Tài liệu Xử lý khí thải lò hơi fo

MỤC LỤC: Chương I Giới thiệu tổng quan và các phương pháp xử lý khí thải dùng dầu FO: I.1:Giới thiệu tổng quan về dầu FO và các khí thải ra từ lò hơi dùng dầu FO: I.1.1.Dầu FO: I.1.2.Tổng quan về SO2: I.1.3.Tổng quan về bụi: I.2:Các phương pháp xử lý khí thải từ lò hơi dùng dầu FO: I.2.1.Phương pháp hấp thụ: I.2.2.Phương pháp hấp phụ: I.2.3.Phương pháp đốt: Chương II: Đề xuất công nghệ và tính toán : 1. Đề xuất công nghệ: 2. Thuyết minh công nghệ: Chương III: Tính toán thiết kế Chương IV: Tính kinh tế: Chương V: Kết luận: Chương I: Giới thiệu tổng quan và các phương pháp xử lý khí thải ra từ lò hơi dùng dầu FO I.1Giới thiệu tổng quan về dầu FO và các khí thải ra từ lò hơi dùng dầu FO: Thành phố Hồ Chí minh là một trung tâm sản xuất công nghiệp trọng điểm ở phía nam. Hầu hết các ngành công nghiệp tại Thành Phố đều sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau để làm chất đốt nhằm cung cấp năng lượng cho các quá trình công nghệ khác nhau.Do đặc điểm kinh tế địa lý,phần lớn nhà máy ở Thành Phố Hồ Chí Minh đều sử dụng dầu để làm nhiên liệu . Nguồn thải do đốt dầu (chủ yếu là dầu FO) được coi là nguồn thải quan trọng nhất vì các lý do: - Là nguồn thải có khối lượng lớn nhất: Với nguồn nhiên liệu loại này chỉ tính cho một Nhà máy điện Hiệp Phước trong khu công nghiệp Hiệp Phước với công suất 675 MW khi xây dựng xong ,mỗi giờ sẽ thải vào khí quyển một khối lượng lớn các chất ô nhiễm không khí như sau: Lưu lượng khói 3578000 m3 SO2 8721 kg NO2 438 kg SO3 108 kg Bụi 43 kg Bảng I.1: Thành phần khí thải lò hơi - Là nguồn thải được phân bố khắp nơi ,hầu như tất cả các nhà máy đều sử dụng dầu FO làm nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho các quá trình công nghiệp như lò hơi ở rất nhiều xí nghiệp, lò sấy,lò rang ở ngành công nghiệp thực phẩm, lò nung ở ngành luyện kim... - Là nguồn thải có chứa đầy đủ các chất ô nhiễm không khí đặc trưng như SO2,NO2,CO,bụi và các chất ô nhiễm nguy hiểm khác như SO3, aldehyde, cacbua hydro,.. - Là nguồn gây ô nhiễm nhiều nhất và gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ cho nhân dân xung quanh các nhà máy có đốt dầu và là nguồn thải bị thưa kiện nhiều nhất I.1.1Dầu FO: Dầu là nhiên liệu phổ biến sử dụng trong các lò công nghiệp.Nhiên liệu dầu đốt trong lò được phân thành:Dầu nặng(heavy oil),như dầu mazut và dầu nhẹ (light oil) như dầu diesel và dầu hỏa( kerosen). Dầu FO hay còn gọi là mazut là phần cặn của quá trình chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển,hoặc cặn chưng cất các sản phẩm của quá trình chế biến sau các phân đoạn nguyên liệu của dầu thô,phân tách chiết ra trong công nghệ sản xuất dầu nhờn truyền thống… Nhiệt trị của dầu FO là 10,175 kcal/kg và tỷ trọng là 0,7 – 0,97 kg/l. Dầu FO có 2 loại: 1.Dầu FO hàng hải:Là loại nhiên liệu dùng cho các nồi hơi của tàu hải quân như loại F-5,F-12 của Liên Xô cũ được dùng ở nước ta thời gian trước. 2.Dầu FO đốt lò nặng hơn dầu FO hải quân được dùng cho mọi thiết bị nồi hơi,các lò nung trong công nghiệp sành sứ,thủy tinh,luyện gang thép,dệt nhôm,là nhiên liệu đốt lò sấy trong các ngành công nghiệp thực phẩm…cho thiết bị động lực của tàu thủy. Chỉ tiêu quan trọng nhất của dầu FO là độ nhớt và hàm lượng lưu huỳnh S.Yêu cầu các loại dầu đốt lò phải có độ nhớt phù hợp cho quá trình bơm,vận chuyển dầu vào hệ thống đốt cũng như quá trình phun nóng ở bộ phận mỏ phun vào lò, độ nhớt càng nhỏ thì việc bơm nhiên liệu càng dễ dàng và nhiên liệu được tán sương tốt ở bec đốt phun nhờ thế quá trình diễn ra hoàn toàn,cho hiệu suất cao,ít ô nhiễm.Nếu độ nhớt quá cao phải thiết bị và lắp đặt thêm hệ thống hâm nóng để làm giảm độ nhớt của dầu tới mức phù hợp với yêu cầu của mỏ phun.Trên thực tế,độ nhớt của các loại dầu FO(4O0C) khoảng 2- 6 cSt là phù hợp. Dựa vào độ nhớt động học dầu FO được phân loại như sau. 1.FO N01: Là loại nhiên liệu đốt có độ nhớt động học ở nhiệt độ 50 0C không lớn hơn 87 cSt . 