Thiết kế một hệ thống xử lý bụi và khí NOx trong nhà máy

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9 1.Tổng quan về bụi và khí NOx 9 1.1. Bụi 9 1.1.1.Định nghĩa và phân loại bụi 9 1.1.2.Tính chất hóa lý của bụi 9 1.2. Khí NOx 11 CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT , THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ XỬ LÝ 14 2.1. Số liệu đầu vào 14 2.2 Đề xuất phương án xử lý và thuyết minh 15 2.3. Tính toán thiết bị 16 2.3.1 Tính toán xyclon 16 2.3.2 Tính toán thiết bị lọc bụi túi vải 22 2.3.3 Tính toán tháp hấp phụ xử lý NOx 25 CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay Ô nhiễm môi trường là một trong những vấn đề bức xúc, đáng quantâm của xã hội trong thời kỳ CNH-HĐH Hàng loạt các khu công nghiệp, khusản xuất ra đời kéo theo hàng trăm, hàng nghìn các nhà máy, thải ra rất nhiềuchất thải gây ô nhiễm môi trường không khí, đất, nước và đặc biệt tác động tớisức khỏe con người Khí thải trong các ngành công nghiệp hiện nay, đã và đanggây ra những ảnh hưởng không nhỏ tới chất lượng các thành phần môi trườngtrên Trái đất, đặc biệt là đối với môi trường không khí Khí thải từ các hoạtđộng công nghiệp có thể chứa nhiều chất độc hại đối với môi trường như SO2,

NOX, CO, CO2, H2S ,với nồng độ vượt ngưỡng tiêu chẩn cho phép Mỗi ngànhcông nghiệp thì đặc tính khí thải khác nhau do đó công nghệ để xử lý chúngcũng khác nhau Dựa vào đặc tính của khí thải của từng ngành nghề mà chúng

ta có các biện pháp và hướng giải quyết để hạn chế tối thiểu nhất việc phát thảikhí thải độc hại ra ngoài môi trường

Khí thải phát sinh từ qua trình sử dụng than là một trong số đó mà Bụi và khíNOx là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường không khí Chính vì vậyviệc thiết kế một hệ thống xử lý bụi và khí NOx trong nhà máy trước khi thải ramôi trường không khí là hết sức cần thiết

Những nội dung cụ thể của việc thiết kế đó được giới thiệu dưới đây

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Tổng quan về bụi và khí NOx

1.1 Bụi

1.1.1.Định nghĩa và phân loại bụi

Bụi là những chất rắn nhỏ, thông thường là những hạt có đường kính nhỏhơn 75µm tự lắng xuống do trọng lực của chúng nhưng vẫn có thể lơ lửng mộtthời gian ( theo TCVN 5966:2009 )

Phân loại bụi

 Theo nguồn gốc:

- Bụi hữu cơ như bụi tự nhiên ( bụi do động đất, núi lửa…)

- Bụi thực vật (bụi gỗ, bông, bụi phấn hoa…)

- Bụi động vật (len, lông, tóc…)

- Bụi nhân tạo (nhựa hóa học, cao su, cement…)

- Bụi kim loại (sắt, đồng, chì…)

- Bụi hỗn hợp (do mài, đúc…)

 Theo kích thước hạt bụi:

- Khi δ > 75µm gọi là bụi thô,cát bụi

- Khi δ < 75µm gọi là bụi thường được hình thành từ các quá trình cơ khí nhưnghiền, tán , đập;

- Khi δ = (1 ÷ 5) µm : gọi là khói

- Khi δ < 1 µm : gọi đó là khói mịn

- Khi δ < 10µm gọi là sương

 Theo tác hại

- Bụi nhiễm độc chung (chì, thủy ngân, benzen)

- Bụi gây dị ứng viêm mũi, hen, nổi ban… (bụi bông, gai, phân hóa học, một sốtinh dầu gỗ…);

