Đề đồ án môn học Xử lý khí thải và tiếng ồn

5- Tính toán khuyếch tán ô nhiễm từ nguồn điểm cao theo mô hình Gauss Cho biết: - Khối lượng đơn vị của bụi b=1000 kg/m3; - Hệ số nhớt động lực của khói thải ở nhiệt độ khói được tín

Đề đồ án môn học Xử lý khí thải và tiếng ồn

3- Đối chiếu nồng độ phát thải tính được của SO2 và BỤI với TCVN

5939-2005 đối với cơ sở SX loại B (mức phát thải cho phép của SO2 là 500 mg/m3 và của BỤI là 200 mg/m3) Nếu các chất SO2 và Bụi vượt TC cho phép thì cần xử lý;

4- Tính toán xử lý SO2 và BỤI:

a) Xử lý SO2 bằng sữa vôi để đưa nồng độ phát thải về mức cho phép Trình bày sơ đồ công nghệ xử lý và tính toán lượng đá vôi cần dùng cũng như lượng cặn thu được, cho biết độ sạch của đá vôi thương phẩm là K=0,8.

b) Nếu cần xử lý bụi thì tính toán buồng lắng bụi để làm sạch hoàn toàn loại bụi có kích thước hạt từ 50 m trở lên với giả thiết là độ phân cấp cỡ hạt bụi này trong khói thải chiếm 50% khối lượng Cần áp dụng loại buồng lắng bụi nhiều tầng để giảm kích thước của buồng lắng

5- Tính toán khuyếch tán ô nhiễm từ nguồn điểm cao theo mô hình Gauss

Cho biết:

- Khối lượng đơn vị của bụi b=1000 kg/m3;

- Hệ số nhớt động lực của khói thải ở nhiệt độ khói được tính toán theo công thức (5.14), trang 16 Tập 3 Sách “Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải”

TG Trần Ngọc Chấn - NXB XD 2001;

- Tham khảo ví dụ tính toán buồng lắng bụi trên trang 63 của Sách nói trên.;

- Cần biện luận sau tính toán về hiệu quả lọc bụi cũng như kích thước (có khả thi không?) của buồng lắng bụi và để đạt được tiêu chuẩn nồng độ phát thải bụi cho phép thì cần những giải pháp gì tiếp theo.

Bảng số liệu ban đầu để tính toán SPC

Hs cháy không

HT 

Hs thừa

kk 

Hs bụi theo khói a

Nhiệt

độ khói,

Nhóm 1: Thiết kế hệ thống xử lý khí sunfu đioxit SO2_

Nhóm 2: Thiết kế hệ thống xử lý khí Cacbon oxit CO

Nhóm 3: Thiết kế hệ thống xử lý khí Nitơ oxit NOx_

Nhóm 4: Thiết kế hệ thống xử lý khí Hydro sunfua H2s

CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN Ô NHIỄM

KHÔNG KHÍ

I Ph ươ ng trình c ơ bản đ ể tính nồng đ ộ chất ô nhiễm trong khí quyển:

Khi mô tả quá trình khuyếch tán chất ô nhiễm trong không khí bằng mô hình toán họcthì mức độ ô nhiễm không 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 ô nhiễm trong không khíphân bố theo thời gian và không gian được mô tả từ phương trình chuyển tải vật chất (hay làphương trình truyền nhiệt) và biến đổi hoá học đầy đủ như sau:

C : Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí

x,y,z: Các thành phần toạ độ theo trục Ox, Oy, Oz

 : Hệ số tính đến sự biến đổi chất ô nhiễm thành các chất khác do những

quá trình phản ứng hoá học xảy ra trên đường lan truyền

Tuy nhiên pt (20) trên rất phức tạp và nó chỉ là một hình thức mô phỏng sự lan truyền

ô nhiễm Trên thực tế để giải phương trình này người ta phải tiến hành đơn giản hoá trên cơ

sở thừa nhận 1 số điều kiện gần đúng bằng cách đưa ra các giả thuyết phù hợp với điều kiện

cụ thể sau:

- Nếu hướng gió trùng với trục Ox thì thành phần tốc độ gió chiếu lên trục Oy

sẽ bằng 0, có nghĩa là v = 0

- Tốc độ gió thẳng đứng thường nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ gió nên có thể

bỏ qua, có nghĩa là w = 0 Trong nhiều trường hợp, nếu xét bụi nhẹ thì Ws =

0 (trong trường hợp bụi nặng thì lúc đó ta sẽ cho Ws 0)

