Nghiên cứu xác định bộ thông số công nghệ và cấu tạo của thiết bị

ĐỖ HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ CẤU TẠO CỦA THIẾT BỊ VENTURI ÁP DỤNG TRONG XỬ LÝ BỤI CỦA CƠ SỞ KHAI THÁC, CHẾ BIẾN KHOÁNG SẢN CÓ ÍCH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỖ HỒNG PHÚC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ CẤU TẠO CỦA THIẾT BỊ VENTURI ÁP DỤNG TRONG XỬ LÝ BỤI CỦA CƠ SỞ KHAI THÁC, CHẾ BIẾN KHOÁNG SẢN CÓ ÍCH

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2015

ĐỖ HỒNG PHÚC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ CẤU TẠO CỦA THIẾT BỊ VENTURI ÁP DỤNG TRONG XỬ LÝ BỤI CỦA CƠ SỞ KHAI THÁC, CHẾ BIẾN KHOÁNG SẢN CÓ ÍCH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS DƯƠNG VĂN LONG

Hà Nội – Năm 2015

Lớp KTMT 2012B i Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Đỗ Hồng Phúc

Lớp KTMT 2012B ii Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1 

1.  Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài: 1 

2.  Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu 2 

3.  Ý nghĩa của đề tài 3 

3.1.  Ý nghĩa khoa học 3 

3.2.  Ý nghĩa thực tiễn 4 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5 

1.1 Khai thác, chế biến khoáng sản và vấn đề ô nhiễm bụi 5 

1.2 Tình hình quản lý khí thải và bụi trong khai thác và chế biến khoáng sản ở Việt Nam 7 

1.3 Các phương pháp xử lý bụi 7 

1.4 Lựa chọn thiết bị xử lý bụi cho quá trình khai thác, chế biến khoáng sản 13 

1.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị Venturi 15 

1.6   Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng thiết bị Venturi 18 

1.6.1   Tình hình nghiên cứu ứng dụng thiết bị venturi 18 

1.6.2 Các hãng sản xuất thiết bị Venturi trên Thế giới 22 

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT BỊ VENTURI 28 

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình tách bụi của thiết bị venturi 28 

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị 29 

2.3 Tính toán các thông số công nghệ và cấu tạo của thiết bị venturi 32 

2.4 Kết quả tính toán 38 

Lớp KTMT 2012B iii Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH DIỄN RA TRONG THIẾT BỊ

VENTURI 42 

3.1.  Mục đích của việc thực hiện mô phỏng 42 

3.2.  Thực hiện mô phỏng quá trình hoạt động của venturi 44 

3.3.  Kết quả thực hiện quá trình mô phỏng 45 

3.4.  Kết quả thí nghiệm trên thiết bị Venturi 47 

3.5.  Kết quả thực hiện thí nghiệm và mô phỏng CFD 50 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 

Lớp KTMT 2012B iv Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Lớp KTMT 2012B v Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

CFD: computational fluid dynamics

Lớp KTMT 2012B vi Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Lớp KTMT 2012B vii Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ các nguồn thải chính và nguy cơ rủi ro, ô nhiễm môi trường trong

khai thác và chế biến quặng đất hiếm ……….…………14

Hình 1.2: Sơ đồ phân loại các phương pháp xử lý bụi ……….…… 16

Hình 1.3: Sơ đồ buồng lắng bụi ……… …….17

Hình 1.4: Thiết bị xử lý bụi cyclone ………18

Hình 1.5 Thiết bị lọc bụi túi công suất lớn ……… ….19

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo lọc bụi tĩnh điện 20

Hình 1.7: Hình ảnh mô tả quá trình làm việc của thiết bị venturi ……… 24

Hình 1.8: Cấu tạo chung của thiết bị Venturi ……… 24

Hình 1.9: Hình ảnh thiết bị Venturi ………25

Hình 1.10: Hình ảnh mô phỏng quá trình kết tụ giữa hạt bụi và giọt nước … 26

Hình 1.11 Hình ảnh thiết bị venturi theo được ứng dụng tại các làng nghề chế biến, sản xuất gỗ tại Việt Nam ……… 28

Hình 1.12: Hình ảnh thiết bị venturi theo thiết kế của công ty Enviroflo Engineering ………32

Hình 1.13: Hình ảnh thiết bị venturi theo thiết kế của công ty SLY inc ……….33

Hình 1.14: Hình ảnh thiết bị venturi theo thiết kế của công ty MikroPul…… 34

Hình 2.1: Đồ thị tương quan giữa áp suất cấp nước và đường kính trung bình của giọt nước ở miệng ra của vòi phun ……… …….… 38

Hình 2.2: Đồ thị tương quan giữa vận tốc dòng khí trong ống Venturi và đường kính trung bình giọt nước……… … 39

