STT Chất khí 0 10 15 Nhiệt độ (20 30 0C) 40 50 60 1 N2O (A) 1,05 0,88 - - - - 2 NO (A) 0,074 9,057 - - - - 3 SO2 (S) 79,8 56,6 - - - - 4 CO2 (A) 1,713 1,194 1,019 0,878 0,665 0,530 0,436 0,359 5 CO (A) 0,035 0,028 0,025 0,023 0,020 0,018 0,016 0,015
Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý khí thải
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 19
B ng 2.2: Độ hòa tan một số khí trong nước ở áp suất thường (cm3 khí/lít nước). STT Chất khí Nhiệt độ (0 C) 0 20 40 60 1 SO2 800 395 190 - 2 CO2 1.713 878 530 360 3 CO 35,4 23,2 17,8 14,9 Ghi chú:
(A): chỉ số mol khí nằm cân bằng với nước mà áp suất riêng phần của khí luôn luôn không đổi và bằng 760 mmHg.
(S): chỉ số mol khí ở 00
C và 760 mmHg hòa tan trong 1 ml nước ở nhiệt độ chỉ định và ở tổng áp suất khí và hơi nước là 760 mmHg.
Nhận xét: Trong các phương pháp xử lý khói thải độc hại trong quá trình
thiêu đốt sản phẩm là SOX, NOX và CO2 thì phương pháp xử lý thích hợp là hấp
phụ và hấp thụ. Đối với phương pháp hấp phụ cần phải cân nhắc, phân tích,
điều tra chính xác và thật cụ thể rồi mới tiến hànhxử lý, còn đối với sản phẩm là
SOX, NOX và CO2 thì sử dụng phương pháp hấp thụ là tốt nhất vì chất dùng để hấp thụ chất khí thải là chất lỏng dễ thu hồi, dễ kiếm và chi phí thấp.
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 20
CHƯƠNG 3:
CH T H P TH TRONG QUÁ TRÌNH X Lụ B NG
PHƯƠNG PHÁP H P TH 3.1 Đ́i v i NOx
3.1.1 Hấp th NOx b ng than ho t tính
Than hoạt tính có thể tích lỗ xốp khoảng 0,24 – 0,48 cm3/g.
Ưu điểm:hấp thụ mạnh.
Nh c điểm:
- Khi tiếp xúc than có thể cháy, nổ. - Than có độ bền cơ học thấp.
- Khi phục hồi than có thể chuyển NOx thành NO.
3.1.2 Hấp th NOXb ng silicagen
Silicagen là oxit kim loại vô định hình ngậm nước (SiO2.nH2O). Thể tích xốp khoảng 0,3 – 1,2 cm3/g, diện tích bề mặt 300 – 750 m2/g.
Ưu điểm:
- Bền cơ học cao. - Không cháy.
- Nhiệt độ tái sinh thấp.
Nh c điểm:
- Khả năng hấp thụ thấp hơn than.
- Khi tái sinh có thể chuyển NOX thành NO. - Mắc tiền.
- Bị phá hủy bởi các giọt ẩm.
3.1.3 Hấp th NOXb ng keo nhôm
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 21
Thể tích lỗ xốp 0,6 – 1,0 cm3/g, diện tích bề mặt 170 – 220 m2/g.
Ưu điểm:bền dưới tác dụng của các giọt ẩm.
Nh c điểm:hiệu quả không cao, độ bền không cao.
3.1.4 Hấp th NOXb ng than bùn có tính kiềm trong thi t bị tầng sôi Ưu điểm: hiệu quả cao (96 –99 %), chi phí đầu tư và hoạt động thấp.
Nh cđiểm:khảnăng than bùn tự bốc cháy.
3.1.5 Hấp th NOxb ng amoni cacbonat
Quá trình xử lý khí NOx bằng amoni cacbonat (NH4)2CO3 trong tháp hấp thụ đường kính 0,4 m, cao 2,6 m được đệm bằng khâu Raschig 25 mm đạt hiệu quả 65%, khi kết hợp với tấm nhựa polyvinyl gợn sóng làm lớp đệm trong tháp hấp thụ hiệu quả đạt 95,1 %.
