kỹ thuật khống chế ô nhiễm không khí và tiếng ồn

CHƯƠNG KHÍ QUYỂN VÀ Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ Nội dung Hóa học & cấu tạo khí Các tầng khí Ơ nhiễm khơng khí Tác hại nhiễm khơng khí HĨA HỌC VÀ CẤU TẠO KHÍ QUYỂN Áp suất khí Khơng khí giống khí khác nén được, nên bị nén lại tầng gần mặt đất Ở gần mực nước biển P = 1kg/cm2 = 1013 hPa, giảm 1hPa / 10m cách mực nước biển (1hPa ≡ 100 Pa) P = 100hPa, < 16km P = 10hPa, < 32km 75% khơng khí nằm < 16km Đỉnh Everest (8850m) ~ 300hPa Mật độ khối lượng khí Mật độ khí mực nước biển khoảng 1,2 kg/m³ giảm theo độ cao Tổng khối lượng bầu khí khoảng 5,1 × 1018 kg, hay khoảng 0,9 ppm khối lượng Trái Đất Hóa học khí Rất quan trọng tương tác khơng khí sinh vật sống Thành phần khí  Nitrogen, N2 - 78.084%  Oxygen, O2 – 20.946%  Argon – 0.934% Minor constituents:  CO2, Ne, He, CH4, Kr, H2, H2O(g) Chú ý: khối lượng mol phân từ khơng khí 28.97 g/mol Thành phần khí Khí trái đất gồm: Thành phần ~78% Nitrogen (N2) ~21% Oxygen (O2) Thành phần chiếm tỉ lệ nhỏ ~1% Argon (Ar) ~0% - 4% (H20) Thành phần vết Ozone (O3) Particulate Matter (PM) Carbon Monoxide (CO) Sulfur Dioxide (SO2) Nitrogen Dioxide (NO2) Lead (Pb) Chất ô nhiễm tiêu biểu Air Toxics Chất gây ung thư, chất biến đổi gen Acid Rain Phá hủy hệ sinh thái Carbon Dioxide (CO2) Methane (CH4) Các chất khác Khí nhà kính CFCs HCFC Các chất khác Phá hủy ozon tầng bình lưu Thành phần khí Thành phần khí Oxygen: Tổng lượng oxygen có khí quyển: 1,8x1019mol 1,2x1018 kg Q trình sinh oxy khí phản ứng quang hợp (5,0x1015 mol/năm, tức 4,0x1014 kg/năm) Quá trình quang hợp cân với q trình tiêu thụ oxy (q trình hơ hấp, phân hủy chất hữu trình đốt nhiên liệu hóa thạch) Được phân bố khí quyển, khơng có thay đổi áp suất riêng phần O2 nơi nơi khác Thành phần khí Nước: Khoảng 7x1014 mol nước tồn dạng khí so với khoảng 9,5x1019 mol tồn bề mặt dạng lỏng Lượng bốc từ đại dương (2,2x1016 mol/năm) từ sông hồ (3,5x1015 mol/năm) Lượng nước ngưng tụ mặt đất (5,5x1015 mol/năm), đại dương (1,9x1016 mol/năm) Thời gian tồn lưu trung bình nước khí 3x10-2 năm (10 ngày) Áp suất bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ Thành phần khí Nitrogen: Khí chứa khoảng 3,9x1018 kg nitrogen Nguồn tiêu thụ N2 chủ yếu trình cố định nitơ sinh học (2x1011kg/năm), trình sản sinh NO sét trình đốt (7x1010 kgN/năm) Tốc độ sinh N2 nhỏ so với lượng có khí  thời gian tồn lưu cửa N2 lớn (107 năm) Carbon dioxide: Lượng CO2 có khí 1,4x1016 mol Hàng năm đại dương sử dụng hết 7x1015mol trả lại vào khí 6x1015 mol CO2 Thời gian lưu CO2 khí khoảng năm Thành phần khí Hydrogen: Hydrogen chiếm phần nhỏ khí (0,5ppmV) Tồn khí chứa 180.000 H2 lượng tiêu thụ hàng năm 90.000 Thời gian lưu H2 khí năm Khí hydro hòa trộn