được đưa về dạng thạch cao không gây ô nhiễm thứ cấp cho nguồn nước và có thể tách ra khỏi nước đem chôn lấp an toàn

-Là loại dung dịch rẻ tiền,dễ kiếm

-Tính ăn mòn thiết bị yếu,ít gây nguy hại cho thiết bị xử lý

-Dung dịch này ngoài nhiệm vụ hấp thụ SO2 còn có tác dụng làm nguội khí thải đáp ứng tiêu chuẩn về nhiệt độ khí thải đầu ra của ống khói

Tháp hấp thụ được chọn là tháp đệm vì dòng khí có chứa bụi và tạo được bề mặt tiếp xúc lớn nên tháp sẽ có kích thước nhỏ,kinh tế hơn.Vật liệu đệm là vòng sứ với

ưu điểm là chịu được môi trường ăn mòn tốt và chịu được nhiệt độ cao,ngoài ra còn có tác dụng kết dính bụi trong khí thải vào dung dịch hấp thụ sau đó được tách

ra ở dạng cặn trong bể lắng

I.3.2.Thuyết minh quy trình công nghệ

Sơ đồ xử lý khí thải nồi hơi đốt than đề xuất như sau:

Bể trộn dung dịch

sữa vôi

Bể lắng

Nước thải

bổ sung Khí thải

thải tuần hoàn

Khí thải sau khi được thu gom bằng chụp hút sẽ được dẫn qua buồng lắng để thu hồi bụi có kích thước lớn.Dòng khí sau khi qua buồng lắng sẽ được dẫn qua xiclon thu hồi bụi có kích thước nhỏ hơn.Dòng khí sau khi qua xiclon sẽ được dẫn vào tháp hấp thụ.Khí thải được đưa vào tháp từ dưới lên,dung dịch hấp thụ được đưa lên trên thân trụ và được đĩa phân phối đều lên lớp vật liệu đệm.Dòng khí đi từ dưới lên,dòng lỏng từ trên xuống qua lớp đệm cả hai tiếp xúc nhau và xảy ra quá trình hấp thụ.Dung dịch SO2 lắng xuống đáy tháp và được đưa đến bể xử lý.Khí ra

ở đỉnh tháp được thải ra ngoài qua ống khói cao

Dung dịch sau khi qua tháp hấp thụ được sử dụng tuần hoàn.Theo thời gian,dung dịch giảm dần pH và chứa nhiều cặn.Nước thải này được dẫn đến bể lắng để tách bụi và các tinh thể thạch anh.Sau đó được dẫn đến bể trộn dung dịch sữa vôi.Khi

bổ sung dung dịch mới,một lượng dung dịch cũ sẽ được thải bỏ.Dung dịch mới lại được bơm vào tháp

Chương II:Tính toán và thiết kế

II.1.Tính toán và thiết kế buồng lắng bụi

- Diện tích mặt cắt ngang của buồng lắng

Trong đó: u-tốc độ dòng khí đi qua thiết bị,m/s

B-chiều rộng buồng lắng,m H-chiều cao buồng lắng,m V-lưu lượng khí đi qua buồng lắng,m3/s

-Lưu lượng khí thải:

4, 14822 273

150 273 ) 1, 7 ) 1 25

- Chiều rộng,chiều dài và chiều cao buồng lắng

Sau khi xác định tiết diện ngang f ta tự chọn chiều rộng buồng lắng B thì tìm được chiều cao buồng lắng H và ngược lại