3.1.6 Hấp th NOxb ng n c
Khi hấp thụ NO2 bằng nước một phần acid nitric được sinh ra ở pha khí[7]: 3NO2 + H2O 2HNO3 + NO + Q
Để xử lý các oxyt nitơ có thể sử dụng dung dịch oxy già loãng để thu acid nitric [7]:
NO + H2O2 NO2 + H2O 3NO2 + H2O 2HNO3 + NO N2O3 + H2O2 N2O4 + H2O N2O4 + H2O HNO3 + HNO2
Yếu tố cơ bản xác định kinh tế của quá trình là lưu lượng oxy già (vào khoảng 6 kg/tấn acid). Hấp thụ NOx thành HNO3 tăng theo độ tăng của nồng độ acid và áp suất riêng phần của NOx. Để thúc đẩy quá trình có thể dùng chất xúc tác, hiệu quả xử lý có thể đạt 97%.
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 22
3.1.7 Hấp th NOx b ng kiềm
Người ta sử dụng nhiều dung dịch kiềm và muối khác nhau. Hấp thụ hóa học NO2bằng dung dịch soda diễn ra theo phương trình phản ứng sau[7]:
2NO2 + Na2CO3 = NaCO3 + CO2 + Q
Các phương trình phản ứng cho quá trình hấp thụ N2O3 bằng các dung dịch kiềm hoặc bằng huyền phù khác nhau[7]:
2NaOH + N2O3 = 2NaNO2 + H2O Na2CO3 + N2O3 = NaNO2 + CO2
NaHCO3 + N2O3 = 2NaNO2 + 2CO2 + H2O Ca(OH)2 + N2O3 = Ca(NO3)2 + H2O
CaCO3 + N2O3 = Ca(NO2)2 + CO2 NH4OH + N2O3 = 2NH4NO3 + H2O
2NH4HCO3 + N2O3 = 2NH4NO2 + H2O + CO2
Khi hấp thụ N2O3, độ hoạt động của các dung dịch kiềm giảm theo thứ tự như sau[7]:
B ng 3.1: Thứ tự hoạt động của dung dịch kiềm.
KOH > NaOH > Ca(OH)2 > Na2CO3 > K2CO3 > Ba(OH)2
1 0,84 0,80 0,78 0,63 0,56
NaHCO3 > KHCO3 > MgCO3 > BaCO3 > CaCO3 > Mg(OH)2
0,51 0,44 0,40 0,40 0,39 0,35
Các chỉ số nêu lên độ hoạt động của dung dịch kiềm tương đối so với dung dịch KOH. Các dữ liệu này tương ứng với nồng độ ban đầu của dung dịch là 100 g/l và thời gian hấp thụ là 10 phút.
3.2 Đ́i v i khí SO2
3.2.1 Hấp th khí SO2 b ng n c
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 23
2 3 2 H O H HSO SO
Độ hòa tan của SO2 trong nước thấp nên cần phải có lượng nước lớn và thiết bị hấp thụ có thể tích lớn hơn. Việc loại SO2 ra khỏi dung dịch được thực hiện bằng cách đun nóng nó đến 1000C. Vì vậy, quá trình cần lượng nhiệt lớn.
3.2.2 Hấp th khí SO2 b ng dung dịch soda
Khi sửdụng soda để hấp thụ SO2, ta thu được sunfit và bisulfit natri [7]: Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 + CO2
Na2SO3 + SO2 + H2O = 2NaHSO3
Khí tham gia phản ứng với sulfit và bisulfit làm tăng nồng độ bisulfit[7]: SO2 + NaHCO3 + Na2CO3 + H2O 3NaHSO3
Dung dịch hình thành tác dụng với oxit kẽm tạo thành sulfit kẽm[7]: NaHCO3 + ZnO ZnSO3 + NaOH
Ưu điểm: Có khả năng hấp thụ lớn, có thể ứng dụng để loại bỏ khí SO2 thải ở bất kỳ nồng độ nào.