2.FO N02: Là loại nhiên liệu đốt có độ nhớt động học ở nhiệt độ 50 0C từ lớn hơn 87 cSt đến 180 cSt.Dựa vào hàm lượng lưu huỳnh N 02 được chia thành 2 loại: - FO N02A:Hàm lượng lưu huỳnh không lớn hơn 1,5%,ký hiệu là FO N02A(1,5%) - FO N02B:Hàm lượng lưu huỳnh từ 1,5% đến 3%.Ký hiệu là FO N 02B (3%). 3.FO N03:Là loại nhiên liệu đốt có độ nhớt động học ở nhiệt độ 50 0C từ lớn hơn 87 cSt đến 380 cSt. Hiện nay nước ta ban hành tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6239-1997 đối với các chỉ tiêu trong thành phần của dầu FO. Dầu FO khi cháy tạo ra khí có nhiều hợp phần S dạng S0 2 và S03.Những chất này có tác dụng ăn mòn kim loại và gây ô nhiễm môi trường.Cần phải hạn chế tới mức tối thiểu.Ở nước ta hiện nay hàm lượng lưu huỳnh cho phép trong dầu FO tối đa là 3% khối lượng,nhưng nhiều nước khác trên thế giới có xu hướng sử dụng dầu FO giảm đến mức thấp nhất bằng 0,5% khối lượng.Ngoài ra còn yêu cầu nhiên liệu lò đốt không chứa kim loại nặng đặc biệt là vanadi.Khi dầu cháy vanadi dễ kết hợp với sắt tạo thành hợp kim có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (khoảng 6000C)gây nên hiện tượng thủng lò. Stt Tên chỉ tiêu Loại nhiên liệu FO N01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Khối lượng ở 150C(kg/l)không lớn hơn Độ nhớt động học ở 500C (cSt) không lớn hơn Điểm chớp cháy cốc kín(0C)không nhỏ hơn Hàm lượng lưu huỳnh (%kl)không lớn hơn Điểm đông đặc(0C)không lớn hơn 0,965 hàm lượng nước (%kl)không lớn hơn Hàm lượng tạp chất(%kl) không lớn hơn Nhiệt trị (cal/l) không nhỏ hơn Hàm lượng tro(%kl) không lớn hơn Cặn cacbon Coradson(%kl) không lớn hơn FON02 FO FO N03 A N02B 0,970 0,970 0,991 87 180 180 380 66 66 66 66 2 1,5 3,0 3,0 +10 +21 +21 +21 1 1 1 1 0,15 0,15 0,15 0,15 9800 9800 9800 9800 0,15 0,15 0,15 0,35 6 10 10 14 Bảng I.2 Do đặc điểm về địa lý hầu hết các nhà máy ở phía Nam nước ta hay ở khu vực TP Hồ Chí Minh đều sử dụng các sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ làm nhiên liệu cung cấp năng lượng:lò hơi,lò sấy,lò nung… Nguồn thải do dầu đốt (chủ yếu là dầu FO) được coi là nguồn thải quan trọng nhất,có khối lượng lớn nhất và phân bố rộng nhất.Là nguồn thải có chứa đầy đủ các chất ô nhiễm gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật. Nhu cầu tiêu thụ dầu FO tại Tp.HCM ngày càng tăng có thể thấy ở bảng sau: Bảng I.3.Nhu cầu tiêu thụ dầu FO tại TP.HCM Năm Lượng dầu 1995 1996 1997 1998 1999 2000 FO(tấn/ngày) 1.107.000 1.895.000 1.885.000 1.748.000 1.882.000 1.843.000 I.1.2Tổng quan về SO2 : Khí sunfurơ là chất khí không màu ,có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm,là sản phẩm của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh (ví dụ dầu FO). SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở -750C và nhiệt độ sôi ở -100C SO2 rất bền nhiệt((ΔH0tt =- 296,9kJ/mol). Khí SO2 là một chất khí ô nhiễm khá điển hình.SO2 có khả năng hòa tan trong nước cao hơn các khí gây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của con người và động vật. Độc tính chung của SO2 thể hiện ở rối loạn chuyển hoá protein và đường,thiếu vitamin B,C ức chế enzyme oxydaza. Khi hàm lượng thấp, SO 2 có th ể làm sưng viêm mạc. SO2 làm thiệt hại đến mùa màng, nhiễm độc cây trồng.Khí SO 2 trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa dưới tác động của nhiệt độ,ánh sáng chúng chuyển thành SO3.Khi gặp nước SO3 + H2O = H2SO4 là nguyên nhân gây nên mưa axit gây thịêt hại lớn.Nhà cửa,kiến trúc công trình làm bằng kim loại dễ bị ăn mòn, động vật và thực vật chậm phát triển hoặc chết. I.1.3Tổng quan về bụi: Ô nhiễm bụi gây tác hại đến sức khoẻ đặc biệt nếu bụi chứa các chất độc hại . Thành phần hoá học ,thời gian tiếp xúc là các yếu tố ảnh hưởng đến các cơ quan nội tạng . Mức độ bụi trong bộ máy hô hấp phụ thuộc vào kích thước ,hình dạng, mật độ hạt bụi và cá nhân từng người. Bụi đất đã không gây ra các phản ứng phụ trong cơ thể do có đặc tính trơ và không chứa các hợp chất có tính độc hại.Bụi đất ,cát có kích thước lớn (bụi thô) ,nặng , ít có khả năng di vào phế nang phổi , ít ảnh