Tài liệu Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 ppt

1- Tháp hấp thụ 2- Tháp giải thoát khí SO23- Thiết bị ngưng tụ 4,5- Thiết bị trao đổi nhiệt 6-Bơm Hình 1 Sơ đồ hấp thụ khí SO2 bằng nước 1.2 Xử lý SO2 bằng đá vơi CaCO3 hoặc vơi nung CaO

Chuyên đề

Công nghệ xử lý khí SO2

MỤC LỤC

Trang 1.1 Hấp thụ khí SO2 bằng nước 1 1.2 Xử lý SO2 bằng đá vôi (CaCO3) hoặc vôi nung (CaO) 3 1.3 Xử lý SO2 bằng amoniac 5

1.3.1 Hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac theo chu trình 5 1.3.2 Xử lý SO2 bằng amoniac có chưng áp 7 1.3.3 Xử lý SO2 bằng amoniac và vôi 8 1.4 Xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ 9 1.5 Xử lý SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn 11

1.5.1 Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính 11 1.5.2 Xử lý khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới nước–quá trình LURGI 12 1.5.3 Xử lý SO2 bằng nhôm oxit kiềm hóa 14 1.5.4 Xử lý SO2 bằng vôi và dolomit trộn vào than nghiền 14

1.6 So sánh kinh tế – kỹ thuật của một số phương pháp xử lý SO2 16

Lọc không khí bằng lọc sinh học

CÔ G GHỆ XỬ LÝ KHÍ SO2

SO2 là loại chất ô nhiễm biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng như trong sinh hoạt của con người Nguồn phát thải SO2 chủ yếu là từ các trung tâm nhiệt điện, các loại lò nung, lò hơi khi đốt nhiên liệu than, dầu khí đốt có chứa S hay các hợp chất chứa S.Ngoài ra một số công đoạn sản xuất trong công nghiệp hoá chất, luyện kim cũng thải vào khí quyển lượng khí SO2 đáng kể Trên thế giới hàng năm tiêu thụ gần 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu mỏ Khi thành phần S trong nhiên liệu trung bình chiếm 1% thì lượng khí SO2 thải vào khí quyển là 60 triệu tấn/năm

•

Vấn đề ô nhiễm khí quyển bởi khí SO2 từ lâu đã trở thành mối hiểm hoạ của nhiều nước Công nghệ xử lý SO2 trong công nghiệp đã đuợc phát tiển từ rất lâu Ngoài tác dụng làm sạch khí quyển, bảo vệ môi trường, còn có ý nghĩa kinh tế là thu hồi SO2 là nguồn cung cấp nhiên liệu cho sản xuất H2SO4 và lưu huỳnh nguyên chất

1.1 Hấp thụ khí SO2 bằng nước

Quá trình xử lý SO2 bằng nước diễn ra theo phản ứng sau:

SO2 + H2O ↔ H+ + HSO3

-Sơ đồ hệ thống hấp thụ khí SO2 bao gồm 2 giai đoạn sau:

• Hấp thụ khí SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí hoặc cho khí SO2

đi qua lớp vật liệu đệm có tưới nước

• Giải thoát khí SO2 ra khỏi chất hấp thụ để thu hồi SO2 và nước sạch

Mức độ hòa tan của khí SO2 trong nước giảm khi nhiệt độ nước tăng cao và ngược lại để giải thoát khí SO2 ra khỏi nước thì nhiệt độ của nước phải cao Ở

1000C thì SO2 bốc ra hòan toàn và trong khí thoát ra có lẫn hơi nước Bằng phương pháp ngưng tụ người ta thu hồi được khí SO2 với độ đậm đặc gần 100% để sản xuất acid sunfuric

Để giải hấp thụ cần phải đun nóng một lượng nước rất lớn, đó là một khó khăn Ngoài ra, để sử dụng lại nước cho quá trình hấp thụ phải làm nguội nước xuống gần 10oC, tức phải cần đến nguồn cấp lạnh Đó cũng là vấn đề không đơn giản và tốn kém Vì vậy, phương pháp này chỉ nên áp dụng khi:

