Đề tài Thiết kế hệ thống xử lý khí thải cho nhà máy xi măng lò đứng

phoỏi lieọu cho 1 Kg clinke: -ẹaự voõi:1,24 Kg/Kg clinke -ẹaỏt seựt: 0,297 Kg/Kg clinke -Xổ pirit: 0,017Kg/Kg clinke -Photphorit:0,032Kg/Kg clinke . Thaứnh phaàn hoựa hoùc cuỷa boọt lieọu: MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 35,05 13,39 3,373 2,406 43,44 0,613 . Thaứnh phaàn hoựa hoùc cuỷa than: C H O N S A W 72,38 0,92 1,95 0,25 0,5 22 2 A.Tớnh doứng vaứo: - Lửụùng than tieõu toỏn ủeồ nung 1 Kg clinke: Xt=0,19 Kg/Kg clinke - Lửụùng nguyeõn lieọu aồm vaứo loứ: Lửụùng nguyeõn lieọu aồm vaứo loứ ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau: GWC = GC x 100 100 - WC Kg/Kg clinke -GC : Lửụùng nguyeõn lieọu khoõ vaứo loứ coự tớnh ủeỏn lửụùng buùi toồn thaỏt, ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau: GC = GTC x 100 100 - aTT Kg/Kg clinke -Wc : ẹoọ aồm cuỷa phoỏi lieọu vaứo loứ. _GTC : Lửụùng nguyeõn lieọu khoõ lyự thuyeỏt vaứo loứ nung, ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau: GTC = 100 – a x Xt x A 100 - MKNC Kg/Kg clinke -aTT :Tổn thất nguyên liệu cho lò phản ứng Vụựi phửụng phaựp ửụựt aTT =3-5%, Vụựi phửụng phaựp khoõ aTT =5-10% -MKN : Phaàn traờm chaỏt maỏt khi nung cuỷa phoỏi lieọu -A : Haứm lửụùng tro cuỷa than (%) -a : ẹoọ laộng ủoùng tro than trong loứ nung ( a= 0,8-1) Aựp duùng caực coõng thửực ủaừ neõu treõn vaứ giaỷ thieỏt: toồn thaỏt nguyeõn lieọu theo buùi ra ngoaứi laứ aTT = 0,5%(max) ẹoọ laộng ủoùng tro than trong loứ nung laứ a = 1 ẹoọ aồm phoỏi lieọu vaứo loứ WC = 2% Tớnh lửụùng khoõng khớ vaứo loứ : GB = V0 * a * g * Xt Kg/Kg clinke -V0 : Lửụùng khoõng khớ lyự thuyeỏt vaứo loứ nung, neỏu duứng nguyeõn lieọu raộn ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau : V0 = -a : Heọ soỏ dử khoõng khớ (a = 1,05-1,15) -g : Khoỏi lửụùng rieõng cuỷa khoõng khớ (g = 1,293) B, Tớnh doứng ra I.Tớnh haứm lửụùng buùi thaỏt thoaựt trong quaự trỡnh nung luyeọn clinke: + Buùi do quaự trỡnh phaõn huỷy phoỏi lieọu: Gb = ( GC – GTC) x (1 – MKN x b x 0,01) Kg/Kg clinke -Gb : Lửụùng buùi thaỏt thoaựt do quaự trỡnh phaõn huỷy phoỏi lieọu (Kg/Kg clinke) -b : Mửực ủoọ phaõn huỷy hoaứn toaứn cacbonnat cuỷa buùi khoõng thu hoài (b = 0,3-0,6) + Buùi cuỷa tro nhieõn lieọu sinh ra GTRb = II. Tớnh haứm lửụùng khớ SO2 sinh ra do quaự trỡnh nung clinke xi maờng Tớnh haứm lửụùng khớ SO2 do quaự trỡnh ủoỏt than: Lửu huyứnh toàn taùi trong than coự tụựi 90% ụỷ daùng ủụn chaỏt vaứ 10% ụỷ daùng sunfua kim loaùi, hụùp chaỏt hửừu cụ. Khi ủoỏt, phaỷn ửựng chaựy vụựi oxy taùo thaứnh SO2. Lửụùng khớ SO2 sinh ra do quaự trỡnh ủoỏt than ủửụùc ủửụùc tớnh theo phaỷn ửựng vụựi hieọu suaỏt chuyeồn hoựa laứ 90%: MSO2 = 0,00171Kg/Kg clinke + Tớnh haứm lửụùng khớ SO2 do quaự trỡnh nung luyeọn clinke trong loứ nung: ẹeồ tớnh lửụùng SO2 sinh ra do quaự trỡnh nung nguyeõn lieọu ụỷ nhieọt ủoọ cao trửụực heỏt phaỷi tớnh ủửụùc lửụùng S coự trong nguyeõn lieọu ban ủaàu: Lửụùng lửu huyứnh coự trong nguyeõn lieọu ban ủaàu Nguyeõn lieọu Lửụùng Kg/Kg clinke Lửụùng lửu huyứnh % khoỏi lửụùng Khoỏi lửụùng Kg/Kg clinke Soỏ Kmol ẹaự voõi 1,24 - 1,488*10-4 4,65*10-6 ẹaỏt seựt 0,297 - 1,782*10-4 