ĐỀ CƯƠNG Công nghệ xử lý khí thải

: I. Lý thuyết 1. Trình bày cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của cyclon và buồng lắng bụi, nguyên tắc và sơ đồ công nghệ xử lý SO2 và NOx a. Cyclon: Cấu tạo là thiết bị hình trụ tròn có miệng dẫn khí vào ở phía trên, không khí vào xyclon sẽ chảy xoáy theo đường hình xoắn ốc dọc bề mặt trong vỏ hình trụ, xuống tới phần phễu dòng khí sẽ chuyển động ngược lên trên theo đường xoắn ốc và qua ống trung tâm thoát ra ngoài. Nguyên tắc: hạt bụi trong dòng không khí chảy xoáy sẽ bị cuốn theo dòng không khí chuyển động xoáy, lực ly tâm tác động vào làm hạt bụi sẽ rời xa tâm quay và tiến về vỏ của xyclon, đồng thời bụi chịu tác động sức cản không khí theo chiều ngược với hướng chuyển động, kết quả là bụi chuyển dịch về phía vỏ ngoài của xyclon, va chạm với nó, sẽ mất động năng và rơi xuống phễu, rồi xả ra ngoài b. Buồng lắng bụi Cấu tạo: có cấu tạo đơn giản, là một không gian hình hộp có tiết diện ngang lớn hơn nhiều lần so với tiết diện đường kính ống dẫn khí vào để cho vận tốc dòng khí giảm xuống rất nhỏ, nhờ thế hạt bụi có thể rơi xuống đáy dưới tác dụng của trọng lực Nguyên tắc: bụi được giữ lại buồng lắng là nhờ tác dụng của trọng lực. Kích thước bụi 6070

Công nghệ xử lý khí thải:

I. Lý thuyết

1. Trình bày cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của cyclon và buồng lắng bụi, nguyên tắc

và sơ đồ công nghệ xử lý SO2 và NOx

a. Cyclon:

Cấu tạo là thiết bị hình trụ tròn có miệng dẫn khí vào ở phía trên, không khí vào xyclon sẽ chảy xoáy theo đường hình xoắn ốc dọc bề mặt trong vỏ hình trụ, xuống tới phần phễu dòng khí sẽ chuyển động ngược lên trên theo đường xoắn ốc và qua ống trung tâm thoát ra ngoài

Nguyên tắc: hạt bụi trong dòng không khí chảy xoáy sẽ bị cuốn theo dòng không khí chuyển động xoáy, lực ly tâm tác động vào làm hạt bụi sẽ rời xa tâm quay và tiến về

vỏ của xyclon, đồng thời bụi chịu tác động sức cản không khí theo chiều ngược với hướng chuyển động, kết quả là bụi chuyển dịch về phía vỏ ngoài của xyclon, va chạm với nó, sẽ mất động năng và rơi xuống phễu, rồi xả ra ngoài

b. Buồng lắng bụi

Cấu tạo: có cấu tạo đơn giản, là một không gian hình hộp có tiết diện ngang lớn hơn nhiều lần so với tiết diện đường kính ống dẫn khí vào để cho vận tốc dòng khí giảm xuống rất nhỏ, nhờ thế hạt bụi có thể rơi xuống đáy dưới tác dụng của trọng lực Nguyên tắc: bụi được giữ lại buồng lắng là nhờ tác dụng của trọng lực Kích thước bụi 60-70�m

c. Nguyên tắc và sơ đồ công nghệ xử lý SO2

thêm 5-15% CaSO3 or CaSO4) SO2 phản ứng vs sữa vôi tạo ra CaSO3, CaSO4, các chất rắn này liên tục đc tách ra khỏi dd sữa vôi, phần còn lại sau khi đã bổ sung CaO

và CaCO3 sẽ đc bơm trở lại tháp hấp thụ

-Các phương trình : CaO +H2O  Ca(OH)2

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 +H2O

CaCO3 + CO2 +H2O  Ca( HCO3)

Ca( HCO3) + SO2 +H2O CaSO3.2H2O + CO2

CaSO3.2H2O + ½ O2 CaSO4.2H2O

*Sơ đồ công nghệ

1: Tháp hấp thụ; 2: Bộ phận tách tinh thể; 3: Bộ lọc chân ko; 4,5: Máy bơm; Thùng hòa trộn dung dịch; 7: Máy đập; 8:máy nghiền

-Nguyên lý:Khói thải đc lọc sạch tro bụi đi vào Scubơ 1 tại đó SO2 đc hấp thụ bằng sữa vôi tưới lên trên vật liệu đệm rỗng, nước chảy ra từ Scubơ 1 chứa nhiều