3.2.3 Hấp th khí SO2 b ng dung dịch amoniac
SO2 được hấp thụ bởi dung dịch amoniac hoặc dung dịch sulfit – bisulfit amon.
Ưu điểm:
- Hiệu quả cao.
- Chất hấp thụ dễ kiếm.
- Thu được sản phẩm cần thiết (sulfit và bisulfit amoni). Phản ứng hóa học của quá trình [7]:
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 24
2NH4OH + H2SO3↔ (NH4)2SO3 + H2O (NH4)2SO3 + H2SO3↔ 2NH4HSO3 2(NH4)2SO3 + O2 ↔ 2(NH4)2SO4 Nếu thêm HNO3 [7]:
2(NH4)2SO3 + 2HNO3 2NH4NO3 + SO2 + H2O NH4HSO3 + HNO3 NH4NO3 + SO2 + H2O
Nitrat amon (NH4NO3) thu được dùng làm phân bón, còn khí thu được chưa 15 – 30% SO2 để sản xuất H2SO4. Tương tự, có thể sản xuất phân photphat bằng cách cho thêm acid phosphoric [7]:
3(NH4)2SO3 + 2H3PO4 2(NH4)3PO4 + 3SO2 + H2O 3NH4HSO3 + H3PO4 (NH4)3PO4 + 3SO2 + 3H2O
3.2.4 Hấp th khí SO2 b ng các amin th m
Để hấp thụ SO2 trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO2 khoảng 1 – 2% thể tích) người ta sử dụng dung dịch C6H3 (CH3)2NH2 (tỷ lệ C6H3 (CH3)2NH2: nước=1:1), C6H3 (CH3)2NH2 không trộn lẫn với nước nhưng khi liên kết với SO2tạo thành (C6H3 (CH3)2NH2)2.SO2 tan trong nước [7]:
C6H3(CH3)2NH2 + SO2 C6H3(CH3)2NH2SOONH3(CH3)2C6H3 Thu hồi SO2 và phục hồi dung dịch hấp thụ tiến hành trong tháp chưng ở 1000C.
3.2.5 Hấpth đ ng th i khí SO2 và NOxb ng NaOH vƠ Na2CO3
Khí thải chứa SO2 và NOx sinh ra khi đốt nhiên liệu có chưa lưu huỳnh. Xử lý đồng thời SO2 và NOx được tiến hành bằng dung dịch kiềm. Khi hấp thụ bằng dung dịch NaOH và Na2CO3 sản phẩm hấp thụ sẽ là Na2SO4 và NaNO2còn khi hấp thụ bằng dung dịch Ca(OH)2 thì sản phẩm sẽ là CaSO4 và Ca(NO3)2. Hiệu quả xử lý SO2thường khoảng 90%, còn NOx là 70 – 90% [7].
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 25
3.3 Đ́i v i khí CO2
3.3.1 Hấp th khí CO2b ng các dung dịch etanolamin
Dùng etanolamin để làm sạch CO2, tạo thành hợp chất cacbonat và bicacbonat amin, phản ứng hấp thụ CO2 bằng dung dịch mono etanolamin diễn ra như sau[7]:
2RNH2 + CO2 + H2O (RNH3)2CO3 (RNH3)2CO3 + CO2 + H2O RNH3HCO3 2RNH2 + CO2 RNHCOONH3R
RNH2 + H2O + CO2 ↔ (RNH3)HCO3
Để giảm áp suất hơi, người ta dùng nước rửa khí để thu hồi hơi mono etanolamin. Ưu điểm: - Giá rẻ, ổn định. - Khả năng phản ứng cao. - Dễ phục hồi. Nh c điểm:
- Áp suất hơi cao.
- Phản ứng không thuận nghịch với COX.