5,56875*10-6 Xổ pirit 0,017 4 6,8 x 10-4 0,19 x 10-4 Theo caực phửụng trỡnh ủaừ neõu, cửự 1 nguyeõn tửỷ S taùo ra 1 phaõn tửỷ SO2. Vỡ vaọy neỏu coi 100% lửu huyứnh coự trong nguyeõn lieọu deàu chuyeồn thaứnh SO2 thỡ coự theồ tớnh ủửụùc taỷi troùng khớ SO2 do nhieõn lieọu taùo thaứnh khi nung ụỷ mửực ủoù cao nhaỏt. Khi ủoự lửụùng SO2 sinh ra ủửụùc tớnh: M2SO2 = 0,002014Kg/Kg clinke Song caực phaỷn ửựng treõn trong thửc teỏ khoõng bao giụứ ủaùt ủeỏn hieọu suaỏt 100%. Vỡ vaọy taỷi lửụùng khớ SO2 thửùc teỏ coự theồ nhoỷ hụn giaự trũ tớnh. Vaọy toồng lửụùng khớ SO2 sinh ra do quaự trỡnh ủoỏt than vaứ quaự trỡnh nung nguyeõn lieọu ụỷ nhieọt ủoọ cao laứ: MTSO2 = M1SO2 + M2SO2 = 0,003724Kg/Kg clinke III.Tớnh lửụùng khớ NOx sinh ra do quaự trỡnh ủoỏt than: Vieọc hỡnh thaứnh caực khớ NOx trong quaự trỡnh ủoỏt than trong loứ dieón ra raỏt phửực taùp, vỡ vaọy taỷi lửụùng caực chaỏt khớ naứy ủửụùc tớnh baống phửụng phaựp ủaựnh giaự nhanh cuỷa WHO. Theo phửụng phaựp ủaựnh giaự nhanh cuỷa Toồ chửực Y Teỏ Theỏ Giụựi (WHO) thỡ cửự 1 taỏn than ủem ủoỏt seừ phaựt sinh 9,0 Kg khớ NO2. Vaọy neỏu ủem ủoỏt 0,19 Kg than (tửụng ửựng vụựi Kg clinke) thỡ taỷi lửụùng khớ NO2 sinh ra seừ laứ: MNO2 = (9,0:1000) x 0,19 = 0,0017 Kg/Kg clinke ệụực tớnh taỷi lửụùng oõ nhieóm tửứ nhửừng nguoàn chớnh cuỷa nhaứ maựy xi maờng loứ ủửựng: STT Chaỏt oõ nhieóm Taỷi lửụùng oõ nhieómTaỏn/Taỏn clinke Taỷi lửụùng oõ nhieóm Taỏn/naờm 1 Buùi 0,013787 0,09909(*) 1058,8416 7610,112(*) 2 CO2 1,0847 86246,4 3 CO 0,000066 5,0688 4 NO2 0,00197 151,296 5 SO2 0,004014 308,27525 6 THC 0,00001 0,81485 C. Các phương pháp giảm thiểu ô nhiễm: 1. Giảm thiểu SO2: 1.1. Chuyển sang ding nhiên liệu có hàm lượng S thấp: a.Than đá có hàm lượng lưu huỳnh thấp b.Dầu có hàm lượng lưu huỳnh thấp c.Khí tự nhiên 1.2. Sử dụng than và dầu đã dược khử lưu huỳnh: a. Khử lưu huỳnh khỏi than đá: . Tuyển (rửa) nhờ trọng lực . Khí than hoá . Sản xuất nhiên liệu lỏng tổng hợp từ than b. Khử lưu huỳnh khỏi dầu 2. Giảm thiểu NOx: 2.1. Hạ thấp hệ số dư không khí: Hệ số thừa không khí càng lớn thì mức độ sinh NOx càng cao do nó làm cho nhiệt độ cũng như nồng độ oxy ở vùng sau đốt tăng. Duy trì hệ số dư không khí <10%. Điều này làm cho nhiệt độ cũng như nồng độ oxy sau đốt giảm. 2.2. Quay vòng sản phẩm khí cháy: Một phần sản phẩm cháy (10-20%) được đưa quay trở lại vùng cháy nhằm hạ nhiệt độ ngọn lửa và giảm lượng oxy dư. 2.3. Thực hiện quá trình cháy 2 giai đoạn ở giai đoạn 1 cấp khí dưới mức tình theo hệ số tỷ lượng. Tiếp đó ở giai đoạn 2 bổ sung khí ở nhiệt độ thấp để đốt cháy hết phần nhiên liệu còn lại. Mục đích là giảm nhiệt độ của quá trình cháy. 2.4. Chọn cấu tạo của buồng đốt thích hợp: Chẳng hạn, buồng đốt than dạng cyclone có mức phát thải NOx cao nên tránh dùng. 2.5. Hạn chế việc gia nhiệt khí trước đưa vào buồng đốt: Mục đích là giảm nhiệt độ của quá trình cháy. Bên cạnh việc áp dụng các biện pháp cải tiến công nghệ và giảm thải tại nguồn, chúng ta cần phải áp dụng các biện pháp xử lý khí ô nhiểmx thích hợp để làm giảm tải lượng ô nhiễm vào môi trường xung quanh. Phần 3 Thiết kế hệ thống xử lý khí thải cho nhà máy xi măng lò đứng Nhà