tốt khí nồng độ biến đổi theo chu kỳ, tăng cao vào tháng giảm mạnh vào tháng 10 Chu kỳ biến đổi nồng độ H2 Bắc bán cầu Nam bán cầu pha Nồng độ H2 khí tăng vào khoảng 0,6%/năm CÁC TẦNG KHÍ QUYỂN Các tầng khí Khí chia thành tầng dựa biến thiên nhiệt độ theo chiều cao (gradien nhiệt độ) Chia khí thành tầng: Phần trong: • Tầng đối lưu (troposhere) • Tầng bình lưu (stratosphere) • Tầng trung lưu (mesosphere) • Tầng nhiệt lưu (thermosphere) Phần ngồi: • Tầng ngồi (exosphere) Các tầng khí Exosphere 104 km Thermosphere up to 85 km up to 51 km – 17 km up to 693 km Mesosphere Stratosphere Troposphere Đặc điểm tầng khí Tầng đối lưu (troposphere) Tầng đối lưu chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, độ cao - 11 km Mật độ khơng khí nhiệt độ tầng đối lưu khơng đồng Mật độ khơng khí giảm nhanh theo độ cao Càng lên cao nhiệt độ giảm (5 -6,4oC/km) Tầng định khí hậu Trái đất, thành phần chủ yếu N2, O2, CO2 nước Đặc điểm tầng khí Tầng đối lưu (troposphere) Trên lớp đối lưu lớp chuyển tiếp (tropopause), lớp có đặc điểm nhiệt độ khơng đổi theo chiều cao (-55oC) Hơi nước bị ngưng tụ đơng đặc nên khơng thể khỏi tầng đối lưu Đóng vai trò chắn hữu hiệu ngăn khơng cho nước, khí hydro, khí heli khỏi tầng đối lưu Đặc điểm tầng khí Tầng bình lưu (Statosphere) Cách mặt đất khoảng 15 - 50km Nhiệt độ tăng theo chiều cao, từ -56 đến -2oC Vai trò ngăn chặn tia cực tím từ mặt trời xuống trái đất Các chất hoá học nằm tầng thường tồn lưu lâu Thành phần khơng khí lớp bình lưu giống thành phần khơng khí mực nước biển Đặc điểm tầng khí Tầng bình lưu (Statosphere) Có hai điểm khác biệt chính: Nồng độ nước tầng bình lưu thấp từ 1000 đến 10.000 lần (khoảng 2-3 ppm) Nồng độ ôzôn cao 1.000 lần so với mực nước biển (10 ppm) Sự tăng nhiệt độ tầng bình lưu giải thích Ơzơn hấp thụ tia tử ngoại toả nhiệt: O3 + h ( = 220 – 330 nm)  O2 + O + Q Đặc điểm tầng khí Tầng trung lưu (Mesosphere) Độ cao từ 50 –85 km Nhiệt độ giảm từ -2 đến – 920C Thành phần chủ yếu O2+, NO+, O+, N2 Tầng nhiệt lưu (Thermosphere) - Tầng điện li Độ cao từ 85 –690km Nhiệt độ tăng từ –92 đến 12000C Do tác dụng xạ mặt trời, tạo thành ion như: O2+, NO+, O+, e-, NO2+… 10 5/19/2013 Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu Gần 99% sản phẩm trình cháy vô hại: N2, nước, O2, CO2 Các chất khí gây hại q trình đốt nhiên liệu: SO2, NOx, CO số hydrocacbon Oxit lưu huỳnh: + Hàm lượng lưu huỳnh đạt tới 6% than đá 4,5% dầu + Khi cháy, lưu huỳnh nhiên liệu phản ứng với oxy tạo thành khí oxit lưu huỳnh, khoảng 99% SO2 0,5÷2% SO3 Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu Oxit nitơ: + Các NOx bao gồm NO, NO2 …, gần lửa khí NO chiếm 90÷95% phần lại NO2 + Trong thiết bị cơng nghiệp khí NO tác dụng với oxy tạo thành