CaSO3.0.5 H2O và CaSO4.2H 2O , một ít tro bui, dd trên đc đưa sang bộ phận 2 ( bình rỗng, thời gian lưu lớn) , có tác dụng hình thành tinh thể, dd từ 2 đi ra, 1 phần tưới lại Scubơ1, phần còn lại qua bình lọc chân ko 3, tinh thể tạo thành bùn căn đc thải ra ngoài.Đá vôi đc đập, nghiền ở thiết bị 7,8 rồi vào thùng 6 để pha trộn vs dd loãng chảy ra từ bộ phận lọc chân ko 3, tạo thành dd sữa vôi mới

• Hấp thụ SO2 bằng nước

- Hấp thụ SO2 bằng nướctheo chu trình:

Phương trình: SO2 + H2O  H+ +HSO3

-Sơ đồ xử lý gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Hấp thụ khí SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí thải hoặc cho dòng khí thải đủ qua lớp vật liệu đệm rỗng có tưới nước

Giai đoạn 2: giải thoát SO2 ra khỏi chất hấp thụ thu hồi SO2 100% và H2O

Mức độ hòa tan của khí SO2 sẽ giảm khi nhiệt độ của nước tăng cao, do đó nhiệt độ nước cấp vào hệ thống để hấp thụ khí phải đủ thấp, còn khi giải thoát thì nhiệt độ của nước phải cao, ở nhiệt độ 100 0c thì SO2 bốc ra một cách hoàn toàn và trong khí bốc

ra có lẫn hơi nước, bằng phương pháp ngưng tụ người ta thu được khí SO2 100% dùng cho mục đích sx axit sunfuric

- Hấp thụ SO2bằng nước kết hợp với quá trình oxy hóa SO2 bằng chất xúc tác

Trong khí thải giàu SO2 , nồng độ SO2 có thể đạt 2-12% người ta có thể xử lý SO2 bằng nước kết hợp với xúc tác

Quá trình gồm 2 giai đoạn:

Gđ 1: khí SO2 kết hợp với oxy nhờ sự có mặt của xúc tác vanadi để biến thành

anhhidrit sunfuric SO3 Phản ứng oxh khí SO2 có tỏa nhiệt và p/ứ này xảy ra mạnh ở nhiệt đô càng thấp, do đó cần thiết quá trình này phải qua nhiều tầng xúc tác, sau mỗi tầng được làm nguội,

Gđ 2: dùng nước tưới trong tháp đệm có lớp vật liệu rỗng dể SO3 kết hợp với nước tạo thành H2SO4 khí sạch đi lên và thoát ra ngoài

Tiến hành xử lý bụi trước khihaasp thụ SO2 sẽ đem lại hiệu quả cao

- Xử lý SO2 bằng đá vôi( CaCO3) hoặc vôi nung (CaO)

Các phản ứng xra trong quá trình phản ứng:

CaCO3 + SO2 => CaSO3 + CO2

CaO + SO2 => CaSO3

CaSO3+ O2 => 2 CaSO4

Nuyên lý hoạt động xử lý SO2 bằng vôi sữa

+ Đá vôi và vôi tôi sẽ được đập và nghiền nhỏ được hòa trộn với nước tạo thành dung dịch vôi sữa trước khi đưa vào tháp scruber

+ khí thải SO2 sau khi được làm sạch tro, bụi sẽ được đưa vào dưới của scruber, trong lớp vật liệu rỗng vôi sữa sẽ phản ứng với khí SO2 theo p/ ứ 1 ,3 hoặc phản ứng 2,3 Khí sạch đi lên phía trên ra ngoài

+ dung dịch thu được ở dưới scruber chứa nhiều tinh thể CaSO3.0,5H2O, CaSO42.H2O , và một ít tro bụi sẽ được tách ra khỏi hỗn hợp bằng bộ phận tách tinh thể và ở thiết

bị này cho dung dịch lưu lại 1 time để hình thành sunfit và sunfat canxi Sau đó một phần được đi vào tưới cho táp rửa khí còn phần còn lại vào bộ lọc chân không ở đó tinh thể được giữ lại thành dạng cặn bùn, Phần này được hoàn trả lại scruber sau khi

bổ sung dd vôi sữa

- Xử lý SO2 bằng dung dich NH3 theo chu trình

Chia làm 2 giai đoạn:

Gđ1: hấp thụ SO2 vào dd NH3

Khí thải chứa SO2 sau khi được làm sạch sẽ được làm nguội và làm sạch bằng

scrubber, tại đây một phần SO2 sẽ được hấp thụ vào nước.Tiếp theo khí thải được đưa vào phía dưới của tháp hấp thụ nhiều tầng, ở phía trên của các tầng thì đ NH3 sẽ

đc đưa vào để hấp thụ SO2 tầng trên cùng sẽ đc tưới nước, nhằm hạn chế bay hơi NH3

P/Ư: SO2 + 2NH3+H2O => (NH4)2SO3

(NH4)SO3 +SO2 + H2O => NH4HSO3

Sau khi làm sạch sẽ đi lên và thoát ra ngoài

Gđ 2: hoàn nguyên

Dung dịch thu được ở dưới tháp hấp thụ nhiều tầng ,một phần sẽ được đi hoàn

nguyên tách SO2 tại nhiệt độ và áp suất thích hợp:

NH4HSO3 => (NH4)2SO3+ SO2+H2O

Một phần của dung dịch thu được ở phía dưới của tháp hoàn nguyên sẽ được đưa sang tháp bốc hơi, thùng kết tinh, máy vắt ly tâm tách (NH4)2SO3 một phần sau khi được bổ xung sẽ trở lại tháp hấp thụ tiếp tục xử lý

Phần còn lại dưới đáy tháp hấp thụ nhiều tầng được đưa sang nồi chưng cất để tách lưu huỳnh

- Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp phụ than hoạt tính

Khói đi vào tháp hấp phụ gồm nhiều tầng và SO2 bị giữ lại trong lớp than hoạt tính của các tầng hấp phụ, sau đó đi qua xyclon đểlọc tro, bụi và khí sạch được ra ngoài Sau khi bão hòa SO2 ,than hoạt tính tuwf tần dướicủa tháp chảy qua bunke để đi vào thiết bị giải hấp, tại đây 1 lượng nhiệt được cấp vào để nang cao nhiệt độ của than lên 400-450 oc nhiệt và quạt, để thúc đẩy qua trình hoàn nguyên thổi khí trơ hoặc hơi nước vào thết bị hoàn nguyên, khí SO2 từ quá trình hoàn nguyên có nồng độ 40-50%, đạt 96-97 % lượng SO2 trong khí thải

Sau khi hoàn nguyên than được lọc các vụn và bổ sung trở về giai đoạn hấp phụ

• Xử lý NOx(N2O, NO,NO2,N2O3,N2O4, N2O5 )

Khí thải chứa 1-1,5% NOx có thể xử lý bằng các phương pháp hấp thụ và hấp phụ

- Hấp thụ NOx bằng nước:

Trong công nghiệp các loại khí thải có oxit nito ở nồng độ thấp thường được sử dụng bằng dung dịch nước hấp thụ với các loại thiết bị hấp thụ khác nhau như

scrubber, thiết bị sục khí sủi bọt, venturi

Hiệu quả xử lý thường k cao, tối đa đạt 50%

2NO2( hoặc N2O4)

2NO2+H2O => 2HNO3 + HNO2

HNO2=> NO+NO2 hoặc N2O4 +H2O

NO+1/2O2=>NO2

2NO2=>N2O4

phản ứng đầu tiên xảy ra giữa màng ngăn cách giữa pha lỏng và pha khí Quá trình oxy hóa của oxit nito xra tương đối chậm nhưng thực hiện đến cùng, nhưng khi có mặt HNO3 đậm đặc thì phản ứng sẽ k xảy ra đến cùng

Ngoài nước người ta sử dụn đ H2O2 để thu được axit nictric

NO+H2O2 => NO2 + H2O

3NO2 + H2O=>2 HNO3 +NO

N2O3 + H2O2 => N2O4 + H2O

N2O4 + H2O=> 2 HNO3 +HNO2

Hấp thụ NOx thành axit thành HNO3 tăng theo độ tăn của nồng độ axit và áp suất riêng phần của Nox

- Hấp thụ bằng kiềm: dùng các loại kiềm để dd oxit nito dựa trên phản ứng sau: 2NO2 + Na2CO3 = NaNO3 + NO2+CO2

Hoạt động của dụng dịch kiềm còn phụ thuộc vào PH của dung dịch ( PH càng cao hoạt động càng cao)

- Chất hấp thụ chọn lọc:

Nếu trong hỗn hợp khí thải có NO mà thiếu O2 thì có thể dùng FeSO4, FeCl2,

Na2S2O3,NaHCO3 để hấp thụ NO theo các phản ứng sau;