máy xi măng lò đứng: Lưu lượng: 26000 m3/h Bụi : 3500 mg/m3 SO2 : 4000 mg/ m3 NOx : 3000 mg/ m3 I. Lựa chọn công nghệ: I.1. Xử lý bụi: Để xử lý bụi cho các nhà máy thì chúng ta có rất nhiều phương pháp. Sau đây là một số thiết bị xử lý bụi phổ biến trong các dây chuyền xử lý: I.1.1. Buồng lắng: Buồng lắng làm cho bụi lắng dưới tác dụng của trọng lực. Buồng lắng là một không gian hình hộp có tiết diện ngang lớn hơn nhiều lần so với tiết diện của đường ống dẫn khí vào và ra để cho vận tốc dòng khí bụi giảm xuống rất nhỏ khi đi vào buồng lắng. Nhờ thế hạt bụi có đủ thời gian để rơi xuống chạm đáy dưới tác dụng của trọng lực và bị giữ lại ở đó. Buồng lắng có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, đầu tư thấp, dễ xây dựng bằng các vật liệu có sẵn nhưng với lưu lượng lớn thì buồng lắng sẽ rất cồng kềnh, chiếm nhiều không gian và chỉ tách được các hạt bụi lớn. I.1.2. Thiết bị tách bụi bằng lực tĩnh điện: (ESP) Thiết bị tách bụi bằng lực tĩnh điện tách bụi nhờ lực tĩnh điện. Thiết bị có khả năng tách được các hạt bụi mịn, đạt hiệu suất cao nhưng thiết bị chỉ lamf việc tốt với loại bụi rắn có điện trở suất trung bình, trong khoảng 107 đến 2.1010. Ngoài ra, trang thiết bị tốn kém, hoạt động đòi hỏi rất nhiều năng lượng. I.1.3.Thiết bị tách bụi bằng vật liệu lọc: Dòng khí bụi được đưa qua một môi trường xốp, bụi được giữ lại phía trên hoặc phía trong thể tích của các môi trường xốp do tác dụng của các lực khuếch tán, quán tính… và được tách ra khỏi dòng khí. Thiết bị tách bụi bằng vật liệu lọc có khả năng tách được bụi có kích thước nhỏ, hiệu suất tách bụi cao. Tuy nhiên không thích hợp với bụi có độ ẩm cao, hiệu suất tách bụi phụ thuộc nhiều vào vật liệu lọc, nếu tái sinh không tốt có thể gây tác cho từng bộ phận, đầu tư cho vật liệu lọc khá tốn kém. I.1.4. Cyclon Cyclon tách bụi nhờ tác dụng của lực ly tâm. Gia thành đầu tư thấp, cấu tạo đơn giản dễ vận hành, chi phí bảo dưỡng thấp, có khả năng làm việc liên tục, có thể chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên cyclone đạt hiệu suất tách bụi thấp với bụi có d<5m. I.1.5. Thiết bị tách bụi ướt Tạo ra sự tiếp xúc giữa dòng khí bụi và chất lỏng, bụi trong dòng khí bị chất lỏng giữ lại và được thải ra ngoài dưới dạng bùn cặn. Thiết bị có khả năng xử lý đồng thời cả khí lẫn bụi, có hiệu suất tách bụi cao đối với bụi có kích thước nhỏ, có thể vận hành ở nhiệt độ cao, không có hiện tượng bụi quay lại. I.2. Xử lý NOx: Công nghệ khử xúc tác chọn lọc xử lý NOx sử dụng chất xúc tác và tác nhân khử NH3 ở nhiệt độ cao. Với chất xúc tác có chứa V2O5 thông dụng hiện nay, nhiệt độ làm việc của quá trình thường từ 300-4500C . Phản ứng quan trọng trong quá trình là phản ứng khử chọn lọc giữa NH3 và NOx tạo thành N2 và nước trên bề mặt xúc tác. Ngoài ra trong dòng khí có mặt nhiều chất khí khác nên còn có nhiều phản ứng phụ có thể làm ảnh hưởng tới hiệu suất khử NOx và các thông số hoạt động của quá trình như oxy hoá NH3 oxy hoá SO2 thành SO3 Phản ứng khử chọn lọc: 4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O 2NO + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O Các phản ứng phụ Oxy hoá