Đồ án Khí thải - Đề tài Thiết kế hệ thống xử lý khí thải từ lò hơi sử dụng dầu DO làm nhiên liệu đốt với năng suất 5 tấnh của nhà máy sản xuất mì gói

rộng rãi để khử ẩm trong không khí loại bỏ những chất gây mùi, hơi dung môi, những chất màu, những ion hòa tan trong nước. Có hai phương thức hấp phụ: + Hấp phụ vật lý: Các phần tử khí bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ nhờ lực liên kết giữa các phần tử. Quá trình này có toả nhiệt, độ nhiệt toả ra phụ thuộc vào cường độ lực liên kết phân tử. + Hấp phụ hoá học: Khí bị hấp phụ do có phản ứng hóa học với vật liệu hấp phụ, lực liên kết phân tử trong trường hợp này mạnh hơn ở hấp phụ vật lý. Do vậy lượng nhiệt toả ra lớn hơn, và cần năng lượng nhiều hơn. Phương pháp hấp thụ bằng các amin thơm - Để hấp thụ SO2 trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO2 khoảng 1-2% thể tích) người ta sử dụng dung dịch C6H3(CH3)NH2, tỉ lệ C6H3(CH3)2NH2 : nước = 1:1). C6H3(CH3)2NH2 không trộn lẫn với nước nhưng khi liên kết với SO2 thành (C6H3(CH3)2NH2)2.SO2 tan trong nước. Phương pháp CaCO3 - Quá trình hấp thụ bằng huyền phù CaCO3, diễn ra theo các giai đoạn. Ưu điểm của phương pháp này là: Quy trình công nghệ đơn giản, chi phí hoạt động thấp, chất hấp thụ dễ tìm và rẻ, có khả năng xử lí khí mà không cần làm nguội và xử lí sơ bộ. - Quá trình hấp thụ được thực hiện trong nhiều tháp khác nhau: tháp đệm, tháp chảy màng, tháp đĩa, tháp phun, tháp sủi bọt và tháp tầng sôi. Xử lí khí SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn - Các quá trình xử lí khí SO2 bằng chất hấp thụ theo phương pháp ướt có nhược điểm là nhiệt độ của khí thải bị hạ thấp, độ ẩm lại tăng cao gây han rỉ thiết bị máy móc,hệ thống cồng. Để khắc phục yếu điểm trên và do nhu cầu hoàn nguyên vật liệu hấp phụ và làm sạch khí thải khỏi bụi của vật liệu hấp phụ người ta đã kết hợp giữa quá trình khô và ướt ngày càng trở nên thiết thực. Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính Xử lí khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới nước - Quá trình LURGI Xử lí SO2 bằng nhôm oxit kiềm hóa Xử lí khí SO2 bằng mangan oxit (MnO) Xử lí SO2 bằng vôi và dolomit trộn vào than nghiền : ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Tính toán lưu lượng và nồng độ đầu vào Tính toán lưu lượng Bảng 2. 1 Thành phần dầu DO (%) Nguyên tố C H O N S A W %m 86,3 10,5 0,3 0,3 0,5 0,3 1,8 (Nguồn [3]) Năng suất: GN = 5 tấn/h = 5000 kg/h Áp suất: 3 at Nhiệt độ nước: 25 °C; ts = 132,9 °C ( Bảng 41, trang 37, [7]) Nhiệt độ hóa hơi: rhh = 2171 ( Bảng 1.251, trang 315,[1] ) Nhiệt dung riêng của nước: CN= 4200×10-3 (J/kg.K) Hiệu suất làm việc: H = 90% = Q1 + Q2 = GN × CN × ∆t + GN × rhh = 5000 × 4200 × 10-3 × ( 132,9 - 25 ) + 5000 × 2171 = 12,9×106( kJ/h ) Hiệu suất chỉ đạt được 90%: QDO==14,3×106( kJ/h ) Nhiệt trị của nhiên liệu: LHVDO = 339C + 1256H + 108,8 (O - S) - 25,1 (W - 9H) Trong đó: C,H,O,S,W,H là thành phần cacbon, hydro, oxy, lưu huỳnh, nước trọng tự nhiên. (%) (Trang 55,[4]) LHVDO = 339×86,3 + 1256×10,5 - 108,8×(0,3 - 0,5) - 25,1×(1,8+9×10,5) = 40048,33 (kJ/kg) GDO = = = 357,1 (k g/h) Bảng 2. 