CHƯƠNG 3 : ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.2 ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
3.2.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Khí thải nhà máy nhiệt điện đốt than có nhiệt độ là khoảng 10000C - 12000C được dẫn qua lò hơi phát điện để làm giảm bớt nhiệt độ ban đầu của dòng khí thải đầu vào thành 6000C sau đó dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt giảm nhiệt độ còn 3700C với chất tải nhiệt có thể là nước vì rẻ tiền và có sẵn trong hệ thống cấp nước của nhà máy sinh ra hơi nước. Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị được dùng để trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt. Những chất mang nhiệt này có thể được ngăn cách với nhau bằng những tấm (hay plate) nhằm ngăn cản sự pha trộn hoặc sự tiếp xúc trực tiếp giữa các chất mang nhiệt. Trong kỹ thuật, thiết bị này giữ vai trò quan trọng trong quá trình sản sinh hơi nước (trong lò hơi), thiết bị ngưng tụ và bốc hơi (trong thiết bị lạnh, thiết bị hồi nhiệt,..).
Dòng khí thải sau khi được giảm nhiệt ở 3700C sẽ dẫn qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) để loại bỏ các hạt bụi có kích thước nhỏ ra khỏi dòng khí chảy qua buồng lọc trên nguyên lí ion hóa và tách bụi ra khỏi không khí khi chúng đi qua vùng có điện trường lớn. Buồng lọc bụi tĩnh điện được cấu tạo hình hộp chữ nhật, bên trong có đặt các tấm cực song song hoặc các dây thép gai. Hạt bụi có kích thước nhỏ, nhẹ bay lơ lửng trong không khí được đưa qua buồng lọc có đặt các tấm cực. Trên các tấm cực, ta cấp điện cao áp một chiều cỡ từ vài chục đến 100kV để tạo thành một điện trường có cường độ lớn. Hạt bụi khi đi qua điện trường mạnh sẽ bị ion hóa thành các phân tử ion mang điện tích âm sau đó chuyển động về phía tấm cực dương và bám vào tấm cực đó, sau 1 khoảng thời gian, các tấm bụi được rơi xuống buồng thu bụi nhờ hệ thống rung, gõ. Ở đây ta chọn lọc bụi tĩnh điện mà không dùng cyclone là bởi kích thước hạt bụi nêu trên quá nhỏ, mà đối với cyclone chỉ lọc được những hạt bụi có kích thước lớn và thô. Ngược lại với lọc bụi tĩnh điện thì thích hợp với các loại bụi có kích thước nhỏ (có thể dưới 1 micromet), mịn hiệu suất xử lí lọc bụi tĩnh điện lên đến 97,5%.
Khí thải sau khi xử lý bụi nhiệt độ dòng khí vẫn còn cao và chứa SO2 nên sẽ được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt để làm giảm nhiệt độ dòng khí xuống 120OC trước khi đưa vào tháp hấp thụ khí SO2. Nước nóng sau khi dùng để giảm nhiệt độ dòng khí ta có thể tận dụng nguồn nước này. Thứ nhất ta dùng cung cấp nước sạch ban đầu dùng cho lò hơi phát điện. Thứ hai ta dùng nước nóng để nâng nhiệt độ ống khói lên 800C,
để khí thải ra ngoài tránh trường hợp tạo khói trắng. Đối với xử lý SO2 lựa chọn phương pháp hấp thụ bằng dung dịch Ca(OH)2 vì những ưu điểm đó là loại dung dịch rẻ tiền, dễ kiếm. Xử lý được khí SO2 ở nồng độ cao. Hiệu suất xử lý cao, có thể lên đến 90%. Có tính ăn mòn thiết bị yếu, ít gây nguy hại cho thiết bị xử lý. Với công nghệ xử lý hiện đại hơn, hệ thống xử lý có thể cho ra sản phẩm cuối cùng là thạch cao, không gây ô nhiễm môi trường và có thể tách ra đem đi chôn lấp dễ dàng.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. Nhiệt độ làm việc của tháp là 600C. Trong tháp hấp thụ, dòng khí đi từ dưới lên và dung dịch hấp thụ Ca(OH)2 được phun từ trên xuống nhờ hệ thống giàn phun. Khí SO2 tiếp xúc với Ca(OH)2 xảy ra phản ứng và sản phẩm tạo thành là bùn thạch cao (CaSO4). Bùn thạch cao được lắng xuống đáy tháp và được đưa đi xử lý định kỳ. Phần khí sạch lên trên qua bộ khử ẩm (để tách nước và bùn còn dính trong khí) rồi ra ngoài qua ống khói nhờ quạt hút. Khí thải đầu ra đảm bảo đạt quy chuẩn QCVN 19:2009/BTNMT.
