Xử lý ô nhiễm bằng quá trình thiêu đốt hoặc còn gọi là quá trình đốt cháy sau đƣợc áp dụng khá phổ biến trong trƣờng hợp lƣợng khí thải lớn mà nồng độ chất ô nhiễm không cháy đƣợc lại rất bé, đặc biệt là những chất có mùi khó chịu.
1. Quá trình thiêu đốt sử dụng thích hợp trong các trường hợp sau:
Phần lớn các chất ô nhiễm có mùi khó chịu đều cháy đƣợc hoặc thay đổi đƣợc về mặt hoá học để biến thành chất ít có mùi hơn khi phản ứng với oxi ở nhiệt độ thích hợp.
Các loại sol khí hữu cơ có khói nhìn thấy đƣợc, ví dụ nhƣ khói từ lò rang cà phê, lò sản xuất thịt hun khói, lò nung men sứ .v.v…
Một số các hơi, khí hữu cơ nếu thải trực tiếp vào môi trƣờng sẽ phản ứng với sƣơng mù và gây tác hại cho môi trƣờng. Quá trình thiêu đốt có tác dụng phân huỷ rất hiệu quả các loại chất này.
Một số các loại công nghệ nhƣ công nghệ khai thác và lọc dầu thải ra rất nhiều khí cháy đƣợc kể cả những chất hữu cơ rất độc hại. Phƣơng pháp xử lý hiệu quả và an toàn nhất cho trƣờng hợp này là thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp, thiêu đốt ngay bên trong ống khói hoặc buồng đốt riêng biệt.
2. Ưu và nhược điểm:
a. Ưu điểm
Phân huỷ đƣợc hoàn toàn các chất ô nhiễm cháy đƣợc khi thiết bị thiêu đốt đƣợc thiết kế và vận hành đúng qui cách.
Có khả năng thích ứng đối với sự thay đổi vừa phải của lƣu lƣợng khí thải cũng nhƣ nồng độ chất ô nhiễm trong khí thải.
Hiệu quả xử lý cao đối với những chất ô nhiễm đặc biệt mà các phƣơng pháp xử lý khác không có hiệu quả hoặc hiệu quả thấp.
Có khả năng thu hồi, tận dụng đƣợc nhiệt thải ra trong quá trình thiêu đốt.
b. Nhược điểm:
Chi phí đầu tƣ thiết bị và vận hành tƣơng đối lớn.
Có khả năng làm phức tạp thêm vấn đề ô nhiễm không khí khi trong các chất ô nhiễm hydrocacbon cần thiêu đốt ngoài các nguyên tố C, H, O… còn chứa cả những hợp chất của clorin, nitơ, lƣu huỳnh.
Trong quá trình thiêu đốt có cấp thêm nhiên liệu hay có xúc tác để đảm bảo nhiệt độ ở mức cần thiết cho quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm cần xử lý. Việc cấp thêm nhiêu liệu bổ sung có khả năng gây trở ngại cho quá trình vận hành thiết bị.
Để thiết kế đƣợc thiết bị thiêu đốt cần biết đƣợc các yếu tố có liên quan đến quá trình nhƣ: thành phần hóa học của chất ô nhiễm, nồng độ của nó trong khí thải, lƣu lƣợng khí thải cần xử lý, nhiệt độ ban đầu của khí thải đi vào thiết bị thiêu đốt và mức phát thải cho phép của chất ô nhiễm.
Một số phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình thiêu đốt:
Quá trình thiêu đốt rất thích hợp đối với các chất ô nhiễm cháy đƣợc, đó là những hợp chất của cacbon, hydro, oxy, nitơ và lƣu huỳnh. Phần lớn các chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC - Volatile Ogranic Compounds) cũng thuộc loại chất ô nhiễm cần xử lý bằng phƣơng pháp thiêu đốt. Những hợp chất nêu trên khi cháy sẽ tạo thành các sản phẩm cháy không hoặc ít độc hại hơn so với bản thân chúng.