-Thời gian lưu của dòng khí

τl=l/u,s

Trong đó: τl-thời gian lưu,s

l-chiều dài buồng lắng,m u-vận tốc dòng khí qua buồng lắng,m/s

-Thời gian lắng của bụi

τo=H/ωo,s

Trong đó: τo thời gian lắng,s

H-chiều cao buồng lắng,m

150273

273293,1273

Trong đó: ρb khối lượng riêng của bụi,kg/m3

ρ-khối lượng riêng của khí,kg/m3

g-gia tốc trọng trường,m/s2

d-đường kính hạt bụi,m µ-độ nhớt động học của khí,Pa.s

2 3

3 6

273

150273124)150273(

12427310

*18

)10

*50(

*81,9

*)834,01600

(

6

2 6

10

*217,24

10

*50

*09,0

*834,0

*834,03

)834,01600(

*10

*50

*81,943

)(

F=V/ωo=4,117/0,09=45,74 m2

- Thời gian lắng của hạt bụi,thời gian lưu của khí

-Thời gian lắng của hạt bụi

II.2 Tính toán và thiết kế xiclon

-Khối lượng riêng khí

740

*22

*14,3

117,4

*4

,

3

117,4

*834,

2

V

ρ

-Các kích thước của xiclon

• Chiều rộng cửa vào b=0,21D=0,315 m

• Chiều cao cửa vào h=0,66D=0,99 m

Gd,Gcsuất lượng hỗn hợp khí đầu vào và ra,kmol/h

Ld,Lc suất lượng Ca(OH)2đầu vào và ra,kmol/h

Ltr,Gtr-suất lượng mol của cấu tử trơ trong pha lỏng và khí,kmol/h

xd,xc phần mol của SO2 trong pha lỏng vào và ra,kmol SO2/kmol dd

yd,yc phần mol của SO2 trong pha khí vào và ra,kmol SO2/kmol hh

Xd,Xctỉ số mol của SO2 trong pha lỏng vào và ra,kmol SO2/kmol dd

Yd,Yctỉ số mol của SO2 trong pha khí vào và ra,kmol SO2/kmol hh

o tr tr o

o SO SO tr

TP

T TP

T P M TP

T P M

+

=+

=

ρ

Trong đó: To nhiệt độ pha khí ở điều kiện chuẩn,°K

T-nhiệt độ pha khí ở điều kiện đang xét,°K

)273(273

4,

4,22021,0

Ptr-áp suất riêng phần của khí trơ,mmHg

Po áp suất của hỗn hợp khí ở điều kiện chuẩn,mmHg

453,759547,0

Tỉ số mol SO2 trong hỗn hợp khí đầu vào

Yd=yd/(1-yd)=0,729*10-3/(1-0,729*10-3)=0,73*10-3mol SO2/mol hh

Giả sử ban đầu dung dịch là sạch nên Xd=0

SO2 đầu ra đạt tiêu chuẩn loại B(0,5g/m3)⇒ nồng độ SO2 đầu ra n=0,5/64=7,8125*10-3mol/m3

Nồng độ phần mol SO2trong hỗn hợp khí đầu ra

yc=7,8125*10-3/28,8=0,2713*10-3 mol SO2/mol hh

Tỉ số mol của SO2 trong hỗn hợp khí đầu ra

Yc=yc/(1-yc)=0,2713*10-3/(1-0,2713*10-3)=0,27137*10-3 mol SO2/mol hh

II.3.2.Xác định suất lượng pha lỏng cho quá trình hấp thụ, đường làm việc, đường cân bằng

Phương trình đường cân bằng

T T SO

,2)log(

273))1(

(

2

t

M y M

10)2713,0729,0(2

150273(4,22

273)29)10

*2289,01(

−+

g

M y M

y

/10

*008,29/

008

,

29

29)10

*2289,01(

64

*10

*2289,0)1(

3

3 3

=

−+

P

hhkhi

hhkhi M

,

0

14,

Gọi nồng độ SO2 lớn nhất trong dung dịch ra khỏi tháp theo tỉ số mol là Xcmax

Xcmaxlà giao điểm giữa đường thẳng Yd và đường cân bằng

P Y P

YP P P YP

10

*73,01

10

*10

*73,

0

5 3

,2)log(

8358,0

10

*008,29048

*6659,1

10

*27137,010

*73,0(0193,427)

3 3

3 1,1106*1010

)27137,073,0(

3406,176

0193,427)

⇒ phương trình đường làm việc :Y=0,413X+0,2714*10-3

ĐƯỜNG CÂN BẰNG-ĐƯỜNG LÀM VIỆC

Nồng độ phần khối lượng của SO2 trong hỗn hợp khí đầu vào

kghhkhi kgSO

y M M

y

M y

y

d tr SO

d

SO d

d

/10

*73,01(2964

*10

*73,0

64

*10

*73,0)

1(

2 3

3 3

=

−+

=

Lưu lượng pha khí

3

3 5,5402*1010

*6096,1*

*73,0

10

*27137,010

*73,0

3

3 3

Y

Y Y

η

Khối lượng SO2 còn lại ở đầu ra

3 3

3 ,34349*10 ,21053*1010

*5402

Lưu lượng khí đầu ra

* 17 40 (

* 3406 ,

tb

G

D

ρ ω

785

0

=

Trong đó: Gtb-lưu lượng trung bình của pha khí,kg/s

ρk khối lượng riêng trung bình của pha khí,kg/m3

ωk vận tốc khí qua tiết diện tháp,m/s Lưu lượng trung bình của pha khí

4403 , 3 2

4386 , 3 442

Trong đó: ωgh-vận tốc giới hạn tương ứng với điểm nghịch đảo,m/s

Vận tốc pha khí tại điểm nghịch đảo được tính theo công thức sau

125 , 0 25 , 0 16

, 0 3

2

75,1

tb x

ρµ

µx-độ nhớt vận động của nước ở nhiệt độ làm việc (40°C),Pa.s µ-độ nhớt vận động của nước ở 20°C,Pa.s

Gtb,Ltb-lưu lượng trung bình pha khí và lỏng,kg/s

ρy,ρx-khối lượng riêng pha khí và lỏng,kg/m3

A-hệ số phụ thuộc dạng quá trình, đối với hấp thụ A=0,022 Lựa chọn vật liệu đệm

Tra bảng IX.8 trang 193_Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất-tập 2

-Chọn vòng sứ đổ đống lộ xộn kích thước 25x25x3 mm

-Bề mặt riêng σ=195 m2/m3

-Thể tích tự do VR=0,75 m3/m3

-Số đệm trong 1 m3là 46*103

-Khối lượng riêng xốp 600 kg/m3

Lưu lượng lỏng trung bình

6265 , 3 2

6282 , 3 6248

Lưu lượng khí trung bình:Gtb=3,4403 kg/s

Khối lượng riêng của chất lỏng:ρx=1000 kg/m3

Khối lượng riêng của khí:ρy=1,293* 1,1278

40273

, 0 16

, 0 3

2

1000

1278,

14403,3

6265,375,1022,0005

,1

656,

01000

Tính lại vận tốc làm việc chính xác ứng với đường kính D=1,5 m

727,11278

,1

II.3.3.2.Xác định chiều cao lớp đệm

Chiều cao lớp đệm hấp thụ H thường được xác định theo số đơn vị truyền khối (Noy) và chiều cao tương đương 1 đơn vị truyền khối (Hoy)

H=Noy*Hoy

Xác định số đơn vị truyền khối

Số đơn vị truyền khối được tính theo công thức

−310

Chiều cao 1 đơn vị truyền khối phụ thuộc đặc tính đệm,chế độ thủy động lực của tháp và tính chất hóa lí của các pha

x tb

tb y

Trong đó: b-hệ số phụ thuộc dạng đệm, đối với vòng Rasing b=0,123

ψ-hệ số thấm ướt của đệm,xác định theo đồ thị phụ thuộc tỉ lệ mật

độ tưới làm việc(U) trên mật độ tưới tối ưu(Utu)