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ THẢI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN
1.1Thiết bị lọc bụi tĩnh điện
1.1.1 Mục đích:
Tại đây, hầu hết các hạt bụi được loại bỏ bởi dòng khí nhờ vào khả năng lắng bụi của thiết bị khá là cao
1.1.2 Tính toán thiết bị:
❖ Các thông số ban đầu:
Lưu lượng khí thải Q= 225972 m3/h Nhiệt độ khí vào: t = 370oC
Nồng độ bụi đầu vào: Cv = 8000 mg/Nm3 Nồng độ bụi đầu ra: Cr = 200 mg/ Nm3 - Lưu lượng khí thải ở 370oC:
Q = Q × 273+𝑡 = 225972 × 273+370 = 532234 ( ) = 147,84 ( ) 𝑚3 𝑚3
273
- Hiệu suất cần thiết kế là :
𝐶𝑣−𝐶𝑟
273 ℎ 𝑠
8000 − 200
𝜂 =
𝐶𝑣 × 100 = 8000 × 100 = 97,5%
❖ Xác định tiết diện ngang của thiết bị:
Để đảm bảo hiệu suất làm việc của bộ lắng bụi tĩnh điện thì vận tốc dòng khí đi trong thiết bị thường nằm trong khoảng v = 0.5 – 1.5 m/s. Ta chọn vận tốc dòng khí đi trong thiết bị là v =1.5 m/s
- Tiết diện ngang của thiết bị là
𝑄
𝐹 =
𝑣
Trong đó:
Q – lưu lượng khí thải vào thiết bị ở nhiệt độ việc làm của thiết bị ( m3/s) v – vận tốc dòng khí đi trong thiết bị (m/s)
Vậy: F = 147,84 = 98,57(𝑚2)
1.5
Chọn tiết diện ngang bằng 100 m2. Chiều rộng của thiết bị b = 8,5 m , chiều cao của thiết bị là h = 12 m.
0.1 ×1.5
- Hiệu quả lắng bụi của thiết bị lắng bụi phụ thuộc vào kích thước hạt
Trong đó:
𝜂 = 1 −𝑒𝑥𝑝(−𝜓𝜔𝐿)
𝑎𝑣
𝜓– hệ số tỉ lệ, hằng số đối với mọi mặt cắt bất kì, chọn 𝜓 = 1
𝜔 – vận tốc di chuyển của hạt bụi về phía cực lắng, m/s
L – tổng chiều dài của tấm điện cực lắng (m)
a – khoảng cách từ cực ion hóa đến cực lắng, a = 0.1 m
v - vận tốc trung bình của dòng khí đi giữa các bản cực là 1.5 m/s
- Vận tốc lắng giới hạn của bụi :
vgh = 𝑑 × 𝗀𝑜×𝐸2× 𝗀
𝜇×(∈ +2)
Trong đó:
d: đường kính hạt bụi, giá sử hạt bụi có kích thước là 2.5 𝜇m 𝜀𝑜: độ thẩm thấu điện, 𝜀𝑜 = 8.85.10−12 (C/V.m)
𝜀 :hằng số điện môi của bụi, đối với bụi rắn là từ 4 -8. Chọn 𝜀 =4
Eo :cường độ điện trường ion hóa, Eo = 3.8 - 4 (Kv/cm). Chọn Eo = 4 (kV/cm) 𝜇 : độ nhớt động lực của khí ở nhiệt độ làm việc là 370oC , 𝜇 = 3.10-5 Ns/ m2
8,85.10−12 × (4.105)2 × 4
→ 𝜔 =
3 × 10−5 × (4 + 2) × 2.5.10−6 = 0.07 𝑚/𝑠
Thay các giá trị vào công thức tính hiệu suất, ta được: 0.975 = 1 - 𝑒−(
1×0.08 ×𝑙
) → l = 6,9m Vậy chọn chiều dài của tấm cực lắng là 7 m
❖ Xác định các điện cực:
- Tiết diện vùng thu bụi:
ln(1-𝜂) = (−𝐴×𝜔𝑐) 𝑄 ➔ A = −𝑄 × ln(1-𝜂) =- 𝜔𝑐 225972 3600 0,065 × ln(1-0,975) = 3562 m2
o
Trong đó: 𝜔𝑐– tốc độ di chuyển khí, đối với bụi xi măng sử dụng quy trình khô, 𝜔𝑐= 0.064 – 0.07 m/s. Chọn 𝜔𝑐= 0.065 m/s (Table 3.1 -Theodore, L., and A. J. Buonicore. 1976. Industrial Air Pollution Control Equipment for Particulates. Cleveland: CRC Press)