NH3: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O Oxy hoá SO2: SO2 + 1/2O2 = SO3 Tạo muối amôn SO3 + NH3 +H2O = NH4HSO4 SO3 + 2NH3 +H2O = (NH4)2SO4 I.3. Xử lý SO2: I.3.1.Trộn thêm đá vôi (CaCO3) vào nhiên liệu trước khi đôt trong lò tầng sôi Đá vôi được trộn với than đá trước khi đốt. SO2 được tạo thành trong quá trình đốt phản ứng trực tiếp với đá vôi tạo Canxi sunfat. Phương pháp này có hiệu suất cao nhưng tỉ lệ giứa đá vôi và than đá đạt 1/4 trong khi hàm lượng S trong than đá chỉ khoảng 3%. Do đó lượng chất thải rắn phát sinh lớn. I.3.2.Hấp thụ bằng sữa vôi Dùng dịch sữa vôi hấp thụ khí SO2 trong khí thải theo phưong trình phản ứng tổng hợp sau: Ca(OH)2 + SO2 CaSO3 + H2O Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền. I.3.3.Hấp thụ bằng sữa vôi kết hợp với MgSO4 Thực chất quá trình hấp thụ được thực hiện bởi MgSO3 .Tiếp đó, MgSO3 được tái sinh nhờ thực hiện kết tủa Canxi sunfat ở bể phía ngoài tháp hấp thụ. Phương pháp này có thể tránh được cặn đọng, tuy nhiên yêu cầu phải xử lý bụi với mức độ cao trước khi xử lý SO2. I.3.4.Hấp thụ bằng dịch Mg(OH)2. Tương tự như phương pháp dùng Ca(OH)2. MgO được tái sinh nên hạn chế được vấn đề chất thải rắn. Tuy nhiên tốn năng lượng cho quá trình tái sinh này. I.3.5.Hấp thụ bằng dung dịch kiềm hoặc amoni Dung dịch hấp thụ là Na+ hoặc NH4OH. Sau hoàn nguyên có thể sử dụng SO2 để sản xuất H2SO4. Tuy nhiên, tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn là Na2SO4 và (NH4)2SO4. Như vậy, qua các thiết bị xử lý đã nêu, ta sử dụng cyclone để xử lý bụi ở giai đoạn đầu sau đó kết hợp với các thiết bị tách bụi ướt ở giai đoạn sau để có thể giảm lượng bụi thoát ra ngoài đạt tiêu chuẩn cho phép. Cyclone tổ hợp không thích hợp cho xử lý bụi nhà máy xi măng vì bụi này có độ kết dính cao. Do đó, lựa chọn xử lý bụi băng cyclone đơn. Sau xử lý bụi, nhiệt độ dòng khí thải vẫn đạt trên 3700C. Do đó đảm cho việc xử lý NOx bằng khử xúc tác chọn lọc NH3. Cuối cùng là công đoạn xử lý SO2 bằng sữa vôi. Phương pháp này rẻ tiền và tận dụng được nguồn nguyên liệu có sẵn, hiệu suất hấp thụ cao, có khả năng xử lý lượng bụi còn lại. II.Tính toán thiết kế xyclon I.1.Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của xyclon Khả năng tách bụi của xyclon là do lực ly tâm tác dụng lên hạt bụi. Khi dòng khí đi vào thiết bị hình trụ theo phương tiếp tuyến, dòng khí chuyển động xoáy ốc bên trong thiết bị, làm cho các hạt bụi văng về phía thành xyclon. Dưới tác dụng của lực trọng trường, các hạt bụi này rơi xuống đáy xyclon. Như vậy bụi được tách ra khỏi dòng khí. Dòng khí va vào đáy thiết bị, giữ nguyên chuyển động xoáy và đi theo đường ống trung tâm ra ngoài. Lực ly tâm được tính theo công thức: Trong đó: v- vận tốc dài m- khối lượng hạt r- bán kính quỹ đạo Cấu tạo của xyclon được minh hoạ trên hình vẽ. I.2.Tính toán xyclon Dựa vào hiệu suất tách bụi của xyclon đối với chế độ chảy rối của dòng khí: Trong đó: Hiệu suất tách bụi kích thước d Số dòng xoắn mà dòng khí chuyển động trong xyclon Chọn n =5 vc- Vận tốc dài của bụi(bằng vận tốc dòng khí vào) Tỉ khối bụi =2,9.103(kg/m3) - Độ nhớt của khí = 1,8.10-5(kg/m.s) Wi- Chiều rộng cửa vào của