Ví dụ một số chất ô nhiễm và phản ứng cháy của chúng nhƣ sau: 2 2 2 1 CO O CO O H CO O H C6 6 2 6 2 3 2 2 1 7 O H SO O S H2 2 2 2 2 3
Trong các phản ứng trên oxit cacbon là khí độc quen thuộc đối với sức khỏe con ngƣời và benzen - là một loại hydrocacbon có độ phản ứng cao, chất tạo ra sƣơng khói và cũng là chất có khả năng gây ung thƣ đã đƣợc biến thành CO2 ít độc hại.
Trong phản ứng cuối mặc dù SO2 là loại khí độc hại nằm trong danh mục các chất khí độc hại hàng đầu cần xử lý, nhƣng so với khí gốc của phản ứng là khí H2S thì SO2 ít độc hại hơn nhiều lần và đặc biệt là không có mùi khó chịu nhƣ H2S.
3. Biện pháp thực hiện:
Quá trình thiêu đốt chất ô nhiễm có thể đƣợc chia làm ba dạng khác nhau:
a. Thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp trong không khí.
Là biện pháp làm cho khí ô nhiễm cháy trực tiếp trong không khí mà không cần cấp nhiên liệu bổ sung, trƣờng hợp chung chỉ cần nhiên liệu để mồi lửa và để điều chỉnh khi cần thiết.
Để thiết kế hệ thống đốt bằng ngọn lửa trực tiếp cần phải hiểu biết về giới hạn cháy và nổ của hổn hợp giữa khí thải độc hại cũng nhƣ của nhiên liệu với không khí. Nó sẽ giúp ta xác định đƣợc trong trƣờng hợp nào một loại khí thải đã cho có thể duy trì đƣợc sự cháy mà không cần cấp bổ sung nhiên liệu.
Bảng 3.3: Giới hạn cháy của một số chất khí và hơi thường gặp trong hỗn hợp
với không khí, tính theo phần trăm thể tích.
TT Chất Công thức hoá học Giới hạn dƣới Giới hạn trên
1 Amoniac NH3 15.5 27.0 2 Axeton CH3COCH3 1.6 13.0 3 Axetylen C2H2 1.53 82.0 4 Benzen C6H6 1.3 9.5 5 Butan C4H10 1.55 8.5 6 Cacbon disunfua CS2 1.0 50.0 7 Cacbon oxit CO 12.5 74.0 8 Dầu hoả - 1.1 7.0 9 Etan C2H6 2.5 15.0 10 Etylen C2H4 2.75 35.0 11 Gasolin - 1.4 7.6 12 Hydro H2 4.0 75.0 13 Dihydro sunfua H2S 4.3 44.5 14 Khí đốt thiên nhiên - 1.8 13.5 15 Metan CH4 2.5 15.4 16 Propan C3H8 2.0 9.5 17 Xăng - 1.9-2.4 4.9-51
Một hỗn hợp giữa chất cháy với không khí ở một giới hạn nồng độ nhất định nào đấy sẽ gây nổ. nếu thành phần nhiên liệu giảm thấp hơn hoặc tăng cao hơn so với giới hạn nồng độ gây nổ mạnh nhất thì cƣờng độ cháy của hỗn hợp đều giảm. nồng độ thấp nhất và cao nhất mà tại đó ngọn lửa vẫn có khả năng lan truyền đƣợc gọi là giới hạn dƣới và giới hạn trên của quá trình cháy.
Theo tính toán, hỗn hợp của các hydrocacbon và không khí có nhiệt lƣợng cháy là 3725kJ/m3. Giới hạn dƣới của sự cháy tƣơng ứng với khoảng ½ nhiệt lƣợng nói trên. Để đảm bảo an toàn khi chuyên chở khí công nghiệp ngƣời ta qui định nồng độ chất cháy trong khí phải thấp hơn giới hạn dƣới của sự cháy ít nhất là 25%. Trong trƣờng hợp đó ngẫu nhiên có phát tia lửa thì sự tăng nhiệt độ của khí sẽ không đủ cao để duy trì quá trình cháy và do đó sự cố đƣợc ngăn ngừa.
