Đồ án xử lí SO2 bằng phương pháp hấp thụ

Lò hơi là nguồn cung cấp nhiệt khá phổ biến trong nhiều loại hình công nghệ, thường gặp trong các công đoạn sấy, gia nhiệt định hình, gia nhiệt cho các phản ứng hóa học, làm chín thực phẩm, khử trùng…Trong nhiều ngành sản xuất, lò hơi là thiết bị không thể không có. Lò hơi có thể được cấp nhiệt từ nhiều nguồn khác nhau. Ở các lò hơi công suất nhỏ thường cấp nhiệt bằng điện, một số lò hiện đại dùng nhiên liệu là khí đốt hóa lỏng (gasLPG) kèm theo là hệ thống điều chỉnh tự động. Với các lò hơi “sạch” như trên thường không có vấn đề về mặt khói bụi thải. Tuy nhiên, thường gặp trong các cơ sở tiểu thủ công nghiệp tại Thành phố Hồ Chí Minh là các lò hơi dùng nhiên liệu đốt lò chính là gỗ củi, than đá hoặc dầu F.O. Các sản phẩm cháy do việc đốt các nhiên liệu trên thải vào không khí thường là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

- Lò hơi là nguồn cung cấp nhiệt khá phổ biến trong nhiều loại hình côngnghệ, thường gặp trong các công đoạn sấy, gia nhiệt định hình, gia nhiệtcho các phản ứng hóa học, làm chín thực phẩm, khử trùng…Trongnhiều ngành sản xuất, lò hơi là thiết bị không thể không có

- Lò hơi có thể được cấp nhiệt từ nhiều nguồn khác nhau Ở các lò hơicông suất nhỏ thường cấp nhiệt bằng điện, một số lò hiện đại dùngnhiên liệu là khí đốt hóa lỏng (gas-LPG) kèm theo là hệ thống điềuchỉnh tự động Với các lò hơi “sạch” như trên thường không có vấn đề

về mặt khói bụi thải Tuy nhiên, thường gặp trong các cơ sở tiểu thủcông nghiệp tại Thành phố Hồ Chí Minh là các lò hơi dùng nhiên liệuđốt lò chính là gỗ củi, than đá hoặc dầu F.O Các sản phẩm cháy do việcđốt các nhiên liệu trên thải vào không khí thường là nguyên nhân dẫnđến tình trạng ô nhiễm môi trường

II ĐẶC ĐIỂM KHÓI THẢI TỪ LÒ HƠI

- Đặc điểm khói thải của các loại lò hơi khác nhau, tùy theo loại nhiênliệu sử dụng

- SO2 chủ yếu sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu bằng than đá hoặc dầuF.O

 Đặc điểm khói thải lò hơi đốt bằng than đá

- Khí thải của lò hơi đốt than chủ yếu mang bụi, CO2, CO, SO2, SO3,

NOx…do thành phần hóa chất có trong than kết hợp với ôxy trong quátrình cháy tạo nên

- Hàm lượng lưu huỳnh trong than khoảng 0,5% nên trong khí thải có

SO2 với nồng độ khoảng 1333mg/m3

 Đặc điểm khói thải lò hơi đốt bằng dầu F.O

- Khí thải của lò hơi đốt dầu F.O thường có các chất sau: CO2, CO, SO2,

SO3, NOx, hơi nước…

- Ngoài ra còn có một hàm lượng nhỏ tro và các hạt tro rất nhỏ trộn lẫnvới dầu cháy không hết tồn tại dưới dạng sol khí mà ta thường gọi là mồhóng

Bảng: Nồng độ các chất trong khí thải lò hơi đốt dầu F.O

Bảng: Các chất ô nhiễm trong khói thải lò hơi

Lò hơi đốt bằng củi Khói + tro bụi + CO + CO2

Lò hơi đốt bằng than đá Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx

Lò hơi đốt bằng dầu

F.O Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx

( Trích Sổ tay hướng dẫn xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và môi trường Tp.HCM )

