% Độ ẩm % Độ ẩm % Lưu % Các bon % Hyđro % Ni tơ % Ơxy tồn phần
(Ap) huỳnh (Sp) (Cp) (Hp) (Np) (Op)
(Wp)
3 0,3 2,9 83,4 10 0,2 0,2
Nhiệt năng của nhiên liệu dầu FO theo công thức Mendeleev: Qp = 81.Cp + 246 Hp – 26 (Op – Sp) – 6 Wp (kcal/kgNL)
Qp = 81 x 83,4 + 246 x 10 – 26 (0,2 – 2,9) – 6 x 3 = 9267 kcal/kg.
Coi q trình đốt cháy nhiên liệu là hồn tồn, nên lượng CO sinh ra được đốt cháy hết. Vì vậy, luận văn chỉ tính tốn lượng bụi và khí NOx, SO2 sinh ra trong q trình đốt cháy dầu FO trong lị sấy.
Bảng 3.5. Kết quả tính tốn tải lượng và nồng độ khí thải và bụi phát sinh khi đốt cháy nhiên liệu dầu FO[1]
TT Đại lƣợng tính Cơng thức tính Đơn vị Kết quả
Lượng khơng khí khơ lý Vo = 0,089Cp + 0,26Hp – m3
1 thuyết 0,0333 (Op-Sp) chuẩn/kg 10,112
NL
Lượng khơng khí ẩm lý m3
thuyết cần cho quá trình cháy
2 Va = (1 + 0,0016d)Vo chuẩn/kg 10,387
(ở t = 30oC ; = 65%; d = NL
17g/kg)
Lượng khơng khí ẩm thực tế m3
3 với hệ số thừa khơng khí = Vt =*Va chuẩn/kg 14,54
1,2 – 1,6 ( lấy =1,4 ) NL
m3
4 Lượng khí SO2 trong SPC VSO2 = 0,683*Sp/100 chuẩn/kg 19,8.10-3
NL
Lượng khí CO trong SPC với m3
hệ số cháy khơng hồn tồn
5 về hoá học và cơ học ( = VCO =*Cp/100 chuẩn/kg 0,005 NL
0,01-0,05)
VCO2 = 1,853(1 -) m3
6 Lượng khí CO2 trong SPC *Cp/100 chuẩn/kg 1,536
NL
VH2O = 0,111Hp + m3
7 Lượng hơi nước trong SPC 0,0124Wp + 0,0016dVt chuẩn/kg 1,17 NL
m3
8 Lượng khí N2 trong SPC VN2 = 0,8Np/100 + 0,79Vt chuẩn/kg 11,488 NL
Lượng khí O2 trong khơng m3
9 khí thừa VO2 = 0,21(- 1)Va chuẩn/kg 0,872
NL 10 a) Lượng khí NOx trong SPC MNox=3,953.10-8
TT Đại lƣợng tính Cơng thức tính Đơn vị Kết quả
(xem như NO2:NO2 = 2,054 kg/m3 chuẩn)
m3
b) Quy đổi m3 chuẩn/kgNL VNox = MNox/B*Nox chuẩn/kg 1,982.10-3
NL c) Thể tích khí tham gia vào
phản ứng của NOx VN2(Nox) = 0,5.VNox
0,7.10-3 d) Thể tích khí O2 tham gia
vào phản ứng của NOx
VO2(Nox)= VNox
1,982.10-3 Lượng SPC tổng cộng SPC ở VSPC = Tổng các mục(4-9) m3
11 điều kiện chuẩn) +10b – 10c – 10d chuẩn/kg 10,473
NL 12 Lượng khói (SPC) ở điều Lc = VSPC.B/3600 m3
/s 0,58
kiện chuẩn
13 Lượng khói (SPC ở điều kiện Lt = Lc(273 + t khói)/273 m3
/s 1,005
thực tế to = 200oC)
14 Lượng khí SO2 vớiSO2 MSO2 = VSO2*B*SO2 g/s 0,888 =2,926 kg/m3chuẩn *1000/3600
15 Lượng khí NOx vớiNOx = MNox = 1,73*1000/3600 g/s 0,481 2,054kg/m3chuẩn
Lượng cho bụi với hiệu số tro
16 bay theo khói a = 0,1- 0,85 (lấy Mbụi=10*a*Ap*B/3600 g/s 6,667 a = 0,8)
Nồng độ phát thải chất ô nhiễm CSO2 = MSO2/Lt g/m3 0,883
17 trong khói thải CNox = MNOx/Lt g/m3 0,478
Cbụi = Mbụi/Lt g/m3 6,634
Ghi chú: m3 chuẩn/kg NL – mét khối chuẩn trên 1 kg nhiên liệu.
