Bài giảng Công nghệ xử lý khí thải - Chương 4: Tính toán lựa chọn và sử dụng thiết bị xử lý khí cung cấp cho người học các kiến thức: Loại chất khí gây ô nhiễm, các phương pháp xử lý khí thải, hấp thụ khí bằng chất lỏng,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Chương Tính tóan lựa chọn và sử 4: dụng thiết bị xử lý khí ƠNKK và Xử lý khí thải tập 3 (Trang4091; Loại Sản phẩm cháy khơng hồn tồn như chất các CxHy, CO, bụi than khí gây ơ Các sản phẩm cháy: SO2, NOx nhiễm Các khí gây mùi hơi như H2S, NH3 vv Các loại dung mơi Hấp thụ khí độc hại bằng chất lỏng (nước hoặc dung dịch) Các phươn Hấp phụ chất ơ nhiễm trên bề mặt g pháp vật liệu rắn xử lý khí thải Biến đổi hóa học các chất ơ nhiễm bằng q trình thiêu đốt hoặc xúc tác ở nhiệt độ cao 4.1 Hấp thụ khí bằng chất lỏng Hấp thụ là q trình hịa tan chất khí vào trong chất lỏng, khi chúng tiếp xúc với nhau. Bao gồm các q trình: Khuếch tán chất khí ơ nhiễm đến bề mặt của chất lỏng hấp thụ Thâm nhập và hịa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ Khuếch tán chất khí đã hịa tan vào sâu trong bề mặt chất hấp thụ Các phương trình cơ bản của QT hấp thụ Để hấp thụ được chất ơ nhiễm, các phần tử khí cần được khuếch tán đến bề mặt lớp biên của 2 pha NA = kG (yAG – yAi) = kx (xAi – xAL) Trong đó: 13.8 yAG; yAi là tỷ suất mol của chất khí trong khối khí và trong lớp biên khí sát bề mặt ngăn cách xAi; xAL là tỷ suất mol của chất khí trong khối dd hấp thụ và lớp biên bế mặt khối d2 hấp thụ k , k là hệ số trao đổi chất của lớp biên chất x y lỏng và lớp biên khí. Mol/m2.h (Tỷ suất mol là tỷ số giữa số mol chất khí trên tổng số mol chất khí + mol chất lỏng) Số đảo ngược của hệ số trao đổi chất có thể được xem là sức cản của quá trình trao đổi chất Khi hấp thụ khí dễ hịa tan có thể bỏ qua sức cản của lớp biên khí, chỉ cần tính tới sứ cản của lớp biên lỏng. Và ngược lại, với khí khó hịa tan thì sức cản của lớp biên khí là quan trọng Thiết bị hấp thụ Tất cả những thiết bị mà tại đó làm xảy ra q trình tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng. Làm cho chất khí độc hại hịa tan vào trong chất lỏng thì gọi là thiết bị hấp thụ Bao gồm các loại chính sau: Bu ồng phun, tháp phun: Chất lỏng được phun thành giọt trong thể tích rỗng của thiết bị, và cho dịng khí đi qua Thiết bị sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng. Hoặc có thể bằng cách cho khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ, hoặc khuấy cơ học Tháp hấp thụ kiểu sủi bọt: Cho khí đi qua lớp tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước mỏng Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dịng khí tiếp xúc khi đi qua Thơng thường khi nói thiết bị hấp thụ và lý thuyết tính tốn và thử nghiệm chính là nói tới tháp đệm Phạm vi ứng dụng và điều kiện lựa ch n ọTháp h ấp thụ (tháp đệm) được sử dụng để xử lý các loại khí thải dễ hịa tan trong các dung dịch phổ biến, dễ kiếm, dễ tìm (Xem trang 64) như: Ca(OH)2, NaOH, Na2CO3, Na2SOấ 3 vv… Tháp h p thụ (tháp đệm) được sử dụng để xử lý hỗn hợp các loại khí thải có lẫn bụi bẩn, có mang nhiệt độ cao. Như khói thải lị hơi, lị đốt dầu, lị nấu đồng vv… Tháp hấp thụ (tháp đệm) cịn được sử dụng để xử lý hơi axit tại các nhà máy xi mạ vv… Ưu điểảm xử lý cao; Hiệu qu Có thể