Đề tài Xử lý khí SO2 từ khí thải

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN KHÁI NIỆM: Khái niệm: Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí. Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau. Quá trình hấp thu tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng). Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng. Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ Chất lỏng dùng để hấp thu gọi là dung môi (chất hất thụ ) Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ. Aùp dụng của hấp thu: Trong công nghiệp hóa chất ,thực phẩm, quá trình hấp thu được dùng để: Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí Làm sạch pha khí Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt Tạo thành một dung dịch sản phẩm. Lựa chọn dung môi: Nếu mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp khí thì khi đó việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau: 1) Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại. Đây là điều kiện quan trọng nhất. 2) Độ nhớt của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăng tốc độ hấp thu và có lợi cho quá trình chuyển khối. 3) Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi. 4) Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan sẽ dễå tách các cấu tử ra khỏi dung môi. 5) Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn. 6) Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn thiết bị. QUÁ TRÌNH HẤP THỤ: Cơ chế quá trình: Hấp thu là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng trong rất nhiều quá trình khác .Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối ,được mô tả và tính toán dựa vào phân chia 2 pha (cân bằng pha, khuếch tán). Cơ chế quá trình có thể chia thành 3 bước: + Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí thải đến bề mặt của chất lỏng hấp thụ. Nồng độ phân tử ở phía chất khí phụ thuộc vào cả 2 hiện tượng khuếch tán: Khuếch tán rối: có tác dụng làm nồng độ phân tử được đều đặn trong khối khí. Khuếch tán phân tử: làm cho các phân tử khí chuyển động về phía lớp biên. Trong pha lỏng cũng xảy ra hiện tượng tương tự như thế: Khuếch tán rối: được hình thành để giữ cho nồng độ được đều đặn trong toàn bộ khối chất lỏng Khuếch tán phân tử: làm dịch chuyển các phân tử đến lớp biên hoặc từ lớp biên đi vào pha kh + Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ + Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt nhăn cách vào sâu trong lòng chất lỏng hấp thụ. Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí. Quá trình trao đổi chất: Khi chất ô nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ các phân tử được trao đổi qua vùng ranh giới gọi là lớp biên (màng, phim). Các phân tử đi qua lớp biên từ cả 2 phía, một số từ phía chất khí, một số từ phía chất lỏng. Cường độ trao đổi phụ thuộc vào các yếu tố tác động lên hệ thống như áp suất, nhiệt độ, nồng độ và độ hòa tan của phân tử. Cường độ trao đổi sẽ tăng nếu giữa pha lỏng và pha khí có diễn ra phản ứng hóa học hay các phân tử khí không hể quay trở về khối khí khi có tác động của các quá trình vật lý. Quá trình hấp thụ kèm theo sự tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ của hệ thống. Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt làm năng lượng của cấu tử pha khí bị giảm. Hiện tượng này xảy ra là do sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí, làm cho các phân tử này bị xáo trộn từ đó dẫn tới sự cân bằng năng lượng giữa hai pha. Nhờ có chuyển động này mà sự khác biệt cục bộ về nồng độ chất khí trong hỗn hợp sẽ được giảm dần ngay cả khi không có sự can thiệp của ngoại lực như quấy, lắc. Mặt khác tổng thể tích của hệ thống trong quá trình hấp thụ cũng bị giảm do thể tích pha khí giảm. Theo Nguyên lý Le Chartelier: độ hòa tan của khí trong chất lỏng tăng nếu tăng áp suất và giảm nhiệt độ của quá trình. Trong thực tế có 2 hiện tượng hấp thụ: Hấp thụ đẳng nhiệt: được tiến hành với sự giải nhiệt pha lỏng bằng thiết bị truyền nhiệt bố trí trong tháp hấp thụ. Nếu nồng độ ban đầu không lớn hoặc khi lưu lượng chất lỏng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng không đáng kể. Hấp thụ đẳng áp: diễn ra khi không có sự trao đổi với môi trường bên ngoài, khi này cơ cấu thiết bị được đơn giản hóa nhưng điều kiện cân bằng không tốt. Có 2 phương pháp hấp thụ: Hấp thụ vật lý: được dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. Ơû đây sự truyền vật chất trong mỗi pha được xác định bằng phương trình truyền khối ổn định: G = bkF(y – yp) = blF(x – xp) Còn quá trình vận chuyển vật chất từ pha này sang pha khác sử dụng phương trình: G = KkF(y – y*) = KlF(x – x*) Trong đó: G: số mol vật chất được chuyển trong một đơn vị thời gian, mol/s F: bề mặt tiếp xúc pha, m2 y, x: nồng độ mol chất bị hấp thụ trong pha khí và pha lỏng, mol/m3 yp, xp: nồng độ chất bị hấp thụ trên bề mặt phân chia pha trong pha khí và pha lỏng, mol/m3 y*, x*: nồng độ cấu tử trong pha khí và pha lỏng cân bằng với nồng độ trong pha khí và pha lỏng tương ứng, mol/m3 bk, bl: hệ số truyền khối trong pha khí và lỏng, m/s Kk, Kl: hệ số truyền khối tổng quát trong pha khí và lỏng, m/s Quan hệ giữa hệ số truyền khối b và hệ số truyền khối tổng quát như sau: Trong đó m là hằng số cân bằng pha Nếu hệ thống có độ hoà tan cao m (hằng số cân bằng pha) ® 0, vì vậy Kk » bk. Khi đó, trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha khí. Khi độ hòa tan nhỏ m có giá trị lớn Þ Kl » bl. Khi đó, trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha lỏng. Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp thụ và chất hấp thụ. Khi này hiệu nồng độ ở bề mặt phân chia pha tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng hơn khi hấp thụ vật lý. Vận tốc phản ứng hóa học càng tăng, vận tốc hấp thụ hóa học càng tăng. Aùp suất quá trình: Nếu nồng độ phần mol của chất ô nhiễm hòa tan trong chất lỏng hấp thụ thấp thì áp suất riêng phần cân bằng của chất ô nhiễm hòa tan được biểu diễn bằng định luật Henry: p* = Hx (1) Trong đó: p*: áp suất riêng phần của chất hòa tan trong pha khí cân bằng với pha lỏng x: nồng độ phần mol của chất hòa tan trong chất lỏng, kmol/kmol H: hằng số định luật Henry Aùp suất riêng phần p được định nghĩa bằng tích số của phần mol pha khí y và áp suất tổng cộng P: p = yP (2) Dùng giá trị p* = y*P từ phương trình (2) để thay vào (1) ta được: (3) Trong đó: y*: nồng độ phần mol của chất hòa tan trong pha khí cân bằng với pha lỏng : hệ số vô thứ nguyên có giá trị không đổi cho một hệ lỏng – khí ở t = const và P = const Mặt khác theo định luật Raoult ta có: p* = P0x (4) Trong đó: p*: áp suất riêng phần của chất hòa tan trong hỗn hợp khí cân bằng với pha lỏng P0: áp suất hơi bão hòa của cấu tử nguyên chất, có giá trị thay đổi theo nhiệt độ x: nồng độ phần mol của chất hòa tan trong chất lỏng, kmol/kmol Thay p* trong (4) vào (2) ta được: (5) Phương trình đường cân bằng của quá trình hấp thu có thể được biểu diễn như sau: (5) Phương trình đường cân bằng của quá trình hấp thu chỉ đúng cho dung dịch loãng và các thành phần không phản ứng với nhau. Đây là phương trình đường thẳng với hệ số gốc là m. Trong trường hợp các chất khí ô nhiễm phản ứng hoặc phân ly trong dung dịch hấp thụ (hấp thụ hóa học), đường cân bằng là đường cong và được thiết lập dựa trên các công thức thực nghiệm. THÁP HẤP THU: Cân bằng vật chất và đường làm việc của tháp: Ta xét sơ đồ tính toán cân bằng vật chất cho tháp: Chất lỏng vào Khí ra x L y G X Ltr Y Gtr Lđ, xđ Gc, yc Ltr, Xđ Gtr, Yc Z dZ Chất lỏng ra Khí vào Lc, xc Gđ, yđ Ltr, Xc Gtr, Yđ Xét quá trình hấp thụ xảy ra trong thiết bị hấp thụ chỉ có một chất hòa tan (chất ô nhiễm) A khuếch tán giữa hai pha. Pha lỏng ký hiệu là L, và pha khí ký hiệu là G. ta quan niệm rằng pha khí cũng như pha lỏng đều gồm 2 thành phần: khí trơ + khí A và chất lỏng trơ + khí A (chất hòa tan). Ta ký hiệu như sau: Lđ, Lc: suất lượng mol tổng cộng của pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị, mol/h Gđ, Gc: suất lượng mol tổng cộng của pha khí vào và ra khỏi thiết bị, mol/h Ltr, Gtr: : suất lượng mol tổng cộng của phần trơ trong pha lỏng và pha khí, mol/h Xđ, xc: phần mol của chất A trong pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị Xđ,Xc: tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha lỏng Yđ, yc: phần mol của chất A trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị Yđ,Yc: tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha khí Pt: áp suất tổng Ta thấy L,G thay đổi theo từng vị trí trên chiều cao của tháp vì có sự di chuyển khí A từ pha khí sang pha lỏng khi này phần trơ là hằng số. Cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp: Gđ + Lc = Gđ + Lđ (11) Cân bằng vật chất chất A khuếch tán giữa 2 pha: Gđ yđ + Lcxc = Gcyc+ Lđxđ (12) Ta có tỷ số mol của chất A trong pha khí Tương tự cho pha lỏng: Phương trình cân bằng: G.Yđ+LXđ=G.Yc+L.Xc Ta có: Ta có phương trình đường thẳng (đường làm việc) trên tọa độ X, Y, hệ số góc là Ltr/Gtr và đi qua điểm (Xđ, Yc) và (Xc, Yđ): Gtr(Yđ - Yc) = Ltr(Xc - Xđ) A Yđ Yc Xđ Xc X* X Y B Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu: Lmin Trong đó X1max là nồng độ của pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu hay nồng độ ra của pha lỏng cân bằng với nồng độ vào của pha khí. Theo thực nghiệm ta thấy: L = (1,2¸1,3)Lmin Cân bằng nhiệt lượng: Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng: GđIđ + LđCđTđ + Qđ = GcIc + LcCcTc +Qc Trong đó : Gđ, Gc : hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h) Lđ, Lc : lựong dung dịch đầu và cuối (kg/h) Tđ, Tc :nhiệt độ khí ban đầu và cuối (oC) Iđ, Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kj) Qo: nhiêt mất mát (kj/h) Qs:nhiệt phát sinh do hấp thu khí(kj/h) Các lọai tháp hấp thụ: Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng càng lớn càng tốt. Có nhiều dạng tháp hấp thu: Tháp phun: Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất trong đó chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua. Tháp phun đươc sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn. Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước mỏng . Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng. Quá trình phân tán khí có thể thực hiện bằng cách cho khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học. Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên. Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng. Tháp đĩa: Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế hơn những tháp khác. Được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và môi trường không ăn mòn. Tháp hấp thụ phải thoả mãn những yêu cầu sau: hiệu quả và có khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp (<3000Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ. Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống. Khí hấp thụ hoá học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ HẤP THU: Aûnh hưởng của nhiệt độ: Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry sẽ tăng. Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung. Nếu đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa lý thuyêt sẽ tăng và chiều cao của thiết bị sẽ tăng. Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kỹ thuật. Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng. Aûnh hưởng của áp suất : Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành. Khi đường làm việc AB không đổi dẫn đến động lực trung bình tăng quá trình truyền khối sẽ tốt hơn vì thế số đĩa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp thấp hơn. Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác, sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vậân hành của tháp hấp thụ. Các yếu tố khác: Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu. CHƯƠNG II: XỬ LÝ KHÓI THẢI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔ TẢ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT: Vận chuyển và tập kết nhiên liệu: Để đảm bảo cung cấp đủ nhiên liệu cho họat động sản xuất điện, các nhà máy nhiệt điện đều có hệ thống vận tải chính tấp kết nhiên liệu (than, dầu…) vào khu vực kho bãi của nhà máy. Than được chứa vào kho riêng, dầu được đưa vào bể chứa. Than được đem đi chế biến (nghiền thành than bột) trước khi đem vào lò. Tất cả các thiết bị, bộ phận chế biến than đều tác động trực tiếp đến chế độ cháy, hiệu suất của lò. Lò hơi và tổ hợp phát điện: Lò dùng để sản xuất hơi có áp