So sánh nồng độ chất ơ nhiễm trong khí thải được tính tốn ở trên với tiêu chuẩn cho phép về khói thải QCVN 19:2009/BTNMT.
Bảng 3.6. Bảng so sánh kết qủa nồng độ chất ơ nhiễm tính tốn lý thuyết với giới hạn cho phép của khí thải nhà máy đang hoạt động theo QCVN 19:2009/BTNMT
TT Chất ơ nhiễm Giá trị tính tốn QCVN 19:2009/BTNMT
mg/Nm3 (cột B)
1 SO2 883 500
2 NOx 478 850
4 Bụi khói 6.634 200
Từ bảng trên ta thấy, theo tính tốn lý thuyết thì nồng độ các chất ơ nhiễm do đốt dầu FO phục vụ cho lị sấy khn đều vượt tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 19:2009/BTNMT, cột B.
3.2.3. Tính tốn tải lượng chất ơ nhiễm trong quá trình đúc
Hiện tại, để phục vụ cho q trình đúc, có sử dụng 2 loại lò đúc: - Lò điện hồ quang: 20 tấn/mẻ/h (2 lò)
- Lò cảm ứng: 30 tấn/mẻ/h (7 lò)
Qua số liệu đo đạc định kỳ tại nhà máy, lượng các chất ô nhiễm mơi trường khơng khí trung bình tại nhà máy như sau [5]:
Khí thải sinh ra từ lị điện hồ quang: 20 tấn/giờ
Bụi: 4080 (g/tấn) SO2: 480 g/tấn NOx: 128 g/tấn CO: 7200 g/tấn
Khí thải sinh ra từ lị điện cảm ứng: 30 tấn/giờ
Bụi: 5100 (g/tấn) SO2: 600 g/tấn NOx: 160 g/tấn CO: 9000 g/tấn
Tải lượng (g/s)
Lượng (g/tấn) x Công suất (tấn/h) =
3600
Như vậy, tải lượng các chất ơ nhiễm phát sinh trong q trình sử dụng lị điện để nấu chảy kim loại theo tính tốn lý thuyết như sau:
Tải lượng các chất ơ nhiễm từ lị nấu cảm ứng: Bụi: (4080*30)*2/3600 = 68 (g/s)
SO2: (480*30)*2/3600 = 8 (g/s) NOx: (128*30)*2/3600 = 2,13 (g/s) CO: (7200*30)*2/3600 = 120 (g/s)
Tải lượng các chất ơ nhiễm từ lị điện hồ quang: Bụi: (5100*20)/3600 = 28,33 (g/s)
SO2: (600*20)/3600 = 3,33 (g/s) NOx: (160*20)/3600 = 0,89 (g/s) CO: (9000*20)/3600 = 50 (g/s)
Tải lượng các chất ô nhiễm phát sinh từ hoạt động nấu chảy kim loại được tổng hợp trong bảng sau:
Bảng 3.7. Tải lượng các chất ô nhiễm trong quá trình nấu chảy kim loại
Thành phần Đơn vị Lò nấu cảm ứng Lò điện hồ quang
Lượng Tải lượng Lượng Tải lượng
(g/s) (g/s)
Bụi g/tấn 4080 68 5100 28,33
SO2 g/tấn 480 8 600 3,33
NOx g/tấn 128 2,13 160 0,89
CO g/tấn 7200 120 9000 50
Từ các số liệu đã có, ta có bảng tổng hợp nồng độ và tải lượng các chất ô nhiễm của các nguồn thải như sau:
Bảng 3.8. Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải
Thành Đơn vị Lò điện Lò cảm Đốt dầu Ống khói Ống khói
phần hồ quang ứng FO K1 K2
Bụi g/s 28,33 68 0,03 96,33 0,03
SO2 g/s 3,33 8 0,13 11,33 0,13
NOx g/s 0,89 2,13 0,00 3,02 0,00
CO g/s 50 120 1,21 170 1,21
Tại nhà máy Vitech đã có hai hệ thống xư lý khí thải, một hệ thống xử lý khí thải từ lị điện có hiệu suất xử lý 65%, và một hệ thống xử lý khí thải từ lị hơi có hiệu suất xử lý 90%.
