CHƯƠNG 6 HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI CHO NHÀ MÁY CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÍ KHÍ SO2
6.2. Thiết bị lọc khí SO2 bằng đá vôi
6.2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình.
SO2 là một chất khí khó tan nên nếu tiến hành xử lý bằng phương pháp hấp thụ vật lý thông thường thì hiệu quả mang lại sẽ rất thấp. Do đó, cần tiến hành xử lý theo phương pháp hấp thụ hoá học, nhờ có các phản ứng hoá học xảy ra tại lớp lỏng, nồng độ khí tại bề mặt phân chia pha nhanh chóng bị suy giảm nên làm tăng tốc độ của quá trình hấp thụ. Một trong những phương pháp phổ biến và mang lại hiệu quả cao là hấp thụ SO2 trong dung dịch huyền phù CaCO3.
Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc nhiều vào pH của dung dịch, pH thích hợp nằm trong khoảng từ 4 – 6.
6.2.2. Nguyên lý làm việc.
Hình 6.1 Sơ đồ công nghệ khử SO2 bằng đá vôi
Khói thải sau khi được lọc sạch tro bụi đi vào tháp hấp thụ,xảy ra quá trình hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch nước vôi được tưới trên lớp đệm bằng các vật liệu rỗng.Nước chứa acid sẽ chảy ra từ tháp hấp thụ có chứa nhiều sunfit và canxi sunfat dưới dạng tinh thể: CaSO3.0,5H2O và CaSO4.2H2O và còn ít tro bụi sót lại sau bộ lọc tro bụi, ta cần tách các tinh thể trên ra khỏi dung dịch bằng bộ phận tách tinh thể số 2.
Thiết bị số 2 là bình rỗng cho phép dung dịch lưu lại một thời gian đủ để hình thành các tinh thể sunfit và sunfat canxi. Sau đó bộ phận tách tinh thể 2, dung dịch một phần đi vào tưới cho tháp hấp thụ, còn lại sẽ được đi qua bình lọc chân không số 3, các tinh thể sẽ bị giữ lại dưới dạng cặn bùn rồi được thải ra ngoài.
Đá vôi sẽ được đập vụn, nghiền thành bột rồi cho vào thùng số 6 để pha trộn với dung dịch loãng chảy ra từ bộ lọc chân không số 3 và với lượng nước bổ sung được các dung dịch nước vôi mới.
6.2.3. Độ lựa chọn của dung dịch hấp thụ.
Trong khói lò hơi đốt than, một lượng lớn là CO2 (chiếm khoảng 12% thể tích khói lò), phần SO2 nhỏ hơn rất nhiều (~0.1 % thể tích khói lò). Hai loại khí này cùng là các chất mang tính axít nên cùng có khả năng bị hấp thụ bởi các dung dịch mang tính kiềm. Nếu để quá trình hấp thụ xảy ra tự nhiên, CO2 sẽ là khí hấp thụ đầu tiên (do
Thiết kế nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 mở rộng công suất 600MW
động lực của quá trình rất lớn), tiếp theo đó, SO2 mới có thể được hấp thụ vào dung dịch. Do đó, nếu dùng một lượng hoá chất vừa đủ thì phần lớn SO2 sẽ không được xử lý, còn nếu muốn xử lý cả SO2 thì cần dùng một lượng hoá chất lớn hơn gấp nhiều lần nên ảnh hưởng tới hiệu quả kinh tế của hệ thống.
Quá trình hấp thụ hoá học bao gồm hai quá trình chính là: quá trình chuyển khối và quá trình phản ứng hoá học. Vai trò của hai quá trình này phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của thiết bị. Như chúng ta đã biết, SO2 có tính axit mạnh hơn CO2. Do đó, tốc độ phản ứng của nó với dung dịch kiềm lớn hơn. Tuy nhiên, trong khói thải lò hơi, nồng độ của CO2 lại rất lớn nên tốc độ của quá trình chuyển khối của nó lớn hơn so với SO2. Tại pH cao, tốc độ phản ứng của cả CO2 và SO2 đều lớn, do đó, tốc độ quá trình chuyển khối đóng vai trò quan trọng và CO2 sẽ là khí được hấp thụ vào dung dịch nhiều hơn. Nếu pH của dung dịch hấp phụ giảm xuống, vai trò của tốc độ phản ứng tăng lên, do đó, lượng SO2 được hấp thụ vào dung dịch sẽ tăng lên.
Khi pH được giảm tới một giá trị đủ thấp thì tốc độ phản ứng của CO2 gần như bị triệt tiêu, tuy nhiên, tốc độ phản ứng của SO2 vẫn còn đủ lớn. Tại giá trị pH này, ta có thể tiến hành hấp thụ chọn lọc SO2 vào dung dịch. Theo các kết quả nghiên cứu, giá trị pH này dao động trong khoảng từ 4 – 6.
Để đạt được giá trị pH trên, người ta tiến hành hấp thụ khói lò với lưu lượng lỏng lớn và chấp nhận hấp thụ cả CO2 vào dung dịch. Các phản ứng xảy ra giữa dung dịch với CO2 và SO2 khiến cho pH của dung dịch giảm xuống. Khi giá trị pH đã đạt yêu cầu, tháp mới bắt đầu vận hành trong điều kiện ổn định và lúc này, chỉ có SO2 được hấp thụ.