Trong một số trƣờng hợp thành phần khí ô nhiễm trong khí thải tự thân đã là một hỗn hợp cháy mà không cần hòa trộn thêm với không khí.
Khi nồng độ chất cháy trong khí thải quá thấp không thể đốt cháy đƣợc, ta cần bổ sung nhiên liệu để đƣa nồng độ chất cháy lên đến giới hạn dƣới của quá trình cháy.
Thiết bị thiêu đốt đƣợc thiết kế tốt có thể đốt cháy đƣợc những hỗn hợp khí có nhiệt lƣợng cháy nằm trong khoảng 3150 ÷ 3350 kJ/m3
liệu bổ sung. Trong nhiều trƣờng hợp việc cấp nhiên liệu bổ sung có thể tránh đƣợc bằng cách hâm nóng khí thải đến một nhiệt độ nhất định vì ta biết rằng nhiệt đô càng cao thì giới hạn dƣới của quá trình cháy càng hạ thấp.
Căn cứ vào giới hạn cháy của các chất ngƣời ta có thể chia khí thải có chứa chất ô nhiễm cháy đƣợc thành ba nhóm sau đây:
Nhóm 1: Thành phần nhiên liệu trong khí thải thấp hơn giới hạn dƣới của quá
trình cháy khoảng 25%.
Nhóm 2: Thành phần nhiên liệu trong khí thải nằm trong phạm vi từ giới hạn
dƣới đến giới hạn trên của quá trình cháy.
Nhóm 3: Thành phần nhiên liệu trong khí thải cao hơn giới hạn trên của quá
trình cháy.
Khí thải thuộc nhóm thứ nhất thƣờng đƣợc xử lý bằng thiêu đốt trong buồng đốt.
Khí thải thuộc nhóm thứ hai không an toàn. Đối với khí thải nhóm này cần đƣợc điều chỉnh thành phần nhiên liệu hoặc không khí (oxy) để đƣa về hoặc là nhóm thứ nhất hoặc là nhóm thứ ba.
Khí thải thuộc nhóm thứ ba thƣờng đƣợc xử lý bằng thiêu đốt với ngọn lửa trực lửa hoặc cũng có thể dùng làm nguồn nhiên liệu bổ sung cho lò đốt, lò nung.
b. Thiêu đốt có buồng đốt.
Thiêu đốt có buồng đốt đƣợc áp dụng rộng rãi đối với các loại khí thải có chứa chất ô nhiễm dạng khí, hơi, sol khí cháy đƣợc với nồng độ tƣơng đối thấp.
Các bộ phận chính và quan trọng của hệ thống thiêu đốt này là buồng đốt, các vòi đốt, bộ phận điều chỉnh quá trình cháy và dụng cụ chỉ thị nhiệt độ. Buồng đốt thƣờng có dạng hình trụ và đƣợc xây dựng bằng vỏ thép có ốp gạch chịu lửa. Nhiệt độ trong buồng đốt khoảng 900 ÷1500oC.
Buồng đốt cần đƣợc thiết kế đảm bảo hòa trộn triệt để giữa khí thải và nhiên liệu đốt bổ sung. Một biện pháp để đạt đƣợc yêu cầu nêu trên là khí thải cần đƣợc đƣa vào chỗ thắt của buồng đốt và tại đó có bố trí các
Hình 3.7: Buồng đốt khí hình trụ đứng có ống cấp khí thải theo phƣơng tiếp tuyến
1. ống cấp khí, 2. các cửa vòi đốt, 3.vòng thắt bằng vật liệu chịu lửa, 4. ống cấp nhiên liệu, 5. vỏ thép có
vòi đốt. Vận tốc của khí trong buồng đốt dao động trong khoảng 5 ÷ 8 m/s và thời gian lƣu của khí thải trong buồng đốt khoảng 0,2 ÷ 0,5s là đạt yêu cầu. thời gian lƣu phụ thuộc vào lƣu lƣợng khí thải, kích thƣớc buồng đốt và đƣợc xác định sau khi nhiệt độ khí thải đạt giá trị quy định.