2 Thành phần và lượng của các nguyên tố Thành phần C O H N S A W Lượng nguyên tố = GDO × %m 308,2 1,1 37,5 1,1 1,8 1,1 6,4 Phương trình phản ứng: C + O2 CO2 25,7 25,7 25,7 2H + 12O2 H2O 37,5 9,4 18,8 N + O2 NO2 0,08 0,08 0,08 S + O2 SO2 0,06 0,06 0,06 Bảng 2. 3 Thành phần số mol, khối lượng khí thải và thể tích khí thải Thành phần n (kmol/h) mthải (kg/h) Vthải (m3/h) CO2 25,7 1130,8 616,8 NO2 0,08 3,7 1,9 H2O 18,8 300,8 451,2 SO2 0,06 3,8 1,4 W 0,4 9,6 O2 35,2 Vthải= 844,8 Giả sử Oxy dư 25%: VO2= 844,8 × 1,25 = 1056 (m3/h) Mà Oxy chiếm 21% trọng không khí nên: Vkk = = = 5028,6 (m3/h) Lưu lượng khí thải: QKT = Vthải + Vkk = 844,8 + 5028,6 =5873,4 (m3/h) Giả sử nhà máy A nằm trong khu công nghiệp B hoạt động kể từ ngày 29/10/2013 nên so sánh nồng độ khí thải phát sinh với cột B QCVN 19:2009/BTNMT. Theo QCVN 19: 2009/BTNMT, nồng độ tối đa cho phép của SO2 được tính theo công thức sau: Cmax = C × Kp × Kv Trong đó: - Cmax là nồng độ tối đa cho phép của bụi và các chất vô cơ trong khí thải công nghiệp (mg/Nm3) - C là nồng độ của bụi và các chất vô cơ (mg/Nm3) quy định tại mục 2.2 QCVN 19:2009/BTNMT - Kp là hệ số lưu lượng nguồn thải quy định tại mục 2.3 QCVN 19:2009/BTNMT với QKT < 20000 (m3/h) chọn Kp = 1 - Kv là hệ số vùng, khu vực quy định tại mục 2.4 QCVN 19:2009/BTNMT với giả sử nhà máy A thuộc công nghiệp B chọn Kv = 1 Bảng 2. 4 Nồng độ các chất ô nhiễm ở miệng khói Thành phần C = m ×106Q (mg/m3) Theo QCVN 19:2009/BTNMT cột B SO2 647 500 NO2 554 850 A 174 200 Nhận xét: Từ lý thuyết tính toán nồng độ các chất ô nhiễm do đốt dầu DO ta thấy nồng độ SO2 lớn hơn tiêu chuẩn cho phép (Cột B QCVN 19:2009) . SO2 là chất ô nhiễm chính trong khói thải dầu DO, là yếu tố dùng để đánh giá mật độ gây ô nhiễm ở nhà máy A. Còn các chỉ tiêu khác thấp hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều. Đề xuất và thuyết minh quy trình công nghệ Cơ sở lựa chọn công nghệ Nguồn khói thải từ lò hơi có các thông số sau: Lưu lượng khí thải: G = 5873,4 (m3/h) Nồng độ khí SO2 vào tháp: Cv= 647 (mg/m3) Nồng độ khí ra khỏi tháp: Cr= 500 (mg/m3) Xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ Nhiệt độ làm việc của tháp: t = 40oC Áp suất của thiết bị: P = 1 atm = 105 Pa Tháp hấp thụ được chọn là tháp đệm vì: Hiệu quả xử lý cao; Chế tạo, vận hành đơn giản, Giá thành thiết bị chấp nhận được. Vật liệu đệm là vòng sứ với ưu điểm là chịu được môi trường ăn mòn tốt và chịu đuợc nhiệt độ cao. Ngoài ra còn có tác dụng kết dính bụi và kim loại nặng trong khí thải vào dung dịch hấp thu sau đó được tách ra ở dạng cặn của bể lắng. Quy trình công nghệ đề xuất Phương án 1: Tháp hấp thụ SO2 Nguồn tiếp nhận QCVN 19:2009/BTNMT, cột B Khí thải Tháp giải nhiệt Cyclon Ống khói phát thải Khu lưu trữ Bồn pha hóa chất dung dịch Ca(OH)2 Nguồn tiếp nhận Huyền phù Tháp hấp phụ Sơ đồ công nghệ: Hình 2. 