Tải lượng của các nguồn khí thải sau khi đã qua thiết bị xử lý như sau:
Bảng 3.9. Tải lượng các chất ô nhiễm sau khi qua thiết bị xử lý
Nguồn h(m) D (m) L (m3
/s) Tải lượng M (g/s) sau khi qua thiết bị xử lý thải
NOx CO SO2 Bụi
K1 24 2,8 46 2,13 120 8 23,8
K2 25 3,85 111 1,45 82,71 5,56 4,62
K1: Ống khói của lị đúc cảm ứng và lị điện hồ quang; hiệu suất xử lý 65%. K2: Ống khói của lị sấy sử dụng dầu FO; hiệu suất xử lý 90%.
3.2. Tính tốn q trình khuếch tán chất ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí theo mơ hình Gauss
3.2.1. Giới thiệu về mơ hình lan truyền Gauss
Khi mơ tả q trình khuếch tán chất ơ nhiễm trong khơng khí bằng mơ hình tốn học thì mức độ ơ nhiễm khơng khí thường được đặc trưng bằng trị số nồng độ chất ô nhiễm phân bố trong không gian và biến đổi theo thời gian.
Trong trường hợp tổng quát, trị số trung bình của nồng độ ơ nhiễm trong khơng khí phân bố theo thời gian và khơng gian được mơ tả từ phương trình chuyển tải vật chất (hay là phương trình truyền nhiệt) và biến đổi hóa học đầy đủ như sau:
C u C v C w C C C k x k y k z t x y z x x y y z C CC wc C (1) z z
Trong đó:
C : Nồng độ chất ơ nhiễm trong khơng khí. x,y,z: Các thành phần toạ độ theo trục Ox, Oy, Oz. t : Thời gian.
Kx, Ky, Kz: Các thành phần của hệ số khuyếch tán rối theo các trục Ox, Oy Oz.
u,v,w Wc
: Các thành phần vận tốc gió theo trục Ox, Oy, Oz. : Vận tốc lắng đọng của các chất ơ nhiễm
: Hệ số tính đến sự liên kết của chất ô nhiễm với các phần tử khác của mơi trường khơng khí.
: Hệ số tính đến sự biến đổi chất ơ nhiễm thành các chất khác do những q trình phản ứng hố học xảy ra trên đường lan truyền.
Lượng chất ơ nhiễm trong luồng khói có thể được xem như tổng hợp của vơ số khói phụt tức thời, những khối phụt đó được gió mang đi và dần dần nở rộng ra khí ra xa ống khói giống như một ổ bánh mì được cắt ra thành nhiều lát mỏng và xếp chồng kề mép lên nhau.