III TÁC HẠI CỦA KHÍ SO 2

- Khí SO2 là loại khí không màu, không cháy, có vị hăng cay Do quátrình quang hóa hay do sự xúc tác, khí SO2 dễ dàng bị oxy hóa và biếnthành SO3 trong khí quyển

- Khí SO2 là loại khí độc hại không chỉ đối với sức khỏe con người, độngthực vật mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường

 Đối với sức khỏe con người

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

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

- SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặccác cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt Cuối cùng,chúng có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn

- Khi tiếp xúc với bụi, SO2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ có khả năng xâmnhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 μm

- SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các chuyển đổi hóahọc Kết quả là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoátqua đường tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt

- Trong máu, SO2 tham gia nhiều phản ứng hóa học, gây rối loạn chuyểnhóa đường và protein, gây thiếu vitamin B và C, ức chế enzymeoxydaza, tạo ra methemoglobine để chuyển Fe2+ (hòa tan) thành Fe3+

(kết tủa) gây tắc nghẽn mạch máu cũng như làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu, gây co hẹp dây thanh quản, khó thở.

 Đối với thực vật

- Các loài thực vật nhạy cảm với khí SO2 là rêu và địa y

Bảng: Nồng độ gây độc

0,03 Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả

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

 Đối với môi trường

- SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thànhaxit sulfuric hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởngxấu đến môi trường

 Quá trình hình thành m ư a axit của SO 2

- Phản ứng hoá hợp giữa lưu huỳnh điôxít và các hợp chất gốc hiđrôxyl:

 Các tác hại của m ư a axit

- Nước hồ bị axit hóa: mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinhdưỡng trên mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ônhiễm nguồn nước trong hồ, phá hỏng các loại thức ăn, uy hiếp sự sinhtồn của các loài cá và các sinh vật khác trong nước

Bảng: Các ảnh hưởng của pH đến hệ thủy sinh vật

pH<6,0 Các sinh vật bậc thấp của chuỗi thức ăn bị chết (phù du…),

đây là nguồn thức ăn quan trọng của cá

pH<5,5 Cá không thể sinh sản được Cá con khó sống sót Cá lớn bị

dị dạng do thiếu dinh dưỡng Cá bị chết do ngạt

pH<5,0 Quần thể cá bị chết

pH<4,0 Xuất hiện các sinh vật mới khác với các sinh vật ban đầu

- Rừng bị hủy diệt và sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm tổnthương lá cây, gây trở ngại quá trình quang hợp, làm cho lá cây bị vàng

và rơi rụng, làm giảm độ màu mỡ của đất và cản trở sự sinh trưởng củacây cối

- Làm tổn hại sức khỏe con người: các hạt sulfate, nitrate tạo thành trongkhí quyển làm hạn chế tầm nhìn Hơn nữa, do hiện tượng tích tụ sinhhọc, khi con người ăn các loại cá có chứa độc tố, các độc tố này sẽ tích

tụ trong cơ thể và gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người

- Gây ăn mòn vật liệu và phá hủy các công trình kiến trúc

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SO 2

 Hấp thụ khí SO 2 bằng nước

- Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2

trong khí thải, nhất là trong khói từ các lò công nghiệp

- Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được.

SO2 + H2O  H+ + HSO3

Nhược điểm: do độ hòa tan của khí SO2 trng nước quá thấp nên thườngphải dùng một lượng nước rất lớn và thiết bị hấp thụ phải có thể tích rất

lớn, cồng kềnh Để tách SO2 khỏi dung dịch phải nung nóng lên đến

1000C nên tốn rất nhiều năng lượng, chi phí nhiệt lớn

( Trang 93 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn )

 Hấp thụ khí SO 2 bằng dung dịch sữa vôi

- Là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệuquả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi

- Nhược điểm: đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO4 và CaSO3, gây tắcnghẽn các đường ống và ăn mòn thiết bị

( Trang 95 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn )

- Ưu điểm: hiệu quả rất cao, chất hấp thụ dễ kiếm và thu được muối

amoni sunfit và amoni bisunfit là các sản phẩm cần thiết

- Nhược điểm: rất tốn kém, chi phí đầu tư và vận hành rất cao.