xyclon Mặt khác ta có: Scửa vào.vc = Q 2Wvc = Q ==17.8 (m3/s) vc = Thay các giá trị trên vào công thức tính hiệu suất, ta được biểu thức quan hệ giữa Wi, d và =1- exp Hay Wi = Cho một số giá trị hiệu suất cần đạt và giá trị kích thước bụi, tính giá trị của Wi ta được bảng sau d(m) 0.000005 0.00001 0.000015 0.00002 0.000025 0.00003 0.4 0.5 0.79 1.03 1.25 1.45 1.64 0.45 0.47 0.75 0.98 1.19 1.38 1.56 0.5 0.45 0.71 0.93 1.13 1.31 1.48 0.55 0.43 0.68 0.89 1.08 1.25 1.41 0.6 0.41 0.65 0.85 1.03 1.19 1.35 0.65 0.39 0.62 0.81 0.98 1.14 1.29 0.7 0.37 0.59 0.78 0.94 1.09 1.23 0.75 0.36 0.57 0.74 0.9 1.04 1.18 0.8 0.34 0.54 0.7 0.85 0.99 1.12 0.85 0.32 0.51 0.67 0.81 0.94 1.06 0.9 0.3 0.48 0.63 0.76 0.88 0.99 0.95 0.28 0.44 0.57 0.69 0.81 0.91 Bảng:chiều rộng cửa vào xyclon Từ kích thứớc thu được, tính lại hiệu suất thu bụi của xyclon với các loại bụi của nhà máy xi măng (bảng trang sau), qua đó lựa chọn vận tốc và kích thước cửa vào tối ưu ta được kết quả: vc = 15,8(m/s) = 0,61 Wi = 0,75 (m) Từ đó ta có các kích thước của xyclon : Wi = 0,75 (m) H = 1,5 (m) H1 = 6 (m) H2 = 6 (m) De = 3 (m) S = 1.5 (m) dd = 0,75 (m) III.Tính toán thiết bị khử xúc tác chọn lọc bằng NH3 với xúc tác Vanadi III.1.Cơ sở của quá trình khử xúc tác chọn lọc: III.1.1. Các phản ứng khử: Công nghệ khử xúc tác chọn lọc xử lý NOx sử dụng chất xúc tác và tác nhân khử NH3 ở nhiệt độ cao. Với chất xúc tác có chứa V2O5 thông dụng hiện nay, nhiệt độ làm việc của quá trình thường từ 300-4500C . Phản ứng quan trọng trong quá trình là phản ứng khử chọn lọc giữa NH3 và NOx tạo thành N2 và nước trên bề mặt xúc tác. Ngoài ra trong dòng khí có mặt nhiều chất khí khác nên còn có nhiều phản ứng phụ có thể làm ảnh hưởng tới hiệu suất khử NOx và các thông số hoạt động của quá trình như oxy hoá NH3 oxy hoá SO2 thành SO3 Phản ứng khử chọn lọc: 4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O 2NO + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O Các phản ứng phụ Oxy hoá NH3: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O Oxy hoá SO2: SO2 + 1/2O2 = SO3 Tạo muối amôn SO3 + NH3 +H2O = NH4HSO4 SO3 + 2NH3 +H2O = (NH4)2SO4 Quá trình khử chọn NOx chủ yếu thông qua phản ứng khử NO vì thành phần khí thải lò đốt công nghiệp NO2 chỉ chiếm một lượng nhỏ từ 5-10% lượng NOx Phản ứng oxy hoá NH3 được quan tâm bởi nó dẫn đến tổn thất NH3 làm giảm hiệu suất khử NOx nói chung của quá trình vì sản phẩm phản ứng có một phần NO, SO3 có mặt trong khí thải có thể phản ứng với NH3 tạo ra các muối amôn dạng bụi mịn có thể làm tắc và bao phủ bề mặt xúc tác cũng như lắng đọng hoặc ăn mòn các bộ phận phía sau dòng. Do đó việc ngăn chặn hoặc giảm bớt các phản ứng phụ trên là một trong những vấn đề được quan tâm nhất trong xử lý NOx bằng phương pháp khử xúc tác với NH3 nhằm đạt hiệu suất khử NOx mà không làm gây trở ngại tới các thiết bị khác. III.1.2.Phản ứng chọn lọc: NH3 hấp phụ mạnh trên bề mặt xúc tác phản ứng với NO trong pha khí tạo thành phức chất và sau đó bị phân huỷ thành N2 và hơi nước theo dạng cơ chế động học xúc tác Eley-Rideal. vai trò của oxy là tái tạo trung tâm hoạt tính V=O từ dạng V- OH trên xúc tác. Nồng độ oxy trong