Đồ án tốt nghiệp: Đồ án khí thải (Sinh viên Trần Thanh Thu Trúc)a

Đồ án tốt nghiệp: Đồ án khí thải (Sinh viên Trần Thanh Thu Trúc)a

ĐỒ ÁN KHÍ THẢI

Chương 1 : Giới thiệu

1.1 Mở đầu

Ngày nay, song song với nền kinh tế phát triển và xã hội văn minh, nền khoa học kỹ thuật hiện đại đã nâng cuộc sống của con người lên mức tiện nghi, thoải mái hơn Nhưng một điều mà con người không ngờ đến là để đáp ứng được nhu cầucuộc sống, sự khai thác quá mức tài nguyên thiên nhiên hoặc kết quả của sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như con dao hai lưỡi, vừa làm cho cuộc sống thêm phần tiện nghi vừa làm cho môi trường xuống cấp đến mức báo động Những nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện … thải ra các cột khói, bụi, nước thải chứa đầy các chất ô nhiễm như:SO2, NOx, CO… đã đe doạ đến cuộc sống của con người và hệ sinh thái tự nhiên Chính vì thế xử lý các tác nhân ô nhiễm như

SO2 để có bầu không khí ta thở hàng ngày được trong lành hơn, giảm các bệnh về đường hô hấp, sảng khoái tinh thần làm việc hiệu quả hơn đang là một vấn đề được quan tâm hiện nay

1.2 Tổng quan về khí S0 2

Lưu huỳnh dioxit (SO2) là chất ô nhiễm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệpcũng như trong các hoạt động của con người Nguồn phát thải chủ yếu là từ các trungtâm nhiệt điện, từ các lò nung, lò hơi khí đốt nhiên liệu than, dầu và khí đốt có chứa Shay các hợp chất có chứa S Ngoài ra, một số công đoạn trong công nghiệp hóa chất,luyện kim cũng thải vào khí quyển một lượng SO2 đáng kể

Trên thế giới hàng năm tiêu thụ đến 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu

mỏ Khi thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệutrung bình chiếm 1% thì lượng SO2 thảivào khí quyển là 60 triệu tấn / năm Đó là chưa kể lượng SO2 thải ra từ các ngành côngnghiệp khác.Vấn đề ô nhiễm khí quyển bởi khí SO2 từ lâu đã trở thành mối hiểm họacủa nhiều quốc gia nhất là các nước phát triển trên thế giới Chính những lý do nêutrên, công nghệ xử lý lưu huỳnh dioxit trong khí thải công nghiệp đã được nghiên cứurất sớm và phát triển mạnh mẽ

Ngoài tác dụng làm sạch khí quyển bảo vệ môi trường, xử lý SO2 còn có ý nghĩakinh tế to lớn của nó bởi vì SO2 thu hồi được từ khí thải là nguồn cung cấp nguyên liệucho các nhà máy sản xuất axit sunfuaric (H2SO4) và lưu huỳnh nguyên chất.Với tầmquan trọng nêu trên, vấn đề xử lý SO2 đang được quan tâm và lựa chọn phương pháp

để thực hiện

1.2.1 Đặc điểm khí SO 2

Lưu huỳnh dioxit (SO2) là một trong các chất chủ yếu gây ô nhiễm môi trường Nóđược sinh ra do sự đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (than dầu khí đốt), thoát vào bầukhí quyển và là một trong những nguyên nhân chính gây mưa axit Mưa axit tàn phánhiều rừng cây, công trình kiến trúc bằng đá và kim loại, biến đất đai trồng trọt thànhnhững vùng hoang mạc Không khí chứa SO2 gây hại cho sức khỏe con người (gâyviêm phổi, mắt, da ).