(Trang 100 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

 Xử lý khí SO 2 bằng magie oxit

- Các phản ứng xảy ra như sau:

MgO + SO2  MgSO3

MgSO3 + SO2 + H2O  Mg(HSO3)2

Mg(HSO3)2 + MgO  2MgSO3 + H2O

- Ưu điểm: có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm lạnh sơ bộ, thu

được axit sunfuric như là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao,MgO dễ kiếm và rẻ

- Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, vận hành khó, chi phí cao,

tổn hao MgO khá nhiều

(Trang 105 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

(Trang 106 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

 Xử lý khí SO 2 bằng kẽm oxit

- Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:

SO2 + ZnO + 2,5 H2O  ZnSO3 2,5H2O ZnSO3 2,5H2O => ZnO + SO2 + 2,5H2O

- Ưu điểm: có thể làm sạch khí ở nhiệt độ khá 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 ra và bổ sung lượng ZnOtương đương

 Xử lý SO 2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit

- Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:

Na2CO3 + SO2  Na2SO3 + CO2

Na2SO3 + SO2+H2O  2NaHSO3

2NaHSO3 + ZnO  ZnSO3 + Na2SO3 + H2O

- Ưu điểm: không đòi hỏi làm nguội sơ bộ khói thải, hiệu quả xử lý cao.

- Nhược điểm: hệ thống xử lý khá phức tạp và tiêu hao nhiều muối natri.

(Trang 110 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

- Chất hấp thụ được sử dụng là hỗn hợp xyliđin và nước theo tỉ lệ 1:1

 Hấp phụ khí SO 2 bằng than hoạt tính

- Phương pháp này có thể áp dụng rất tốt để xử lý khói thải từ các nhàmáy nhiệt điện, nhà máy luyện kim và sản xuất axit sunfuric với hiệuquả kinh tế đáng kể

- Ưu điểm: sơ đồ hệ thống đơn giản và vạn năng, có thể áp dụng được

cho mọi quá trình công nghệ có thải khí SO2 một cách liên tục hay giánđoạn, cho phép làm việc được với khí thải có nhiệt độ cao (trên 1000C)

- Nhược điểm: tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên có thể là tiêu hao

nhiều vật liệu hấp phụ hoặc sản phẩm thu hồi được có lẫn nhiều axitsunfuric và tận dụng khó khăn, phải xử lý tiếp mới sử dụng được

(Trang 116 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

 Hấp phụ khí SO 2 bằng vôi, đá vôi, đolomit

- Ưu điểm: hiệu suất hấp phụ cao.

- Nhược điểm: cần chi phí đầu tư lớn do vật liệu chế tạo thiết bị đắt (thiết

bị làm việc trong môi trường ăn mòn mạnh và nhiệt độ cao)

CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH

CÔNG NGHỆYêu

c ầ u : Thiết kế hệ thống xử lí khí thải SO2 từ lò hơi bằng thiết bị tháphấp thụ (tháp đệm)

 Nguồn khói thải từ lò hơi có các thông số sau

- Theo QCVN 19: 2009/BTNMT, nồng độ tối đa cho phép của bụi và SO2

được tính theo công thức sau:

Cmax = C Kp Kv

Trong đó:

- Cmax là nồng độ tối đa cho phép của bụi và SO2 ( mg/Nm3)

- C là nồng độ của SO2 quy định tại mục 2.2 (mg/Nm3)

- Kp là hệ số lưu lượng nguồn thải quy định tại mục 2.3

- Kv là hệ số vùng, khu vực quy định tại mục 2.4

- Vì thế, ta áp dụng QCVN 19: 2009/BTNMT cho đầu ra của HTXL.