- Nếu bỏ qua hiện tượng chuyển pha (biến đổi hoá học) của chất ô nhiễm cũngnhư không xét đến chất ô nhiễm được bổ sung trong quá trình khuyếch tán thì

0

   Như vậy sau các giả thiết và chấp nhận 1 số điều kiện gần đúng thì phương trình banđầu được viết dưới dạng là:

      x , t = 0 (5)Với điều kiện ban đầu : u x t ( , )   ( ) x   x 

( )x

 : là một hàm liên tụcĐặt u(x, t) = X(x)T(t) vào phương trình truyền nhiệt ta được

X 2  C e 2  i x 

(Xem cách giải phương trình 7 trang 53 [7])

Nghiệm của phương trình (8) 2 2

3 a t

T C e   

Xem cách giải phương trình (8) trang 262 [6]

Khi đó nghiệm của phương trình vi phân (5) có dạng

u x t A  e   d 



( )42

( )42

1 ( , , )

Hàm số ( , , )G x t được gọi là nghiệm cơ sở của phương trình truyền nhiệt

Hàm số này thoả mãn phương trình truyền nhiệt theo các biến (x,t) và có thể kiểm tratrực tiếp bằng cách lấy đạo hàm:

22

Trở lại với phương trình lan truyền ô nhiễm 1 chiều () được viết lại với nguồn thải Qtại x = 0

22

( , )

x tk x

tiến xa khỏi chân nguồn thải )

Đối với bài toán hai chiều ta có phương trình tương tự

22

1 4 1/2

( , , )

y x

Trong các công thức trên

Q – lương phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời, g hoặc kg

II Công thức xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss

II.1 Công thức c ơ sở:

Lượng chất ô nhiễm trong luồng khói có thể được xem như tổng hợp của vộ số khóiphụt tức thời, những khối phụt đó được gió mang đi và dần dần nở rộng ra khí ra xa ống khóigiống như một ổ bánh mì được cắt ra thành nhiều lát mỏng và xếp chồng kề mép lên nhau(hình 1)

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, bài toán lan truyền chất ô nhiễm ở đây là bài toán hai chiều và do đó ta chọn công thức(17) để áp dụng cho trường hợp này:

Hình 1:Biểu đồ luồng khói bằng các khối phụt tức thời và liên tục

Nếu ta thiết lập sự cân bằng vật chất trong từng “lát” khói có bề dày 1m theo chiều x

vá các chiều y, z là vô cực khi các lát khói chuyển động cùng với vận tốc gió u thì thời gian

để từng lát đi qua khỏi ống khói là 1 m/u và do đó lượng chất ô nhiễm chứa trong “lát” khói

41/2

z y

y z

t k k z

20.5

là trục luồng khói) sẽ bằng M/u, g/m

Cường độ phát thải M = 4 đơn vị/s

0 1 2 3 4 0 1 2 3 4

Khoảng cách dọc theo trục gió (x), m

Hình 2:Sơ đồ minh hoạ ảnh hưởng của vận tốc gió đến nồng độ chất ô nhiễm do

nguồn phát thài liên tục và hằng số gây ra

Nếu giả thiết chất ô nhiễm không có phản ứng hoá học với không khí xung

quanh tức không sản sinh ra cũng như không phân huỷ đi, thì mật độ chất ô nhiễm trên tất cả

các mặt cắt trực giao với trục gió ở mọi khoảng cách x đều như nhau như thể hiện ở hình 2.