- Số lượng các tấm thu bụi:
Trong đó:
Nc= 𝐴
𝐴𝑝
+ 2= 3562
2 𝑥 8,5 𝑥 12 + 2 = 20 tấm
A : diện tích 2 mặt tấm thu bụi, m2
- Tổng số lượng điện cực phóng: nf = (nc – l) × 𝐴= 19 × 2,3 = 138 điện cực 𝑧 ➔ Chọn 140 điện cực Trong đó: 0.2
A: khoảng cách giữa 2 điện cực ion hoá ngoài cùng theo chiều di chuyển của dòng khí trên môi trường
z: khoảng cách giữa hai điện cực ion hoá ở gần nhau, z = 0,2
A/z: số điện cực phóng trên mỗi dãy, A/z = 11.5 điện cực. Để thuận tiện cho việc bố trí các điện cực phóng trên một dãy, ta chọn số điện cực phóng trên một dãy là 12 (điện cực). Khi đó khoảng cách giữa 2 điện cực ion hoá ngoài cùng theo chiều di chuyển của dòng khí trên môi trường A = 2.3
❖ Hiệu điện thế tới hạn:
- Cường độ tới hạn của điện trường:
E = 3.04 × (β + 0,0311√β) × 106, V/m
R
(CT 9.31 - Theo sách ‘‘ Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Tập 2, GS.TS Trần Ngọc Chấn, NXB Khoa học và kỹ thuật 2001’’)
Trong đó:
R: bán kính dây điện cực ion hoá, chọn R = 0,0015
β: tỉ số giữa khối lượng đơn vị của khí trong điều kiện làm việc và điều kiện chuẩn (t = 00C, p= 1,013 x 105 N/m2)
o
β = 𝑃𝑘𝑞+𝑃𝑘 × (273+0)
1,013 X 105 (273+ 𝑡)
( CT 9.32- Theo sách ‘‘ Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Tập 2, GS.TS Trần Ngọc Chấn, NXB Khoa học và kỹ thuật 2001’’)
Trong đó:
𝑃𝑘𝑞: áp suất khí quyển, N/m2
𝑃𝑘: áp suất (dư hoặc âm) tương đối của khí trong thiết bị lọc, pk = 0 (N/m2) 𝑡: nhiệt độ của khí, 0C
1,013 x105 (273 + 0)
→ β =
1,013 x105 ×
(273 + 370) = 0,42
Vậy cường độ tới hạn của điện trường:
E = 3.04 × (0,42 + 0,0311√ 0,42 0,0015 ) × 106 = 2881447,6, V/m= 2,9 x 106(V/m) - Điện áp tới hạn: 𝜋𝛼 𝑈𝑜= 𝐸𝑜 × 𝑅1 ( 𝑐 −𝑙𝑛 2𝜋𝑅𝑐 1)
(CT 9.37- Theo sách ‘‘ Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Tập 2, GS.TS Trần Ngọc Chấn, NXB Khoa học và kỹ thuật 2001’’)
Trong đó:
Eo: cường độ tới hạn của điện trường mà tại đó bắt đầu xuất hiện sự phóng điện, Eo= 2,9x 106 (V/m)
R1: bán kính điện cực ion hoá
a: khoảng cách từ cực ion hoá đến cực lắng, a = 0,1 m
c: khoảng cách giữa các điện cực ion hoá trên cùng một dãy, c = 0,1m
𝜋 × 0,1 2𝜋 × 0,0015 → 𝑈 = 2,9x 106 × 0,0015 ( −𝑙𝑛 ) = 25703,65 (𝑉) 𝑜 = 25,7(𝑘𝑉) 0,1 0,1 ❖ Cường độ dòng điện: Io = Z × U × (U − UO) (A/m) (CT 9.38) Trong đó:
U: điện áp vào cực(-) của thiết bị, chọn U = 50kV
Z: hằng số phụ thuộc vào kiểu thiết bị. Đối với thiết bị lắng bụi bằng điện kiểu tấm thì:
𝑍 = 9×109×4𝜋𝑐22×(𝜋𝑎𝑘×𝑌
−𝑙𝑛2𝜋𝑅1)
𝑐 𝑐
(CT 9.40- Theo sách ‘‘ Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Tập 2, GS.TS Trần Ngọc Chấn, NXB Khoa học và kỹ thuật 2001’’)
Trong đó:
𝑌:hệ số phụ thuộc vào vị trí tương đối của cực ion hoá và cực thu bụi thuộc kiểu