hưởng đến sức khoẻ. Bụi than tạo thành trong quả trình đốt nhiên liệu có thành phần chủ yếu là các chất Hydrocacbon đa vòng là chất ô nhiễm có độc tính cao vì có khả năng gây ung thư . Khi tiếp xúc ,phần lớn bụi than có kích thước lớn hơn 5 micromet bị các dich nhầy ở các tuyến phế quản và các long giữ lại . Chỉ có các hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 5 micromet vào được phế nang. Bụi vào phổi gây kích thước cơ học,xơ hoá phổi dẫn đến các bệnh hô hấp như khó thở ,ho, khạc đờm, ho ra máu, đau ngực,… Tiêu chuẩn bộ y tế Việt Nam năm 1992 quy định đối với bụi than trong không khí tại khu vực dân cư là 0.15 mg\m3,TCVN 1995 quy định bụi tổng cộng trong không khí xung quanh 0.5 mg|m3 I.2.Các phương pháp xử lý khí thải từ lò hơi dùng dầu FO: I.2.1: Phương pháp hấp thụ: Hấp thụ là quá trình lôi cuốn chọn lọc một cấu tử nào đó từ hỗn hợp khí bởi chất lỏng. Dựa vào sự tương tác giữa chất hấp thụ (dung môi) và chất bị hấp thụ(chất ô nhiễm) trong pha khí , phân thành 2 loại hấp thụ: Hấp thụ vật lý:Dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng(tương tác vật lý).Hấp thụ vật lý được sử dụng rộng rãi trong xử lý khí thải. Hấp thụ hóa học:Cấu tử trong pha khí và pha lỏng có phản ứng hóa học với nhau (tương tác hóa học). Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của dung môi và các chất ô nhiễm trong khí thải. Hấp thụ là một quá trình mà truyền khối mà ở đó các phân tử chất khí chuyển dịch và hòa tan vào chất lỏng.Sự hòa tan có thể diễn ra đồng thời với một phản ứng hóa học giữa các hợp phần của pha lỏng và pha khí hoặc không có phản ứng hóa học. Truyền khối thực chất là một quá trình khuếch tán mà ở đó chất khí ô nhiễm dịch chuyển từ trạng thái có nồng độ cao đến trạng thái có nồng độ thấp hơn .Việc khử chất khí diễn ra theo 3 giai đoạn: 1. Khuếch tán chất khí ô nhiễm đến bề mặt chất lỏng 2. Truyền ngang qua bề mặt tiếp xúc pha khí /lỏng 3. Khuếch tán chất khí hoàn tan từ bề mặt tiếp xúc pha vào trong pha lỏng Sự chênh lệch nồng độ ở bề mặt tiếp xúc pha thuận lợi cho động lực của quá trình và quá trình hấp thụ diễn ra mạnh mẽ trong điều kiện diện tích tiếp xúc pha lớn,độ hỗn loạn cao và độ khuếch tán cao.Bởi vì một số hợp phần của hỗn hợp khí có khả năng hòa ta mới có thể hòa tan được trong chất lỏng,cho nên quá trình hấp thụ chỉ đạt hiệu quả cao khi lựa chọn dung dịch hấp thụ có tính hòa tan cao hoặc những dung dịch phản ứng không thuận nghịch với chất khí cần được hấp thụ. Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc càng lớn càng tốt giữa hai pha khí và lỏng . Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ như sau (hình I.1) - Dòng khí được dẫn vào ở đáy tháp, dung dịch hấp thụ được phun ở đỉnh tháp. - Dòng khí cần xử lý tiếp xúc với dung dịch hấp thụ, chất cần xử lý được giữ lại trong dung dịch hấp thụ và được thu ở đáy tháp.Dòng không khí sạch thoát ra ngoài trên đỉnh tháp. Có nhiều dạng kiểu thiết bị hấp thụ khác nhau và có thể phân thành các loại chính sau: 1. Buồng phun,tháp phun:Trong đó chất lỏng được phun thành giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua.Tháp phun đươc sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn. 2. Thiết bị sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng.Quá trình phân tán khí có thể được thực hiện bằng cách cho khí đi qua tấm xốp,tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học . 3. Thiết bị hấp thụ kiểu sủi bọt: Khí đi qua tấm đục lỗ bên trong có chứa lớp chất lỏng mỏng. 4. Thiết bị hấp thụ có đệm bằng vật liệu rỗng(tháp đệm):Là một tháp dạng cột bên trong chất gần đầy các vật liệu đệm nhằm tạo ra một bề mặt tiếp xúc cao nhất có thể để cho dòng khí (đi từ dưới lên)và dòng lỏng(từ đỉnh tháp xuống) tiếp xúc tốt với nhau khi chuyển động ngược chiều trong lớp đệm.Quá trình tiếp xúc này sẽ làm cho bụi và chất ô nhiễm trong khí thải bị giữ lại và bị hấp thụ bởi dòng chất lỏng.Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng:khí lớn.Khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng.Vật liệu đệm được sử dụng trong các tháp này có thể là đá nghiền,vòng rassing,vật thể hình yên ngựa ,vòng ngăn,than cốc ,đá xoắn ốc,vật liệu ô vuông làm bằng gỗ hoặc các loại sợi tổng hợp. 5.Tháp đĩa: Có cấu tạo là một thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các đĩa có cấu tạo khác nhau. Như vậy để hấp thụ được một số chất nào đó ta phải dựa vào độ hòa tan chọn lọc của chất khí trong dung môi để chọn dung môi cho thích hợp hoặc dung dịch thích hợp(trong trường hợp hấp thụ hóa học).Quá trịnh hấp thụ được thực hiện tốt hay xấu phần lớn là do tính chất dung môi quyết định,hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc bề mặt giữa khí thải và chất lỏng ,thời gian tiếp xúc,nồng độ môi trường hấp thu và tốc độ phản ứng giữa chất hấp thu và khí thải. I.2.2.Phương pháp hấp phụ: Hấp phụ là hiện tượng tăng nồng độ của một chất tan (chất bị hấp phụ) trên bề mặt một chất rắn ( chất hấp phụ).Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất rắn ,không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ.(còn gọi là quá trình phân bố 2 chiều). Trong kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí ,phương pháp hấp phụ được dùng để thu hồi và sử dụng lại hơi của các chất hữu cơ,khử mùi các nhà máy sản xuất thực phẩm ,thuộc da,nhuộm… Có thể phân loại phương pháp hấp phụ như sau:  Dựa vào bản chất quá trình hấp phụ: Hấp phụ vật lý:Là hấp phụ đa phân tử,Lực liên kết là lực hút giữa các phân tử (Lực Vanderwaals) không tạo thành hợp chất bề mặt. Hấp phụ hóa học:là hấp phụ đơn phân tử,lực liên kết là lực liên kểt bề mặt tạo nên hợp chất bề mặt.  Dựa theo điều kiện hấp phụ: Hấp phụ trong điều kiện động Hấp phụ trong điều kiện tĩnh Hấp phụ chọn lọc:Dựa vào ái lực khác nhau giữa chất ô nhiễm và bề mặt chất rắn,phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ trao đổi:Dựa vào cường độ hoặc ái lực của các ion chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Quá trình hấp phụ có thể được tiến hành trong lớp chất hấp phụ đứng yên, tầng sôi hoặc chuyển động Tuy nhiên trên thực tế phổ biến nhất là thiết bị với lớp chất hấp phụ không chuyển động được bố trí trong tháp đứng,tháp nằm hoặc tháp vòng .Tháp đứng được sử dụng khi cần xử lý lưu lượng nhỏ. I.2.3.Phương pháp đốt: Áp dụng khi lượng khí thải lớn mà nồng độ chất ô nhiễm cháy được lại rất bé đặc biệt là những chất có mùi khó chịu. Các chất khí được xử lý theo phương pháp đốt thường là các hợp chất hydrocacbon,các dung môi hữu cơ…Việc xử lý khí thải theo phương pháp này được sử dụng trong trường hợp khí thải có nồng độ chất độc cao vượt quá giới hạn bắt cháy và có chứa hàm lượng oxygen đủ lớn. Quá trình đốt được thực hiện trong hệ thống gồm những thiết bị liên kết đơn giản có khả năng đạt hiệu suất phân hủy cao.Hệ thống đốt gồm cửa lò,bộ mồi lửa đốt bằng nhiên liệu và khí thải. Có 2 phương pháp đốt:  Đốt bằng ngọn lửa trực tiếp(phương pháp oxy hóa nhiệt):làm cho chất ô nhiễm cháy trực tiếp trong không khí mà không cần bổ sung thêm nhiên liệu,chỉ cần nhiên liệu để mồi lửa và điều chỉnh.  Thiêu đốt có xúc tác(phương pháp oxy hóa xúc tác):Quá trình oxy hóa chất ô nhiễm trên bề mặt chất xúc tác. Để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp cần phân tích phạm vi ứng dụng,ưu nhược điểm của các phương pháp nêu trên tạo cơ sở cho việc lựa chọn. A.Phương pháp hấp thụ:  Ưu điểm: Rẻ,dễ ứng dụng,có thể sử dụng dung môi là nước để hấp thụ các khí độc hại như SO2,H2S...rất hiệu quả. Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi,khi trong khí thải có chứa cả bụi lẫn các khí độc hại mà các chất khí có khả năng hòa tan tốt trong nước rửa.  