Nhiệt độ và thời gian lƣu của khí thải trong buồng đốt là hai thông số quyết định cho quá trình cháy diễn ra có đƣợc hoàn toàn hay không. Khi tăng nhiệt độ thì thời gian lƣu có thể đƣợc rút ngắn và ngƣợc
lại, tuy nhiên nhiệt độ là thông số quan trọng nhất.
Song song với nhiệt độ và thời gian lƣu, nồng độ chất ô nhiễm (chất cháy) trong khí thải cũng có ảnh hƣởng nhiều đến quá trình cháy. Nồng độ chất ô nhiễm quyết định lƣợng nhiên liệu cần bổ sung. Đầu tiên cần cấp nhiên liệu để khơi mào cho phản ứng oxy hóa. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng oxy hóa tăng theo cho đến khi phản ứng oxy hóa tự duy trì đƣợc, lúc đó có thể giảm dần lƣợng nhiên liệu bổ sung đến một giới hạn nhất định để đảm bảo quá trình cháy đƣợc ổn định.
Một vấn đề khác cần lƣu ý là mức độ hòa trộn giữa khí thải và nhiên liệu bổ sung. Thông thƣờng chỉ một phần khí thải (khoảng 50%) hòa trộn tốt nhiên liệu bổ sung ngay tại vòi đốt. Phần còn lại của khí thải cần đƣợc hòa trộn với sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao sau ngọn lửa để đảm bảo ngọn lửa không bị dập tắt và quá trình cháy đƣợc hoàn toàn. Không có sự hòa trộn tốt giữa sản phẩm cháy và phần còn lại của khí thải thì sản phẩm cháy không hoàn toàn sẽ phát thải vào khí quyển.
Khi nồng độ chất ô nhiễm (chất cháy) trong khí thải quá thấp, nhiệt lƣợng cháy của nó không đủ để duy trì sự cháy, ngƣời ta áp dụng biện pháp hâm nóng khí thải trƣớc khi đƣa vào buồng đốt. Nhiệt lƣợng cần cho việc hâm nóng khí thải đƣợc tận dụng từ sản phẩm cháy trong buồng đốt. Hình 3.9 là sơ đồ cấu tạo của buồng đốt có hâm nóng trƣớc khí thải 2 3 1 4 5 2
Hình 3.9: Sơ đồ buồng đốt có hâm nóng trƣớc khí thải
1 2
3
Hình 3.8: Buồng đốt khí thải có ngăn áp lực
1. ống cấp khí, 2. ống cấp nhiên liệu, 3. ngăn áp lực, 4. vòi đốt
20 40 60 80 600 100 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000oF Hiệ u quả oxy hóa c hấ t ô nhiễm, %
Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian lƣu của khí thải trong buồng đốt ứng với mức oxy hóa khác nhau của chất ô nhiễm
Nhiệt độ làm việc trong buồng đốt thay đổi tuỳ theo chất ô nhiễm trong khí thải. Chất Giới hạn nhiệt độ trung bình
o
C K
Hydrocacbon 500 ÷760 770 ÷1033
Cacbon oxit 680 ÷800 950 ÷1070
Xử lý mùi bằng oxi hoá 500 ÷700 770 - 970
c. Thiêu đốt có xúc tác.
Thiêu đốt có xúc tác là một bƣớc phát triển tiếp theo của công nghệ xử lý khí thải trong không gian kín - buồng đốt.
Nhiệt độ làm việc của buồng đốt có xúc tác thƣờng nằng trong khoảng từ 200 ÷ 460oC và cũng tuỳ thuộc vào loại chất ô nhiễm cần oxi hoá. Bảng 3.2 là phạm vi nhiệt độ làm việc của buồng đốt có xúc tác đối với một số chất ô nhiễm phổ biến trong công nghiệp.