- Bụi gây ung thư (bụi quặng, crom, các chất phóng xạ…)

- Bụi xơ hóa phổi (thạch anh, quặng amiang )

1.1.2.Tính chất hóa lý của bụi

Bụi có các tính chất :

 Tính bám dính

Tính bám dính của hạt xác định xu hướng kết dính của chúng Độ kếtdính của hạt tăng có thể làm cho thiết bị lọc bị nghẽn do sản phẩm lọc

Kích thước hạt càng nhỏ thì chúng càng dễ bám vào bề mặt thiết bị Bụi

có (60 ÷ 70)% hạt có đường kính nhỏ hơn 10 µm được coi như bụi kết dính(mặc dầu các hạt kích thước lớn hơn 10 µm mang tính tản rời cao

 Tính mài mòn

Tính mài mòn của bụi đặc trưng cho cường độ mài mòn kim loại ở vậntốc như nhau cả khí và nồng độ như nhau của bụi Nó phụ thuộc vào độ cứng,

hình dạng, kích thước và mật độ của hạt Tính mài mòn của bụi được tính đếnkhi chọn vận tốc của khí, chiều dày của thiết bị và đường ống dẫn khí cũng nhưchọn vật liệu ốp của thiết bị.

 Tính thấm

Tính thấm nước có ảnh hưởng nhất định đến hiệu quả của thiết bị lọckiểu ướt, đặc biệt khi thiết bị làm việc có tuần hoàn Khi các hạt khó thấm tiếpxúc với bề mặt chất lỏng, chúng bị bề mặt chất lỏng bao bọc Ngược lại đối vớicác hạt dễ thấm chúng không bị nhúng chìm hay bao phủ bởi các hạt lỏng, mànổi trên bề mặt nước Sau khi bề mặt chất lỏng bao bọc phần lớn các hạt, hiệuquả lọc giảm vì các hạt khi tiếp tục tới gần chất lỏng, do kết quả của sự va đậpđàn hồi với các hạt được nhúng chìm trước đó, chúng có thể bị đẩy trở lại dòngkhí

Các hạt phẳng dễ thấm hơn so với các hạt có bề mặt không đều Sở dĩnhư vậy là do các hạt có bề mặt không đều hầu hết được bao bọc bởi vỏ khíđược hấp thụ cản trở sự thấm

 Tính hút ẩm và tính hòa tan

Các tính chất này của bụi được xác định trước hết bởi thành phần hóa họccủa chúng cũng như kích thước, hình dạng và độ nhám của bề mặt các hạt bụi.Nhờ tính hút ẩm và tính hòa tan mà bụi có thể được lọc trong các thiết bị lọckiểu ướt

 Tính mang điện

Tính mang điện (còn gọi là tính được nạp điện) của bụi ảnh hưởng đếntrạng thái của bụi trong đường ống và hiệu xuất của bụi (đối với thiết bị lọcbằng điện, thiết bị lọc kiểu ướt…) Ngoài ra tính mang điện còn ảnh hưởng đến

an toàn cháy nổ và tính dính bám của bụi

 Tính cháy nổ

Bụi cháy được do bề mặt tiếp xúc với oxi trong không khí phát triểnmạnh (1 m2/g) có khả năng tự bốc cháy và tạo thành hỗn hợp nổ với không khí.Cường độ nổ của bụi phụ thuộc vào tính chất hóa học và tính chất nhiệt củabụi, vào kích thước và hình dạng của các hạt, nồng độ của chúng trong khôngkhí, vào độ ẩm và thành phần của khí, kích thước và nhiệt độ của nguồn cháy

và vào hàm lượng tương đối của bụi trơ

1.2 Khí NOx

Nguồn gốc phát sinh:

- NOx là tên gọi chung của oxit Nito gồm các chất NO, NO2, N2O, hình thành

do sự kết hợp giữa oxi và Nito ở điều kiện nhiệt độ cao

- NOx có thể phát sinh do các quá trình tự nhiên hay do hoạt động công nghiệ

-Tác động:

+ NOx gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người: các bệnh về phổi, da…

+ NOx gây ảnh hưởng tới thực vật: làm giảm quá trình quang hợp

+ NOx cũng có thể coi là tác nhân gây phá hủy tầng ozon

1. Tổng quan về phương pháp (PP) xử lý bụi và khí NOx

- Xử lý bụi bằng thiết bị lọc bụi ống táy áo…

• Nguyên lý hoạt động của một số thiết bị xử lý bụi bằng phương pháp khô

Thiết bị lọc bụi ly tâm (Xyclon)

Nguyên lý:

Không khí sẽ chuyển động xoáy ốc bên trong thân hình trụ của xiclon vàkhi chạm vào ống đáy hình phễu, dòng không khí bị dội ngược trở lên nhưngvẫn giữ được chuyển động xoáy ốc rồi thoát ra ngoài qua ống

Trong dòng chuyển động xoáy ốc, các hạt bụi chịu tác dụng bởi lực ly tâmlàm cho chúng có xu hướng tiến dần về phía thành ống của thân hình trụ rồichạm vào đó, mất động năng và rơi xuống đáy phễu Trên ống xả người ta cólắp van để xả bụi

Thiết bị lọc bụi túi vải

Nguyên lý:

Cho không khí lẫn bụi đi qua 1 tấm vải lọc, ban đầu các hạt bụi lớn hơn khegiữa các sợi vải sẽ bị giữ lại trên bề mặt vải theo nguyên lý rây, các hạt nhỏ hơnbám dính trên bề mặt sợi vải lọc do va chạm, lực hấp dẫn và lực hút tĩnh điện,dần dần lớp bụi thu được dày lên tạo thành lớp màng trợ lọc, lớp màng này giữđược cả các hạt bụi có kích thước rất nhỏ

Hiệu quả lọc có thể đạt tới 99,8% và lọc được cả các hạt rất nhỏ là nhờ có lớptrợ lọc Sau 1 khoảng thời gian lớp bụi sẽ rất dày làm sức cản của màng lọc quálớn, ta phải ngưng cho khí thải đi qua và tiến hành loại bỏ lớp bụi bám trên mặtvải Thao tác này được gọi là hoànn guyên khả năng lọc.

 Xử lý NOx

Có nhiều phương pháp để xử lý khí NOx:

- Xử lý NOx bằng than hoạt tính

- Xử lý NOx bằng nước

- Xử lý NOx bằng amoni cacbonat

- Xử lý NOx bằng phương pháp khử ở nhiệt độ cao

- Xử lý NOx bằng phương pháp xúc tác chọn lọc…

• Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ : hấp phụ NOx bằng than hoạt tính

Nguyên lý:

Tháp làm việc theo nguyên tắc ngược chiều, khí thải được dẫn vào đáy tháp

và thoát ra ở đỉnh tháp Khí NOx khi qua lớp than hoạt tính sẽ bị hấp phụ vàkhông khí sạch sẽ theo ống trên đỉnh tháp đi ra ngoài

SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 7

۰ CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT , THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ XỬ LÝ

۰ 2.1 Số liệu đầu vào

Bảng 1:Đánh giá chất lượng khí thải đầu vào

19:2009/BTNMT

Chỉ tiêucần xử lý

-Nhận xét: với nồng độ đầu vào các chất ô nhiễm của nhà máy ta có thể thấy

hàm lượng bụi, NOx đã vượt so với QCVN: 19-2009/BTNMT QCKTQG khíthải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ, khí SO2, CO, H2S nằm tronggiới hạn cho phép quy chuẩn,nên không cần đầu tư công nghệ xử lý

Vậy cần có quy trình xử lý hàm lượng bụi, NOx để đảm bảo đầu ra của khíthải nằm trong giới hạn cho phép của quy chuẩn