Nhược điểm: Hiệu suất làm sạch không cao,không dùng để xử lý dòng khí có nhiệt độ cao. Quá trình hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt nên khi thiết kế nhiều trường hợp cần phải lắp đặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ để làm nguội tăng hiệu quả quá trình xử lý như vậy thiết bị sẽ trở nên cồng kềnh,vận hành phức tạp. Việc lưc chọn dung môi thích hợp để xứ lý rất kho khăn khi chất khí không có khả năng hoà tan trong nước. Phải tiến hành tái sinh dung môi khi dung môi đắt tiền để giảm giá thành xử lý mà công việc này là rất khó khăn. B.Phương pháp hấp phụ:  Ưu điểm: Điều chỉnh quá trình tinh vi hơn. Có thể sử dụng kết cấu tối ưu và kích thước tối ưu cho từng đoạn của thiết bị. Tiết kiệm được chất hấp phụ ,sử dụng tối đa năng suất hấp phụ. Quá trình thực hiện liên tục dẫn đến hiệu suất cao. Chất hấp phụ dễ kiếm và khá rẻ tiền,thường dùng nhất là than hoạt tính hấp phụ được nhiều chất hữu cơ.  Nhược điểm: Kết cấu phức tạp. Chất hấp phụ bị mài mòn nên phải xử lý bụi Cường độ hấp phụ thấp do vận tốc dòng khí thấp do vận tốc khí nhỏ và không có sự xáo trộn mãnh liệt than. Hiệu quả hấp phụ kém nếu nhiệt độ khí thải cao. Không hiệu quả khi dòng khí ô nhiễm chứa cả bụi lẫn chất ô nhiễm thể hơi hay khí vì bụi dễ gây nên tắc thiết bị và làm giảm hoạt tính hấp phụ của chất hấp phụ (lúc này nếu muốn sử dụng ta phải lọc bụi trước khi cho dòng khí vào thiết bị hấp phụ). C.Phương pháp đốt:  Ưu điểm: Phân hủy hoàn toàn các chất ô nhiễm cháy được Thích ứng được với sự thay đổi lưu lượng và tải lượng chất ô nhiễm trong khí thải. Hiệu quả cao với những chất khó xử lý bằng phương pháp khác. Có thể thu hồi nhiệt thải ra trong quá trình đốt. Trong những trường hợp khí thải có nhiệt độ cao có thể không cần phải gia nhiệt trước khi đưa vào đốt. Phương pháp đốt hoàn toàn phù hợp với việc xử lý các khí thải độc hại không cần thu hồi hay khả năng thu hồi thấp, khí thu hồi không có giá trị kinh tế cao. Có thể tận dụng nhiệt năng trong quá trình xử lý vào mục đích khác  Nhược điểm: Chi phí đầu tư thiết bị ,vận hành lớn. Có thể làm phức tạp thêm vấn đề ô nhiễm không khí sau đốt có chlorine,N,S. Có thể cần cấp thêm nhiên liệu bổ sung,xúc tác gây trở ngại cho việc vận hành thiết bị. Đối với dòng khí này phương pháp lựa chọn để xử lý thích hợp nhất là phương pháp hấp thụ. I.2.3.Tính toán tải lượng các chất ô nhiễm do đốt dầu FO : Dựa trên phuơng trình phản ứng cháy ta tính được lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg dầu theo công thức sau: Lt = 11,53C + 34,4(H- O2/8) + 4,29S (1) Trong đó C,H,O2,S là hàm lượng tĩnh của các nguyên tố cacbon, hidro, oxy, lưu hùynh có trong dầu FO và được lấy bằng 0,853; 0,109; 0,0035; 0,028. Thế vào phương trình (1): Lt = 11,53x0,853 + 34,4(0,109- 0,0035/8) + 4,29x0,028 = 13,69kgkk/kgdầu Lượng không khí ở điều kiện chuẩn (1at, 2730K) được tính theo công thức: Lk0 = ( mf – mNC) + Lt, kg (2) mf= 1 , mNC = 0,008 là hàm lượng tro trong dầu. Thay vào (2) Lk0 = ( 1- 0,008) + 13,69 = 14,68 kg kk/kg dầu = 12,23m3kk/kgdầu Lò hơi họat động có hệ số nhiệt thừa là α = 1,2 và T khói = 2500C.Khi đó lưu lượng khói thải khi đốt 1kg dầu được tính theo công thức: Lk = Lk0 x α ( 273 + T khói)/ 273 (3) Thế các giá trị vào (3) Lk = 12,23 x 1,2 (273+ 250) / 273 = 28,11 m3/kgdầu Với hệ số ô nhiễm của SO2 là 18.8S (b ảng I.7) với àm lượng lưu huỳnh S = 3% ( do dầu có chất lượng tương đối tốt) ta tính được lượng SO 2 trong khói thải là: 18,8x3 = 56,4g/ldầu = 58,2g/kgdầu ( 1l dầu =0,97kg dầu) Có được tải lượng S02 ký hiệu là mS02,có được lưu lượng khí thải là L k ,ta tính được nồng độ S02 trong khói thải đốt dầu như sau: NSO2 = mS02/Lk = 58,2/28,11 = 2,070 g/m3 = 2070 mg/m3 Tương tự tính được nồng độ của các chất ô nhiễm khác(bảng I.5). Lưu lượng khói thải là 28,11 m3/1kgdầu.Công suất lò đốt là 2000kgdầu/ngày . Lượng khói thải là 28,11m3/1kgdầu x 2000kgdầu/ngày = 56220 m3/ngày = 2343m3/h Bảng I.4 Hệ số phát thải ô nhiễm do đốt dầu FO Ch ất g ây ô nhi ễm H ệ s ố g/l Nh à m áy đi ện C ông nghi ệp kh ác SO2 18.8S 18.8S SO3 0.29S 0.24S NO2 12.46 8.62 CO 0.005 0.24 b ụi 1.19 1.79 Bảng I.5.Nồng độ các chất ô nhiễm chủ yếu trong khí thải dầu FO theo lý thuyết: Ch ất g ây ô nhi ễm N ồng đ ộ mg/m3 Nh à m áy đi ện c ông nghi ệp kh ác SO2 NO2 CO B ụi 2070 443 0.18 42 2070 307 8.54 63.6 Trong đó S là hàm lượng lưu huỳnh tính theo phần trăm khối lượng. Từ lý thuyết tính toán nồng độ các chất ô nhiễm do đốt dầu FO ta thấy nồng độ S02 lớn gấp 4 lần tiêu chuẩn cho phép.S0 2 là chât ô nhiễm chính trong khói thải dầu FO,là yếu tố dùng để đánh giá mật độ gây ô nhiễm ở các cơ sở sản xuất có sử dụng dầu FO làm nhiên liệu đốt.Còn các chỉ tiêu khác thấp hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều. Tuy nhiên,ở những nhà máy có lò hơi hoạt động người dân xung quanh thường phàn nàn về bụi rất nhiều.Do đó nghiên cứu khí thải do đốt dầu 2 chỉ tiêu được quan tâm nhiều nhất là bụi và S02. I.2.4.Một số phương pháp hấp thụ S02 Để hấp thụ SO2 ta có thể sử dụng nước, dung dịch hoặc huyền phù của muối kim loại kiềm hoặc kiềm thổ. - Hấp thụ bằng nước: Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO 2 ra khỏi khí thải từ các lò công nghiệp. Nhược điểm: do độ hòa tan của SO2 trong nước thấp nên phải cần lưu lượng nước lớn và thiết bị hấp phụ có thể tích lớn, quá trình hấp thụ tốn nhiều năng lượng chi phí nhiệt lớn. Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được. SO2 + H2O -> H+ + HSO3 -Hấp thụ bằng huyền phù CaCO3 sữa vôi: Ưu điểm: của phương pháp này là quy trình công nghệ đơn giản chi phí hoạt động thấp, chất hấp thụ dễ tìm, có khả năng xử lý mà không cần làm nguội và xử lý sơ bộ. Có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông thường, không cần đến vật liệu chống acid và không chiếm nhiếu diện tích xây dựng. Nhược điểm: Thiết bị đóng cặn do tạo thành CaSO 4 và CaSO3, gây tắc các đường ống và ăn mòn thiết bị. - Phương pháp Magie (Mg): SO2 được hấp thụ bởi oxít – hydro magie, tạo thành tinh thể ngậm nước Sunfit magie Ưu điểm: làm sạch khí nóng, không cần lọc sơ bộ, thu được sản phẩm tận dụng là H2SO4; MgO dễ kiếm và rẻ, hiệu quả xử lý cao. Nhược điểm: vận hành khó, chi phí cao tốn nhiều MgO. - Phương pháp kẽm: Trong phương pháp này chất hấp thụ là kẽm SO2 + ZnO + 2,5 H2SO4 -> ZnSO3 + H2O Ưu điểm: của phương pháp này là khả năng xử lý ở nhiệt độ cao (200 – 2500C) Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi về kinh tế nên phải thường xuyên tách chúng và bổ sung thêm ZnO. - Hấp thụ bằng chất hấp thụ trên cơ sở Natri Ưu điểm: Ứng dụng chất hấp thụ hóa học không bay hơi, có khả năng hấp thụ lớn.Phương pháp có thể thể được ứng dụng để loại các S0 2 ra khỏi khí ở các nồng độ khác nhau. - Phương pháp Amoniac - Hấp thu bằng hổn hợp muối nóng chảy - Hấp thụ bằng các Amin thơm Chương II.Yêu cầu thiết kế II.1 .Số liệu đầu vào: -Công suất nồi hơi :sử dụng 2000 kg dầu - Hiệu suất xử lý đạt 95% - Nhiệt độ khói thải là 2500C - Áp suất làm việc của tháp là P= 1 atm - Nồng độ S02 = 2070mg/m3 - Nồng độ bụi = 63.6mg/m3 - Lưu lượng hỗn hợp khí = 2343m3/h II.2.Số liệu đầu ra: Khói lò sau khi xử lý cần đạt TCVN 5939 – 1995: chất lượng không khí - tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ. Giá trị giới hạn ở cột A áp dụng cho các cơ sở đang hoạt động. Giá trị giới hạn ở cột B áp dụng cho tất cả các cơ sở kể từ ngày cơ quan quản lý môi trường quy định. Được trích ở bảng sau: Bảng II.1 Thông số Giá trị giới hạn Loại A Loại B SO2 1500 500 Bụi 400 II.3.Đề xuất và thuyết minh công nghệ II.3.1.Đề xuất quy trình công nghệ xử lý: Trong các thiết bị dùng cho phương pháp hấp thụ thì dung dịch hấp thu được sử dụng có thể là nước hoặc dung dịch hóa học như dung dịch kiềm,dung dịch sữa vôi …nếu dùng dung dịch hóa học thì hiệu suất hấp thụ các chất ô nhiễm sẽ cao nhưng đắt tiền. Dùng nước thì rẻ tiền và an toàn cho thiết bị nhưng hiệu suất hấp thụ các chất ô nhiễm dạng khí sẽ kém hiệu quả hơn. Đối với dòng khí này do yêu cầu hiệu suất xử lý đạt 95% và trong hỗn hợp khí chứa thành phần ô nhiễm chính là S0 2 nên dung dịch hấp thụ được chọn dung dịch Ca(OH)2.vì các ưu điểm sau:  Chất thải thứ cấp của nó được đưa về dạng thạch cao CaSO 4 không gây ô     nhiễm thứ cấp cho nguồn nước và có thể tách ra khỏi nước đem chôn lấp an toàn. S02 + 02 = S03 S03 + Ca(0H)2 = CaS04 + H20 Là loại dung dịch rẻ tiền, dễ kiếm. Tính ăn mòn thiết bị yếu ít gây nguy hại