Hình 3.11 : Sơ đồ cấu tạo của buồng đốt có xúc tác
1. Lớpđệm bằng vật liệu xúc tác, 2. Bề mặt trao đổi nhiệt để hâm nóng khí thải, 3. Khí thải vào, 4. Khí sạch ra, 5. Cấp nhiên liệu, 6. Cấp không khí, 7. vòi đốt, 8. Đƣờng dẫn
khí thải đã đƣợc hâm nóng vào đốt 3 4 1 5 6 7 8 2
Bảng 3.4: Nhiệt độ làm việc của buồng đốt có xúc tác
Chất Giới hạn nhiệt độ oxy hóa có xúc tác
K oC
Các chất dung môi: Toluol, metyl etyl keton, xylol, ancol…
530 ÷ 730 260 ÷ 460
Các chất béo có nguồn
gốc động vật 530 ÷640 260 ÷ 370
Các chất thải trong công nghiệp hóa chất nhƣ: cacbon oxit, etylen, oxit etylen, propylen…
480 ÷ 670 200 ÷ 400
Quá trình oxi hoá xảy ra trên bề mặt chất xúc tác không phát ra ngọn lửa, nhƣng bề mặt chất xúc tác vẫn nóng đỏ. Hiệu quả oxi hoá đạt từ 95 ÷98% và do đó khí thải thoát ra ngoài từ buồng đốt có xúc tác chủ yếu là khí CO2, hơi nƣớc và khí nitơ.
Về vật liệu xúc tác, trong công nghiệp thƣờng sử dụng một số kim loại quí nhƣ platin nghiền nhỏ và cố định trên nền một oxit kim loại khác nhƣ oxit nhôm Al2O3, từ đó ta có chất xúc tác Pt/Al2O3. ngoài ra các oxit sau đây cũng có đặc tính xúc tác đối với quá trình oxi hoá: Co3O4, CoO.Cr2O3, MnO2, LaCoO2 và CuO
Ngƣời ta chế biến vật liệu xúc tác dƣới dạng dải mỏng, hạt mịn, viên tròn…để tạo thành lớp đệm rỗng và cho khí cần oxy hóa đi qua. Trong nhiều trƣờng hợp vật liệu xúc tác còn đƣợc chế tạo thành tấm nhƣ tấm lƣới lọc bụi hoặc thành đơn nguyên gồm nhiều thanh hình trụ xếp theo dãy so le nhau để tạo lối dích dắc đối với luồng khí cần xử lý. Trên hình 3.11 là các bộ phận xúc tác đƣợc chế tạo theo dạng nêu trên.
Hiệu quả oxi hoá của chất xúc tác phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ làm việc. Trên hình 3.13 là biểu đồ hiệu quả oxy hóa của chất xúc tác Pt/Al2O3 phụ thuộc vào nhiệt độ đối với một số chất ô nhiễm thƣờng gặp. Ta thấy đƣờng đặc tính “hiệu quả oxy hóa - nhiệt độ” của các dung môi hydrocacbon nằm trong một dãi hẹp với hiệu quả rõ rệt trong khoảng nhiệt độ từ 300÷ 500oC. Khí CH4 là chất phản ứng yếu đối với loại chất xúc tác Pt/Al2O3, giới hạn nhiệt độ cho hiệu quả oxy hóa cao phải lên đến 600 ÷ 700o
C. Chất xúc tác cần đƣợc lựa chọn để nó làm việc có hiệu quả đối với nhiều chất ô nhiễm khác nhau.
Ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhƣng vấn đề bụi cần đƣợc quan tâm. Bụi bám trên bề mặt vật liệu xúc tác sẽ làm giảm khả năng oxi hoá và rút ngắn
a. b. Hình 3.12 : Các bộ phận xúc tác a. Dạng tấm, b. Dạng thanh hình trụ 0 0 20 40 60 80 100 100 200 400 500 600 700oC
Hình 3.13 : Biểu đồ hiệu quả oxy hóa phụ thuộc vào nhiệt độ của chất xúc tác Pt/Al2O3 đối với một số chất ô nhiễm phổ biến