phương pháp, dây chuyền công nghệ xử lý khí thải cho nhà máy

LỚI NÓI ĐẦU
Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các ngành sản
xuất công nghiệp, làm cho xã hội loài người biến đổi rõ rệt. Các nhà máy, xí nghiệp, các khu
công nghiệp, trại chăn nuôi tập trung được hình thành... tất cả sự phát triển này đều hướng tới
tạo ra sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu của con người tạo điều kiện sống tốt hơn. Nhưng đồng
thời thải ra các loại thất thải khác nhau làm cho môi trường ngày càng trở nên xấu đi. Các
chất thải độc hại có tác động xấu tới con người, sinh vật, hệ sinh thái, các công trình nhân tạo.
Nếu môi trường tiếp tục suy thoái thì có thể dẫn hậu quả nghiêm trọng cho loài người. Vì vậy
việc bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác động có hại của các chất ô nhiễm là vấn đề của toàn
cầu.
Khí thải từ ống khói các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp... được xem là nguyên
nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí. Các chất khí độc hại như: SO
x
, NO
x
, VOC,
CO, CO
2
, hydocacbon, bụi... đang dần gia tăng trong bầu khí quyển. Gây nên các hiện tượng,
hiệu ứng nhà kính, mưa xít, sương mù quang hóa... tác động xấu đến con người, sinh vật và
các hệ sinh thái, hoạt động lao động sản xuất ...
Để bảo vệ môi trường và bảo vệ cho cuộc sống của con người, sinh vật ... khí thải từ
ống khói nhà máy, từ hoạt động khác cần được xử lý trước khi thải vào môi trường không khí.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp và các dây chuyền công nghệ để xử lý khí thải và được áp
dụng cụ thể đối với từng loại khí thải và từng nhà máy.
Dựa trên các phương pháp và dây chuyền công nghệ xử lý đã có hiện nay, trong bài
thiết kế môn học này tôi xin giới thiệu các phương pháp, dây chuyền công nghệ xử lý khí thải
cho nhà máy.
1
PHẦN MỞ ĐẦU: NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
I. Tính toán lưu lượng khí thải của nhà máy:

Lưu lượng khí thải của nhà máy : V = 4000 m
3
/h = 1,11 m
3
/s.
II. Nồng độ các chất thải độc hại trong khí thải của nhà máy
STT Tên chất thải Nồng độ (mg/m
3
)
1 SO
2
2500
2 NO
x
3500
3 VOC 560
4 CO 1000
5 CO
2
6,2(%)
6 Bụi 500
7 Nhiệt độ 820
0
C
III. Nội dung thiết kế
1. Lựa chọn hệ thống xử lý
 Xác định các khí cần xử lý.
 Xác định các thiết bị xử lý các khí đó.
 Nêu rõ nguồn gốc khí thải, phương pháp xử lý, nguyên tắc xử lý.
2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ:

 Tính toán các thiết bị:
 Tính kích thước của thiết bị: Cao, dài, rộng....
 Hiệu suất làm việc của thiết bị.
 Lượng nguyên vật liệu, chất xúc tác cần thiết cho quá trình làm việc (có thể đặt
các giả thuyết để quá trình tính toán được đơn giản)
 Tính toán các thiết bị phụ trợ
 Ống khói nhà máy
 Quạt hút, bơm
 Tính trở lực của các đường ống
CHƯƠNG I: LỰA CHỌN HỆ THỐNG SỬ LÝ KHÍ THẢI
2
1.1. Các chất khí cần xử lý trong nhà máy:
STT Tên chất thải Nồng độ (mg/m
3
)
1 SO
2
2500
2 NO
x
3500
3 VOC 560
4 CO 1000
5 CO
2
6,2(%)
6 Bụi 500
7 Nhiệt độ 820
0
C

Trong đó VOC, CO ở nhiệt độ cao 820
0
C sẽ bị ôxi hóa thành CO
2
và H
2
O.
1.2. Cơ sở lựa chọn thiết bị xử lý khí thải
Khí thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn TCVN 5939-2005 (chất lượng không khí – tiêu chuẩn
khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ).
Giới hạn tối đa (mg/m
3
)
Loại A Loại B
1 Bụi khói
- Nấu kim loại
- Bê tông nhựa
- Xi măng
- Các nguồn khác
- Bụi chứa silic
- Bụi chứa amiang
400
500
400
600
100
Không
200
200
100