khí thải lớn hơn 2% hầu như không ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng khử lựa chọn oxy, ảnh hưởng của oxy chỉ đáng kể từ dưới 1%. Trong điều kiện thực tế thành phần oxy dư trong không khí thải đốt nhiên liệu thường cao trên dưới 4% nên quá trình khử xúc tác chọn lọc được coi là không chịu ảnh hưởng bởi nồng độ oxy. Cơ chế Eley-Rideal đã được chấp nhận sử dụng trong rất nhiều nghiên cứu hoạt tính xúc tác và mô phỏng thiết bị SCR cho thấy sự phù hợp với thực nghiệm. III.1.3. Các phản ứng phụ Oxy hoá NH3. NH3 có thể bị oxy hoá ở nhiệt độ cao trên 300oc tạo thành N2 và một phần NO, đôi khi còn có thể tạo thành một lượng nhỏ N2O. Phản ứng NH3 xảy ra khi nồng độ NO trong pha khí thấp đến mức không duy trì được phản ứng khử chọn lọc chủ đạo với NH3. Phản ứng này thường gặp trong trường hợp nồng độ NO giảm xuống không trước khi ra khỏi lớp xúc tác và trong dòng khí vẫn còn dư NH3 chưa phản ứng (do tỉ lệ NH3>NO>1), NH3 bị oxy hoá trong phần còn lại của thiết bị. Hiệu suất khử NOx tổng sẽ bị giảm khi NH3 bị oxy hoá thành NO đáng kể. Sự oxy hoá NH3 tăng lên khi nồng độ NH3 dư cao và nhiệt độ vùng phản ứng trên 371oc. Để hạn chế sự oxy hoá NH3 trong thực tế đối với khí thải đốt nhiên liệu tỉ lệ NH3/NO ban đầu được khống chế nhỏ hơn 1 và nhiệt độ quá trình dưới 450oC. Oxy hoá SO2. Khí SO2 bị oxy hoá thành SO3 dưới xúc tác của V2O5. Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy oxy hoá SO2thành SO3 trong qua trình khử chọn lọc trên xúc tác thương mại rất nhỏ, phản ứng nằm trong miền động học, độ chuyển hoá thường từ 1-2% với nồng độ SO2 ban đầu lớn hơn 1000ppm. Một trong những kỹ thuật khống chế sự chuyển hoá của SO2 thường được dùng trong thực tế là hạn chế lượng xúc tác dư đặt trong thiết bị phản ứng. Sự tạo thành các muối sunphat amon NH3 và SO3 trong khí thải có thể phản ứng với nhau tạo thành các muối sunphat amon dạng bụi ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 270oC đối với NH4HSO4 và khoảng 150oc với (NH4)2HSO4). Để giảm thiểu lượng muối sunphát amon trong lớp xúc tác nhiệt độ quá trình được khống chế trên điểm tới hạn cho sự hình thành. III.1.4.Xúc tác chọn lọc khử V2O5 Xúc tác chọn lọc đóng vai trò thúc đẩy tốc độ phản ứng và do đó tăng hiệu suất khử NOx thành N2. Các phản ứng khử chọn lọc xảy ra bên trong và trên bề mặt xúc tác giữa NOx và NH3. NH3 hấp phụ trên các hạt trung tâm hoạt tính phân bố đồng nhất trên các bề mặt xốp của mao quản. Hoạt tính của xúc tác được duy trì khi các trung tâm hoạt tính được tự do tham gia liên tục vào các bước hấp phụ, phản ứng và nhả hấp phụ. Hoạt tính xúc tác giảm khi các trung tâm hoạt tính bị ngộ độc, bị che phủ hoặc mài mòn, hay khi bề mặt xuc tác bị biến dạng mạnh. Xúc tác dạng ống vuông áp dụng cho khí thải chứa nhiều bụi, kích thước phổ biến 6-13mm, cho khí thải ít bụi hoặc không chứa bụi từ 3-6mm. Trong thiết bị khử xúc tác các khối xúc tác được dùng gồm nhiều ống nhỏ ghép lại được bố trí thành một số tần dọc theo đường đi của dòng khí để có thể được thay thế mà không ảnh hưởng tới các tầng khác. Để hoạt động của lớp xúc tác được hiệu quả, xúc tác cần được làm việc trong điều kiện