3.3.2 Hấp th khí CO2b ng dung dịch amoniac
Phản ứnghấp thụ như sau[7]:
2NH3 + CO2 NH2COONH4 2NH3 + CO2 + H2O NH4HCO3 2NH3 + CO2 + H2O (NH3)2CO3
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 26
Phương pháp này được ứng dụng để xử lý khí thải chứa 30% CO2. Trong thực tế, phương pháp này cho phép giảm nồng độ CO2 từ 34% còn 0,015% trong tổng hợp NH3. Dung dịch hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng.
3.3.3 Hấp th khí CO2b ng dung dịch kiềm
CO2 hoà tan nhiều trong nước, đặc biệt dễ hấp thụ bằng kiềm. Đầu tiên người ta rửa khí bằng nước lạnh ở áp suất 16 – 25 at, tưới trong các tháp đệm, CO2 được hấp thụ một lượng lớn. Sau đó cho nước qua tuốc bin để giảm áp suất xuống 1at, do đó khí sẽ thoát ra khỏi nước. Khí này chứa 80% CO2, 11% H2 và một ít N2, H2S. Còn nước sau khi làm lạnh quay trở lại tháp tưới[7]:
CO2 + Ca(OH)2 =H2O + CaCO3 H2O + CaCO3 + CO2 = Ca(HCO3)2 CO2 + CACO3 + H2O = Ca(HCO3)2
Vận tốc hấp thụ nhỏ, để tăng vận tốc hấp thụ người ta thường dùng xúc tác là metanol, etanol, đường, … Dung dịch được phục hồi bằng cách đun nóng bằng hơi nước.
Nh c điểm:
- Hiệu quả hấp thụ thấp.
- Tốn nhiều hơi nước để phục hồi dung dịch.
Để tăng hiệu suất hấp thụ người ta cho vào dung dịch một lượng dư NaOH và dung dịch không tái sinh mà dùng vào mục đích khác.
3.3.4 Hấp th khí CO2b ng n c
Phản ứng như sau [7]:
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 27
Hấp thụ bằng nước có ý nghĩa công nghiệp trong xử lý khi áp suất cao, ví dụ như khi tổng hợp NH3 chứa đến 25% CO2, điều này hạn chế ứng dụng của hơi nước bởi vì khi áp suất dư trong hệ thống đạt lên đến 14 at.
Ưu điểm:
- Kết cấu thiết bị đơn giản. - Không tốn nhiệt.
- Dung môi rẻ.
- Nước trơ với các khí COX O2 và các tạp chất khác.
Nh c điểm:
- Nước hấp thu H2 trong không khí. - Tải trọng máy bơm rất cao.
- Khả năng hấp thụ thấp.
- CO2 thu được không đạt độ tinh khiết cao.
CO2 thu được thường được chế biến thành phân urea nhờ tương tác với amoniac.
* Nh n xét:Dung dịch kiềm có thể hấp thụ được lượng lớn khí thải CO2.
3.4 Đ́i v i CO
Để tách CO người ta dùng phương pháp đồng amoniac: dùng phức Cu với NH3 ở áp suất cao (120 –300 at) và nhiệt độ thấp hơn 25 0C, hiệu suất hấp thụ lớn. Thường dùng dung dịch đồng axetat, cacbonat hoặc fomiat trong NH3. Với dung dịch đồng axetat, phản ứng hấp thụ CO xảy ra theo phản ứng sau:
[Cu(NH3)n]OOCCH3 + [Cu(NH3)nCO]OOCCH3
Dung dịch sau khi hấp thụ tiến hành tái sinh ở 77 – 79 0C và áp suất thường, khi đó CO sẽ tách khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi tái sinh quay về tháp hấp thụ CO và được bổ xung thêm NH3 do mất mát trong quá trình tái sinh. Hàm lượng CO
Chương 3: Chất hấp thụ trong quá trình xử lý bằng phương pháp hấp thụ.
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 28
còn lại trong khí tổng hợp là 0,003 %. Để tách các khí hidrocacbon như CH4, C2H6, C2H4,… người ta làm lạnh sâu tương tự như làm lạnh khí than cốc.