xử lý được cả bụi, nhiệt trong khí thải; Đơn giản, dễ vận hành, rẻ Nhược điểm Làm phát sinh n ước thải gây ơ nhiễm thứ cấp; Độ bền thiết bị khơng cao Tính tốn thiết kế tháp hấp thụ Tính tốn theo lý thuyết Khí thải vào có lưu lượng là G1 (mol/m2.h) Số chứa chất A có tỷ suất mol đầu vào là y liệu Tỷ suất mol đầu ra sau xử lý qua tháp của đầu chất A là y2 vào Tỷ suất mol của chất A có trong chất lỏng hấp thụ ở đầu vào là x2 Tính chiều cao lớp đệm ZT và lưu lượng dung dịch hấp thụ phun vào L2 Giả thiế t Pha khí cũng như pha lỏng đều có 2 thành phần: Khí trơ + Khí A và chất lỏng trơ + chất A (hịa tan) G và L là lưu lượng tổng bao gồm cả phần khí trơ hoặc chất lỏng trơ + chất A Xem lý thuyết tính tốn từ trang 50 – 55 và ví dụ trang 55 Tính tốn theo kinh nghiệm S ố liệu đầu vào Tính Dtháp, Hđệm Lưu lượng khí thải cần xử lý L (m3/h) Nồng độ đầu vào và đầu ra khỏi thiết bị (m3/h) Chọn vận tốc làm việc của tháp v = 1 – 3,5 m/s. Từ đó tính ra đường kính tháp Chọn chiều cao lớp đệm trong tháp từ 1 – 1,5m Pha dung dịch hấp thụ theo tỷ lệ u cầu (xem bảng trang 64) Vận hành tháp Đo đạc kiểm nghiệm hiệu quả xử lý, từ đó điều chỉnh lưu lượng dung dịch hấp thụ cho phù hợp (xem bảng trang 64) Lựa chọn hóa chất hấp thụ. T64 Khí độc hại cần khử Chất hấp thụ N2O3, NO2, Nước, NaOH, Na2CO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2, CaCO3, N2 O Mg(OH)2, MgCO3, Ba(OH)2 NO Dd: FeCl2, FeSO4, Na2SO3, Na2S2O5, NaHSO3, NaHCO3 SO2 Dd: NaSO3 (1825%), Ca(OH)2, Na2CO3 (1520%), NaOH (15 25%), KOH, CaCO3, MgO H 2S Dd: Na2CO3, NH4OH, K3PO4 (4050%), K2CO3 CO Nito lỏng, [Cu(NH)3]n, COCH Cl2, CO2 NaOH, Na2CO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2 HCl, HF, NaOH, Na2CO3, K2CO3, 4.2 Hấp phụ khí bằng chất rắn (Trang 64) Hấp phụ là q trình phân ly chất khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với các khí có mặt trong khí thải và bị giữ lại trên bề mặt của vật liệu rắn Hấp phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi bề mặt chất hấp phụ Bản chất q trình hấp phụ Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học VẬT LIỆU HẤP PHỤ Vật liệu làm chất hấp phụ là các vật liệu xốp với bề mặt trong lớn, được tạo thành do tổng hợp nhân tạo hay tự nhiên Cấu trúc bên trong của các chất hấp phụ công nghiệp được đặc trưng bởi kích thước và h́ình dạng khác nhau của khỏang trống và lỗ xốp Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các u cầu Có khả năng hấp phụ cao; Phạm vi tác dụng rộng; Có độ bền cơ học cần thiết; Có khả năng hịan ngun d ̣ ễ dàng; Rẻ tiền Một số vật liệu hấp phụ phổ biến Than hoạt tính Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, khơng phân cực và có bề mặt riêng rất lớn. Than hoạt tính có cấu tạo xốp và nhiều lỗ hổng nhỏ khơng đồng đều và rất phức tạp Có 3 dạng than là Dạng vi mao quản; Dạng mao quản trung gian; Dạng mao quản lớn Than hoạt tính có thể tích lỗ xốp vào khỏang 0,240,48 cm3/g. Dùng để tách các chất ơ nhiễm có gốc hữu cơ ĐK mao quản là 0,003μm thì than có thể tách được H2O, NH3. Nếu d tăng lên 0,004 μm thì có thể tách được CO2, SO2, H2S, C2H4, C2H6 và C2H5OH Ưu điểm: Giá rẻ nhất dùng trong xử lý ơ nhiễm mơi trường Nhược điểm: Khó tái sinh nếu bị đóng cặn, có Zeolit Zeolit là các hợp chất alumosihcat có cấu trúc tinh