FeSO4 + NO =Fe(NO)SO4

FeCl2 + NO =>Fe(NO) Cl2

Khi nung nóng 95-1000c thì Fe(NO)SO4, Fe(NO) Cl2 bị phân hủy và giải phóng ra

NO tinh khiết, có dung dịch hấp thụ lại quay về chu trình sx.dung dịch FSO4 là một chất hấp thụ hiệu quả dễ tìm nhất, khả năng phụ thuộc vào nồng độ FeSO4 , nhiệt độ , nồng độ NO trong khí.ở 20-25oc đã có thể hấp thụ NO dù ở nồng độ k cao, giới hạn

oxit nito tương ứng với tỉ số NO/Fe2+=1/1

Việc sử dụng Na2SO3, NaHS2O3, (NH2)2CO cũng có tác dụng với NO

2Na2S2O3+6NO=3N2+Na2SO4+2SO2

2NaHSO3 +2NO=N2+2NaHSO4

2(NH2)2CO+6NO=5N2 + 4H2O+ 2 CO2

Ngoài ra : ZnCl2, CH2O,C2H2O4

ở nhiệt độ > 200oc NO pư vs NH3

4NH3 + 6NO =5 N2+6H2O

H2SO4 Cũng được dùng hấp thụ NO2, N2O3theo cơ chế

H2SO4 + NO2 = HNSO5 + HNO3

H2SO4+N2O3=HNSO5+H2O

Khi đun nó hay pha loãng bằng nước thì có phản ứng nhả NO và NO2 như sau

HNSO5+H2O =2H2SO4 + NO+NO2

- Hấp phụ NOx bằng silicagel, alumogel và than hoạt tính

Khi trong chất hấp phụ có chứa dioxit nito thi nó trở thành xúc tác để oxy hóa các oxit nito thanh nito dioxit Nito dioxit bi hap phu vào các hất và có thể tách bằng

cách đun nóng

Khả năng hấp phụ thấp,mún đạt hiệu quả cao phải lắp đặt hệ thống nhiều tầng và nối tiếp nhâu, bụ và khí thải cũng làm giarmkn hấp phụ cho nên phải xử lý trước

2. Nêu cấu tạo thiết bị lọc bụi ướt và lọc bụi bằng điện

a. Thiết bị lọc bụi ướt

Quá trình lọc bụi trong thiết bị lọc bụi kiểu ướt dựa trên nguyên lý tiếp xúc giữa dòng khí mang bụi với chất lỏng, bụi trong dòng khí bị chất lỏng giữ lại và thải ra ngoài dưới dạng cặn bùn

Thiết bị này chia làm nhiều loại mỗi loại lại có một đặc điểm cấu tạo riêng:

• Buồng phun – thùng rửa khí rỗng

Được sử dụng phổ biến để lọc bụi thô trong khí thải, đồng thời làm nguội khí Có cấu tạo gồm: vỏ thiết bị, vòi phun nước, tấm chắn nước, bộ phận hướng dòng và phân phối khí

• Thiết bị lọc bụi có lớp đệm bằng vật liệu rỗng được tưới nước còn gọi là thiết bị rửa khí hay là scruber gồm một thùng tiết diện tròn hoặc chữ nhật bên trong có chứa một lớp đệm bằng vật liệu rỗng, tấm đục lỗ, và dàn ống phun nước

- Thiết bị phun nước có lớp đệm rỗng kiểu nằm ngang: vòi phun, vỏ và khung, hệ thống tới nước, phần không tưới nước của lớp đệm- thay cho tấm chắn nước, bể chứa bùn, lớp vật liệu rỗng

• Thiết bị lọc bụi có chứa đĩa khí sủi bọt

- loại 1: loại dội nước dập khí: vỏ thiết bị, vòi phun nước, đĩa đục lỗ

- Loại 2: loại nước chảy tràn: vỏ thiết bị, đĩa đục lỗ, hộp chứa nước cấp vào, tấm chắn chảy tràn, hộp xả nước chảy tràn

• Thiết bị lọc bụi với lớp hạt hình cầu di động : tấm chắn đục lỗ hoặc lưới, hạt cầu, vòi phun nước, tấm chắn nước

• Thiết bị lọc bụi ướt dưới tác động va đập lực quán tính: miệng vào của khí, cánh hướng dòng, tấm cản chắn nước, miệng thoát khí sạch, quạt hút