-Nồng độ SO2 trong khí thải tương đối cao

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

- Có sẵn nguồn nước lạnh

Trong trường hợp khí thải giàu SO2 như trong cơng đoạn nấu quặng sunfua kim loại của cơng nghiệp luyện kim màu, nồng độ SO2 trong khí thải cĩ thể đạt 2-12%, người ta cĩ thể xử lý khí SO2 bằng nước kết hợp với nước tạo thành acid sunfuric

Quá trình cũng được thực hiện thành 2 giai đoạn: giai đoạn thứ nhất khí SO2

kết hợp với oxy nhờ sự cĩ mặt của chất xúc tác Vanadi để biến thành anhiđrit sunfuric và giai đoạn thứ hai là dùng nước tưới trong lớp vật liệu đệm để anhiđrit sunfuric kết hợp với nước tạo thành acid H2 SO4

SO2 + O2 ↔ SO3

SO3 + H2O H2SO4

Trong giai đoạn thứ nhất, phản ứng oxy hố khí SO2 cĩ toả nhiệt và phản ứng xảy ra càng mạnh ở nhiệt độ càng thấp, do đĩ cần thực hiện quá trình này qua nhiều tầng xúc tác, sau mỗi tầng đều được làm nguội

1- Tháp hấp thụ 2- Tháp giải thoát khí SO23- Thiết bị ngưng tụ 4,5- Thiết bị trao đổi nhiệt 6-Bơm

Hình 1 Sơ đồ hấp thụ khí SO2 bằng nước 1.2 Xử lý SO2 bằng đá vơi (CaCO3) hoặc vơi nung (CaO)

Xử lý SO2 bằng vơi là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong cơng nghiệp vì hiệu quả xử lý rất cao, nguyên liệu rẻ tiền và cĩ sẵn ở mọi nơi

Khí sạch thoát ra

Khí vào

V 2 O 5

để hình thành các tinh thể sunfit và sunfat canxi Sau bộ phận tách tinh thể 2, dung dịch một phần đi vào tưới cho scurbơ, phần cịn lại đi qua bình lọc chân khơng 3, ở đĩ các tinh thể được giữ lại dưới dạng cặn bùn và được thải ra ngồi Đá vơi được đập vụn và nghiền thành bột rồi cho vào thùng 6 để pha trộn với dung dịch lỗng chảy ra từ bộ lọc chân khơng số 3 cùng với lượng nước bổ sung để hình thành dung dịch sữa vơi mới

Cặn bùn từ hệ thống xử lý thải ra cĩ thể sử dụng làm chất kết dính trong xây dựng khi chuyển sunfit thành sunfat trong lị nung

Hình 2 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng CaCO3 , CaO

1- Tháp hấp thụ 2- Bộ phận tách tinh thể 3- Bộ lọc chân không 4,5- Máy bơm 6- Thùng trộn sữa vôi

3

Vôi

1.3.1 Hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac theo chu trình

Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac theo chu trình được thể hiện ở hình 3 Khói thải từ lò sau khi được lọc sạch tro bụi đi vào scrubơ 1 và được tưới nước tuần hoàn Khói được làm nguội đến 30oC, còn bụi cặn được thải ra ngoài Trong nước tuần hoàn dùng cho quá trình làm nguội khói trong scrubơ 1 có chứa bụi, SO2 và H2SO4 Lượng khí SO2 khử được trong scrubơ 1 chiếm khoảng 10% lượng SO2 chung trong khói thải khi nồng độ ban đầu của SO2trong khói là 0,3% Nhiệt độ cuối của nước đạt gần 50oC Để nước tuần hoàn được trong hệ thống nó phải được làm nguội xuống khoảng 27oC trong thiết bị làm nguội (thiết bị trao đổi nhiệt) số 2 Thiết bị 2 có thể là tháp làm mát, lúc đó