1 Quy trình xử lý khí SO2 có sử dụng Cyclon. Chú thích: : Đường khí : Đường hóa chất : Đường bụi thu hồi Thuyết minh công nghệ: Dòng khí thải từ lò hơi sẽ được thu về hệ thống xử lý. Tại đây dòng khí và bụi được đưa vào tháp giải nhiệt khí nhờ các cánh quạt thổi khí giúp làm giảm nhiệt lượng của dòng khí thải. Sau đó dòng khí sẽ được đưa vào cyclon dưới tác dụng của lực ly tâm các hạt bụi có kích thước lớn sẽ va chạm vào thân thiết bị và mất quán tính rơi xuống đáy cyclon định kỳ được thu ra ngoài. Dòng khí sau khi đã sạch bụi và làm mát sẽ đưa qua tháp hấp thụ, sử dụng dung dịch Ca(OH)2 để xử lý SO2. Tại tháp hấp thụ, dung dịch Ca(OH)2 được bơm liên tục từ đỉnh tháp xuống các lớp mâm tiếp xúc, khí thải chứa SO2 được dẫn từ dưới đi lên quá trình tiếp xúc giữa pha khí và pha nước giúp quá trình hấp thụ được diễn ra dễ dàng. Khí đi ra khỏi tháp hấp thụ sẽ được tách ẩm làm khô dòng khí nhờ tháp hấp phụ. Sau đó khí sẽ được đẩy vào ống khói và thải ra ngoài môi trường là không khí sạch đạt QCVN 19:2009/BTNMT. Phương án 2: Khí thải Tháp rửa bụi Bể nước Bùn thải Tháp hấp thụ Ca(OH)2 Ống khói Nguồn tiếp nhận QCVN 19:2009/BTNMT, cột B Huyền phù Sơ đồ công nghệ: Hình 2. 2 Quy trình xử lý khí SO2 có sử dụng tháp rửa bụi. Chú thích: : Đường khí : Đường hóa chất : Đường nước, nước thải Thuyết minh công nghệ: Khói thải sau khi thải ra khỏi lò hơi được dẫn qua tháp rửa bụi nhờ hệ thống giàn phun nước từ tháp rửa bụi làm giảm đáng kể nhiệt lượng của dòng khí thải, bụi và nước (bùn thải) sẽ được dẫn ra ngoài để xử lý. Dòng khí thải nhờ lực ly tâm từ quạt hút được đưa vào tháp hấp thụ. Tại tháp hấp thụ dung dịch Ca(OH)2 được bơm liên tục từ đỉnh tháp xuống các lớp mâm tiếp xúc, khí thải chứa SO2 được dẫn từ dưới đi lên quá trình tiếp xúc giữa pha khí và pha nước giúp quá trình hấp thụ được diễn ra dễ dàng. Khí đi ra khỏi tháp hấp thụ là không khí sạch đạt QCVN 19:2009/BTNMT được đẩy vào ống khói và thải ra ngoài. Chọn phương pháp xử lý SO2: Hấp thụ khí SO2 bằng Ca(OH)2 (sữa vôi) vì: Là loại dung dịch rẻ tiền dễ kiếm. Tính ăn mòn thiết bị yếu ít gây nguy hại cho thiết bị xử lý. Dung dịch này ngoài nhiệm vụ hấp thụ các acid SO2, CO2,...còn có tác dụng làm nguội khí thải đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn về nhiệt độ khí thải đầu ra của ống khói. Hiệu quả hấp thụ SO2 bằng sữa vôi đạt 98%. Sức cản khí động của hệ thống không vượt quá 20 mm H2O. Không chọn hệ thống tháp rửa bụi vì cần có thêm hệ thống xử lý nước thải để xử lý lượng bùn thải từ tháp rửa khí, giá thành cao khi xây dựng thêm hệ thống. Cần một lượng nước lớn để rửa và làm mát khí thải. Khi nước tiếp xúc trực tiếp với khí thải sẽ tạo thành axit dễ làm hư và ăn mòn thiết bị. Do đó, chọn phương án 1 để xử lý SO2. : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ Các thông số ban đầu Lưu lượng khí thải: Gv= 5873,4 m3/h Nồng độ SO2 ban đầu: Cv= 647 mg/m3 Chọn nhiệt độ của dung môi hấp thu là: t = 44°C = 313K Dung dịch sử dụng trong quá trình hấp thụ là Ca(OH)2 5% Áp suất chọn làm việc: 3atm Nồng độ SO2 ra là: Cr= 500mg/m3 Khối lượng mol khí thải: MSO2 = 64 (kg/kmol) Khối lượng mol dung môi: Mdm= 18 (kg/kmol) Tính cân bằng vật chất Nồng