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

vô cơ trong khí thải được tính theo công thức:

Cmax = C×Kp×Kv

Trong đó

Cmax: nồng độ tối đa cho phép bụi và các chất vô cơ trong khí thải công nghiệp(mg/m3)

C: Là nồng độ của bụi và các chất vô cơquy định tại mục 2.2 (mg/m3)

Kp: Hệ số lưu lượng nguồn thải quy định tại mục 2.3

Kv: Hệ số vùng, khu vực, quy định tại mục 2.4

Theo bảng 2 mục 2.3 QCVN 19:2009/BTNMT, ta có lưu lượng nguồn thải là7785m3/h < 20000 m3/h nên hệ số Kp=1

Than hoạt tính

Thuyết minh quy trình : Khí thải chứa Bụi và NOx được thu gom ngay tại vị trí

phát sinh thông qua các chụp hút bố trí trên các máy công cụ Dưới tác dụngcủa lực hút ly tâm bụi theo hệ thống đường ống dẫn vào Xyclon Hạt bụi trongdòng không khí chuyển động xoáy sẽ bị cuốn theo dòng khí vào chuyển độngxoáy Lực ly tâm gây tác động làm hạt bụi sẽ rời xa tâm quay và tiến về vỏngoài xiclon Đồng thời, hạt bụi sẽ chịu tác động của sức cản không khí theochiều ngược với hướng chuyển động, kết quả là hạt bụi dịch chuyển dần về vỏngoài của Xyclon, va chạm với nó, mất động năng và rơi xuống phễu, lượngbụi tinh còn lại sẽ theo dòng khí qua thiết bị lọc túi vải Không khí lẫn bụi vàNOx đi qua tấm vải lọc, ban đầu các hạt bụi lớn hơn khe giữa các sợi vải sẽ giữlại trên bề mặt vải theo nguyên lý rây, các hạt nhỏ hơn bám dính trên bề mặtsợi vải lọc do va chạm, lực hấp dẫn và lực hút tĩnh điện, dần dần lớp bụi thuđược dày lên tạo thành lớp màng trợ lọc, lớp màng này giữ được tất cả các hạtbụi có kích thước rất nhỏ Dòng khí sạch bụi đi ra ngoài và được đưa vào thiết

SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 9

Thiết bị lọc bụi

ly tâm( xyclon)

Thiết bị lọc bụitúi vải

Tháp hấp phụkhí NOx

Ống khói

bị hấp phụ NOx Khí NOx khi qua lớp than hoạt tính sẽ bị than hoạt tính hấpphụ và không khí sạch sẽ theo ống trên đỉnh tháp đi ra ngoài

2.3 Tính toán thiết bị

công suất đốt than là 13 tấn/ngày = 0,5417 tấn/giờ = 541,7 kg/giờ

Lưu lượng khí thải đầu vào

h m

t V

a V

B

273

150 273 ) 1 , 7 ) 1 25 , 1 ( 5 , 7 ( 7 , 541 273

273 ) ) 1 (

- Lưu lượng khí vào xyclon L= 7785 m3/h=2,16 m3/s

- Khối lượng riêng của hạt bụi ρb = 1200 kg/m3

- Nồng độ bụi vào xyclon Cv =5000mg/m3

- Độ nhớt động học ở điều kiện chuẩn

6

10 17 , 17

 Các kích thước chi tiết của xiclon

Theo Chương 6- bài giảng của Thạc Sỹ Lâm Vĩnh Sơn :

• Diện tích tiết diện cần thiết của xiclon

16 , 2

1 ( m2 )L: lưu lượng dòng khí (m3/s)

k

ν

: vận tốc khí tối ưu trong thiết bị (m/s) νk

: tốc độ quy ước, thường chọn νk

Ta có :

m N

F

1 785 , 0

1 785

F : Tiết diện của xyclon (m)

N: số lượng xyclon ( chọn xyclon đơn nên N = 1 )