Làm lạnh vi lượng CO còn được tiến hành bằng cách hidro hoá có xúc tác Ni/Cr ở nhiệt độ 150 0C, áp suất 3 at, phản ứng xảy ra như sau:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
Nhận xét: Các loại khí thải CO2, SO2, NOx và CO thì chất hấp thụ tốt cho
tất cả các loại khí đó là Ca(OH)2. Nên trong đề tài nghiên cứu này sử dụng Ca(OH)2làm chất hấp thụ cho hệ thống xử lý khí thải.
Chương 4: Tính toán hệ thống xử lý bằng phương pháp hấp thụ
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 29
CHƯƠNG 4:
TệNH H TH NG X Lụ B NG PHƯƠNG PHÁP H P TH 4.1 Công suất vƠ thƠnh phần cần thiêu hủy
Trong những năm gần đây, do nhu cầu tiêu thụ thịt và các sản phẩm từ gia cầm của người dân ngày càng lớn nên ngành trăn nuôi gia cầm cũng phát triển theo. Vì vậy, khi xảy ra dịch bệnh thì củng hết sức nghiêm trọng, số lượng gia cầm chết hàng loạt gây nên sự ô nhiễm môi trường và việc ngăn chặn dịch càng trở nên khó khăn hơn. Do đó, xác gia cầm bệnh cần được xử lý một cách có hiệu quả nhất đó là thiêu xác. Công suất của lò đốt cần tính toán là 500 kg/h.
B ng 4.1: Thành phần hóa học của xác gà theo khối lượng [8].
Thành phần Phần trăm khối lượng (%) Phần trăm (%) 500 kg C 14,7 73,5 H 2,7 13,5 O 11,5 57,5 Tro 9,0 45,0 m 62,1 310,5
4.2 Tính toán l ng v t chất vƠo lò vƠ ra kh i lò 4.2.1 Cơn b ng v t chất
Theo định luật bảo toàn khối lượng: tổng lượng vật chất đi vào lò bằng tổng lượng vật chất ra khỏi lò.
- Thành phần vật chất vào lò: xác giacầm, nhiên liệu đốt (DO), không khí. - Thành phần vật chất ra khỏi lò: tro xỉ, khí thải.
Chương 4: Tính toán hệ thống xử lý bằng phương pháp hấp thụ
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 30
Hình 4.1: Sơ đồ khối cân bằng vật chất của quá trình cháy xác gia cầm.
4.2.1.1 L ng v t chất cấp vƠo lò
Phương trình cân bằng vật chất trong quá trình đốt xác gia cầm được xác định theo công thức :
GV = GCT + GD + GKK (4.1)
Trong đó:
GVlà lượng vật chất nạp vào lò, (kg/h).
GCT là lượng xác gia cầm nạp vào lò, (kg/h).
GDlà lượng dầu DO nạp vào lò, (kg/h).
GKKlà lượng không khí nạp vào lò, (kg/h).
Lượng chất thải cấp vào lò
Công suất của lò đốt là 500 kg/h vậy ta có:
Lượng nhiên liệu bổ xung.
Để quá trình cháy xác gia cầm được triệt để và đảm bảo nhiệt độ phân hủy cần phải cung cấp thêm một lượng chất đốt từ bên ngoài vào lò. Những chất đốt thường được xử dụng là than, củi, gas, dầu. Trong trường hợp này ta chọn dầu DO làm nhiên liệu do đặc tính có nhiệt trị cao, giá thành vừa phải, và chứa lượng lưu huỳnh thấp.
LÒ Đ T Xác gia cầm
Nhiên liệu dầu DO Không khí
Khí thải
Chương 4: Tính toán hệ thống xử lý bằng phương pháp hấp thụ
Nguyễn Lê Quốc Kháng Trang 31
B ng 4.2:Thành phần dầu DO và khối lượng các chất có trong x kg dầu DO [9].
Thành phần Lượng chất có trong 1 kg dầu DO Lượng chất có trong x kg dầu DO
C 0,863 0,863x H 0,105 0,105x O 0,003 0,003x N 0,003 0,003x S 0,005 0,005x Tro 0,003 0,003x