Nhưng nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khói thì giảm dần khi khoảng cách x tăng do có hiệntượng khuyếch tán theo phương ngang (trục y) và theo phương đứng (trục z) chính vì vậy màluồng khói lan rộng ra xung quanh trục luồng Càng ra xa khỏi trục luồng theo phương y và ztheo phương y và z nồng độ càng giảm nhỏ, tức là nồng độ nghịch biến với khoảng cách y vàz

Khi đó biểu thức phân phối chuẩn Gauss có dạng

1 ( )

 và zlà hệ số khuyếch tán theo phương ngang y và phương đứng z và là hàm

số của khoảng cách x kể từ nguồn đến mặt cắt xem xét Các hệ số này được xác định bằngthực nghiệm phụ thuộc vào khoảng cách x với các điều kiện khác nhau Chính vì vậy dấu tỉ lệtrong biểu thức (24) được thay bằng dấu = ở đằng thức (26) Biểu thức (26) cũng chính lànghiệm của cách giải phương trình vi phân đạo hàm riêng của quá trình khuyếch tán

II.3 Sự biến dạng của mô hình Gauss c ơ s ơ :

Điều cần lưu ý trước tiên là trong các công thức (19),(23), (26) các toạ độ y và zđều 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 ykhông thay đổi nhưng z phải được thay thế bằng z - H hoặc H – z (hình 3), do đó công thức(26) sẽ trở thành:

Để kể đến ảnh hưởng của mặt đất phản xạ khuyếch tán, nồng độ tại các điểm bất

kỳ A, B được giả thiết như do hai nguồn giống hệt nhau gây ra, trong đó có một nguồn thực

và một nguồn ảo hoàn toàn đối xứng với nhau qua mặt đất Nồng độ tại điểm xem xét (A hoặcB) do nguồn thực gây ra được tín bằng công thức (27), còn do nguồn ảo gây ra được tính bằngbiểu thức :

( )

2 z

H z

Tuy nhiên để thuận tiện khi tính toán và lập trình D.O.Martin đã đưa ra công thứctính y, z như sau:

440.8106.6 61 33.2 22.8 14.35

1.9411.1490.9110.7250.6780.740

9.27 3.3 0-1.7-1.3-0.35

459.7108.2 61 44.5 55.4 62.6

2.0941.0980.9110.5160.3050.180

-9.6 2.0 0-13.0-34.0-48.6

I.5 Các cấp ổn định của khí quyển:

Theo Pasquill và Gifford các cấp ổn định khí quyển có liên quan chặt chẽ tới sựbiến thiên nhiệt độ không khí theo chiều cao Tuỳ theo chiều hướng và mức độ thay đổi theochiều cao ta có các trường hợp đẳng nhiệt, đoạn nhiệt, siêu đoạn nhiệt hoặc nghịch nhiệt (hình

Hình 3: Các trường hợp biến thiên nhiệt độ không khí theo chiều cao trên mặt đất

III 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 Mặc khác, do nhiệt độ của khói cao hơn nhiệt độ khôngkhí xung quanh, luồng khói chịu tác dụng của “lực nổi” do chênh lệch nhiệt độ gây ra Cùngvới các lực nâng, luồng khói chịu tác động của lực gió nằm ngang, do đó đỉnh cao nhất của

CÁC CẤP KHÍ HẬU

Không ổn định trung

định Rất ổn định200

1801600140120100806040200

luồng khói sẽ nằm cách ra ống khói một khoảng cách nhất định nào đó xuôi theo chiều gió.Khi đã đạt được độ cao ấy tức là lúc động năng ban đầu của luồng khói đã bị triệt tiêu vànhiệt độ khói đã trở nên cân bằng với nhiệt độ của khí quyển do kết quả của quá trình hoà trộnvới không khí xung quanh, luồng khói sẽ giữ phương nằm ngang song song với chiều gió.

Dựa trên kềt quả thực nghiệm Davidson W.F đã đưa ra công thức sau đây –còn đượcgọi là công thức Brayant – Davidson

Công thức trên có thể phân biệt thành 2 thành phần:

Trong công thức trên:

D - đường kính của miệng ống khói, m;

 - vận tốc ban đầu của luồng khói tại miệng ống khói, m/s

Trong đó L – là lưu lượng khí thải (m3/s)

S - Diện tích miệng ra của ống thải (m2)Lúc đó chiều cao hiệu quả của ống khói H = h + h,m

với h là chiều cao thực của ống khói

IV Sự lắng đọng bụi trong quá trình khuyếch tán khí thải từ các nguồn điểm cao:

Những công thức tính toán khuyếch tán nêu ra trên đây là áp dụng cho các chất khí.Đối với bụi nhẹ lơ lửng, một cách gần đúng có thể xem vận tốc rơi của chúng dướI tác dụngcủa trọng lực là không đáng kể và mức độ khuyếch tán của chúng cũng gần như của khí, lúc