 Hiệu suất của quá trình xử lý bằng hấp thụ

- NaOH và Na2CO3 là các chất hấp thụ có hoạt độ hấp thụ mạnh, có thể

xử lý SO2 ở bất kỳ nồng độ nào Do đó, dung dịch hấp thụ lựa chọn choquy trình công nghệ là dung dịch NaOH (pha loãng với nước)

Khí ra

Van

chặn

Tháp hấp thụ

Thùng chứa

Cặn

 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Vì nồng độ bụi tương đối cao hơn so với nồng độ cho phép (300 mg/m3

> 200 mg/m3) nên ta phải xử lý bụi Cho dòng khí thải có chứa bụi đi qua Cyclone để thu hồi bụi

- Do nhiệt độ dòng khí thải cao (2500C) nên sau khi qua Cyclone, dòngkhí được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ xuống thích hợp cho quá trình hấp thụ xảy ra hiệu quả

- Dùng quạt thổi khí vào tháp đệm từ dưới lên Dung dịch hấp thụ NaOHđược bơm từ thùng chứa lên tháp và tưới trên lớp vật liệu đệm theochiều ngược với chiều của dòng khí đi trong tháp

- Áp suất: Pt = 1atm = 760 mmHg = 1,0133.105 Pa.

- Nồng độ đầu ra: CSO2c = 500 mg/m3

- Nhiệt độ của dung dịch NaOH: 250C

- Chọn điều kiện làm việc của tháp là nhiệt độ trung bình của dòng khívào và dòng lỏng vào, t0 = 400C Hỗn hợp khí xử lý xem như gồm SO2

và không khí

1 Đ ầ u v à o

- Suất lượng mole của hh khí đi vào tháp:

G1= PV  RT

1.120000,082.(273  55) 446,163(kmol / h)

- Suất lượng mole của SO2:

đ

Yđ = A  3,362.10  3,373.10 −3

1 − y đ 1 − 3,362.10 −3

273  1,128(kg / m3 )

P0 T 1 273  40

II XÁC ĐỊNH PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG

- Xác định đường cân bằng thông qua các dữ kiện về độ hòa tan của SO2

- Điều kiện làm việc của quá trình hấp thụ là ở 400C và áp suất 1atm

Bảng: Bảng thể hiện độ hòa tan của SO 2 trong nước ở 40 0 C và áp suất

1 Tính toán cho cặp giá trị p * SO2 = 60mmHg và C SO2 = 0,5gSO 2 /100gH 2 O

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016

Nồng độ phầ n mol SO2 trong pha lỏng

- Đường cân bằng của quá trình hấp thụ SO2 tuân theo định luật Henry,

nên phương trình đường cân bằng có dạng :

Số mol SO2 trong pha lỏng (10-3)

III XÁC ĐỊNH PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC

= 3,373.10 với đường cân bằng

=> Xmax = 0,0000598 (mol SO2/mol dung dịch)

 3,373.10 − 0,211.10−3  52,876(kmol dd / kmol khi tro)

G tr X max −

0 0,0000598 − 0

- Suất lượng mole tối thiểu:

(Ltr)min = 52,876.Gtr = 52,876.444,663 = 23512 (kmol/h)

- Đường làm việc đi qua 2 điểm (Xc, Yđ) và (Xđ, Yc).

 Vẽ đường cân bằng và đường làm việc trên cùng đồ thị

ĐƯỜNG CÂN BẰNG-ĐƯỜNG LÀM VIỆC

4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

Số mol SO2 trong pha lỏng (10-3)

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ

I TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP HẤP THỤ

- Hấp thụ SO2 bằng dung dịch NaOH 10% khối lượng

- Nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ là 400C

Bảng: Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 10% (kg/m 3 ) theo nhiệt độ

(ở áp suất khí quyển).

- 20 0 C 0 0 C 20 0 C 40 0 C 60 0 C 80 0 C 100 0 C 120 0 C

dd NaOH

(Trích Bảng 4 trang 11 - Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt-Truyền

khối-Nhà xuất bản ĐH Quốc gia Tp.HCM - 2008)

Bảng: Độ nhớt động lực của dung dịch NaOH 10% (Cp) theo nhiệt độ

0 0 C 10 0 C 20 0 C 30 0 C 40 0 C 50 0 C

dd NaOH

(Trích Bảng 9 trang 16 - Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt-Truyền

khối-Nhà xuất bản ĐH Quốc gia Tp.HCM - 2008)