tấm bản. Với A/c = 1 nên 𝑌 = 0,027 ( Theo sách ‘‘ Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Tập 2, GS.TS Trần Ngọc Chấn, NXB Khoa học và kỹ thuật 2001’’)
k: độ hoạt động của ion, nhận k = 2,1 x 10-4
4 × 3.142 × 2,1 x 10−4 × 0,027
𝑍 = = 4.52 x 10−13 = 0,452( 𝑚𝐴)
9 2 𝜋 × 0,1 2𝜋 × 0,0015 𝑚
9 × 10 × 0,1 ( 0,1 −𝑙𝑛 0,1 )
Vậy cường độ dòng điện:
Io = 4.52 x 10−13 × 50000 × (50000 − 25700) = 5.5 x 10−4(A/m)
❖ Động năng tiêu thụ:
Trong đó:
𝑁 = 𝑈𝑚× 𝐼𝑡𝑏× 𝑘𝜑× 𝑐𝑜𝑠𝜑
1,41 × 𝜂𝑒
Um: điện áp biên độ của dòng điện cấp, Um = 50kV Itb: cường độ trung bình của dòng điện trong thiết bị, A
Itb = Io x H, với Io là cường độ đơn vị của dòng điện corona, Io =5.5 x 10−4
(A/m); H: Tổng chiều dài điện cực ion hoá H = 51 x 10 = 510 m
➔ Itb = Io x H = 5.5 x 10−4 × 510 = 0,2805 (A)
𝜂𝑒: hiệu suất của thiết bị, chọn 𝜂𝑒= 0,8 𝑐𝑜𝑠𝜑: hệ số công suất, chọn 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,75
1,41 là hệ số chuyển đổi từ giá trị điện áp biên độ sang giá trị điện áp hiệu quả 50 × 0,2805 × 1.2 × 0,75
→ 𝑁 =
❖ Tổn thất nhiệt:
1,41 × 0,8 = 11,19(𝑘𝑊)
Theo tài liệu vận hành thiết bị lọc bụi tĩnh điện của nhà máy nhiệt điện Cẫm Phả Lại thì nhiệt độ dòng khí vào là 121oC, nhiệt độ dòng khí ra là 116oC. Trong khoảng này thì nhiệt độ thay đổi ít(50C), xem lại lưu lượng và nhiệt dung riêng đẳng áp của dòng khí vào và dòng khí ra là bằng nhau.
- Tổn thất nhiệt lượng qua thiết bị có thể tính theo tổn thất nhiệt độ: Qtt = 𝑡𝑣−𝑡𝑟𝑄
= 121−116 𝑄 = 0.0413 Qv
𝑡𝑣 𝑣 121 𝑣
Lượng nhiệt tổn thất ở thiết bị này ta cũng lấy 4% so với lượng nhiệt dòng khí mang vào thiết bị
Nhiệt lượng vào : QV = Gv × Cp vào × tv
Tại nhiệt độ khí thải 370oC , ta ‘‘tra bảng I.5 Trần Xoa – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội – 2006’’
Khối lượng riêng, 𝜌370 = 0.554 ( 𝑘𝑔)
𝑚3
Nhiệt dung riêng đẳng áp : Cp,370 = 1.142 (kJ/kg. độ) tv – nhiệt độ dòng khí vào thiết bị, tv = 370oC
G - lưu lượng khối lượng của dòng khí vào, G = Q × 𝜌370 = 147,84 × 1.142 = 168,83 (kg/s)
➔ Qv = 168,83× 1.142 × 370 = 71337,43W
Gọi tr là nhiệt độ của dòng khí ra khỏi thiết bị, khi đó lượng nhiệt dòng khí tỏa ra để hạ nhiệt độ từ tv đến tt là:
Q = Gv × Cp,370 ×(tv – tr) = Qtt = 0,04 x Qv
0,04 x 71337,43 = 147,84 x 1,142 x ( 370 – tr)
❖ Phễu thu bụi
Phễu thường được thiết kế với độ dốc 500 đến 700 . Chọn góc 60o
(Theo - Eliaser T. Nghishiyeleke et.al (8/2020), Design of an electrostatic precipitator for a novel bituminous coal-fired circulating fluidised bed combustion power plant in Namibia, University of Cape Town ISSN: 2413-3051)
Chọn chiều cao phễu thu bụi 8000 mm. Chọn đường kính ống thu dẫn bụi 960 mm.