• Tốc độ thực tế của khí trong xyclon:

tt

ν 0 , 785 1 1 , 13 2,15

16 , 2 785

• Tính toán xyclon theo phương pháp chọn, chọn xyclon CH-15 ( theo Bài giảng

Kiểm soát ô nhiễm môi trường không khí của Phạm Tiến Dũng )

Đường kính ống dẫn khí ra: d = 0,59D = 0,59 ×1,13 =0,67 m

Đường kính ống đáy : d1 = 0,4D = 0,4×1,13 = 0,45 m

Chiều rộng cửa vào: b = 0,2D = 0,2 ×1,13 =0,23 m

Chiều cao cửa vào: a = 0,66D = 0,66 ×1,13 = 0,75 m

Chiều dài ống dẫn khí vào:l =0,6D=0,6×1,13=0,68

mChiều cao ống tâm có mặt bích:

96 , 1 13 , 1 74 , 1 74 ,

h t

mChiều cao phần hình trụ:

55 , 2 13 , 1 26 , 2 26 ,

H t

mChiều cao phần thân hình nón:

26 , 2 13 , 1 2

2 = × =

= D

H k

mChiều cao phần bên ngoài ống dẫn khí ra:

34 0 13 , 1 3 , 0 3 ,

h b

mChiều cao thiết bị xyclon:H = 4,56D=4,56×1,13=5,15

mĐường kính trong của cửa tháo bụi (ống đáy):d2 =0,3÷0,4D=0,39÷0,45m Chọn d2 = 0,42m

Khoảng cách từ tận cùng xyclon đến mặt bích:

36,0312,032,024,0

h

mChọn h5 = 0,34m

SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 11

Góc nghiêng giữa nắp và ống vào: α =150

Hệ số trở lực = 105

 Xác định đường kính giới hạn của hạt bụi

Theo giáo trình “ ô nhiễm không khí và xử lý khí thải ” của Trần Ngọc Chấn

- Đường kính giới hạn của hạt bụi được tính theo công thức

l n r r

0

) (

5 , 4 ρ π

µ δ

t t

C

O

10 3 , 2 273

150 273 150 387

387 10

387

5 2

/ 3 6

2 / 3 0

= 0,56 m

- r1: bán kính ống thoát khí sạch, r1 = d/2 = 2

67 , 0

= 0,33 m

- ρb: khối lượng riêng của bụi, ρb = 1200 kg/m 3

- vE: vận tốc của khí ở ống dẫn vào xyclon:

52 , 12 23 , 0 75 , 0

16 , 2

, 3

52 , 12 7 , 0 )

(

7 , 0

2 1

= +

×

×

= +

×

=

r r

- Thay các số liệu vào ta có

m m

r

r l n r

r

L b

µ

ρ π

µ δ

31 ) ( 10

56 , 0 ln 15 , 5 14 , 3 ) 33 , 0 56 , 0 ( 1200 14

,

3

16 , 2 10

3 , 2 5 , 4

ln )

(

5 , 4

5

2 2

2 3

5

1

2 2

2 1

2 2 3

exp 1

2 0

9 2

2 2

5 3

2 1

2 2 2 3

10 45 , 3 16

, 2

) 33 , 0 56 , 0 ( 15 , 5 14 , 3 10 3 , 2

1200 14

, 3 9 4 9 4

L

r r l n

b

Trong đó

l: chiều cao làm việc của xyclon, l = H = 5,15 m

L: lưu lượng làm việc của xyclon, 2,16 m 3 /s

Kết quả tính toán hiệu quả lọc theo cỡ hạt η( δ ) thể hiện trong bảng sau:

Bảng2 Hiệu quả lọc theo cỡ hạt η(δ)