SO2 là chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan trongnước với nồng độ thấp ( ở điều kiện bình thường 1 thể tích nước hòa tan với 40 thểtích SO2 SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở -750C và nhiệt độ sôi ở -100C SO2 rất bền nhiệt(∆H0tt = - 296,9 kJ/ mol ) Khí SO2 là một chất khí ô nhiễm khá điển hình SO2có khảnăng 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

1.2.2 Tác hại của khí SO 2

Khí SO2 là khí độc hại không chỉ đối với sức khỏe con người, động thực vật mà còntác động lên các vật liệu xây dựng, các công trình kiến trúc,làm thiệt hại mùa màng,nhiễm độc cây trồng

Đối với sức khỏe con người

Độc tính chung của SO2 thể hiện ở rối loạn chuyển hóa protein và đường, thiếuvitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza Khi hàm lượng thấp, SO2 sưng niêm mạc.Khi liều lượng cao ( > 0,5mg/m3) SO2 gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp Nếuhít phải SO2 nồng độ cao có thể gây tử vong

SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơquan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bot Và cuối cùng chúng có thể xâmnhập vào hệ tuần hoàn Khi tiếp xúc với bụi, SO2 có thể tạo ra các hạt axitnhỏ, các hạtnày có thể xâm nhập vào các các tuyến huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn

2 – 3 µm SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua da và gây ra các chuyển đổihóa học, kết quả của nó là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát quađường tiểu và có ảnhhưởng đến tuyến nước bọt

Hầu hết dân củ sống quanh khu vực nhà máy các khu công nghiệp có nồng độ SO2đều mắc bệnh đường hô hấp

Bảng 1 : Liều lượng gây độc

mgSO 2 /m 3 Tác hại

20 - 30 Giới hạn gây độc tính

130 – 260 Liều nguy hiểm sau khi hít thở( 30 – 60 phút)

1000 – 1300 Liều gây chết nhanh (30 – 60 phút)

Đối với thực vật

Khí SO2 trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa dưới tác động của nhiệt độ, ánhsáng chúng chuyển thành SO3 Khi gặp nước SO3+ H2O = H2SO4 là nguyên nhân gâynên mưa axit gây thiệt hại lớn, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của thực vật Khitiếp xúc với môi trường có chứa hàm lượng SO2 từ 1 – 2 ppm trong vài giờ có thể gâythương tổn lá cây Đối với các loại thực vật nhạy cảm như nấm, địa y, hàm lượng 0,15– 0,3 ppm có thể gây độc tính cấp

Bảng 2 : Nồng độ gây độc

Nồng độ ppm Tác hại

0,03 Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả

0,15 – 0,3 Gây độc kinh niên

1 - 2 Chấn thương lá cây sau vài giờ tiếp xúc

Đối với môi trường

Sự có mặt của SO2 trong không khí ẩm còn là tác nhân gây ăn mòn kim loại, bêtông và các công trình kiến trúc SO2 làm hư hỏng, làm thayđổi tính năng vật lý, làmthay đổi màu sắc vật liệu xây dựng như đá vôiđá hoa cương, đá cẩm thạch, phá hoạicác tác phẩm điêu khắc, tượng đài Sắt, thép và các kim loại khác ở trong môi trườngkhí ẩm, nóng và bị nhiễm SO2 thì bị gỉ rất nhanh SO2 cũng làm hư hỏng và giảm tuổithọ các sản phẩm vải, nylon, tơ nhân tạo, đồ bằng da và giấy

SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit sufurit haycác muối sufate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường

Các tác hại của mưa axit:

 Nước hồ bị axit hóa : mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡngtrên mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồnnước trong hồ, phá hỏng thức ăn, đe dọa sự sinh tồn và phát triển sinh vật kháctrong nước

 Rừng bị hủy diệt và sản lượng nông nghiệp giảm : mưa axit làm tổn thương lacây, gây trở ngại quá trình quang hợp, làm cho lá cây bị vàng và rơi rụng, làmgiảm độ màu mỡ của đất và cản trở sự sinh trưởng của cây cối

Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ

2.1 Khái niệm

Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do

sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sựtruyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí Nguyên lý của cả haiquá trình là giống nhau