thể Zeolit Sản xuất dưới dạng bột hoặc dạng viên xốp từ cao lanh tự nhiên sẵn có ở Việt Nam Tính chất của zeolit phụ thuộc vào tỷ lệ Si và Al và mức độ tạo tinh thể của sản phẩm cuối cùng Các zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rõ đối với nhiệt độ Zeolit có khả năng hấp phụ hơi các hợp chất phân cực và các chất có nối đơi trong phân cực Ưu điểm: Giữ được hoạt tính cao ở nhiệt độ tương đối 150 – 250oC Nhược điểm: Do thể tích lỗ xốp nhỏ nên lượng chất hấp phụ ít hơn so với các chất hấp phụ khác Silicagel Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất phân cực cũng như các chất có thể tạo với nhóm hydroxyl các liên kết kiểu cầu hydro Silicagel có độ rỗng cao khoảng 800m2/gam, cho phép nó hút nước mạnh Ứng Dụng: Silicagen có lỗ xốp mịn dùng hấp phụ các hơi và khí dễ ngưng tụ. Silicagen có lỗ xốp trung b́ình và thơ dùng để hút hơi các hợp chất hữu cơ Nếu tiến hành giải hấp bằng khí nóng ẩm hay bằng hơi nước với thời gian kéo dài sẽ làm giảm hoạt tính hấp phụ của chúng Silicagel Silicagel có ái lực rất mạnh với hơi nước nên chúng thường được sử dụng để sấy khô các môi trường khác Silicagel có ái lực rất mạnh với hơi nước nên chúng thường được sử dụng để sấy khơ các mơi trường khác Silicagel không cháy ở nhiệt độ tái sinh thấp 110oC – 200oC và có độ bền cơ học cao Silicagel có thể bị phá hủy dễ dàng bởi cá giọt nước. Hoặc ở nơi có độ ẩm q cao Keo nhơm Keo nhơm được điều chế bằng cách nung Hydroxyt nhơm ở nhiệt độ cao Diện tích bề mặt của keo nhơm là 170 – 220 m2/g. Tổng thể tích lỗ xốp là 0,6 – 1 cm3/g Keo nhôm bền khi độ ẩm cao. Chúng được ứng dụng để thu hồi các hợp chất hữu cơ phân cực và sấy khí Thiết kế Tháp hấp phụ Tiêu chí thiết kế: Đảm bảo chu kỳ làm việc thích hợp Dịng khí được phân phối đều tới các lớp than trong tháp Đảm bảo khả năng dễ thay thế mới hay hồn ngun vật liệu hấp phụ Đảm bảo dịng khí đi vào tháp đã được tách ẩm, tách bụi triệt để Vật liệu hấp phụ được đổ thành từng lớp trong thiết bị hấp phụ. Dịng khí được dẫn xuyên qua lớp vật liệu này với vận tốc khí từ 0,1 0,5 m/s. Thời gian lưu từ 1 – 6s Thiết kế Tháp hấp phụ Vật liệu hấp ph ụ thường được đổ thành 2 – 3 lớp trong tháp. Để sau này có thể thay thế ln phiên than hoạt tính Căn cứ vào lưu lượng khí thải; Vận tốc khí đi trong thiết bị lựa chọn; Thời gian lưu khí trong tháp mà ta có thể thiết kế ra được tháp hấp phụ Hồn ngun vật liệu hấp phụ Trong q trình vận hành, khi thấy xuất hiện điểm dừng, ta phải ngừng ngay q trình hấp phụ, chuyển sang chu kỳ hồn ngun (nếu hấp phụ vật lý), nhằm phục hồi khả năng hấp phụ của vật liệu hoặc thay thế vật liệu hấp phụ (nếu là hấp phụ hóa học) Phương pháp hồn ngun Hồn ngun bằng áp suất: Làm giảm áp suất riêng phần của khí bị hấp phụ và giữ ngun nhiệt độ. Khi đó các khí bị hấp phụ sẽ được nhả ra Hồn ngun bằng nhiệt: Là phương pháp rất phổ biến. Dùng khơng khí nóng hoặc hơi nước q bão hịa, hoặc đơn giản là mang phơi nắng để hồn ngun Than hoạt tính, silicagel, keo nhơm thường được hồn ngun ở nhiệt độ từ 100200oC. Zeolit hoàn nguyên ở nhiệt độ 100 – 400oC Sau khi hoàn nguyên thì khả năng hấp phụ của vật liệu chỉ đạt 6075% so với lúc đầu. Sau vài lần hồn ngun thì khả năng hấp phụ mất hẳn, và ta phải thay vật liệu mới Phương pháp hồn ngun