không có khuấy trộn ngược dòng, không có vùng chết. Dòng khí thải cần được phân phối đồng đều ở đầu vào lớp xúc tác và toàn bộ ống xúc tác. Hiệu quả làm việc của xúc tác phụ thuộc vào sự phân phối và trộn đồng đều NH3 ở đầu vào. Thành phần V2O5 trong các loại xúc tác thương mại được sử dụng cho xử lý NOx thường trong khoảng 0,4-2%, một số loại có thể lên tới 3%. Thành phần V2O5 càng cao thì hoạt tính xúc tác càng tăng tuy vậy trong thực tế đối với khí thải từ than đốt hoặc dầu người ta có xu hướng sử dụng xúc tác chứa ít Vanadi để hạn chế chuyển hoá SO2. Các chất gây ngộ độc xúc tác có mặt trong khí thải bao gồm các oxit kim loại kiềm, oxit kim loại kiềm thổ, asen, một số nguyên tố vết và có thể cả các oxit lưu huỳnh. Đối với khí thải của các lò đốt rác còn có thể có thêm PbO và một số kim loại nặng khác. Thời gian sử dụng hữu hiệu của xúc tác phụ thuộc rất nhiều vào môi trường làm việc của xúc tác. Đối với hầu hết các quả trình khử xúc tác chộn lọc tốc độ giảm hoạt tính xúc tác là 10-20% một năm. II.1.5.Hiệu suất quá trình khử xúc tác chọn lọc và các yếu tố ảnh hưởng II.1.5.1.ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ đồng thời ảnh hưởng rõ rệt đến 2 quá trình bề mặt: phản ứng và hấp phụ thuận nghịch trên bề mặt xúc tác, tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ, ngược lại hấp phụ của NH3 trên xúc tác lại giảm đi. Ngoài ra nhiệt độ cao hơn, NH3 có thể bị oxy hoá một phần thành NO cũng làm tốc độ khử giảm đi. Sự tăng giảm đối ngược này tạo nên hiệu suất khử đạt cao tại một nhiệt độ nhất định. Khoảng nhiệt độ mà hiệu suất khử đạt cao nhất phổ biến nhất khoảng 320-450oC. Phản ứng khử NOx bằng NH3 là phản ứng toả nhiệt nhưng do nồng độ các chất NH3 và NOx trong khí thải rất loãng nên lượng nhiệt sinh ra do quả trình khử xúc tác rất nhỏ. Giả sử với nồng độ NOx ban đầu khoảng 1500 ppm được chuyển hoá 100% thành N2 trong thiết bị phản ứng đoạn nhiệt, nhiệt độ của dòng khí chỉ tăng lên 12,8oC. Đối với hiệu suất và hoạt động thông thường của các thiết bị khử xúc tác công nghiệp, nhiệt độ chỉ gia tăng khoảng 5,1 oC. Mặt khác mặc dù thời gian lưu trong lớp xúc tác ngắn và được cách biệt song dòng khí vẫn có xu hướng mất nhiệt với bên ngoài. II.1.5.2ảnh hưởng của khuếch tán trong và khuếch tán ngoài Quá trình khử xúc tác rắn liên quan tới nhiều bước nối tiếp nhau bao gồm khuếch tán ngoài khuếch tán trong và quá trình phản ứng bề mặt. Sự ảnh hưởng tổng hợp của khuếch tán trong và ngoài đến phản ứng khử và hiệu suất khử rất phức tạp phụ thuộc vào đặc tính của xúc tác, kích thước hình học của xúc tác và chế độ thuỷ động của dòng khí đi trong lớp xúc tác. III.1.5.3ảnh hưởng của tỷ lệ NH3/NOx vào Thông thường hiệu suất khử NOx tăng lên tương ứng với tỷ lệ NH3/NOx ban đầu, tuy nhiên do động học phản ứng khá phức tạp và ảnh hưởng của quá trình khuếch tán nên thực tế xu hướng đó chỉ đúng với tỉ lệ NH3/NOx nhỏ hơn 0,8. Với tỷ lệ cao hơn thì hiệu suất ngày càng tăng nhưng sự phụ thuộc ít đi. Với tỷ lệ NH3/NOx từ 0,8-1 hoặc cao hơn thì lượng NH3 không phản ứng có thể tăng lên dễ thúc đẩy quá trìn oxy hoá NH3 cũng như gia tăng nồng độ NH3 không phản ứng ra khỏ thiết