Hình 2.3: Đồ thị mô tả sự thay đổi vận tốc của hạt bụi trong ống Venturi… 39

Hình 2.4: Sơ đồ quy trình tính toán thiết bị venturi………41

Hình 3.1: Hình ảnh thể hiện các nút (node) ……… ………….52

Lớp KTMT 2012B viii Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Hình 3.2: Hình ảnh mô phỏng vận tốc dòng khí khi đi qua thiết bị venturi theo trục

X-Z ……… …………53

Hình 3.3: Hình ảnh mô phỏng trường vận tốc dòng khí khi đi qua thiết bị venturi theo trục Y-Z ……… … 54

Hình 3.4: Hình ảnh mô phỏng vận tốc dòng khí khi đi qua thiết bị venturi theo không gian 3 chiều ……… …… 55

Hình 3.5: Hình ảnh mô phỏng giá trị áp suất gây ra bởi dòng khí đi qua thiết bị venturi ……… ………55

Hình 3.6: Sơ đồ mô tả bộ thí nghiệm venturi ……… ……56

Hình 3.7: Kích thước thiết bị venturi được chế tạo ……… 57

Hình 3.8: Hình ảnh thí nghiệm trên thiết bị venturi ……… ………… 57

Hình 3.9: Đồ thị so sánh vận tốc dòng khí theo lý thuyết, mô phỏng CFD và thí nghiệm ……… 59

Hình 3.10: Đồ thị so sánh áp suất gây ra bởi dòng khí theo lý thuyết, mô phỏng CFD và thí nghiệm ……… 60

Lớp KTMT 2012B 1 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

MỞ ĐẦU

1 Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài:

Theo từ điển địa chất thì khoáng sản (hữu ích) là thành tạo khoáng vật của lớp vỏ Trái Đất, mà thành phần hóa học và các tính chất vật lý của chúng cho phép

sử dụng chúng có hiệu quả và lợi ích trong lĩnh vực sản xuất ra của cải vật chất của nền kinh tế quốc dân

Khai thác khoáng sản là hoạt động khai thác các vật liệu địa chất từ lòng đất, thường là các thân quặng, mạch hoặc vỉa than Các vật liệu được khai thác từ

mỏ khoáng sản như kim loại cơ bản, kim loại quý, sắt, urani, than, kim cương, đá vôi, đá phiến dầu, đá muối và kali cacbonat Bất kỳ vật liệu nào không phải từ trồng trọt hoặc được tạo ra trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy đều được khai thác từ

mỏ khoáng sản Khai thác khoáng sản ở nghĩa rộng hơn bao gồm việc khai thác các nguồn tài nguyên không tái tạo (như dầu mỏ, khí thiên nhiên) Việt Nam là nước có tiềm năng về tài nguyên khoáng sản Cho đến nay ngành Địa chất đã tìm kiếm, phát hiện hơn 5000 mỏ và điểm quặng của khoảng 60 loại khoáng sản khác nhau Một số khoáng sản đã được phát hiện và khai thác từ rất lâu như vàng, thiếc, chì, kẽm, than

đá và các loại vật liệu xây dựng; số khác mới được phát hiện và khai thác như dầu khí, sắt, đồng… Một số nơi, có những mỏ nằm tập trung như than ở Quảng Ninh, bôxit ở Tây Nguyên và apatit, đất hiếm ở miền núi phía Bắc Những năm gần đây, cùng với sự phát triển chung của cả nước, các hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản đã và đang góp phần to lớn vào công cuộc đổi mới đất nước Ngành công nghiệp khai thác mỏ và chế biến khoáng sản đã và đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế của Việt Nam Trong những năm qua, hoạt động khai khoáng sản đã đóng góp tới 5,6% GDP Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực đạt được, chúng ta cũng đang phải đối mặt với nhiều vấn đề về môi trường Quá trình khai thác, chế biến khoáng sản phục vụ cho lợi ích của mình, con người đã làm thay đổi môi trường xung quanh Yếu tố chính gây tác động đến môi trường là khai trường của các mỏ, bãi thải, khí độc hại, bụi và nước thải…làm phá vỡ cân bằng

Lớp KTMT 2012B 2 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

điều kiện sinh thái, đã được hình thành từ hàng chục triệu năm, gây ra sự ô nhiễm nặng nề đối với môi trường và là vấn đề cấp bách mang tính chất xã hội và chính trị của cộng đồng

Trong quy trình khai thác mỏ có nhiều công đoạn phát sinh bụi như đào, xúc, múc, khoan đá, nổ mìn, vận chuyển, nghiền sàng, bốc dỡ đất đá than, quặng Vì vậy có nhiều vị trí lao động bị ô nhiễm bụi nghiêm trọng, nồng độ bụi toàn phần cao