V: lưu lượng của dòng khí qua tháp hấp thụ (m3/s)

: vận tốc biểu kiến của dòng khí ứng với tổng tiết diện của tháp (m/s)

- Tính vận tốc biểu kiến của pha khí

 υ 2 .σ ρ 0,16

  0,125log f

ρ k , ρ L : khối lượng riêng của pha khí và pha lỏng (kg/m )

 L: độ nhớt động lực của pha lỏng ở nhiệt độ làm việc (kg/m.s)

 : độ nhớt động lực của nước ở 200C (mPa.s)

L, G: suất lượng dòng lỏng và dòng khí ( kg/s)

C: hệ số phụ thuộc dạng quá trình, đối với quá trình hấp thụ

( C = 0,022 cho vật liệu đệm là vòng hay xoắn )

- Vận tốc làm việc của pha khí được xác định theo công thức sau:

- Khối lượng riêng của đệm: ρ đ  500 (kg / m3 )

( Trích Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm - Tập 3 - Truyền khối - Vũ Bá Minh)

- Khối lượng riêng của pha khí:

ρ tb  ρhh 

ρhh  1,078  1,128  1,103 (kg / m3 )

2  1,7865.10SO −3 (mol / mol hh khi)

- Khối lượng mol của hỗn hợp khí:

- Độ nhớt của pha khí được tính theo công thức:

=> hhk  M hhk

1508808,946 29,0631508808,946 19,262.10−6 (Pa.s)

- Độ nhớt của pha lỏng:

l  1,16 (Cp)  1,16 (mPa.s)

- Chọn đường kính tháp là D = 2,6 m

( thỏa điều kiện)

II TÍNH CHIỀU CAO THÁP HẤP THỤ

1 Chiều cao tháp hấp thụ

a Xác định số đơn vị truyền khối tổng quát pha khí N OG

- Vì đường cân bằng là đường thẳng nên ta tính NOG theo cách sau:

- Động lực của quá trình tại đáy tháp hấp thụ:

∆Y  Y −Y *  3,373.10−3 − 56,39.X  3,373.10−3 − 56,39.0,0000399  1,123.10−3

đ đ đ

Với Y* được tính theo phương trình cân bằng với X = Xc= 0,0000399

- Động lực của quá trình tại đỉnh tháp hấp thụ:

- Động lực trung bình của quá trình:

- Số đơn vị truyền khối tổng quát NOG:

N  Y −Y  3,373.10 −0, 211.10  5,802

∆Y TB 0,545.10−3

T P

b Xác định chiều cao tổng quát của đơn vị truyền khối H OG

m: hệ số góc của đường cân bằng

h : chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha khí

h : chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha lỏng

- Hệ số khuếch tán của SO2 trong pha khí ở 00C, 1atm:

 115,086 (m

- Hệ số khuếch tán của SO2 trong pha lỏng ở 200C:

A B

 : độ nhớt động lực của ddNaOH 10% ở 200C (mPa.s) ( =1,86 Cp)

A, B: các hệ số phụ thuộc trên tính chất của chất tan và dung môi

( Chất tan là khí SO2 nên A = 1, dung môi là dung dịch NaOH nên B = 1 )

(Trích trang 14 Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm - Bài tập truyền khối - Trịnh Văn Dũng)

k V



k t

tập 2 - NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội ).

p1, p2: áp suất trên bề mặt chất lỏng khoảng hút và khoảng đẩy (Pa)

H0: chiều cao hình học đưa chất lỏng lên (m)

; khối lượng riêng của dd NaOh 10% ở 250C (kg/m3)

∆H : tổn thất áp suất do khắc phục trở lực trên đương hút và đường đẩy (kể

cả trở lực cục bộ của chất lỏng đi ra khỏi ống dẫn ở khoảng đẩy) (m)

- Khối lượng riêng của dd NaOh 10% ở 250C:

(m3 / s)

- Hiệu suất tổng cộng của bơm:

η  η0 .ηtl .ηck  0,95.0,83.0,93  73,33%