NO2 – loại khí có màu nâu gây tác hại mạnh đến quan hô hấp 5/19/2013 Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu + Sự phát thải oxit nitơ trình cháy gồm ba nguồn gốc khác nhau: a)NOx tức thời: nitơ oxy có phản ứng nhanh tác dụng xúc tác hợp chất cacbon hình thành lửa; b)NOx nhiệt: tác dụng nhiệt độ cao lửa nitơ oxy tự khơng khí kết hợp với tạo thành NOx; c)NOx nhiên liệu: thành phần nitơ nhiên liệu tác dụng với oxy tạo thành NOx Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu + Khí đốt thiên nhiên thường khơng chứa thành phần nitơ => khói thải có NOx nhiệt + Dầu than đá chứa khoảng  2,8% nitơ => sản phẩm cháy có NOx nhiệt NOx nhiên liệu Lượng phát thải NOx trình cháy phụ thuộc vào nhiệt độ 5/19/2013 Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu + Nếu sản phẩm cháy nguội dần cách từ từ NOx hình thành nhiệt độ cao phân hủy thành N2 O2 + Trong lò thực tế, nhiệt sản phẩm cháy thường tận dụng cách triệt để nên nhiệt độ giảm nhanh => khói thải có lượng NOx định nhiệt Sự hình thành NOx sản phẩm cháy phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần nhiên liệu, nhiệt độ lửa, nồng độ N2 O2 buồng đốt, thời gian lưu tốc độ nguội sản phẩm cháy Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu + Phản ứng hóa học N2 O2 để tạo thành NO phản ứng thuận nghịch: N2 + O2  2NO  Ở nhiệt độ 20000F (10930C) cường độ phản ứng thuận vào khoảng 10-2 phản ứng nghịch mạnh nhiều so với phản ứng thuận  Hằng số phản ứng thuận nhiệt độ 3200 (17600C) 40000F (22040C) tương ứng 5.10-2 100 atm-1.s-1, số phản ứng nghịch tương ứng 85 5.104 atm-1.s-1 => Cần làm nguội sản phẩm cháy với tốc độ chậm phạm vi nhiệt độ cao 5/19/2013 Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu Cacbon oxit hydrocacbon: + Là loại khí q trình cháy khơng hồn tồn sinh + Ngun nhân cháy khơng hồn tồn: khơng đảm bảo tỷ lệ khơng khí – nhiên liệu hợp lý, khơng hòa trộn tốt nhiên liệu khơng khí, thời gian lưu hỗn hợp nhiên liệu lửa không đủ sản phẩm cháy nguội nhanh bề mặt hấp thu nhiệt + Nếu thiết bị lò, buồng đốt thiết kế vận hành tốt, lượng phát thải CO hydrocacbon thấp: CO khoảng 100ppm đốt khí đốt, 20ppm đốt dầu 200ppm đốt than; hydrocacbon khoảng 20ppm với tất loại nhiên liệu Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu Một mâu thuẫn thường gặp kiểm soát phát thải ô nhiễm trình đốt nhiên liệu biện pháp nhằm làm giảm lượng khí CO hydrocacbon như: 1) tăng hệ số thừa khơng khí; 2) tăng cao nhiệt độ lửa 3) kéo dài thời gian lưu nhiệt độ cao; có tác dụng làm tăng lượng phát thải khí NOx ngược lại 5/19/2013 Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu Tro khói: + Trong nhiên liệu chứa lượng tro định, Ap% + Khi cháy, lượng tro theo sản phẩm cháy thoát tạo thành