độ bụi hô hấp có nơi vượt TCVSCP từ 9 – 11 lần, hàm lượng silic tự do trung bình

từ 15 – 21% Tỷ lệ mắc bệnh bụi phổi - silic trong công nhân khai thác than từ 14%, trong đó khai thác hầm lò là chủ yếu (chiếm 70%) và bệnh viêm phế quản mãn tính là khoảng 19,3% Chế biến sơ bộ khoáng sản theo các phương pháp vật lí

3-và hóa học đã tạo ra khói bụi, các chất khí độc hại 3-và chất thải gây ô nhiễm môi trường xung quanh Các hoạt động chế biến trong nhà máy với các quá trình trình đập, nghiền, sàng Các quá trình sấy nguyên liệu và sản phẩm cũng phát sinh ra bụi thải Hơn một nửa số người mắc bệnh bụi phổi silic trong toàn quốc, tập trung tại các vùng khai thác mỏ Ngoài ra, các bệnh khác như viêm phế quản mãn tính chiếm 60%, lao 4-5%

Do những ảnh hưởng của bụi phát sinh trong quá trình khai thác, chế biến khoáng sản được kể trên, cần phải có hướng nghiên cứu về thiết bị xử lý bụi để có thể giảm thiểu được lượng bụi phát sinh, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và rộng hơn là không gian xung quanh khu vực khai thác, chế biến khoáng sản Dựa trên tiêu chí này đề tài “Nghiên cứu xác định bộ thông số công nghệ và cấu tạo của thiết bị venturi áp dụng trong xử lý bụi của cơ sở khai thác, chế biến khoáng sản có ích” được đề xuất với mục tiêu xác định các thông số công nghệ và cấu tạo cơ bản phục vụ công tác thiết kế, chế tạo thiết bị venturi đủ điều kiện ứng dụng vào thực tế

2 Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Lớp KTMT 2012B 3 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là xác định các thông số công nghệ và cấu tạo của thiết bị Venturi ứng dụng trong xử lý bụi của cơ sở khai thác, chế biến khoáng sản có ích

Nghiên cứu tổng quan tài liệu, lý thuyết và mô phỏng CFD quá trình diễn ra trong thiết bị

2.2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng được một bài tính tổng thể các thông số của thiết bị, kết hợp với phương pháp mô phỏng quá trình diễn ra trong thiết bị từ đó có sự so sánh đối chiếu giữa tính toán lý thuyết và phương pháp mô phỏng để phục vụ cho công tác thiết kế chế tạo thiết bị

Dùng làm tài liệu cho thiết kế và sản xuất

2.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về các loại thiết bị Venturi: các hãng sản xuất và các nghiên cứu về thiết bị Venturi đã được tiến hành trước đó;

Nghiên cứu lý thuyết về thiết bị Venturi và xây dựng trình tự tính toán các thông số Công nghệ và Cấu tạo cho thiết bị Venturi;

Xây dựng mô hình CFD mô phỏng quá trình diễn ra trong thiết bị Venturi

Thí nghiệm trên thiết bị được chế tạo thử nghiệm

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp xây dựng mô hình CFD:

3 Ý nghĩa của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

Lớp KTMT 2012B 4 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Nghiên cứu về các thông số Công nghệ và Cấu tạo của thiết bị Venturi đã được nhiều quốc gia trên Thế giới qua tâm nghiên cứu và ứng dụng Tuy nhiên để xây dựng được một bài toán tổng thể nghiên cứu lý thuyết và tính toán để xác định

bộ thông số công nghệ và cấu tạo của thiết bị venturi thì hiện chưa có nghiên cứu nào đầy đủ về lĩnh vựa này, do đó đề tài có ý nghĩa khoa học và phù hợp với hướng nghiên cứu của khoa học và công nghệ

Lớp KTMT 2012B 5 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khai thác, chế biến khoáng sản và vấn đề ô nhiễm bụi

Trong quá trình phát triển của đất nước, ngành công nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản có sự đóng góp quan trọng vào sự tăng trưởng kinh tế của đất nước, tạo công ăn việc làm cho hàng trăm nghìn lao động ở các khu vực nông thôn

và miền núi Tuy nhiên các hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản cũng được xếp vào danh mục các hoạt động công nghiệp có nhiều tác động tiêu cực tới môi trường tự nhiên và kinh tế xã hội Do trong một thời gian dài chỉ chú ý tới lợi ích kinh tế, ít quan tâm tới bảo vệ môi trường, đặc thù của ngành khai thác và chế biến khoáng sản thường sinh ra một khối lượng lớn các chất thải nhiều khu vực khai thác khoáng sản trong nước hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng từ nguồn thải trong quá trình hoạt động sản xuất

Ở các quốc gia có nền công nghiệp khai khoáng phát triển, vấn đề quản lý các nguồn thải được chú ý từ khi xây dựng dự án khai thác mỏ, trong suốt quá trình vận hành mỏ cho đến giai đoạn sau khi đóng cửa mỏ Các loại chất thải này nếu không được quản lý thích hợp sẽ là nguồn gây ô nhiễm môi trường tiềm tàng Trên thực tế nhiều khu vực đã và đang phải gánh chịu hậu quả của các hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản trước đây Ô nhiễm bụi là một trong số các nguồn thải

có tác động tiêu cực vã rõ rệt tới môi trường, cảnh quan sinh thái và sức khỏe con người