Quá trình hấp thu tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải(phakhí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúcvới chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí

để tạo nên một dung dịch cấu tử trong chất lỏng

- Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thu

- Chất lỏng dùng để hấp thu gọi là dung môi(chất hấp thụ)

- Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ

là trong khói từ các loại lò công nghiệp

Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng nước gồm 2 giai đoạn:

 Hấp thụ SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí thải hoặc chokhí thải đi qualớp vật liệu đệm ( vật liệu rỗng )cod tưới nước – scrubơ

 Giải thoát khí SO2 ra khỏi chất hấp thu để thu hồi SO2(nếu cần)và nước sạch Mức độ hòa tan của khí SO2 trong nước giảm khi nhiệt độ nước tăng cao, do đónhiệt độ nước cất vào hệ thống hấp thu khí SO2 phải đủ thấp Còn để giải thoát khí SO2khỏi nước thì nhiệt độ của nước phải cao Cụ thể là 1000C thì SO2 bốc ra một cáchhoàn toàn và trong khí thoát ra có lẫn cả hơi nước

Bằng phương pháp ngưng tụ người ta có thể thu được khí SO2với độ đậm đặc

≈100% để dùng vào mục đích sản xuất axit sunfuric Lượng nước thực tế phải lớnhơn một ít so với lượng nước lý thuyết vì nước sau khi ra khỏi thiết bị hấp thu khôngthể đạt tới mức bão hòa khí SO2 Để giải hấp thu cần phải đun nóng một lượng nướcrất lớn tức phải có một nguồn cấp nhiệt công suất lớn Ngoài ra, để sử dụng lại nướccho quá trình hấp thu phải làm nguội nước xuống gần 100C – tức phải cần đến nguồn

cấp lạnh Đây là vấn đề không đơn giản và khá tốn kém.Từ những vấn đề trên phươngpháp hấp thu khí SO2 bằng nước chỉ áp dụng được khi:

 Nồng độ ban đầu của khí SO2 trong khí thải tương đối cao

 Có sẵn nguồn cấp nhiệt (hơi nước) với giá rẻ

2.2.2 Hấp thu bằng dung dịch vôi sữa

Xử lý SO2bằng sữa vôi là phương pháp được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp

vì hiệu quả xử lý rất cao, nguyên liệu rẻ tiền và có sẵn ở mọi nơi Khí SO2 được thuhồi trong tháp rữa bằng sữa vôi, sữa vôi có tác dụngvới SO2 theo phản ứng:

SO2 + Ca(OH)2= CaSO3+ H2O

Ưu điểm

Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, có thể chế tạo thiết bị bằng vậtliệu thông thường, không cần đến vật liệu chống axit và không chiếm nhiều diện tíchxây dựng.

Nhược điểm:

Đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO4 và CaSO3, gây tắc nghẽn đường ống

Hình 1 -2 : sơ đồ xử lý SO2 bằng vôi sữa

Hình 1- 3: Sơ đồ xử lý SO2bằng ammoniac

thu nhiều tầng;5- tháp hoàn nguyên; 6- tháp bốc hơi; 7- thùng kết tinh8- máy vắt khô l

y tâm; 9- nồi chưng áp

2.2.4 Xử lý SO 2 bằng magieoxit

Phương pháp này dựa trên các phản ứng sau:

MgO + SO2  MgSO3

Magie sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 để cho bisunfit :

MgSO3+ SO2 + H2O  Mg(HSO3)2

Một phần magie sunfit tác dụng với oxy trong khói thải để tạo thành sunfat:

2MgSO3+ O2  2MgSO4

Magie sunfat không có hoạt tính đối với SO2 do đó phản ứng oxy hóa sunfitlà khôngmong muốn Tuy nhiên khi nồng độ MgSO4 trong dung dịch làmviệc đạt 120÷160 g/lthì quá trình oxy hóa sunfit trong nước sẽ ngưng lại không tiếp tục xảy ra nữa.Magiebisunfit có thể bị trung hòa bằng cách bổ sung thêm MgO mới:

Mg(HSO3)2+ MgO  2MgSO3.+ H2O

Độ hòa tan của magie sunfit trong nước rất hạn chế, do đó MgSO3 sẽ kết tủa thành tinhthể hexahydrat MgSO3.6H2O và ở nhiệt độ 50oC hexahydrat biến thành trihydratMgSO3.3H2O

Các tinh thể được tách ra khỏi dung dịch huyền phù, sấy khô và xử lýnhiệt ở nhiệt độ800÷900oC để thu hồi MgO và SO2 Magie oxit được quay trở lại chu trình làm việc,còn SO2đậm đặc có thể đưa sang công đoạn chế biến axit sunfuaric hoặc lưu huỳnhđơn chất

Ưu điểm :

Có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm sạch sơ bộ , thu được axitsunfuric như là

1 sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao, MgO dể kiếm và rẻ

Thực tế cho thấy dung dịch xylidin trong nước có nhiều ưu điểm khi sử dụng để khử

SO2 trong khói thảivới nồng độ thấp, còn khi nồng độ SO2 trong khói thải tương đốicao (trên 2%) thì dimetyl- aniline có ưu thế hơn

Quá trình sunfidin:

Khí thải sơ bộ được làm nguội và lọc sạch bụi trong thiết bị lọc bằng điện, sau đó choqua các tháp hấp thu đặt nối tiếp nhau Các tháp hấp thu được tưới hỗn hợp xylidin-nước theo sơ đồ chuyển động ngược chiều của dòng khí và dung dịch hấp thu.Trong quá trình hấp thu SO2 bằng xylidin cótỏa ra một lượng nhiệt đáng kể, do đó cầnlàm nguội dung dịch bằng các thiết bị trao đổi nhiệt Khí sạch đi ra khỏi tháp hấp thu

có chứa hơi xylidincần cho qua scrubơ để thu hồi hơi xylidin bằng axit sunfuricloãng

Quá trình khử SO 2 bằng dimetylanilin – quá trình ASARCO

Khí thải sau khi được lọc sạch bụi và các giọt sương axit sunfuric bằng bộ lọc điện vàsucrubơ được đưa vào tháp hấp thu trong đó xảy ra baquá trình sau:

-Hấp thu khí SO2 bằng dimetyl – aniline khan

-Khử SO2 còn lại trong khí bằng dung dịch natri cacbonat loãng để thu sunfit vàbisunfit natri dùng cho các giai đoạn tiếp theo

-Hấp thu hơi dimetyl aniline bằng axit sunfuric loãng và thu được sunfatdimetyl – anilin

Nhược điểm

Tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên, có thể tiêu hao nhiều vật liệu hấp thụ hoặc sảnphẩm thu hồi được có lẫn nhiều axit sunfuric và tận dụng khó khăn, phải xử lý tiếpmới sử dụng được

2.3 Thiết bị hấp thụ SO2

 Tháp đệm

 Tháp sủi bọt

 Thùng rửa khí rỗng (tháp phun) (thiết bị sử dụng trong công nghệ xử lý)

Tháp phun có dạng trụ đặt thẳng đứng, được sử dụng dựa trên nguyên tắc tạo ra sự tiếp xúc trực tiếp giữa các chất ô nhiễm và các hạt dung dịch hấp thụ được phun ra dưới dạng các hạt nhỏ và mật độ lớn Dung dịch hấp thụ được phun ngược chiều với dòng khí bốc lên, tạo ra một sự hỗn loạn trong dòng khí Thiết bị có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành thấp, hiệu suất ổn định

Đặc tính của tháp phun

Tiết diện tháp có thể tròn hay hình chữ nhật

- Dòng khí và dịch thể trong tháp có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiềuhoặc cắt nhau