❖ Buồng lắng bụi
Chọn chiều cao buồng lắng bụi 3200mm Chọn chiều dài buồng lắng bụi 1000mm
❖ Khối lượng bụi thu được
Nồng độ bụi đi vào túi vải là 8000 mg/m3 vì hệ thống ESP không linh động khi nồng độ vào thay đổi, chọn nồng độ tính toán lớn hơn thực tế để đảm bảo nồng độ đầu ra theo QCVN.
- Nhiệt độ khí sau ESP được tính là 355oC, nồng độ đầu ra theo QCVN ở 355˚C:
200 × (25 + 273) 𝑚𝑔
𝐶𝑐𝑝,355𝑜𝐶= (355 + 273) = 95(
𝑚3)
- Nồng độ bụi đầu vào ESP ở 355oC
8000 × (25 + 273) 𝑚𝑔
𝐶𝑜𝑢𝑡,355𝑜𝐶=
- Lượng hệ khí vào ESP:
(355 + 273) = 3796(𝑚3)
Gv = 𝜌𝑘 × 𝑄𝑣 = 1.5 × 225972 = 338958 (kg/h) - Nồng độ bụi trong hệ khí đi vào thiết bị túi vải
𝐶𝑝 𝑦𝑣 = 𝑘 8000 × 10−6 = × 100 = 0,53% 1,5 - Nồng độ bụi trong hệ khí ra khỏi thiết bị
𝑦𝑟= 𝑦𝑣 × (1 −𝜂) = 0,53 × (1 − 0,975) = 0,013 % - Lượng hệ khí ra khỏi thiết bị:
Gr =Gv x 100−yv
100− yr = 338958 x 100−0,53
100−0,013 = 337205(kg/h)
- Lượng khí sạch hoàn toàn Gs =Gv x 100−yv
100 = 338958 x 100−0,53 = 337161(kg/h)
100
- Lưu lượng hệ khí ra khỏi thiết bị
𝑄 = 𝐺𝑟 = 337205 = 224803 (m3/h)
- Lượng bụi thu được:
𝑟 𝜌𝑘𝑘
1,5
Gb = Gv – Gr =338958 – 337205 = 1753 (kg/h) - Thể tích bụi thu được trong 1 ngày
V = 𝑚 𝜌𝑏 Trong đó: m = 1753 x 24 = 42072 (kg/ ngày) Suy ra : V = 42072= 14,8 (m3/ngày) 2840 ❖ Lựa chọn vật liệu
(Dựa vào Table 15: ESP structural materials - Eliaser T. Nghishiyeleke et.al (8/2020), Design of an electrostatic precipitator for a novel bituminous coal-fired circulating fluidised bed combustion power plant in Namibia, University of Cape Town ISSN: 2413-3051)
Bảng 4.1: Lựa chọn vật liệu cho hệ thống ESP
Thành phần Vật liệu
Tấm thu bụi Tấm thép không gỉ (SS316)
Độ dày: 2mm
Điện cực phóng điện Thép cacbon (ống ϕ50,8, độ dày:
1,3mm)
Vỏ thùng Thép tấm cacbon cán nguội
(độ dày: 6mm)
Vỏ mỗi shell Nhôm tấm ceramic (sứ)
(độ dày: 150 mm)
Búa gõ Thép cacbon rèn nguội (m=8kg, tay
đòn ngang= 300mm)
Phễu thu bụi Tấm thép cacbon trung bình
Bảng 4.2: Thông số thiết kế thiết bị lọc bụi tĩnh điện
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Lưu lượng khí vào m3/h 225972
2 Nhiệt độ khói 0C 370
3 Hiệu suất lắng bụi tính toán % 97,5
4 Tiết diện ngang m2 100
5 Tiết diện vùng thu bụi m2 3562
6 Kích thước thân thiết bị, LxBxH m 7x8,5x12
7 Vận tốc lắng m/s 0.08
8 Số lượng tấm thu bụi Tấm 20
9 Số dãy điện cực phóng Dãy 19
10 Số điện cực phóng Điện cực 140
11 Khoảng cách giữa 2 tấm thu bụi mm 200