Nung nóng

không khí đi qua tháp phải được thải ở độ cao thích hợp để đề phòng sự lan tỏa khí SO2 từ nước thoát ra trong quá trình làm nguội nước Để ngăn chặn sự tích

tụ bụi quá mức trong nước tuần hoàn cần phải có bể lắng, một bộ phận nước sau khi lắng cặn sẽ thải ra ngoài sau khi trung hòa axit và nước sạch được bổ sung vào Từ scrubơ 1 khí đã được làm nguội đi vào tháp hấp thụ số 3, tại đó quá trình hấp thụ SO2 được thực hiện trên nhiều tầng, mỗi tầng hấp thụ được tưới dung dịch theo chu trình kín, trong khi đó một phần dung dịch từ tầng trên được đưa xuống tưới một cách liên tục cho tầng dưới Tầng hấp thụ trên cùng được tưới bằng nước sạch với mục đích ngăn cản sự thất thoát khí NH3 đi theo khói thải ra ngoài Dung dịch đã hoàn nguyên được cấp vào tầng hấp thụ kề với tầng trên cùng

1.Tháp hấp thụ, 2,4.TB làm nguội, 3.tháp hấp thụ nhiều tầng, 5.hoàn nguyên, 6.tháp bốc hơi, 7.thùng kết tinh, 8.máy vắt khô ly tâm, 9.nồi trưng áp

Hình 3 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac Dung dịch đi ra ở tầng hấp thụ dưới cùng có chứa nhiều amoni bisunfit (NH4)2SO3 được trích một phần để đưa vào tháp hoàn nguyên 5, trong đó được cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa khô (đi trong dàn ống xoắn) để đun nóng dung dịch Ở đây xảy ra phản ứng

2NH4HSO3 (NH4)2SO3 + SO2 ↑+ H2O

Khí SO2 thóat ra từ tháp hoàn nguyên 5 đạt nồng độ khoảng 94-97% và được

sử dụng để điều chế acid sunfuric Dung dịch sau khi hoàn nguyên xong (chứa amoni sunfit) được làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và đưa vào chu trình tưới Như vậy dung dịch hấp thụ được tuần hoàn theo chu trình kín và do

đó người ta gọi là phương pháp theo chu trình Một lượng amoniac NH3 được

bổ sung vào chu trình tưới để bù lại lượng NH3 đã tiêu hao để tạo thành amoni sunfit theo phản ứng

Nung nóng

2NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2(NH4)2SO4 + S + H2O

Để tách amoni sunfat hình thành trong quá trình hấp thụ ra khỏi dung dịch, một phần dung dịch sau khi hoàn nguyên được đưa sang thiết bị 6, tại đây người ta cấp nhiệt cho nước bốc hơi, phần còn lại được làm nguội và kết tinh trong thùng 7 Các tinh thể sunfat được vắt khô trong máy quay ly tâm 8 còn phần dung dịch thì quay về chu trình tưới

Ngoài amoni sunfat, trong dd ra khỏi tháp hấp thụ 3 còn có thể có thiosunfat

Do đó một phần dd ra khỏi tháp hấp thụ 3 được đưa sang xử lý ở nồi chưng áp

9 Ở đây dưới áp suất và nhiệt độ =140oC sunfit, bisunfit và thiosunfat amoni phân hủy thành amonisunfat và lưu hùynh đơn chất theo phản ứng

(NH4)2S2O3 + 2NH4HSO3 = 2(NH4)2SO4 + 2S + H2O

Dung dịch amoni sunfat được tách khỏi lưu hùynh bằng phương pháp lắng và

đi vào tháp bốc hơi 6, còn lưu hùynh đơn chất được đổ ra khuôn

1.3.2 Xử lý SO2 bằng amoniac có chưng áp

Hình 4 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac có chưng áp

Khí thải sau khi được lọc sạch bụi đi vào tháp hấp thụ 1, ở đó dung dịch hấp thụ được tưới theo chu trình tuần hòan Nồng độ muối amoni trong dd hấp thụ đạt khỏang 45% Người ta bổ sung vào dd tưới một lượng dd nước – amoniac đậm đặc (30%) Một phần dd tưới tương đương với lượng dd mới bổ sung vào luôn luôn được tách ra sau tháp hấp thụ để đưa vào bộ lọc ép 2, sau đó đi vào thung chưng áp 3 Ở đây người ta cho một lượng nhỏ axit sunfuric vào dd và đun nóng đến nhiệt độ 180oC với áp suất dư 14 atm Dưới điều kiện nhiệt độ và