- Bụi được sinh ra trong quá trình khai thác và khu vực chế biến Hàm lượng bụi ở nhiều khu vực khai thác và chế biến đã vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần đối với không khí xung quanh

Lớp KTMT 2012B 6 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Hình 1.1: Sơ đồ các nguồn thải chính và nguy cơ rủi ro, ô nhiễm môi trường

trong khai thác và chế biến quặng đất hiếm

- Theo số liệu khảo sát thực tế của Viện Khoa học Công nghệ mỏ - vinacomin

đã đo đạc, xử lý và đưa ra con số về nồng độ bụi tại khu vực cách gương đào

phạm kỹ thuật an toàn trong các hầm lò than và diệp thạch TCN-14-06-2006

Lớp KTMT 2012B 7 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

1.2 Tình hình quản lý khí thải và bụi trong khai thác và chế biến khoáng sản ở

Việt Nam

Một số phương pháp chống bụi và khí thải thường được áp dụng tại các đơn

vị khai thác và chế biến kháng sản như sau:

- Sử dụng xe tưới nước chống bụi dọc đường giao thông vận chuyển quặng từ khai trường về xưởng tuyển;

- Phủ bạt kín cho các xe vận chuyển quặng; trồng cây xanh dọc tuyến đường vận chuyển quặng và xung quanh nhà tuyển, trên bãi thải đất đá;

- Lắp các hệ thống thông gió, bụi trong các xưởng tuyển khu vực nghiền đập quặng;

- Một số công ty lắp đặt hệ thống xử lý bụi cho thiết bị gây bụi khu vực xưởng tuyển;

- Phun ẩm cho khu vực bốc xúc và đập nghiền quặng; sử dụng băng tải khép kín trong xưởng tuyển;

Tuy nhiên việc ứng dụng các phương pháp xử lý bụi, khí thải này chưa được triệt để, hệ thống xử lý chưa được duy trì thường xuyên Một số biện pháp phòng chống ô nhiễm còn đang ở mức tạm thời

1.3 Các phương pháp xử lý bụi

Để xử lý bụi trước khi thải ra môi trường hoặc tạo môi trường xung quanh người lao động người ta nghiên cứu và sử dụng nhiều cách khác nhau Mỗi cách (phương pháp) phù hợp với các loại bụi, kích thước hạt bụi khác nhau và có những

ưu nhược điểm riêng Chính vì vậy mà tùy thuộc vào đối tượng bụi, người ta chọn phương pháp xử lý bụi phù hợp

Lớp KTMT 2012B 8 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

theo phương pháp khô

Lớp KTMT 2012B 9 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

a) Phương pháp xử lý bụi bằng buồng lắng

Sự lắng bụi bằng buồng lắng là tạo ra điều kiện để trọng lực tác dụng lên hạt bụi thắng lực đẩy ngang của dòng khí Trên cơ sở đó người ta tạo ra sự giảm đột ngột lực đẩy của dòng khí bằng cách tăng đột ngột mặt cắt của dòng khí chuyển động Trong thời điểm ấy, các hạt bụi sẽ lắng xuống

Để lắng có hiệu quả hơn, người ta còn đưa vào buồng lắng các tấm chắn lửng Các hạt bụi chuyển động theo quán tính sẽ đập vào vật chắn và rơi nhanh xuống đáy

Hình 1.3: Sơ đồ buồng lắng bụi

b) Phương pháp xử lý bụi dựa vào lực ly tâm (cyclon)

Khi dòng khí và bụi chuyển động theo một quỹ đạo tròn (dòng xoáy) thì các hạt bụi có khối lượng lớn hơn nhiều so với các phân tử khí sẽ chịu tác dụng của lực

ly tâm văng ra phía xa trục hơn, phần gần trục xoáy lượng bụi sẽ rất nhỏ Nếu ta giới hạn dòng xoáy trong một vỏ hình trụ thì bụi sẽ va vào thành vỏ và rơi xuống đáy Khi ta đặt ở tâm dòng xoáy một ống dẫn khí ra, ta sẽ thu được khí không có bụi hoặc lượng bụi đã giảm đi khá nhiều

Lớp KTMT 2012B 10 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Hình 1.4: Thiết bị xử lý bụi cyclon

c) Phương pháp xử lý bụi bằng màng lọc, lọc túi:

Dòng khí và bụi được chặn lại bởi màng hoặc túi lọc; túi (màng) này có các khe (lỗ) nhỏ cho các phân tử khí đi qua dễ dàng nhưng giữ lại các hạt bụi Khi lớp bụi đủ dày ngăn cản lượng khí đi qua thì người ta tiến hành rung hoặc thổi ngược để thu hồi bụi và làm sạch màng Màng lọc là những tấm vải được đặt trên một giá đỡ

là những tấm cứng đan hoặc tấm cứng liền có đục lỗ Túi lọc bằng vải có dạng ống một đầu hở để khí đi vào còn đầu kia khâu kín Để túi được bền hơn người ta thường đặt trong một khung cứng bằng lưới kim loại hoặc nhựa Năng suất lọc của thiết bị phụ thuộc vào bề mặt lọc, loại bụi và bản chất, tính năng của vật liệu làm túi (màng)

Lớp KTMT 2012B 11 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Lớp KTMT 2012B 12 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

f) Phương pháp sục khí qua chất lỏng (nước) – Tháp rửa khí:

Nguyên lý: Khí chứa bụi đi qua màng đục lỗ rồi qua lớp chất lỏng dưới dạng các bọt khí Bụi trong các bọt khí bị thấm ướt và bị kéo vào pha nước tạo thành các huyền phù rồi được thải ra ngoài Khí sau khi được làm sạch sẽ thải ra môi trường

Lớp KTMT 2012B 13 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

g) Phương pháp rửa khí kiểu Venturi:

Nguyên lý: Dòng khí được dẫn qua một ống thắt, tại đây tốc độ dòng khí tăng lên cao (60 - 180 m/s) và phía sau có đặt bộ phận thu giọt Nguyên tắc thu bụi theo phương pháp khí động, đó là tạo ra sự thấm ướt các hạt bụi trong dòng khí chuyển động ở trạng thái chảy rối bằng nước trong ống Venturi Thấm ướt các hạt bụi ở trạng thái chảy rối tạo nên sự kết tụ các hạt bụi cùng với giọt nước Các hạt bụi kết tụ đã được tăng lên về kích thước và các giọt nước được thu lại trong bộ phận thu giọt

1.4 Lựa chọn thiết bị xử lý bụi cho quá trình khai thác, chế biến khoáng sản

Với mỗi loại thiết bị xử lý bụi đều ứng với nhu cầu xử lý bụi khác nhau, để lựa chọn được thiết bị xử lý bụi phù hợp cần căn cứ vào loại bụi, kích thước trung bình hạt bụi, độ ẩm và nồng độ bụi để lựa chọn được thiết bị phù hợp, ngoài ra đặc điểm của nguồn thải cũng là một yếu tố cần quan tâm trong quá trình lựa chọn thiết

và nhiệt độ dòng khí đi vào thiết bị

Thiết bị lọc bụi tĩnh điện được sử dụng khi hiệu quả lọc yêu cầu là cao, bụi

có thể được thu hồi để tái sử dụng vào mục đích khác, đồng thời lọc bụi tĩnh điện cũng có thể được sử dụng khi lưu lượng khí thải vào thiết bị lớn

Thiết bị lọc bụi ướt được sử dụng khi cần lọc sạch bụi mịn với hiệu quả tương đối cao, đồng thời kết hợp với khử khí độc trong phạm vi có thể Song song với quá trình lọc bụi kết hợp với quá trình làm nguội khí thải

Với đặc điểm của quá trình khai thác, chế biến khoáng sản đó là bụi trong quá trình khai thác, chế biến có nồng độ tương đối cao, độ ẩm của bụi tương đối

Lớp KTMT 2012B 14 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

lớn Do đó, sử dụng thiết bị venturi là phù hợp trong trường hợp này do thiết bị venturi là thiết bị thu bụi theo phương pháp ướt nên độ ẩm cao của bụi không còn là trở ngại và có thể được sử dụng trong trường hợp nồng độ bụi lớn Quá trình khai thác cũng được thực hiện tại những nơi nhỏ hẹp, với lợi thế kích thước nhỏ gọn của mình, thiết bị venturi cũng phù hợp để xử lý bụi với đặc điểm này của quá trình khai thác

Trong quá trình chế biến khoáng sản có thể phát sinh các hạt bụi mịn có kích thước nhỏ, đồng thời dòng khí thải có nhiệt độ cao (trong quá trình luyện quặng hoặc sản xuất phân lân nung chảy)

Với đặc điểm của thiết bị venturi là loại bỏ được các hạt mịn với giá thành tương đối rẻ Vận hành tương đối đơn giản so với các loại thiết bị lọc bụi phức tạp khác Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị venturi là cần thiết trong công cuộc

xử lý ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường Thiết bị venturi không chỉ hữu ích trong xử lý bụi từ quá trình khai thác, chế biến khoáng sản mà trong các ngành công nghiệp khác cũng có thể được sử dụng như xử lý bụi của khí thải khói lò trong các ngành công nghiệp:

- Công nghiệp luyện kim

- Công nghiệp vật liệu xây dựng

- Công nghiệp sản xuất phân bón

- Công nghệp sản xuất giấy

- Công nghiệp hóa chất

Để đảm bảo được tính đồng bộ và hiệu quả xử lý bụi, thông thường thiết bị venturi được đặt phía trước thiết bị tách giọt nước, trong quá trình làm việc thiết bị venturi đóng vai trò kết tụ giữa bụi và nước, tăng kích thước hạt bụi, hạt bụi với kích thước lớn sẽ dễ dàng được tách ra khỏi dòng khí khi đi qua thiết bị tách giọt nước:

Lớp KTMT 2012B 15 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Để áp dụng thiết bị venturi vào sơ đồ công nghệ xử lý khí thải, cần có sự nghiên cứu xác định được thông số công nghệ và cấu tạo của thiết bị để có thể kiểm soát được quá trình diễn ra khi thiết bị làm việc Để làm được điều này, đề tài đã thực hiện các bước sau:

- Nghiên cứu tổng quan ứng dụng của thiết bị venturi

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, xác định các thông số cơ bản từ đó đưa ra được quy trình tính toán thiết bị venturi

- Thực hiên mô phỏng CFD một số thông số của thiết bị, đồng thời có sự so sánh với thí nghiệm Từ đó có thể có sự so sánh giữa tính toán lý thuyết, phương pháp mô phỏng và thí nghiệm, quá đó đánh giá được hiệu quả của việc sử dụng mô phỏng phục vụ cho quá trình thiết kế, ứng dụng của thiết bị

1.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị Venturi

Tính năng của thiết bị venturi

Thiết bị Venturi là một thiết bị lọc bụi dạng ướt, với việc sử dụng dòng chất lỏng để làm sạch bụi Thiết bị Venturi được sử dụng rộng rãi trọng việc xử lý dòng khí bị ô nhiễm (ví dụ như xử lý bụi thải đúc, khói lò, sương axit) vì chúng có làm việc khá hiệu quả trong việc loại bỏ bụi và các chất ô nhiễm dạng khí Khi thiết bị hoạt động, nguyên tắc cơ bản cơ bản của quá trình thu bụi là sự va chạm quán tính,

và sự chặn, cản các hạt bụi bởi các giọt nước Khi đó kích thước của giọt nước sẽ lớn hơn và tách ra khỏi dòng khí bởi trọng lực Việc tăng vận tốc khí hoặc giọt chất lỏng sẽ làm tăng hiệu quả thu bụi vì số lượng va chạm trong đơn vị thời gian

Lớp KTMT 2012B 16 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Thiết bị Venturi chủ yếu được sử dụng để kiểm soát các hạt rắn, bao gồm các hạt có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm, và có thế nhở hơn hoặc bằng 2,5 µm Thiết bị Venturi hoặc động với vận tốc dòng khí khá lớn và áp suất sụt giảm ở cổ họng Venturi khá lớn Thiết bị như thể hiện ở hình dưới đây có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các hạt có kích thước 0,5 – 5 µm, đặc biệt có thể sử dụng để loại bỏ bụi kết hợp với khói và hơi.[7]

Hình 1.7: Hình ảnh mô tả quá trình làm việc của thiết bị venturi.(Nguồn:[5])

Thiết bị Venturi có kết cấu dạng ống Venturi với đặc điểm cấu tạo chung như sau:

Hình 1.8: Cấu tạo chung của thiết bị Venturi

Lớp KTMT 2012B 17 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Hình 1.9: Hình ảnh thiết bị Venturi

Thiết bị Venturi có cấu tạo gồm 3 phần chính:

dần lên của vận tốc dòng khí và sự sụt giảm của áp suất của dòng khí khi chuyển động trong ống thu hẹp

xảy ra quá trình xé nhỏ nước thành các giọt, đồng thời quá trình kết tụ bụi – nước bắt đầu diễn ra

các hạt bụi cùng với các giọt nước Ống Venturi có thể có tiết diện tròn hoặc chữ nhật Ống phần cổ venturi có nhiệm vụ tạo ra sự xáo trộn khí đảm bảo ống làm việc

có hiệu quả Vì dòng chuyển động ở trạng thái chảy rối nên tại cổ ống xảy ra sự va đập giọt nước và tạo nên sự xáo trộn mạnh giữa khí và các giọt nước Các hạt bụi kết tụ đã được tăng lên về kích thước và các giọt nước được thu lại trong bộ phận thu giọt

Lớp KTMT 2012B 18 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Hình 1.10: Hình ảnh mô phỏng quá trình kết tụ giữa hạt bụi và giọt nước

1.6 Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng thiết bị Venturi

1.6.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng thiết bị venturi.[11]

a) Một số ứng dụng của thiết bị Venturi

Thiết bị lọc venturi là thiết bị có hiệu quả lọc bụi cao, có thể lên đến 99% hoặc hơn Chúng được sử dụng rộng rãi để loại bỏ các hạt bụi trong dòng khí Thiết

bị venturi cũng có thể được sử dụng để hấp thụ khí ô nhiễm, tuy nhiên chúng không hiệu quả như tháp đệm hoặc tháp lọc khí khác