dạng nhiễm bụi + Ngồi tro, khói thải có mồ hóng giọt nhiên liệu lỏng chưa cháy hết SO3 khói thải biến thành giọt sương axit sunfuric nhiệt độ khói thải thấp (dưới 1500C) Các chất độc hại thải từ trình cháy nhiên liệu + Khói trơng thấy có bụi mịn dạng sol khí với cỡ hạt từ 0,3÷0,5 m – dạng sol khí tán xạ ánh sáng nhanh + Nếu khói thải chứa nhiều bụi kích thước hạt lớn (100 m) khói thải suốt bụi không tán xạ ánh sáng chuyển động với vận tốc lớn 5/19/2013 Lượng khí độc hại thải từ trình đốt cháy nhiên liệu Nhiên liệu rắn lỏng Thành phần nhiêu liệu rắn lỏng gồm cacbon (CP), hydro (HP), nitơ (NP), oxy (OP), lưu huỳnh (SP), độ tro (AP) độ ẩm (WP) C p  H p  N p  O p  S p  Ap  W p  100% Thành phần số nhiêu liệu Thành phần Gỗ Than bùn Than nâu Than bitum Than antraxit Dầu khí C 52.3 57 55 75.8 82.1 86 75 H 6.3 5.5 4.4 5.0 2.3 10 24 O 40.5 31 13 7.4 2.0 N 0.1 1.5 1.0 1.5 2.8 0.6 S Vận dụng lí thuyết để tính tốn có kết hợp với thực nghiệm để xác định lượng khí độc hại tỏa => Khảo sát đo đạc chỗ nồng độ chất độc hại khơng khí hao hụt theo thời gian chất khả bốc => xây dựng hệ số phát thải 15 5/19/2013 Hệ số phát thải q trình cơng nghệ Các số liệu phát thải chất khí nhiễm chủ yếu từ q trình cơng nghệ khác tra cứu tài liệu: + Trần Ngọc Chấn, Ơ nhiễm khơng khí kỹ thuật xử lý khí thài, Tập 3, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001 (Bảng 12.7 Số liệu phát thải khí SO2 từ nguồn cố định, Bảng 12.8 Lượng phát thải khí NOx từ q trình đốt nhiên liệu q trình cơng nghệ khác, Bảng 12.9 Các chất khí, bụi độc hại thải từ nhà máy hóa chất) + WHO, Assessment of Sources of Air, Water, and Land Pollution, Part I Rapid Inventory Techniques in Environmental Pollution, 1993 + Các tài liệu US EPA, EC công bố Hệ số phát thải q trình cơng nghệ Bài tập 4.3 Một lò sử dụng nhiên liệu dầu FO có hàm lượng lưu huỳnh 3% Lượng dầu tiêu thụ 60 lít/h Cho biết, đốt lít dầu tạo 10m3 khí điều kiện 0oC, 1at a Tính tải lượng nồng độ SO2 khí thải đốt dầu lò (trường hợp chưa có hệ thống xử lý khí thải) b Đối chiếu với tiêu chuẩn nồng độ phát thải cho phép đưa kết luận tác động môi trường sở sản xuất 16 ... Nguồn nhiễm khơng khí Phân loại dựa vào nguồn gốc phát sinh Các nguồn phát sinh chất nhiễm khơng khí Nguồn ô nhiễm không khí Nguồn ô nhiễm tự nhiên  Hoạt động núi lửa: sinh khí nhiễm chủ yếu dioxit... Chất nhiễm khơng khí Phân loại theo nguồn gốc phát sinh Các chất gây ô nhiễm sơ cấp: chất ô nhiễm thải trực tiếp từ nguồn ô nhiễm Các chất gây ô nhiễm thứ cấp: chất ô nhiễm tạo thành từ chất ô nhiễm. .. Terpen : 200 1,5.104 15 104 Nguồn nhiễm khơng khí  Ơ nhiễm nhà Một số chất nhiễm khơng khí quan trọng nhà (EPA) Nguồn nhiễm khơng khí  Ơ nhiễm nhà Các dạng khí clo Nguồn: hoa sen tắm – nước nóng,