áp suất nêu trên quá trình oxy hóa tự động xảy ra để tạo thành amoni sunfat và lưu hùynh đơn chất Sau khi hòan thành phản ứng oxyhóa, các chất trong thùng

chưng áp nguội dần, áp suất dư giảm xuống đến 3.5atm, lưu hùynh đơn chất lắng xuống đáy rồi đưa ra đổ thành khuôn Phần dd nổi bên trên được đưa sang thiết bị bốc hơi chân không 4 rồi đi qua máy lọc ly tâm 5 để tách amoni sunfat Đặc điểm của phương pháp xử lý SO2 bằng amoni có chưng áp là sản phNm cuối cùng thu được chủ yếu gồm amoni sunfat

SO2 và amoniac còn sót lại tiếp tục bị tách ra khỏi dòng khí và theo dung dịch chảy xuống thùng chứa 8 Một phần dung dịch tưới từ scrubơ 2 chảy xuống thùng chứa 8 được đưa sang tưới cho scrubơ 1 và một lượng dung dịch mới được bổ sung vào thùng 8

1,2.tháp hấp thụ, 3.thùng phản ứng, 4.làm nguội, 5.máy lọc ly tâm, 6.thùng pha chế sữa vôi, 7,8.thùng chứa dung dịch tưới

Hình 5 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac và vôi Dung dịch đã bão hòa ở thùng chứa 7 được đưa sang thùng phản ứng 3, tại đó sữa vôi và hơi nước được cấp vào để kết hợp với sunfit và bisunfit amoni tạo thành sunfit và sunnfat canxi theo các phản ứng sau:

Hiệu quả khử SO2 của phương pháp amoniac – vôi có thể đạt 95%, nồng độ

N H3 theo khí sạch thóat ra khỏang 0.001%

Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp amoniac đơn thuần là rất ít tốn amoniac và có thể áp dụng để khử SO2 trong khói thải có chứa nhiều bụi và

ở nhiệt độ cao Hệ thống có thể làm việc với lưu lượng khói thải rất lớn

N hược điểm chủ yếu của phương pháp này là lượng phế thải nhiều

1.4 Xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ

Quá trình xử lý khí SO2 trong khí thải bằng các chất hấp thụ hữu cơ được áp dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim màu Chất hấp thụ khí SO2 được phổ biến là các amin thơm như anilin C6H5N H2, toluiđin CH3C6H4N H2, xyliđin (CH3)2C6H3N H2 và đimetyl-anilin C6H5N (CH3)2

Thực tế cho thấy dung dịch xyliđin trong nước có nhiều ưu điểm khi sử dụng

để khử SO2 trong khói thải với nồng độ thấp, còn khi nồng độ SO2 trong khói thải tương đối cao (trên 2%) thì đimetyl-anilin có ưu thế hơn

Quá trình sunfidin

Quá trình này được các hãng công nghiệp hóa chất và luyện kim của Đức nghiên cứu và áp dụng ở nhà máy Luyện Kim Hamburg để khử khí SO2 trong khói thải của lò thổi luyện đồng N ồng độ khí SO2 trong khói thải dao động trong phạm vi 0,5-8%, trung bình là 3,6% Chất hấp thụ được sử dụng là hỗn hợp xyliđin và nước tỷ lệ = 1:1

Khí thải sơ bộ được làm nguội và lọc sạch bụi trong thiết bị lọc bằng điện, sau

đó cho qua các tháp hấp thụ 2 và 3 đặt nối tiếp nhau Các tháp hấp thụ được tưới hỗn hợp xyliđin-nước theo sơ đồ chuyển động ngược chiều của dòng khí

và dung dịch hấp thụ Trong quá trình hấp thụ SO2 bằng xiliđin có tỏa ra một lượngnhiệt đáng kể, do đó cần làm nguội bằng các thiết bị trao đổi nhiệt 1 Khí sạch đi ra khỏi tháp hấp thụ có chứa hơi xyliđin cần cho qua srcubơ 4 để thu hồi xyliđin bằng acid sunfuric loãng