- Các mũi phun có thể bố trí một tầng hay nhiều tầng, hoặc đặt dọc trục thiết bị

- Các tháp rửa khí rỗng hoạt động có hiệu quả khi bụi có kích thước > 10mm vàkém hiệu quả khi kích thước bụi < 5mm

Cấu tạo: Hình trụ tròn, rỗng bên trong có chứa hệ thống ống dẫn phân phối khí thải và

dung môi hấp thụ

Vật liệu: Vỏ tháp được làm bằng thép không gỉ: inox 201, inox 304 hoặc thép CT3

phủ sơn cách nhiệt

Hình : cấu tạo tháp phun khí rỗng

Vỏ thiết bị - Tấm phân phối khí -Vòi phun nước - Tấm chắn nước

Nguyên lý hoạt động

Công suất: Theo kiểu modul, tùy theo công suất yêu cầu của khách hàng.

Khả năng xử lý: Thích hợp với hỗn hợp khí thải ít ô nhiễm, được ứng dụng chủ yếu

trước một công trình xử lý quan trọng

Nguyên lý làm việc: tháp được sử dụng để kết hợp lọc sạch bụi và hơi khí độc bằng

dung dịch phun Người ta đưa dòng khí thải có lẫn bụi và hơi khí độc vào một đầubuồng phun qua một thiết bị có thể phân đều dòng khí thải theo toàn bộ tiết diệnngang của buồng Trong không gian buồng phun có bố trí hệ thống ống phun để phundung dịch thành chùm các hạt nước nhỏ ngược chiều dòng khí thải Hơi khí độc bịdung dịch hấp thụ qua bề mặt các hạt dung dịch Sau đó khí thải có thể được thảithẳng vào khí quyển hay đưa qua bộ sấy nóng trước khi thải để giảm độ ẩm tương đốicủa dòng khí

Dung dịch nước phun được thu hồi đưa qua thiết bị lắng cặn và xử lý hóa trước khiđược phun trở lại Sau một khoảng thời gian làm việc, dung dịch phun được thải vào

hệ thống xử lý nước thải

Tháp được cấu tạo đơn giản, dễ dàng cho việc chế tạo lắp đặt

Vận hành đơn giản, giảm chi phí

Chương 3 : TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ SO 2

Yêu cầu : Thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng thiết bị tháp hấp thụ(tháp rửa khí rỗng).Nguồn khói thải có các thông số sau :

- Lưu lượng khí : 12700 m3/h

- Nồng độ SO2 : 14 g/m3 = 14000 mg/m3

- Nhiệt độ khói thải : 600C = 3330K

3.2 Tính toán dung môi hấp thụ

Quy chuẩn :

Theo QCVN 19 – 2009/BTNMT, nồng độ tối đa của SO2 được tính theo công thức :

Cmax = C Kp Kv = 500 1 1 = 500 (mg/Nm3)Trong đó :

C : nồng độ của SO2 được quy định tại mục 2.2 – cột B, C= 500mg/Nm3

Kp : hệ số lưu lượng nguồn thải tại mục 2.3, ta có lưu lượng nguồn thải 12700m3/h

< 20000m3/h nên hệ số Kp = 1

Kv : hệ số vùng, khu vực quy định tại mục 2.4, ta chọn Kv = 1

 Ta áp dụng QCVN 19 – 2009/BTNMT cho đầu ra của thiết bị xử lý

Hiệu suất của quá trình xử lý bằng hấp thụ theo lý thuyết

E = 14000−50014000 = 96,4 %Vậy nồng độ cần giữ lại trong tháp

- Dung tích sử dụng trong quá trình hấp thu là huyền phù CaCO3,với tỷ lệ vềkhối lượng(R/L = 1/10)

2625+

10 1000

SO2: áp suất riêng phần SO2 cân bằng (Pa)

[SO2}:tỷ số mol /mol huyền phù

T: nhiệt làm việc của tháp (0K)

(trang 28/ sách Kỹ thuật xử lý khí thải công nghiệp – Phạm VănBôn)