Khả năng xử lý khí với lưu lượng lớn ở nhiệt độ cao nên thiết bị venturi sử dụng khá hiệu quả với nhiều ngành công nghiệp Đặc biệt hơn chúng có thể sử dụng với các lò nung xi măng, lò thổi oxy trong các ngành công nghiệp thép nơi nhiệt độ

nồi hơi và các các hoạt động sản xuất khác như giấy và bột giấy, hóa học, sản phẩm

gỗ, khoáng sản và khai thác mỏ, chế biến ngô, sản xuất thực phẩm, đúc kim loại và các hoạt động hoàn thiện sản phẩm

Lớp KTMT 2012B 19 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

b) Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

 Xử lý khí thải từ các lò thiêu đốt chất thải tại Việt Nam

Gần đây, ở nước ta, xử lý chất thải rắn công nghiệp, chất thải y tế bằng phương pháp thiêu đốt được áp dụng khá phổ biến, tuy nhiên, vấn đề nảy sinh là phải xử lý khí thải như thế nào, nhất là các lò thiêu đốt chất thải độc hại Thạc sĩ Phạm Văn Hải và cộng sự (Viện Nghiên cứu bảo hộ lao động) đã có giải pháp cho vấn đề này

Thiêu đốt là quá trình dùng nhiệt độ cao để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong rác thải và giảm nhỏ thể tích Hiện nay, rác thải đô thị do có độ ẩm lớn, rác có nguồn gốc hữu cơ cao, tỷ lệ chất rắn cao khó thiêu đốt nên chủ yếu là xử lý chôn lấp Tuy nhiên loại rác độc hại như rác y tế hoặc rác công nghiệp thì cần áp dụng phương pháp thiêu đốt bởi nếu chôn lấp sẽ gây nên ô nhiễm môi trường đất và nguồn nước

Đề xuất công nghệ xử lý khí thải lò thiêu công suất nhỏ

Với lò có quy mô xử lý khoảng 300 kg/ngày, có thể ứng dụng công nghệ xử

lý gồm thiết bị venturi thấp áp, tháp đệm, quạt khói, bơm, bể tuần hoàn và hệ thống van gió

Nguyên lý làm việc là: Khói lò sau khi ra khỏi buồng thứ cấp qua van gió, đi vào thiết bị venturi để lọc bụi đồng thời hạ nhiệt độ Từ venturi, nước và khí chuyển sang tháp lọc Cấu tạo của tháp lọc gồm lớp đệm bằng khâu sứ, giàn phun nước và

bộ tách nước Tại tháp, một phần nước cùng với bụi sẽ chảy xuống bể lắng còn khí

sẽ đi ngược lên qua lớp đệm, nơi nó được hạ nhiệt độ, lọc phần bụi còn lại và các chất khí như SO2, HCl Chất ô nhiễm được nước hấp phụ chảy xuống bể lắng, còn không khí sạch sẽ được đẩy vào ống khói qua quạt và thải vào khí quyển

Thiết bị xử lý khí thải lò thiêu này có thể lắp bổ sung vào hệ thống lò thiêu

mà không làm thay đổi đáng kể cấu trúc của thiết bị lò Khi cần thiết có thể bổ sung hóa chất vào bể để xử lý khí độc hại

Lớp KTMT 2012B 20 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

 Xử lý khí thải tại các làng nghề chế biến, sản xuất gỗ tại Việt Nam

Trước thực trạng ô nhiễm bụi, khí thải tại các làng nghề, đặc biệt là các làng nghề chế biến, sản xuất gỗ, TS.Vũ Chí Cường (Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi) cùng các cộng sự đã bắt tay vào thiết kế và chế tạo ra thiết bị lọc bụi, khí thải với sự kết hợp giữa hai hệ thống là xiclon màng nước và ống venturi cải tiến

Hình 1.11 Hình ảnh thiết bị venturi theo được ứng dụng tại các làng nghề chế biến,

sản xuất gỗ tại Việt Nam

Sáng chế đã được áp dụng tại một số cơ sở sản xuất thuộc làng nghề đồ gỗ Đồng Kỵ và đạt được hiệu quả cao

Khi sử dụng hệ thống này mức độ ô nhiễm không khí tại xưởng mộc và cả môi trường bên ngoài đều giảm đáng kể, tại miệng ống khói cũng không thấy bụi bay ra, điều này hoàn toàn không thể có với hệ thống lọc bụi thủ công

Do có sự kết hợp của hai hệ thống là xiclon màng nước và ống venturi cải tiến nên hiệu suất lọc bụi đạt 98,79% và khử được hết mùi, đây là tính năng vượt trội so với các thiết bị có cùng tính năng trên thị trường hiện nay