bị xúc tác. III.2.Hệ thống thiết bị khử xúc tác chọn lọc (SCR) -ống dẫn tắt khí lò có nhiệm vụ khống chế nhiệt độ dòng khí nằm trong vùng nhiệt độ làm việc của khí lò có thể giảm xuống trong trường hợp đó khí lò được dẫn tắt không đi qua thiết bị thu hồi nhiệt. - Bộ phận phun NH3 đảm nhiệm chức năng phân phối đồng đều hỗn hợp hơi NH3 vào dòng khí phía trước lớp xúc tác tránh sự thất thoát NH3 làm giảm hiệu quả khử của quá trình. - Bộ phận điều chỉnh dòng khí có chức năng hướng dòng khí chuyển động song song vào các ống xúc tác tiết diện vuông nhằm tránh sự va đập của bụi và dòng khí ở tốc độ cao có thể mài mòn bề mặt xúc tác. - Bộ phận thổi mồ hóng được lắp đặt phía trước dòng của mỗi tầng xúc tác để làm sạch bụi muội và các chất dễ lắng đọng trên bề mặt xúc tác. - Thiết bị phản ứng xúc tác. Lớp xúc tác được chia thành một số tầng chứa xúc tác dạng ống dọc theo đường đi của dòng khí. Thiết bị phản ứng được thiết kế để bảo đảm nhiệt độ dòng khí được duy trì tròng dải nhiệt độ tối ưu của quá trình. Thông thường có một số tầng xúc tác được để trống để tiện lắp đặt thêm xúc tác trong quá trình vận hành mà không làm gián đoạn hoạt động của hệ thống - Bên cạnh đó còn có thiết bị hoá hơi NH3.... II.3.Phương pháp tính toán Tính toán sơ bộ thiết bị khử xúc tác chọn lọc NOx được dựa trên đặc tính dòng khí thải yêu cầu xử lý NOx và những yếu tố giới hạn của quá trình nhằm bảo đảm hiệu suất xử lý mong muốn, giảm thiểu được những ảnh hưởng phụ của quá trình. Công thức tính toán Trong thiết bị phản ứng, dòng khí chuyển động song song theo thiết bị và thực hiện phản ứng khử NOx trên xúc tác. Hoạt động của xúc tác đòi hỏi dòng khí được phân phối đồng đều trong toàn lớp xúc tác, không có sự khuấy trộn dọc và các vùng chết. Để phù hợp với các đặc trưng của chuyển động dòng khí trong lớp xúc tác, ở đây những tính toán được dựa trên mô hình thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng. Tốc độ khử NO được tính theo công thức Trong đó k: hằng số tốc độ phản ứng tổng của quá trình, tổng hợp các đặc trưng cơ bản của quá trình: thành phần xúc tác, nhiệt độ, tốc độ phản ứng hoá học và chuyển khối tại nhiệt độ đó, ảnh hưởng của nồng độ oxy, hơi nước trong dòng khí và các thông số hình học của dạng xúc tác. CNO: nồng độ khí NO (phần mol) Hiệu suất khử NOx được xác định bằng công thức thực nghiệm m:tỷ lệ NH3/NOx vào thiết bị (0,8) k: hằng số tốc độ phản ứng(1/s) V: thể tích thiết bị (m3) G : lưu lượng thể tích dòng khí (m3/s) Như vậy ta có thể tích thiết bị với XNO = 66,7% k = 10,8*0,2 = 2,16 m = 0,8 G = 64100 (m3/h) = 17,8 (m3/s) => Vtb= 16,6 (m3) Nồng độ NH3 dư ra khỏi thiết bị quan hệ với tỷ lệ NH3/NOx ban đầu như sau: C NH3,ra= (m- XNO).CNO, vào CNO,vào = 2,24.10-3 (g) => C NH3, ra = 2,98.10-4 (g) CNO,ra: nồng độ NO ban đầu CNH3, ra: nồng độ NH3 dư (không phản ứng) Như vậy ta có thể tích xúc tác cần thiết theo công thức => Vxt=14,78 (m3) Công thức này đã tính đến một số yếu tố giới hạn của quá trình bao gồm: hiệu suất khử NOx, thời gian nồng độ NH3 dư (có liên quan tới tỷ lệ NH3/NOx vào) Lựa chọn các thông số cho tính thiết kế thiết bị Tính toán sơ bộ thể tích xúc tác khử NOx đư