 Hiệu quả lọc theo khối lượng của hệ thống

Bảng 3 Bảng phân cấp cỡ hạt ban đầu của hạt bụi

Đường kính cỡ

hạt δ, µm < 5 5 – 10 10 – 15 15-20 >20 TổngPhần trăm khối

-Lượng bụi còn lại

sau khi qua

xiclon, mg/m3

• Hiệu suất làm sạch của xyclon

SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 14

% 27 , 73 100 5000

42 , 1336 5000

 Khối lượng bụi thu trong 1 ngày

- Khối lượng riêng của khí thải ở 150oC:

k

ρ

=(1 0 , 00367 )760

293 , 1

t

P

× +

×

= (1 0 , 00367 150)760

760 293 , 1

× +

lần lượt là nồng độ phần thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp

- Lượng hệ khí vào xyclon

65 , 22498 7785

89 ,

ρhh: khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải, ( kg/m3)

L: lưu lượng khí vào xyclon, L = 7785( m 3 /h )

- Nồng độ bụi trong hệ khí đi vào xyclon (% khối lượng)

% 17 , 0 100 89

, 2

, 0 100

17 , 0 100 65 , 22498 100

r

y

y G

G

kg/h SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 15

- Lượng khí sạch hoàn toàn

4 , 22460 100

17 , 0 100 65 , 22498 100

G

kg/h

- Lượng bụi thu được

15 , 28 5 , 22470 65

, 2

5 , 22470

G L

ρ

m 3 /h

- Năng suất xyclon theo lượng khí sạch hoàn toàn :

7 , 27060 83

, 0

4 ,

4 ,

ρ

m 3 /ngày

 Tổn thất áp suất trong xyclon

- Trở lực của xyclon được áp dụng theo công thức:

N/m3 = 38,79 Kg/m3

Bảng 4: Các thông số của thiết bị xyclon

SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 16

11 Chiều cao thiết bịxyclon. m 5,15

15 Thể tích bụi thu được trong ngày m3/ngày 0.375

2.3.2 Tính toán thiết bị lọc bụi túi vải

- Lưu lượng khí cần lọc L = 7775,26 m 3 /h

- Nồng độ bụi vào thiết bị C v = 1336,42 mg/m 3

- Nhiệt độ khí bụi vào t b = 150 o C.

- Khối lượng riêng của không khí khô ở 150 o C: ρ k = 0,83 kg/m 3

- Khối lượng riêng của bụi ρ b = 1200 kg/m 3

Trong đó: Kv : Hệ số phân vùng - thải ra trong vùng nông thôn, Kv = 1,2

KP : Hệ số lưu lượng nguồn thải, P ≤ 100000 m3/h, KP =1

Ở điều kiện thường t = 150oC, nồng độ ra: Cr = 273 150

273 240

+

= 155 mg/m 3

Hiệu suất làm việc của thiết bị η: η = v

r v

, 1336

155 26 ,

1336 − ×

=88,4 %

Trong đó: CV: Nồng độ bụi chứa trong khí thải trước khi xử lý

CR: Nồng độ bụi chứa trong khí thải sau khi xử lý

 Kích thước túi vải

26 , 7775

×

= 183 m 2

SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 17

- Số ống tay áo cần: n = túi

S S

- Chiều cao của thiết bị: H=h1+h2+h3

Trong đó: h1: chiều cao bộ phận lọc, lấy h1=l =2m

h2: chiều cao bộ phận chấn động trên túi vải, lấy h2=0,6m

h3: chiều cao bộ phận thu hồi bụi, lấy h3: 0- 1.5m, chọn h3=1 m (vớichiều cao phần phễu là 0,7m, phần chứa là 0,3m

=> H=2+0.6+1=3,6 m

 Trở lực của thiết bị

n

v A

3 ,

1 323 , 4 ( / ) 34 / 50

∆

 Khối lượng bụi thu được

- Lượng hệ khí vào ống tay áo: Gv = ρhh×L = 2,89×7775,26 = 22470,5 kg/h.

SVTH: Vũ Anh Tuân – Lớp: LĐH4KM 18