Lượng chất ô nhiễm trong từng lát mỏng trong luồng khói có thể được xem như nhau, tức là bỏ qua sự trao đổi chất từ lát này sang lát nọ kề bên nhau trên trục x. Từ cách lập luận đó, sẽ viết được phương trình:
1 y2 z2 k C M 4t k y z e 4ut (k ykz )1/2 (2) Đặt: ky 0.5 y 2 u (3) x kz 0.5 z 2 u (4) x t u (5) x 40
Trong đó y và z - được gọi là hệ số khuyếch tán theo phương ngang và phương đứng, có thứ nguyên là độ dài bằng m. Ta được công thức cơ sở của mơ hình lan truyền chất ơ nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss hay cịn gọi là “mơ hình Gauss” cơ sở: y2 z2 2 y 2 2 z 2 M C e 2 u z y y2 z2 M 2 2 y 2z 2 e e 2 u z (6)
y
Bằng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm người ta thấy rằng sự phân bố nồng độ trên mặt cắt trực giao với trục luồng theo chiều ngang y và theo chiều đứng z và tn theo dạng hình chng của luật phân phối chuẩn Gauss với sai phương chuẩn nào đó. Ta có biểu thức:
M M y2
z2
2 2 y
C ( y )( z ) e e 2 2z
u 2 u y z (7)
Điều cần lưu ý trước tiên là trong các công thức trên các toạ độ y và z đều tính từ trục của luồng khói.
Khi chuyển về hệ trục x, y, z mà gốc O trùng với chân ống khói trên mặt đất thì y khơng thay đổi nhưng z phải được thay thế bằng z - H hoặc H – z, do đó ta
được: y2 2 M ( zH ) 2 2 y C e e 2 2z 2 u y z (8)
Từ các cơng thức trên, có thể rút ra cơng thức tính tốn khuếch tán chất ơ nhiễm từ nguồn điểm cao liên tục như sau:
y2 2 2 M 2 ( z H )2 2 ( zH )2 C 2 2 y e e e z z 2 u y z (9) 41
Khi tính tốn nồng độ ơ nhiễm trên mặt đất thì z = 0 và cơng thức (29) trở thành: y2 2 M (H ) 2 2 y C u e e 2 2 z (10) y z
Trường hợp tính sự phân bố nồng độ trên mặt đất dọc theo trục gió (trục x), ta
cho y = 0 thu được:
Cu e (H )2z (11)
M 2 2
y z
Xác định nồng độ ô nhiễm cực đại theo công thức sau:
C Q
2eu yH (12)
Trong đó :
- Q: Tải lượng chất ơ nhiễm, mg/s - C: Nồng độ chất ô nhiễm tại toạ độ đo - x: Hồnh độ điểm đo (theo hướng gió), m - y: Tung độ điểm đo (theo hướng gió), y - z: Độ cao điểm đo, m
- Gốc toạ độ là chân ống khói
- u: Tốc độ gió tại đường tâm dải khói, m/s
Tốc độ gió thay đổi theo chiều cao và độ bền vững khí quyển. Trong cơng thức tính phát tán Gaussian tốc độ gió tính tại độ cao hiệu quả.
3.2.2. Tính tốn chiều cao hiệu quả của ống khói
Tại miệng ống khói, nhờ vận tốc phụt, luồng khói có một động năng ban đầu làm cho nó có xu hướng bốc thẳng lên trên. Mặt khác, do nhiệt độ của khói cao hơn nhiệt độ khơng khí xung quanh, luồng khói chịu tác dụng của “lực nổi” do chênh lệch nhiệt độ gây ra. Cùng với các lực nâng, luồng khói chịu tác động của lực gió nằm ngang, do đó đỉnh cao nhất của luồng khói sẽ nằm cách ra ống khói một khoảng cách nhất định nào đó xi theo chiều gió. Khi đã đạt được độ cao ấy tức là
lúc động năng ban đầu của luồng khói đã bị triệt tiêu và nhiệt độ khói đã trở nên cân bằng với nhiệt độ của khí quyển do kết quả của q trình hồ trộn với khơng khí xung quanh, luồng khói sẽ giữ phương nằm ngang song song với chiều gió.