Dung dịch hấp thụ đã bão hòa từ tháp hấp thụ đầu tiên (số 2) đi ra với nồng độ

SO2 130-180g/l được đưa vào tháp bốc hơi 5 N hiệt độ ở phần dưới của tháp bốc hơi được giữ ở mức 45-100oC bằng chất mang nhiệt là hơi nước đi bên trong ống xoắn Các loại khí, hơi (gồm SO2, xyliđin và hơi nước) bốc lên trong tháp bốc hơi được ngưng tụ ở thiết bị trao đổi nhiệt 1 rồi đi tiếp vàp srcubơ 7 tưới bằng nước để làm giảm nồng độ xyliđin trong khí SO2 Từ đây khí SO2

được sử dụng cho các công đoạn chế biến acid sunfuric hoặc lưu huỳnh đơn chất Dung dịch loãng xyliđin – SO2 cùng với nước ngưng từ thiết bị ngưng tụ

1 lại quay lên tưới vào tháp bốc hơi 5 Dung dịch hấp thụ đã được hoàn nguyên

ở phần dưới của tháp bốc hơi chảy vào bể lắng 6, ở đó nước thừa được thải đi

và hỗn hợp xyliđin-nước theo tỷ lệ thích hợp được bơm qua thiết bị làm nguội rồi tưới cho tháp hấp thụ số 3

1.Thiết bị trao đổi nhiệt (làm nguội), 2.3 Tháp hấp thụ, 7 Scrubơ,

5 Tháp bốc hơi, 6 Bể lắng Hình 6 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 theo quá trình sunfiđin

Trong quá trình hấp thụ, một phần sunfit xyliđin bị oxy hóa Để hạn chế sự tích

tụ sunfat xyliđin trong dung dịch hấp thụ, người ta cho natri cacbonat (N a2CO3) vào dung dịch tưới ở tháp hấp thụ 3 N atri cacbonat tác dụng với sunfat xyliđin tạo thành natri sunfat (N a2SO4) và cacbonic Khí CO2 cùng với khí thải đã được khử SO2 thoát ra khí quyển, còn natri sunfat tương ứng với lượng natri cacbonat đã sử dụng sẽ được thải ra ngoài ở bể lắng 6 dưới dạng dung dịch trong nước thải

1.5 Xử lý SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn

Các quá trình xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ theo phương pháp ướt có nhược điểm là nhiệt độ của khí thải bị hạ thấp, độ Nm lại tăng cao gây hoen rỉ các loại máy móc, hệ thống cồng kềnh và chi phí đầu tư lớn Với những lý do trên thì

xử lý khí thải bằng phương pháp khô rất có triển vọng, đặc biệt trong công nghiệp năng lượng và luyện kim màu

Kinh phí đầu tư cho việc xây dựng lắp đặt hệ thống xử lý khí thải theo phương pháp khô thấp hơn so với phương pháp ướt, còn chi phí sử dụng vận hành thì theo phương pháp khô đôi lúc lại cao hơn so với phương pháp ướt

Do nhu cầu hoàn nguyên vật liệu hấp phụ và làm sạch khí thải khỏi bụi của vật liệu hấp phụ, vấn đề kết hợp giữa quá trình khô và ướt ngày càng trở nên thiết thực

1.5.1 Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính

Trước đây người ta cho rằng xử lý khí SO2 theo phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính là ít hiệu quả Tuy nhiên, trong những năm gần đây, người ta thấy rằng phương pháp này có thể áp dụng rất tốt để xử lý khói thải từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện kim và sản xuất acid sunfuric với hiệu quả kinh

tế đáng kể

Sử dụng than hoạt tính để hấp phụ khí SO2 có sơ đồ hệ thống đơn giản có thể

áp dụng được cho mọi quá trình công nghệ có thải khí SO2 một cách liên tục hay gián đoạn N goài ra, hệ thống xử lý cho phép làm việc được với khí thải có nhiệt độ cao, trên 100oC

N hược điểm của phương pháp này tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên có thể

là tiêu hao nhiều vật liệu hấp phụ hoặc là sản phNm thu hồi được – khí SO2 có nồng độ thấp, có lẫn nhiều acid sunfuric và tận dụng kho khăn, phải xử lý tiếp mới sử dụng được