độ khí vào và nồng độ khí ra Nồng độ khí vào: Yv= = (kmol/kmol kk) Tỉ lệ thể tích khí SO2 đi vào: yv = = = 0,00022 (Kmol SO2/ Kmol kk ) Nồng độ pha khí ra khỏi tháp: Yr = = = 0,00019 (Kmol SO2/ Kmol kk) Tỉ lệ thể tích khí SO2 đi vào: yr = = = 0,00019 (Kmol/ Kmol) Suất lượng của khí trơ: Gtr= Gv (1- yv) = 5873,4 (1- 0,00024)=5872 (m3/h)=244,67(kmol/h) Xác định đường cân bằng và đường làm việc Đường cân bằng Ta có: logP*SO2 = 3.58 + 1.871 log + 2.2410-2T - Trong đó : P*SO2: áp suất riêng phần SO2 cân bằng (Pa). : nồng độ SO2 cân bằng. Từ phương trình trên lập đường cân bằng: X= Y*= Bảng 3. 1 Số liệu đường cân bằng SO2 0,005 0,0125 0,02 0,0275 0,035 0,0425 0,05 0,0575 0,065 0,0725 1,062 5,894 14,195 25,75 40,423 58,117 78,758 102,282 128,637 157,78 X.10-3 0,09 0,23 0,36 0,5 0,63 0,77 0,90 1,04 1,17 1,31 Y.10-3 0,01 0,06 0,14 0,26 0,4 0,58 0,79 1,02 1.129 1.58 Đường làm việc Nồng độ dung môi vào: Xv=0 Nồng độ SO2 cực đại Xmax: Dựa vào đồ thị phương trình đường cân bằng: Y*= 829,84X2 + 0,1402X- 0,00001 Từ đó ta được Xmax= 0,00047 (kmol SO2/kmol DM) Lượng dung môi tối thiểu: Lmin= = 244,67 = 26 (kmol/h) (Mục d 6.5, trang160, [5]) Lượng dung môi thực tế: lấy bằng 1,4 lượng dung môi tối thiểu Ltr= 1,4 Lmin = 1,4 26 = 36,4 (kmol/h) Phương trình cân bằng vật chất có dạng: GtrYđ + LtrXđ = GtrYc + LtrXc Suy ra: Xr= = = 0,00037 (kmol SO2/kmol DM) Đường làm việc của tháp đi qua 2 điểm có tọa độ: (Xv, Yr) và (Xr, Yv): (0; 0,00019) và (0,00037; 0,00024) Ta có đồ thị đường cân bằng và đường làm việc: Hiệu suất của quá trình hấp thụ: E = = =13,6% Tính tháp hấp thụ Lựa chọn vật liệu đệm: Chọn vòng sứ Rasiga xếp ngẫu nhiên có các thông số sau: Kích thước đệm: 35×35×4 (mm) Bề mặt riêng: σđ= 135 m2/m3 Thể tích tự do: Vd=0,78m3m3 Khối lượng riêng của đệm: ρđ=520kgm3 Khối lượng riêng xốp: = 520 kg/m3 Số lượng đệm trong 1m3:185×102 (Bảng IX.8, trang 193,[2] ) Đường kính tháp hấp thụ Đường kính tháp hấp thụ được xác định theo công thức (m) ( IV.89, trang181,[2]) Trong đó: D: đường kính tháp hấp thụ (m) Vtb: lưu lượng trung bình của dòng khí qua tháp hấp thụ m3s Vtb= Gtr= 5872 (m3/h) : vận tốc biểu kiến của dòng khí ứng với tổng tiết diện (m/s) = = (0,8÷0,9) Tốc độ sặc , m/s được xác định theo công thức: (IX.114, trang 187,[2]) (*) Trong đó: Gx, Gy: lưu lượng dòng lỏng và khí trung bình (kg/s) Gx =(kg/s) Gy= (kg/s) ρxtb, ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí =0,65610-3 (N.s/m2) độ nhớt trung bình của pha lỏng ở nhiệt độ 400C = 0,893710-3 (N.s/m2) độ nhớt trung bình của nước ở nhiệt độ 250C A= 0,022 (IX.8, trang 193,[2]) Khối lượng riêng trung bình đối với pha khí: (IX.104, trang 183,[2]) Nồng độ phần mol trung bình của pha khí: ytb= ⇒ (kg/m3) Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng:= 992 kg/m3 Thay số vào (*) ta được: Suy ra: (m/s) Chọn tốc độ làm việc : (m/s) Đường kính tháp hấp thụ sẽ được xác định: D = = 0,8 (m) Chọn đường kính tháp: D = 0,8 (m) Kiểm tra vận tốc làm việc: D = = 0,8 (m/s) ( thỏa điều kiện làm việc) Vậy vận tốc: (m/s) Chiều cao tháp hấp thụ Kiểm tra mật độ tưới Mật độ tưới thực tế: trong đó: Vx là thể tích pha lỏng (m3/h) F là diện tích tháp (m2) (m3/m2.h) Mật độ tưới thích hợp: Uth= B×σd (m3/m2.h) Trong đó B = 0,093 là trị số (Bảng IX.6, trang 177,[2]) (m3/m2.h) Lập tỷ số: = 0,1 < 1 Vậy = 0,1 Kiểm tra điều kiện thiết kế: Vậy đệm trên là phù hợp. Chiều cao tương ứng với một đơn vị truyền khối: Trong đó: hG: Chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha khí (m) hL: Chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha lỏng (m) m: Hệ số góc đường cân bằng Gx, Gy: Lượng dung môi trung bình của pha lỏng, khí (kg/s) Tính hG: (IX.76, trang 177,[2]) Trong đó: Vd: thể tích tự do của đệm, Vd = 0,78 (m3/m3) a: hệ số phụ thuộc dạng đệm (vòng rasching, a = 0,123) σd: bề mặt riêng của đệm (m2/m3) ψ: hệ số thấm ướt của đệm (ψ=0,1) Khối lượng mol hỗn hợp: Mhh = (kg/kmol) Độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí: Trong đó: = 0,01310-3 độ nhớt của SO2 ở 400C (N.s/m2) = 0,018510-3 độ nhớt của không khí ở 400C (N.s/m2) (Bảng I.18 trang 93 và hình I.35, trang117,[1]) (N.s/m2) Chuẩn số Raynon pha hơi: Rey= = = 579 Chuẩn số prandl của pha hơi: Pry= = = 1,36 Dy là hệ số khuếch tán trong pha khí m2/s Với Dy===1,2×10-5 (m2/s) (m) Tính hL: (Bảng IX.77, trang 177,[2]) Chuẩn số raynon pha lỏng: Rex=0,04×GxFt×σd×μx=0,04×0,1820,5×135×0,656×10-3=0,16 Trong đó: Ft= (m2) Dx lưu lượng khuếch tán pha lỏng (m2/s) Dx = = 2,510-5 (cm2/s) (2.41, trang 29,[9]) Trong đó: =2,6: hệ số kết hợp cho dung môi Mdm = Mnuoc = 18 (kg/kmol) = 44,8 (cm3/mol) (Bảng 2.2, trang 26, [9]) Chuẩn số prandl pha lỏng: (m) Suy ra: (m) Tính trở lực của lớp đệm Tổn thất áp xuất của đệm khô: (IX.119, trang189,[2]) Trong đó: H = 6,2 m : chiều cao đệm : hệ số trở lực của đêm, bao gồm cả trở lực do ma sát và trở lực cục bộ, phụ thuộc chuẩn số Rey Rey = 579 > 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô được xác định theo công thức: (N/m2) (IX.121, trang 189,[2]) Tổn thất áp suất của lớp đệm ướt: ư = K (IX.127, trang 191,[2]) (IX.134, trang 191,[2]) Với: Gx là mật độ tưới (kg/m2.s) (kg/m2.s) b là hệ số, hàm số của Rex (IX.133, trang 191,[2]) A’ là thông số tưới (IX.134, trang 191,[2]) Đối với đệm vòng bằng sứ (=const): với A’ 30 mm thì (N/m2) Chiều cao cột chất lỏng: Vậy chọn hlỏng = 0,9 (m) : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ Thân tháp Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn Nhiệt độ làm việc: t = 400C Áp suất làm việc: p = 1 atm Chọn vật liệu là thép không gỉ để chế tạo thiết bị Ký hiệu thép: X18H10T (C < 0,12%, Cr 18%, N 10%, T nằm trong khoảng 1-1,5%). Giới hạn bền kéo: = 550106 (N/m2) Giới hạn chảy: = 220106 (N/m2) Chiều dày tấm thép: b = 5 mm Độ giãn tương đối: = 38% (Bảng XII.4, trang 309,[2]) Hệ số dẫn nhiệt: = 16,3 (W/m.0C) Khối lượng riêng: = 7900 (kg/m3) [Bảng XII.7, trang 313,[2]) Chọn công nghệ gia công là hàn tay bằng hồ quang điện, bằng cách hàn giáp mối hai bên. Hệ số hiệu chỉnh: = 1 Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6 Hệ số an toàn bền chảy: nc =1,5 Hệ số bền