Chiều cao hiệu quả của ống khói H được tính theo cơng thức như sau:
1.4 T h D 1 ,m T u khoi Trong đó:
D - đường kính của miệng ống khói, m;
- vận tốc ban đầu của luồng khói tại miệng ống khói, m/s u - vận tốc gió, m/s; u = 1,5 m/s
Tkhoi - Nhiệt độ tuyệt đối của khói tại miệng ống khói, K;Tkhoi = 160ºC
T - Chênh lệch nhiệt độ giữa khói và khơng khí xung quanh, oC hoặc K;T =
132ºC
SL
Trong đó:
L – là lưu lượng khí thải (m3/s)
S - Diện tích miệng ra của ống thải (m2)
3.3. Ứng dụng mơ hình Gauss mơ phỏng q trình khuếch tán ơ nhiễm mơitrƣờng khơng khí vào hoạt động của nhà máy Vitech trƣờng khơng khí vào hoạt động của nhà máy Vitech
3.3.1. Số liệu đầu vào
Áp dụng mơ hình tính tốn phát tán Gauss đối với các thơng số đầu vào như sau :
- Loại địa hình: Đô thị
- Nhiệt độ môi trường : 2980K - Tốc độ gió bề mặt : 1,5 m/s - Độ bền vững khí quyển : Loại B - Lưu lượng khí thải : 1.500 Nm3/h - Đường kính ống khói : 0,4m
- Chiều cao ống khói: 10 m - Nhiệt độ khí thải: 3380K
- Lượng dầu sử dụng: 204 lít/giờ - Tải lượng ơ nhiễm:
Đối với nguồn thải K1 (Ống khói khu vực lị đúc)
+ Bụi : 23,8 g/s + CO : 120 mg/s + SO2 : 8 mg/s + NOx : 2,13 mg/s
Đối với nguồn thải K2 (Ống khói khu vực lị sấy)
+ Bụi : 4,62 g/s + CO : 82,71 g/s + SO2 : 5,56 g/s + NOx : 1,45 g/s
Dựa vào mơ hình tính tốn phát tán của Gauss và các số liệu đầu vào trên ta tính được nồng độ cực đại của các thơng số gây ô nhiễm phát tán vào môi trường xung quanh như sau:
*Chiều cao hiệu quả của ống khói + Tại ống khói K1: + Tại ống khói K2: = = 9,38 (m/s) = = 22,6(m/s)
Thay vào cơng thức tính chiều cao hiệu quả của ống khói, ta có: ∆h1 = 9,5 (m)
∆h1 = 32,5 (m)
Kết quả tính tốn chiều cao hiệu quả của ống khói được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.10. Nguồn gây ô nhiễm và tải lượng các chất gây ô nhiễm
Nguồn L (m3/s) MNOx MCO MSO2 MBụi Chiều cao hiệu
thải (g/s) (g/s) (g/s) (g/s) quả của ống
khói (m)
K1 46 2,13 120 8 23,8 19,5
K2 111 1,45 82,71 5,56 4,62 42,5
*Tính nồng độ ơ nhiễm cực đại các chất gây ô nhiễm của các nguồn thải
Từ hoạt động đúc cơ khí, nấu chảy kim loại bằng lò điện, lò cảm ứng, sấy khn bằng lị sấy sử dụng dầu FO, các chất gây ơ nhiễm phát sinh dưới dạng khí thải và bụi nhẹ.
Áp dụng cơng thức tính nồng độ cực đại các chất gây ơ nhiễm của các nguồn thải, ta được kết quả tính tốn nồng độ ô nhiễm cực đại các chất gây ô nhiễm của các nguồn thải được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.11. Nồng độ Cmax và khoảng cách Xmax của các chất ô nhiễm
Nguồn thải Cmax (mg/m3
) Xmax (km)
NOx CO SO2 Bụi NOx CO SO2 Bụi
K1 0,067 3,748 0,250 0,743 0,249 0,249 0,249 0,249
K2 0,027 1,516 0,102 0,085 0,328 0,328 0,328 0,328
Từ bảng trên ta thấy, đối với nguồn thải K1, nồng độ các chất ô nhiễm đạt cực đại tại vị trí cách 249 m so với nguồn thải. Đối với nguồn thải K2, nồng độ các chất ơ nhiễm đạt cực đại tại vị trí cách 328m so với nguồn thải.