cho thiết bị xử lý. Dung dịch này ngoài nhiệm vụ hấp thụ các acid SO 2, CO2, ... còn có tác dụng làm nguội khí thải đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn về nhiệt độ khí thải đầu ra của ống khói. Tháp hấp thụ được chọn là tháp đệm vì dòng khí có chứa bụi và tạo được bề mặt tiếp xúc lớn nên tháp sẽ có kích thước nhỏ kinh tế hơn.Vật liệu đệm là vòng sứ với ưu điểm là chịu được môi trường ăn mòn tốt và chịu đuợc nhiệt độ cao,ngoài ra còn còn tác dụng kết dính bụi và kim loại nặng trong khí thải vào dung dịch hấp thu sau đó được tách ra ở dạng cặn trong bể lắng. II.3.2:Thuyết minh quy trình công nghệ: Sơ đồ xử lý khí thải do đốt dầu FO được đề xuất như sau: Khí thải cylon Tháp giải nhiệt Tháp hấp thụ Quạt ly tâm Ống khói Chương III.Tính toán thiết kế tháp hấp thụ III.1.Tính cân bằng vật chất- cân bằng pha : III.1.1.Các thông số đầu vào của khí vào vào tháp: Nhiệt độ dòng khói thải khi đi vào tháp là khoảng 50 0C(sau khi qua tháp giải nhiệt) Nồng độ S02 ban đầu là 2070 mg/m3 Áp suất P= 1 atm Nhiệt độ nước vôi trong chọn là 250C Nhiệt độ làm việc của tháp ta chọn là nhiệt độ trung bình của dòng khí và dòng lỏng khoảng 400C Hỗn hợp khí xử lý xem như gồm SO2 và không khí. Nồng độ S02 vào: CS02 = 2070mg/m3 = 2,070g/m3 Nồng độ khí ban đầu: Ck = P 1 = = 0.03896 mol/l = 38.96 mol/m3 RT 0.082(273 + 40) Nồng độ mol S02 [ SO 2] = 2.070 = 0.0323 mol/m3 64 Nồng độ phân mol: yd = 0.0323 = 8.291x10−4 mol SO2/ mol hh khí 38.96 Tỷ số mol: Yd = yd 8.291x10−4 = = 8.298 x10−4 mol SO2/ mol khí. −4 1 − yd 1 − 8.291x10 III.2.1. Các thông số đầu ra: Để giảm năng suất xử lý cho tháp hấp thụ ta chia phần xử lý cho tháp khoảng 1400mg/m3,phần còn lại sẽ được ống khói phát tán.Do hiệu suất tháp là 95% nên tháp xử lý được 1400x0.95=1330 mg/m3 . Vậy nồng độ S02 ra khỏi tháp là : 2070 – 1330 = 740 mg/m3 Nồng độ S02 ra khỏi tháp là 740mg/m3 Nồng độ mol SO2: [ SO2 ] = 0.74 = 0.01156 mol/ m3 64 Nồng độ phân mol: yc = 0.01156 = 2.967 x10−4 mol SO2/ mol khí 38.96 Tỷ số mol: Yc = 2.967 x10−4 = 2.968 x10−4 mol SO2/ mol khí 1 − 2.967 x10−4 Xây dựng đường cân bằng: Hệ số herry ϕ = 0.0495 x106 mmHg ϕ 0.0495 x106 = 65.132 Hệ số cân bằng pha: m = = P 760 Phương trình cân bằng SO2 trong dung dịch: Y X =m Y +1 X +1 mX 65.132 = Y = 1 + (1 − m) X 1 − 64.132 X −4 Mà: Yd = 8.298 x10 y = mx  Y 8.298 x10−4 = = 1.273x10−5 molSO2/mol H2O m(Y + 1) − Y 65.132(8.298 x10−4 + 1) − 8.298 x10 −4 Suất lượng mol hỗn hợp : PV 1x 2343 Ghh = = = 91.29 kmol/h RT 0.082 x (273 + 40) Suất lượng mol cấu tử trơ : Gtro = Ghh (1 − Yd ) = 91.29(1 − 8.298 x10−4 ) = 91.21 kmol/h Lưu lượng dung dịch tối thiểu tiêu tốn theo lý thuyết được tính theo công thức: Y − Y 91.21(8.298 x10−4 − 2.968 x10−4 ) Lmin = Gtro d * c = = 3818.93 kmol H2O/ h Xc 1.273 x10−5 Thông thường,trong các thiết bị hấp thụ, không bao giờ đạt được cân bằng giữa các pha, nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng thực tế nên lượng dung môi tiêu tốn thực tế lớn lượng dung môi tối thiểu. Thường ta cho lưu lượng thực bằng 1,3 lần lưu lượng tối X C* = thiểu, vậy lưu lượng lỏng cho vào tháp là: = > Lth = 1.3Lmin = 1.3x3818.93 = 4964.61 kmol H2O/ h G (Y − Y ) 91.21(8.298 x10−4 − 2.968 x10−4 ) Vậy: X c = tro d c = Lth 4964.61 −6 = 9.79 x10 molSO2/mol H2O Phương trình đường làm việc Y = Ax + B trong đó L L A = tro và B = Yc − tro X d Gtro Gtro Nên: Y= 54.44X+ 2.968.10-4 qua 2 điểm A( 0, 2.968x10-4) và B(9.79x10-4, 8.298x10-4) Phương trình đường cân bằng là: 65.132 Y= 1 − 64.132 X III.2. Tính đường kính tháp: Theo sổ tay quá trình thiết bị và hóa chất, đường kính tháp hấp thụ có thể tính theo công thức: Trong đó:Vtb : lưu lượng khối dòng khí trung bình đi trong tháp V + Vc Vtb = d trong đó: Vd = 2343 m3/h 2 1 − Yd 1 − 8.291x10−4 Vc = Vd = = 2341.75 m3/h 1 − Yc 1 − 2.967 x10−4 2343 + 2341.75 = 2342.375 m3/h vậy: Vtb = 2 Tính vận tốc khí ωy : Ta có:ωy = ( 0,8-0,9) ω0 (Sổ tay tập 2-Trang 187) Với ω0:Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương,còn gọi là tốc độ đảo pha,m/s