6.2.4. Xác định các thông số.
1.Thông số đầu vào
Lưu lượng khói vào: VK =1453,5 m3/s
Lưu lượng S02 trong khói thoát ra trên 1 kg nhiên liệu
VSO2 = 0,683.10-2.Slv =0,683.10-2.0,6 = 4,098.10−3m3 /kgNL Lưu lương S02 thoát ra trong toàn bộ nhà máy :
VSO2 = VSO2 .B = 4, VSO2.10−3.75,108 = 0,3078 m3/s Tải lượng S02 với = 2,926 kg/m3
MSO2 = VSO2 .103. = 0,3078. 103 . 2,926 = 900,622.103 mg/s
Nồng độ SO2 ban đầu : Ctt = MSO2/ VK= 900,622. 103/1453,5 = 630,8 mg /m3
Nhiệt độ khói vào:138 oC Nhiệt độ dung dịch vào : 25 oC
Với nhiệt độ dòng khí vào 138 oC, nhiệt độ làm việc của quá trình sẽ nhỏ hơn 50 0C , chọn nhiệt độ làm việc là 40 oC.
2.Yêu cầu đầu ra : Theo QCVN 22: 2009/BTNMT
Bảng 6.8- Nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp nhiệt điện
ST
T Thông
số
Nổng độ C (mg/Nm3)
A B (Theo nhiên liệu sử dụng)
Than Dầ
u
Kh í
1 Bụi
tổng 400 200 150 50
2
Nox (tính theo N02)
100 0
-650 ( Với than có hàm lượng
chất bốc
>10%) -
1000(Với than có hàm lượng
chất bốc
>10%)
600 25
0
3 S02 150
0 500 500 30
0
Nồng độ SO2 đầu ra: 500mg/m3
Hàm lượng S02 cần xử lý: GSO2 = MSO2 - MSO2tc
GSO2 = 900,622 – 1427,74/2 = 186,752 mg/m3 = 266633,3 mg/s
= 9,599.109 mg/h = 9599 kg/h = 149,98 kMol/h Tháp hấp thụ kiểu rửa khí rỗng có khả năng hấp thụ SO2 đạt trên 90 % ta chọn hiệu suất cho quá trình là 90 %.
Thiết kế nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 mở rộng công suất 600MW
6.2.5. Tính toán.
6.2.5.1. Lượng đá vôi cần thiết cho hệ thống xử lý.
CaCO3 + SO2+ 12O2 + H2O → CaSO4.2H2O + CO2
Với lưu lượng mol SO2 cần xử lý là: nSO2 = 149,98 /0,9 = 166,64 (kmol/h) Theo phương trình phản ứng thì nCaCO3 = nSO2 = 166,64 (kmol/h)
→mCaCO3 = 166,64.100 = 16664 (kg/h)
Theo tr45,TL[5], quá trình hấp thụ bằng huyền phù S02 thì với tỷ lệ hòa trộn rắn-lỏng là 100-110g/lít H20 ,kích thước hạt CaC03 0,1 mm.
→mCaCO3 = 16664.10 = 166640 (kg/h)
Vậy dung dịch huyền phù đá vôi hấp thụ khí SO2 có nồng độ 10% là mdd = 166640 (kg/h)
Khối lượng riêng của dung dịch hấp thụ với nồng độ pha rắn là 10% :
dd = 0,9.n + 0,1. ρCaCO3, trong đó:
ρn: khối lượng riêng của nước, tại 25 oC, ρn = 997,8 (kg/m3) ρCaCO3: khối lượng riêng của đá vôi, ρCaCO3 = 2650 (kg/m3)
→dd =0,9*997,8 + 0,1*2650 = 1163 (kg/m3)
Lưu lượng dung dịch huyền phù đá vôi cần thiết là: Vdd = 142516/1163 = 122,54 m3/h
6.2.5.2. Lượng không khí cần cấp vào.
Cũng theo phương trình phản ứng (*) thì số mol oxy cần thiết:
nO2 =0,5*nSO2= 0,5*166,64 = 83,32 (kmol/h) mO2=nO2∗MO2=83,32.32=2666,24 (kg/h)
Thể tích của oxy: VO2=n∗R∗T
p =2666,24.0,082.(273+25)
1 =¿ 65152 (m3/h) Trong không khí Oxy chiếm 21 % thể tích nên thể tích không khí cần cấp:
Vkk=65152.100
21 =¿ 310247,62 (m3/h)
Để đảm bảo lượng oxy đủ cho quá trình oxy hoá người ta thường cấp dư với hệ số α = 1,2, khi đó lượng không khí cần cấp: Vkk = 310247,62 *1,2 = 372297,14 (m3/
h)
6.2.5.3. Lượng thạch cao tạo thành.
Ta giả sử 100% canxi sunfit đều bị ôxi hoá thành thạch cao thì theo phương trình phản ứng (*) ta có số mol thạch cao tạo thành là:
nCaSO4.2H20=nSO2=166,64(kmol/h) Lượng thạch cao tạo thành:
mCaSO4.2H20=166,64 .172=28662,08 ( kg/h)