*785

ρl-khối lượng riêng pha lỏng,kg/m3

Ltb-lưu lượng lỏng trung bình,kg/s

5,1785,0

*

1000

3600

*6265

Utuđược tính theo công thức Utu=B*a

Trong đó: B-hệ số phụ thuộc dạng quá trình, đối với hấp thụ B=0,158

a-diện tích bề mặt vật chêm,m2/m3

⇒Utu=0,158*195=30,81

81,30

39,7

aρ

ρω

4

Trong đó: ωk vận tốc khí qua tiết diện tháp,m/s

ρk khối lượng riêng trung bình pha khí,kg/m3

a-diện tích bề mặt vật liệu chêm,m2/m3

µk độ nhớt động học của pha khí,Pa.s

Độ nhớt động học của pha khí được tính như sau:

kk

kk kk SO

2

2 2

SO

Mk khối lượng phân tử hỗn hợp khí,g/mol

3 3

3

3

10

*018,0

29)10

*2289,0

1(

10

*014

,

0

64

*10

*2289

836,0

*727,1

3 6

2 3

76010

*3,10

*26

D

L

2785,

*6560,0

*5,1785,0

6265,3

*4

Hệ số khuếch tán SO2 trong nước ở 23°C được tính theo công thức:

2 1 2

3

1 3

1 2

1

6 23

2 2

2 2

11

O H SO

l

M M

V V

AB

D

µ

(Công thức 5.23 Sách Ví dụ và bài tập tập 10)

Trong đó: µ-độ nhớt động học của nước ở 23°C,µ=0,9385*10-3

Ns/m2=0,9385mPa.s

A,B-các hệ số phụ thuộc tính chất dung môi

B=4,7 dung môi là nước A=1 đối với khí

Theo bảng 5.4 trang 227 sách Ví dụ và Bài tập_tập 10

mol cm V

, 0

2 3

1 3

1 5 , 0

6

18

164

1)8,142,42(1000

*324

,

0

2 3

4403,3

*6209

Chiều cao phần tách lỏng Hcvà Hd được chọn theo bảng sau,phụ thuộc vào đường kính tháp:

-Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn

-Nhiệt độ làm việc t°C=40°C

-Áp suất làm việc Plv=1at=101325N/m2

Chọn vật liệu là thép không gỉ để chế tạo thiết bị

-Khối lượng riêng:ρ=7900 kg/m3

Chọn công nghệ gia công là hàn tay bằng hồ quang điện,bằng cách hàn giáp mối 2 bên

-Hệ số hiệu chỉnh:η=1

-Hệ số an toàn bền kéo:nk=2,6

-Hệ số an toàn bề chảy:nc=1,5

II.4.2 Tính bề dày thân tháp:

Các thông số ban đầu của tháp mà ta đã biết như sau:

-Chiều cao tháp H=6,39m

-Khối lượng riêng của pha lỏng:ρl=1000kg/m3

-Tốc độ ăn mòn của SO2=0,1mm/năm

-Hệ số bền mối hàn ϕh=0,95(Tra bảng XIII.8,trang 362,Sổ tay Quá trình và công nghệ hóa chất tập 2)

-Hệ số hiệu chỉnh η=1 (tra bảng XIII.2,trang 356,Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất với thiết bị thuộc nhóm 2)

Xác định áp suất làm việc trong tháp:

P=pmt+pl,N/m2

Trong đó: pmt-áp suất pha khí trong thiết bị,pmt=1at=0,1013*106N/m2

pl-áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị

*54,211

16,2

*67,14615,1

* 1643 , 0

67 ,

⇒Bề dày tối thiểu của thân là:

S

h

884,095,067,146

*

2

1643,01500

2

ϕ

σ

Chọn hệ số bổ sung để quy tròn kích thước:

C=Co+C1+C2+C3

Trong đó: Co=1,05 mm:số quy tròn kích thước

C1=1,5 mm :số bổ sung do bào mòn hóa học trong thời hạn sử dụng thiết bị là 15 năm với tốc độ ăn mòn 0,1 mm/năm

C2=0:số bổ sung do ăn mòn cơ học

C3=0,8 mm :số bổ sung do dung sai âm(tra bảng XIII.9,sổ tay quá trình và công nghệ thiết bị hóa học)

<0,1⇒hoàn toàn thỏa mãn

Áp suất cho phép trong thân thiết bị khi bề dày S=8mm:

) 1 8 ( 1500

) 1 8 (

* 95 , 0 67 , 146

* 2 ) (

) (

− +

C

S

D

C S

Chọn bề dày của đáy và nắp là S=8mm

Chọn đáy và nắp có gờ,chiều cao gờ h= 25mm.Theo bảng XIII.10 và XIII.11 trang 382,383,384-Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 2,các thông số của đáy như sau:

riêng phần,m2

Thể tích đáy,m3

Đường kính phôi D,mm

lượng,kg

II.4.4 Tính toán ống dẫn khí,lỏng vào và ra khỏi tháp:

I I.4.4.1.Tính toán đường ống dẫn khí:

Vận tốc khí trong ống khoảng 10-30 m/s,chọn vận tốc khí đi vào tháp bằng vận tốc khí ra khỏi tháp,v=20m/s

Ống dẫn khí vào:

m kg

s

,4/

836,0

/442,

3 =

⇒đường kính ống khí vào là:

m v

G

20

117,4

*4

=

π π

Chọn đường kính ống tiêu chuẩn là d=500mm,bề dày ống 13mm,vật liệu thép không gỉ

Ống dẫn khí ra:

Lưu lượng khí đầu ra Gc= 4,113m / s

836,0

4386,

=

π π

Chọn đường kính tiêu chuẩn là d=500mm,bề dày 13mm,vật liệu là thép không gỉ

10

*6248,3

*4

10

*6282,3

Số bulông

Z

h

db

Số bulông

db

Số bulông

ống tháo đệm được hàn vào thân thiết bị,bên ngoài có lắp mặt bích

theo bảng tra chiều dài đoạn ống nối là 130mm

II.4.6.2.Lưới đỡ đệm:

Chọn đường kính lưới đỡ đệm theo bảng IX.22-Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 2

⇒các thông số của lưới:

b,mm,đệm 25x25

II.4.6.3.Bộ phận phân phối lỏng:

Chọn theo tiêu chuẩn thép X18H10T:dùng đĩa phân phối loại 2 bảng IX.22 trang 230-Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2

Ta chọn kích thước ống nhập liệu giống như ống tháo đệm

Sử dụng kính quan sát để có thể có thể theo dõi quá trình khi vận hành

Đường kính của kính quan sát d=200 mm

Chiều dày đoạn ống nối l=130 mm

II.4.7.1.Bơm:

Dựa vào đặc tính quá trình có áp suất không cao nên bơm ta chọn là bơm ly tâm.Hơn nữa bơm ly tâm là loại bơm được sử dụng rộng rãi hiện nay trong nhiều ngành công nghiệp hóa chất

Theo trang 493-Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1,công suất của bơm được tính như sau:

=

=

783,0

*1000

81,9

*1000

*20

*10

*6248,

Trong đó: Q-lưu lượng lỏng đầu vào,Q=Ld=4,4kg/s

H-Chiều cao cột áp của bơm,ta lấy H≈20mH2O η-hiệu suất bơm

Theo bảng II.32 trang 439-Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ta chọn

Hiệu suất một số loại bơm

0,8-0,94 0,8-0,85

>0,7

0,9-0,95 0,95-0,96

>50

2-1,5 1,5-1,2 1,2-1,15 1,1 Chọn hệ số dự trữ β=1,4

Công suất bơm: Nb=βN=1,4*1,217=1,7Hp

⇒Chọn bơm có công suất 2Hp

II.4.7.2 Quạt:

Công suất quạt:

q tr

P Q N

ηη1000

∆

=Trong đó: Q-lưu lượng khí đầu vào,Q=4,117m3/s

∆P=5195 N/m2

-trở lực của tháp η-hiệu suất của quạt

ηtr=1

ηq tra đồ thị đặc tuyến của quạt ly tâm,ηq=0,535

98,391000

Công suất thực tế phải tính thêm hệ số sự trữ,chọn β=1,1

Chọn quạt có công suất 60Hp

II.5.Tính toán và thiết kế ống khói

-Lưu lượng thể tích khí thải đi vào ống khói

V=G/ρ,m3/s

Trong đó: G-suất lượng khí đầu ra của tháp hấp thụ,kg/s

ρ-khối lượnh riêng trung bình của hỗn hợp khí,kg/m3

3

114 , 4