Nên được xác định theo công thức sau: Trong đó: σđ,Vđ: Bề mặt riêng và phần thể tích tự do của đệm g: gia tốc trọng trường,m/s2 ρxtb,ρytb:Khối lượng riêng trung bình pha khí và lỏng,kg/m 3 µx,µy:Độ nhớt vận động của pha lỏng ở nhiệt độ làm việc và nước ở 20 0C Gtb,Ltb:Lưu lượng trung bình pha khí và pha lỏng(kg/s) Y + Y 8.291x10−4 + 2.967 x10−4 ytb = d c = = 5.629 x10−4 molSO2/mol H2O 2 2 M hhk = ytb M SO2 + (1 − ytb ) M kk = 5.629 x10−4 x64 + (1 − 5.629 x10−4 )29 = 29.020 g/mol Khối lượng riêng trung bình của chất khí được tính theo công thức : Thể tích tự do tầng vật chêm: Thể tích tự do tầng vật chêm: Hấp thu SO2 bằng huyền phù là nước vôi trong Ca(OH)2, với tỷ lệ pha loãng Ca(OH)2 và H2O là 1:24 Huyền phù Ca(OH)2 4% khối lượng: ρCa(OH)2 = 984,35 kg/m3(ở nhiệt độ 250C) ρnước = 1000kg/m3 Khối lượng phân tử pha lỏng (huyền phù ): (0.04 + 0.96)kghp M hp = 0.04kgCa (OH ) 2 0.96kgH 2O = 18.56187 kghp/kmolhp + 74kgCa (OH ) 2 / kmolCa (OH ) 2 18kgH 2O / kmolkgH 2O Khối lượng riêng pha lỏng (huyền phù): (0.04 + 0.96)kghp ρ xtb = = 999.36 0.04kgCa (OH ) 2 0.96kgH 2O kghp/m3hp + 3 3 984.35kgCa (OH ) 2 / m 1000kgH 2O / m Phần trăm thể tích của Ca(OH)2 trong huyền phù: 0.04kgCa(OH ) 2 984.35kgCa(OH ) 2 / m3 ρ xtb = x100% = 4.06% 0.04kgCa (OH ) 2 0.96kgH 2O + 984.35kgCa (OH ) 2 / m3 1000kgH 2O / m3 Độ nhớt huyền phù µhp µhp =µnước.(1+2,5.ϕ) = 0,8937.10-3.(1+2,5.0,0406) = 0,9844.10-3 Ns/m2 µhp=µx=0,9844.10-3 Ns/m2 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp: Mdd= 18.(1- 0,04) + 74.0,04)= 20,24g/mol = 20,24kg/kmol 2342.375 x1.13 Gtb = = 0.68 kg/s 3600 4964.61x 20.24 Ltb = = 27.91 kg/s 3600 Do lượng S02 được hấp thụ là rất nhỏ nên ta có thể xem lưu lượng khí và lỏng vào và ra gần như không đổi Gđ=Gc,Lđ=Lc µl= 1,005.10-3Ns/m2-Độ nhớt của nước ở 200C Tra bảng IX.8 trang 193( sổ tay tập 2): Chọn vòng sứ đổ đống (lộn xộn, ngẫu nhiên) kích thước: 25x 25 x 3 mm Diện tích bề mặt riêng phần: a = 195 m2/m3 Thể tích tự do tầng vật chêm ε = 0.75m3 / m3 Số đệm trong 1 m3: 46.102 Khối lượng riêng vật liệu đệm: ρ = 600 (kg/m3) Đối với vật liệu là vòng sứ thì A = 0.022 , B = 1,75 0,16 0.25 0.125  ω 2 .195.1,13  0,9844.10−3    27.91   1.13  o lg  x  = 0.022 − 1.75   3 −3 ÷ ÷  ÷  9,81.0, 75 999,36  1, 005.10    0.735   999.36  2 lg(0.0531 ωo )= -1.84 0.0531 ωo = 0.0145 2 ωo2 = 0.273 => ωo =0.523 m/s ω y =0.442 m/s 4.2342,375 = 1,37 m π .3600.0, 442 Chọn D theo tiêu chuẩn = 1,4m Khi đó vận tốc làm việc chính xác: 4V ωy = = 0.423 m/s π D2 III.3.Tính chiều cao tháp hấp thụ : H=my. h0 my:Số đơn vị truyền khối h0:Chiều cao của 1 đơn vị truyền khối III.3.1.Tính số đơn vị truyền khối my Tính bằng phương pháp đồ thị Vẽ đường cân bằng và đường làm việc trên cùng một đồ thị trong hệ tọa độ X,Y. Phương trình đường cân bằng là: 65.132 Y= 1 − 64.132 X Phương trình đường làm việc: Y= 54.44X+ 2.968.10-4 Từ hình vẽ ta xác định được số đơn vị truyền khối là my=2.1 III.3.2.Tính chiều cao của 1 đơn vị truyền khối Nên: D = Trong đó: m = tgα = Yd − Yc (8.298 − 2.968) x10−4 = = 42 X c* − X d 1.273 x10−5 Trong đó a: hệ số phụ thuộc dạng đệm. Chọn a = 0,123 đối với đệm vòng ψ : hệ số thấm ướt của đệm U ψ = với U,Utu là mật độ tưới làm việc và mật độ tưới tối ưu. U tu Ltb .3600 Ta có: U = và U tu = B.σ d ρl .0.785.D 2 Ltb=27.91 kg/s ρl=984,35kg/m3 B:Hệ số phụ thuộc quá trình(b=0,158 nếu là quá trình hấp thu) σ d : diện tích bề mặt vật đệm = 195m2/m3 Và Utu=0,158.195=30,81 27,91.3600 U= = 66,34 984,35.0, 785.1, 42 66,34 ψ = = 2,15 > 1 30,81 Từ đồ thị IX.16 trang 178 suy ra ψ =1 Đối với pha khí: Tính Rey: chuẩn số Reynold của pha khí 0, 4.ω y .ρ y 0, 4.0, 423.1,13 Re y = = = 51, 42 µ yσ d 0, 01907.10−3.195 ω y = 0, 423 m/s là vận tốc khí qua tiết diện tháp; khối lượng riêng trung bình của pha khí ρy=1,13kg/m3; σd=195 m2/m3 µ y là là độ nhớt trung bình của pha khí, lấy tương đối độ nhớt của không khí ở nhiệt độ làm việc 400C (bảng I.114- trang 118) µy =0,01907.10-3 Ns/m2 Trong đó a: hệ số phụ thuộc dạng đệm. Chọn a = 0,123 đối với đệm vòng .