Lớp KTMT 2012B 21 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

Với chi phí thấp, không tốn diện tích lắp đặt thiết bị lọc bụi, khí thải này được xem như một biện pháp hữu hiệu để hạn chế tối đa mức ô nhiễm bụi, khí thải tại các làng nghề, các cơ sở sản xuất chế biến gỗ

Ngoài ra, hệ thống thiết bị này còn làm việc rất hiệu quả với các loại bụi khác nhau: bụi cát, bụi than, bụi vật liệu compozit (com-po-rít), bụi nhẹ … Có thể nói, với sáng chế thiết bị lọc bụi, khí thải của tiến sĩ Vũ Chí Cường cùng các cộng

sự sẽ giải quyết hiệu quả vấn đề ô nhiễm bụi, khí thải tại các làng nghề hiện nay Sáng chế có tính ứng dụng cao và không chỉ sử dụng tại các làng nghề mà còn áp dụng được ở nhiều khu công nghiệp, nhiều cơ sở sản xuất và nhà máy trên cả nước

khí được thực hiện bới M.A.M Costa; A.P.R.A Ribeiro; E.R Tognetti; M.L Aguiar; J.A.G Silveira; J.R Coury – khoa Hóa – Đại học Federal – Sao Carlos – Brazil

Thiết bị hoạt động với vận tốc khác nhau của dòng khí qua cổ họng venturi với vận tốc từ 58 m/s đến 75 m/s và tốc độ chất lỏng từ 280 ml/phút đến 900 ml/phút Chất lỏng được bơm vào một lỗ kích thước 1 mm tại cổ họng venturi Kết quả thu được cho thấy hiệu quả lọc bụi dao động từ 87% đến 98 % đối với các hạt kích thước từ 0,1 µm đến 2 µm

Tổn thất áp suất là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị venturi Một số mô hình đã được nghiên cứu và phát triển để xác định tổn thất áp suất qua thiết bị venturi

Mô hình Calvert là một mô hình đơn giản được sử dụng do giả thiết của nó

Mô hình này không có bất kỳ yếu tố hình học nào của thiết bị tham gia, tổn thất áp suất coi giả thiết là do thay đổi động lực của giọt trong cổ họng venturi Ảnh hưởng của việc tăng tốc khí trong miệng thoát và ma sát tường là không tính đến Mô hình Calvert dựa trên giả định là:

+ Lưu lượng là một chiều, không nén khí và đoạn nhiệt

Lớp KTMT 2012B 22 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

+ Chất lỏng đưa vào được phun thành giọt

+ Kích thước của giọt được thống nhất

+ Các giọt được tăng tốc tới vận tốc khí ở cuối cổ họng venturi

Hiệu quả thu bụi của thiết bị venturi ảnh hưởng bởi một số cơ chế hoạt động đổng thời Bao gồm quá trình va chạm quán tính, sự chắn cản và khuếch tán Sự tham gia của bất kỳ cơ chế nào phụ thuộc vào kích thước của các hạt, giọt và vận tốc tương đối giữa chúng

Ekman và Johnstone đã tiến hành nghiên cứu các biến số ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị venturi ở quy mô phòng thí nghiệm

Calvert đã phát triển một mô hình toán học để dự đoán hiệu quả thu bụi Các kết quả thực nghiệm của Walton và Woolcock đã được sử dụng để ước tính hiệu quả của một giọt dựa trên cơ chế va chạm quán tính

1.6.2 Các hãng sản xuất thiết bị Venturi trên Thế giới

Có khá nhiều hãng sản xuất các thiết bị Venturi trên Thế giới, với mỗi hãng lại có một đặc điểm thiết bị riêng, theo những tính toán thiết kế và ứng dụng xử lý khác nhau

 Công ty Enviroflo Engineering

Thiết bị venturi là một giải pháp được sử dụng để thay thế thiết bị lọc bụi túi, thiết bị do công ty Enviroflo Engineering chế tạo và được đặt tên thiết bị lọc bụi Enviro venturi Với thiết bị của công ty Enviroflo Engineering khí thải sẽ được gia

Lớp KTMT 2012B 23 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

tốc lên tốc độ cao, khi đó dòng nước đưa vào thiết bị sẽ bị xé nhỏ thành dạng sương

mù Các hạt bụi khi đó sẽ kết hợp với các giọt nước, sau đó chúng sẽ được tách ra trong một buồng ly tâm và được tách ra khỏi dòng khí

với tổn thất năng lượng tương đối thấp trên cổ họng venturi (khoảng 250 mmWG) Nếu lượng khí thải thấp hơn yêu cầu thì sẽ bổ sung lực hút từ quạt thông gió, do đó làm tăng tốc độ dòng khí thông qua họng venturi, gây ra tổn thất áp suất cao trên cổ họng venturi đồng thời kích thước các giọt nước bị xé sẽ nhỏ hơn