lực và năng suất tùy theo từng nhà máy cần cung cấp nhiệt độ cho nước là bao nhiêu. Nếu nhiệt độ nước thấp thì năng suất của lò cũng giảm theo. Các bộ phận chủ yếu của lò bao gồm: Dàn ống sinh hơi Bộ sấy hơi: dùng để sấy hơi bão hòa từ bao hơi đến nhiệt độ yêu cầu trước khi theo ống dẫn vào tuabin Bộ giảm ồn: 1 bộ kiểu bề mặt, 1 bộ kiểu phun có chức năng điều chỉnh nhiệt độ hơi Bộ hâm nước: được đặt xen kẽ với bộ sấy không khí trong buồng đối lưu phần dưới lò nhằm tận dụng nhiệt của khói thải Bộ sấy không khí: dùng cho hệ thống chế biến than, vận chuyển than bột và cung cấp oxy cho sự cháy Các vòi đốt (vòi phun than bột) Vòi phun dầu Các van an toàn… Hơi nước có áp lực và nhiệt độ từ các lò hơi được dùng để chạy các tuabin phát điện. Các máy biến thế được bố trí trong mạng điện phát ra từ nhà máy lên lưới điện. Cung cấp nước làm mát: Lưu lượng nứơc làm mát thay đổi phụ thuộc vào công suất phát của nhà máy. Hệ thống chế biến than bột Lò hơi Tuabin Máy phát điện Bề chứa Trạm biến áp THAN DẦU SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN NGUỒN GÂY Ô NHIỄM: Theo từng công đoạn sản xuất của nhà có các nguồn chính gây ảnh hưởng đến môi trường như sau: Giai đoạn vận chuyển than và dầu thải ra môi trường bụi, SO2, NO2, ô nhiễm nước, tiếng ồn Hệ thống chế biến than bột: bụi , ô nhiễm ồn, ô nhiễm nước Lò hơi: SO2, NO2, ô nhiễm nước, tiếng ồn, ô nhiễm nhiệt Tuabin và máy phát điện: ô nhiễm nước do nhiệt, tiếng ồn Trạm biến áp: ô nhiễm nước do rò rỉ dầu biến thế… Nguồn gây ô nhiễm cho môi trường nhiều nhất là lò đốt (than và dầu), lưu lượng khói lớn và nồng độ các chất ô nhiễm (bụi, các khí độc SO2, NO2…) PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ: Xử lý nguồn khói thải từ nhà máy nhiệt điện có: Lưu lượng khói thải: 10000 m3/h Nộng độ SO2: 1413 ppm Nồng độ bụi: 920 mg/m3 Nhiệt độ khói thải: 590C Xử lí bụi: Phương pháp khô: Buồng lắng bụi: trong thời gian khí đi qua thiết bị các hạt bụi dưới tác dụng của lực hấp dẫn lắng xuống phía dưới và rơi vào bình chứa hoặc được đưa ra ngoài bằng vít tải hay băng tải. Thiết bị lắng quán tính. Xiclon: thu hối bụi bằng xiclon diễn ra dưới tác dụng của lực li tâm. Thiết bị thu hồi bụi xoáy. Thiết bị thu hồi bụi kiểu động. Thiết bị lọc bụi Phương pháp ướt: Thiết bị rửa khí trần Thiết bị rư3a khí đệm. Thiết bị rửa khí với lớp đệm chuyển động. Tháp rửa khí với lớp đệm dao động. Thiết bị sủi bọt Thiết bị rửa khí va đập quán tính. Thiết bị rủa khí li tâm. Thiết bị rửa khí vận tốc cao Phương pháp điện: Lọc điện khô Lọc điện ướt Lọc sương Lưới thu giọt sương. Xử lý SO2: Các tính chất của khí SO2: SO2 là chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan trong nước với nồng độ thấp (ở điều kiện bình thường 1 thể tích nước hòa tan 40 thể tích SO2) SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở – 750C và nhiệt độ sôi ở – 100C SO2 rất bền nhiệt (DH0tt = - 296,9 kJ/mol). Tác hại của khí SO2: SO2 trong khí thải công nghiệp là một thành phần gây ô nhiễm không khí. Nồng độ cho phép khí SO2 có trong môi trường xung quanh chúng ta là rất nhỏ (<300mg/m3). Nó ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe, các hoạt động của con người, cũng như động vật, thực vật và bầu khí quyển. Đối với con người khi hít phải khí SO2 có thể gây ra các bệnh về đường hô hấp như: viêm phế quản, viêm phổi, giãn phổi,… Nếu hít phải SO2 với nồng độ cao có thể gây tử vong. Khí SO2 trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa hay dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng chúng chuyển thành SO3 nhờ O2 có trong không khí. Khi gặp H2O, SO3 kết hợp với nước tạo thành H2SO4. Đây chính là nguyên nhân tạo ra các cơn mưa acid gây ra thiệt hại rất lớn. Các nhà cửa, công trình kiến trúc bằng kim loại bị ăn mòn, thưc vật, động vật bị chết hoặc chậm phát triển, nếu H2SO4 có trong nước mưa với nồng độ cao sẽ làm bỏng da người hay làm mục nát áo quần. Các phương án xử lý khí SO2: Phương pháp hấp thụ: Để hấp thụ SO2 ta có thể sử dụng nước, dung dịch hoặc huyền phù của muối kim loại kiềm hoặc kiềm thổ. + Hấp thụ bằng nước: Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất đ