Trong các phương pháp hồn ngun thì phương pháp sử dụng hơi nước là đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả cao nhất Vì hơi nước q bão hịa có nhiệt trị rất cao, mà lại không làm ẩm vật liệu hấp phụ Ở nhiệt độ 100oC, hơi nước nóng sẽ làm cho các khí hấp phụ được nhả ra, và khơng làm hỏng vật liệu hấp phụ Chất khí hấp phụ được nhả ra được cho ngưng tụ lại để thu hồi hoặc mang xử lý tiếp theo Phạm vi ứng dụng Các chất khí ơ nhiễm khơng cháy được hoặc khó đốt cháy Các chất khí có giá trị cao, cần được thu hồi Các khí ơ nhiễm có nồng độ thấp trong khí thải, mà các q trình khử khí khác khơng thể áp dụng được Ưu điểm Có hiệu quả xử lý cao; Đơn giản, dễ vận hành, dễ chế tạo thiết bị; có khả năng xử lý hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau cùng lúc Nhược điểm Do vật liệu có khả năng hấp phụ là hữu hạn nên khó kiểm sốt q trình hấp phụ; Hiệu quả xử lý khó kiểm sốt ổn định; Chi phí vận hành cao 4.3 Xử lý khí bằng phương pháp thiêu đốt (Trang 80) Q trình thiêu đốt thích hợp sử dụng cho Phần lớn những chất khí có mùi khó chịu đều có thể cháy được, hoặc chịu tác dụng của nhiệt độ cao mà biến đổi bản chất thành loại có mùi ít khó chịu h n Các sol khí hữu cơ có khói nhìn thấy được như: Khói từ lị rang cafê; Khói từ lị nước thịt; Khói từ lị nung men sứ vv Các khí, hơi hữu cơ nếu thải vào khí quyển chúng sẽ phản ứng với sương mù, gây hại cho mơi trường; Các khí, hơi sinh ra từ các cơng nghệ khai thác, lọc dầu. Khi thiêu đốt sẽ xử lý được nhiều loại khí ơ nhiễm cùng lúc; Ưu điểm Phân hủy được hồn tồn chất ơ nhiễm cháy được, khi thiết bị thiêu đốt được thiết kế và vận hành đúng quy cách Khả năng thích ứng của thiết bị đối với sự thay đổi vừa phải của lưu lượng, cũng như nồng độ khí thải Hiệu quả xử lý cao đối với những chất ơ nhiễm có lưu lượng và tải lượng ơ nhiễm lớn; Khả năng xử lý của thiết bị là ổn định, khơng cần hồn ngun năng lực xử lý như các phương pháp hấp phụ, hấp thụ; Có khả năng thu hồi, tận dụng được nhiệt lượng thải ra của quá trình thiêu đốt; Nhược điểm Chi phí đầu tư trang thiết bị và chi phí vận hành là tương đối lớn Có khả năng làm phức tạp thêm vấn đề ƠNKK khi các chất cần thiêu đốt có chứa thêm các tạp chất khác như clorin, nito, lưu huỳnh vv Trong q trình thiêu đốt có cấp thêm nhiên liệu và năng lượng để đảm bảo nhiệt độ cần thiết. Điều này làm tốn thêm chi phí vận hành và phức tạp cho q trình vận hành Các q trình thiêu đốt Thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp Thiêu đốt có buồng đốt Thiêu đốt có xúc tác ... hạn nên khó kiểm sốt q trình hấp phụ; Hiệu quả? ?xử? ?lý? ?khó kiểm sốt ổn định; Chi phí vận hành cao 4. 3? ?Xử? ?lý? ?khí? ?bằng phương pháp thiêu đốt (Trang 80) Q trình thiêu đốt thích hợp sử dụng cho Phần lớn những chất khí? ? có mùi ... cũng như nồng độ? ?khí? ?thải Hiệu quả? ?xử? ?lý? ?cao đối với những chất ơ nhiễm có lưu lượng và tải lượng ơ nhiễm lớn; Khả năng? ?xử? ?lý? ?của thiết bị là ổn định, khơng cần hồn ngun năng lực? ?xử? ?lý? ? như ... HCl, HF, NaOH, Na2CO3, K2CO3, 4. 2 Hấp phụ? ?khí? ?bằng chất rắn (Trang 64) Hấp phụ là q trình phân ly chất? ?khí? ? dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với các? ?khí? ?có mặt trong? ?khí? ?thải và bị giữ lại trên bề mặt của vật liệu rắn