đó ta vẫn có thể áp dụng các công thức đó để xác định nồng độ bụi trên mặt đất

Tuy nhiên, đối với khí thải có chứa bụi với thành phần cỡ hạt khác nhau, vận tốc rơicủa các cỡ hạt bụi thô và nặng kích thước 20 m là đáng kể, do đó chúng sẽ lắng đọngnhanh xuống mặt đất ở vùng gần chân khói xuôi theo chiều gió Như vậy sẽ có sự khác biệtđáng kể giữa nồng độ bụi và nồng độ khí trên mặt đất

Dựa vào mô hình Gauss cơ sở - tức là mô hình Gauss chưa kể đến sự phản xạ của mặtđất đối với chất ô nhiễm được thể hiện bằng công thức (27) Đối với đa số chất ô nhiễm thểkhí thì mặt đất không hấp thu mà phản xạ ngược trở lại vào khí quyển Còn đối với bụi ta cóthể xem mặt đất là vật hấp thụ hoàn toàn

Ngoài ra, chất ô nhiễm thể khí hầu như không chịu ảnh hưởng của lực trọng trường,còn bụi thì rơi trong khí quyển với vận tốc v nhất định tuỳ thuộc vào kích thước hạt và khối r

lượng đơn vị của nó Do đó đại lượng H trong mô hình Gauss cần được hiệu chỉnh bằng cáchtrừ bớt đi đoạn đường mà hạt bụi rơi được trong khoảng thời gian t Đoạn đường đó là v t mà r

t = x/u vớI x là khoảng cách dọc theo trục gió tính từ nguồn và u – là vận tốc gió

Nồng độ bụi trên mặt đất dọc theo trục gió

22

2 ( ) 2

r z

v x

H u b

Trong đó: Cb : Nồng độ bụi tính theo g/m3

Mb: Lượng phát thảI bụi thuộc nhóm cỡ hạt cầt xem xét, g/s

vr : Vận tốc rơi tới hạn trung bình của nhóm cỡ hạt bụi xem xét m/s

x : Khoảng cách dọc theo trục gió kể từ nguồn, mCường độ lắng đọng của bụi trên mặt đất dọc theo trục gió Gb(x)

Khối lượng vận chuyển (Lưu lượng)(Nồng độ)

Diện tích (Diện tích) = (Vận tốc) (Nồng độ) = vrCb(x)

22

2 ( ) 2

r z

v x

H u r

 - Vận tốc theo phương thẳng đứng của chất ô nhiễm

kz và ky - lần lượt là hệ thống trao đổI theo phương đứng và phương ngang

 - Hệ số xác định sự thay đổi nồng độ chất ô nhiễm do phân huỷ hoá họchoặc do gội sạch bởi mưa, sương

Các giả thiết ban đầu được thừa nhận là: nguồn điểm được đặt ở độ cao z = H (khi x =0); có sự phản xạ hoàn toàn chất ô nhiễm từ mặt đất ; nồng độ chất ô nhiễm tiến dần đến triệttiêu ở khoảng cách tương đối xa so với nguồn.

V.1 Đ ối với khí và bụi nhẹ:

Với các giả thiết như trên, Berlaind đã chứng minh và đưa ra các kết quả sau:

Nồng đ ộ ô nhiễm trên mặt đ ất của khí và bụi nhẹ:

1 2 0

1(1 ) 4( , , 0)

0.116(1 )

n

k

n M C

0 1

112

1(1 ) (1.5 )

n M

u H x





Trong đó (1 ) là hàm số Gamma của (1) (xem phụ lục 2)

V.3 Khuyếch tán chất ô nhiễm từ nguồn đ iểm cao trong đ iều kiện không gió:

Các phương pháp tính toán khuyếch tán chất ô nhiễm nêu ra trên đây đều áp dụng

cho trường hợp trời có gió Để kể đến ảnh hưởng của khuyếch tán rối trong trường hợp trời

không gió, Berlaind và Kurebin đã đưa ra phương trình sau đây trong hệ toạ độ trụ:

- Sự phân bố nồng độ ô nhiễm trên mặt nằm ngang và có tính đối xứng qua tâm

nguồn cho nên R 0 C 0

r



Berlaind và Kurebin đã giảI phương trình (50) vói nghiệm có dạng:

Trong đó 4 1 2

k a

bố nồng độ trung bình ngày đêm, trung bình tháng hoặc trung bình năm

Trong trường hợp tính toán nồng độ trung bình cho thời gian ngắn, như trung bìnhngày đêm ta có thể đơn giản hoá vấn đề bằng cách giả thiết rằng trong từng mùa nhất định, hèhoặc đông, cấp ổn định của khí quyển có thể thay đổI trong ngày đêm xung quanh cấp ổnđịnh trung bình và ta chỉ tính toán với cấp ổn định ấy

Ngoài ra, các cấp vận tốc gió có thể được thay thế bằng trị số vận tốc gió trung bình( )

TB

u  theo một hướng  nào đó cùng vớI tần suất xuất hiện của gió P( ) trên hướng  ấy.

Ngoài tần suất trên các hướng gió khác nhau còn có tần suất lặng gió Plặng Đó là tỷ lệ thờigian không có gió trên bất kỳ hướng nào (u = 0)

 Hệ số trung bình ứng với số liệu tần suất và tần suất lặng gió:

k  P  1 Plang

Trong đó P là tần suất gió trên hướng 

P là tần suất lặng gió lang

m - Số hướng gió thông thường là 8 với P < 1 và lang

 Công thức xác đ ịnh nồng đ ộ trung bình theo tần suất gió:

Từ những lập luận nêu ra trên đây, ta có thể viết biểu thức xác định nồng độtrung bình ngày đêm của chất ô nhiễm trên mặt đất tại một vị trí tính toán nào do một nguồnthải thứ i gây ra như sau :

Trong các công thức trên:

Cxy(i) - nồng độ trung bình tại vị trí có toạ độ x, y do nguồn thứ i gây ra

Cxy(tong) - nồng độ tổng cộng trung bình do n nguồn thải gây ra tại điểm tính toán

Clang(i) - Nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán khi lặng gió (u = 0)

C(i) - Nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán khi

có gió thổi theo hướng  ứng với vận tốc gió trung bình trên

hướng đó và độ ổn định trung bình của khí quyển trong suốt

khoảng thời gian tính toán trị số trung bình (ngày đêm, tháng

Tuy nhiên, từ trước đến nay khi xem xét đánh giá chất lượng môi trường không khí củamột khu vực đồ thị, nhà máy hay khu công nghiệp nào đó, người ta thường khảo sát đo đạchoặc tính toán nồng độ ô nhiễm của các yếu tố độc hại một cách riêng rẽ và mức độ ô nhiễmmôi trường không khí cũng được đánh giá một cách độc lập đối với từng chất ô nhiễm khácnhau

Mặc khác hiện nay trong các tiêu chuẩn về môi trường của Việt Nam cũng mới chỉ đưa

ra giới hạn nồng độ cho phép của từng chất ô nhiễm riêng biệt trong không khí xung quanhhoặc trong không khí bên trong nhà mà chưa có qui định về giới hạn cho phép của nhiều chất

ô nhiễm đồng thời có mặt trong không khí Điều này dẫn đến sự thiếu chính xác và bất hợp lýtrong việc xem xét, đánh giá và so sánh chất lượng của môi trường giữa nơi này và nơi khác,giữa khu công nghiệp này và khu công nghiệp khác

Cụ thể là nếu có hai khu vực khác nhau, ở khu vực 1 môi trường chỉ bị ô nhiễm bởimột chất duy nhất với nồng độ bằng nồng độ giới hạn cho phép, trong lúc đó ở khu vực 2 môitrường bị ô nhiễm đồng thời bởi nhiều chất độc hại khác nhau mà nồng độ mỗi chất đều đạtgiới hạn cho phép thì theo tiêu chuẩn hiện hành, hai khu vực nói trên đều được xem là đạt yêucầu và đều được chấp nhận như nhau, trong khi trên thực tế, môi trường ở khu vực 2 chắcchắn là gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ của con người nhiều hơn khu vực 1

Để kể đến tác dụng tổng hợp đồng thời của nhiều chất gây ô nhiễm Người ta đã ápdụng khái niệm nồng độ tương đối tổng cộng C của nhiều chất ô nhiễm cùng tồn tại đồng0

thời trong môi trường không khí

Nồng độ C - đại lượng không thứ nguyên được biểu diễn bởi công thức:0