• Thiết bị lọc bụi ướt kiểu ly tâm: lớp tách ẩm, dàn phun nước, lớp rửa lọc, tấm sủi bọt

b. Thiết bị lọc bụi bằng điện

Dòng hỗn hợp khí mang bụi đi qua thiết bị, dưới tác dụng của lực điện trường sinh ra một dòng điện một chiều, các hạt bụi sẽ tích điện, chuyển về điện cực trái dấu, trung hòa bám tại đó và tách ra khỏi dòng khí

• Thiết bị lọc bụi bằng điện kiểu ống: gồm một dây kim loại nhẵn, tiết diện bé được căng theo trục của ống kim loại nhờ ống đối trọng

• Thiết bị lọc bụi kiểu tấm bản: tấm bản đặt song song 2 bên cảu các dây cực âm

• Thiết bị lọc điện bằng 2 vùng: vùng ion hóa, vùng hút bụi, bộ phận nắn dòng tăng điện áp

II. Tính toán

1. Dạng 1: đối với các hidrocacbon công thức đơn giản là CxHy khi ddooost cháy 1 mol

và nếu cháy hoàn toàn thì sẽ chứa x mol CO2 và y/2 mol H2O, ngoài ra còn chứa N2 ,O2 và hơi ẩm H2O có trong không khí được cấp cho quá trình cháy:

CxHy + (x+y/4)O2 = xCO2 +y/2H2O

Số mol oxy lý thuyết cho qua trình cháy là :

Số mol không khí khô lý thuyết cho quá trình cháy:

Trong đó %O2 là lượng phầm trăm oxi trong không khí khô về thể tích, thường 20-21% Còn lại chủ yếu N2

Số mol không khí khô thực tế: K: hệ số thừa kk hay là lượng kk khô thực tế trên lượng không khí khô lý thuyết để đốt cháy hết nhiên liệu

Số mol H2O trong không khí khô :

Trong đó W là độ ẩm của không khí mol H2O/ mol không khí khô

Như vậy số mol thực tế cầ đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu:

Tính sản phẩm cháy tạo thành theo số mol

Sản phẩm gồm CO2, H2O pử phản ứng, N2, O2 dư

- Từ phương trình => số mol của CO2, H2O

- Số mol của H2O trong không khí: tính trên

=> ∑nH2O

- số mol của N2:

- số mol của O2 dư:

Tính nồng độ CO2 trong sp cháy:

- Tổng số mol sp cháy

- Thể tích sp cháy

- Số gam CO2:

- Nộ độ CO2trong sp cháy:

2. Dạng 2 đối với nhiên liệu là chất rắn:

Đi vào ví dụ tổng quát:

Than cám có thành phần % về khối lượng như sau: C58%, H14%, O8%,

N5%,S4%,W5%,A6% Đốt cháy than bằng oxy trong không khí với hệ số thừa khí K=1,15( oxy chiếm 21% kkk) độ ẩm của kk là 0,15 molH20/mol kkk

- Tính lượng kk thực tế để đốt cháy hoàn toàn 100mg than cám trên, biết nito trong than cam chuyển thành NO và NO2 tỉ lệ 1:3

( chú ý với bài toán k xét đến nito thì k cần chú ý đến)

- Tính thành phẩm của sp cháy

Giải

Tính lượng không khí thực tế để đốt chát hết 100mg than cám, biết spc k có nito tạo thành

Tên thành phẩm % khối lượng Số gam Số mol nguyên

tử

Các phản ứng xra dạng đơn giản

C + O2 =>CO2

S+ O2 => SO2

4H+O2=>2H2O

4N+7/2O2=>NO+3NO2 chú ý nếu đầu bài k xét đến sp NO, NO2 thì k cần pt này + Số mol oxi lý thuyết cần cho quá trình cháy:

+ Số mol oxi không khí lý thuyết cho qt cháy:

+ Số mol không khí khô lý thuyết cho quá trình:

Số mol không khí thực tế cần:

+ Số mol của H2O:

Như vậy số mol kk thực tế cần:

- Tính sản phẩm cháy tạo thành

Sản phẩm gồm CO2, H2O pử phản ứng, N2, O2 dư, No, NO2

+ Số mol CO2 = nc

+ Số mol SO2= ns

+ Số mol của nước

Số mol củ nước được tạo ra do quá trình đốt nhiên liệu pư:

Số mol của nước trông không khí: tính toán trên

Số mol nước trong than: W

 ∑nH2O

+ số mol của N2 :

+ số mol của NO2:

+ số mol NO :

+ số mol O2 dư:

Chú ý ở bài toán k cho sp cháy NO, NO2, thì thì ta chỉ tính N2 dư và N2 trong than cám