400
50
Không
2 SO
2
1500 500
3 CO
2
4 VOC
5 NO
x
(các nguồn) 2500 1000
6 NO
x
(cơ sở sản xuất axit) 4000 1000
7 Nhiệt độ (
0
C)
Trong đó:
Giá trị giới hạn ở cột A áp dụng cho các cơ sở đang hoạt động
Giá trị giới hạn ở cột B áp dụng cho tất cả các cơ sở kể từ ngày cơ quan quản lý môi
trường quy định.
Khí thải sau khi xử lý phải đạt tiêu chuẩn loại B
1.3. Xác định thiết bị xử lý khí thải của nhà máy.
3
Do nhiệt độ của dòng khí thải rất lớn 820
0
C, trong dòng khí thải không tồn tại hợp chất
VOC, khí CO đã bị chuyển hóa thành CO
2

và nồng độ bụi nhỏ. Nhiệm vụ thiết kế và tính toán
thiết bị xử lý các khí thải: nhiệt độ, SO
2
, NO
x
Lựa chọn phương pháp xử lý các khí thải:
Căn cứ vào các phương pháp xử lý, thiết bị xử lý, các chất phụ gia, hiệu quả xử lý của
các phương pháp đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay. Các phương pháp xử lý khí thải cho
nhà máy A :
 Xử lý nhiệt: bằng phương pháp trao đổi nhiệt bằng tháp trao đổi nhiệt.
 Xử lý SO
2
bằng phương pháp hấp thụ bằng nước.
 Xử lý NO
x
: bằng phương pháp hấp phụ, thiết bị là tháp đệm và vật liệu hấp
phụ là than hoạt tính.
Sơ đồ dây chuyền công nghệ :
CHƯƠNG II:TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ XỬ LÝ
2.1. Xử lý nhiệt :
Nhiệt độ của dòng khí thải ra từ ống khói của nhà máy có nhiệt độ rất cao, nhiệt độ cao
ảnh hưởng đến quá trình xử lý các khí trong các công đoạn sau của dây chuyền. Để thuận tiện
Thiết bị
trao đổi
nhiệt.
Khí thải
nhà máy
Tháp hấp
phụ NO
x

bằng than
hoạt tính.
Tháp hấp
thụ SO
2

bằng vôi
sữa.
4
Khí sạch
và hiệu quả xử lý các công đoạn phía sau một cách cao nhất, cần hạ thấp nhiệt độ trong dòng
khí thải từ ống khói nhà máy.
Để có thể hạ nhiệt độ của dòng khí thải, sử dụng phương pháp trao đổi nhiệt trong tháp
trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt là nước.
2.1.1. Nguyên lý của quá trình:
Dòng khí và chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều nhau trong tháp trao đổi nhiệt.
Chất tải nhiệt chuyển động trong các ống con (được xếp trong tháp), dòng khí chuyển động
bên ngoài các ống con. Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và dòng khí trong tháp
diễn ra quá trình trao đổi nhiệt.
Sau khi dòng khí ra khỏi tháp nhiệt độ sẽ hạ xuống do chất tải nhiệt lấy đi một phần
nhiệt độ của dòng khí thải.
Chất tải nhiệt sẽ được tuần hoàn (chuyển động thành dòng liên tục), vì vậy sau khi
nhận nhiệt từ dòng khí thải, chất tải nhiệt sẽ được đưa đến thiết bị làm mát, tại đây chất tải
nhiệt sẽ được làm mát xuống một nhiệt độ cần thiết và tiếp tục được đưa vào tháp để làm mát
dòng khí thải.
2.1.2. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị trao đổi nhiệt
2.1.3. Tính toán quá trình truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt gồm những bước sau:
• Cấp nhiệt từ khói lò đến bề mặt ngoài của ống

• Dẫn nhiệt qua thành ống
• Cấp nhiệt từ bề mặt trong của ống đến nước.
Nhiệt độ của khói lò sẽ giảm từ 820
0
C xuống 60
0
C. Nước đi vào ở nhiệt độ trung bình
khoảng 25
0
C và được đun ở áp suất cao 10 at, nước sôi ở 178
0
C.
Hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể chuyển động có thể tính như đối với trường
hợp hai lưu thể chuyển động ngước chiều nhau
Ta có :
1 2
1
2
ln
tb
t t
t
t
t
∆ − ∆
∆ =
∆
∆
Trong đó :t
1

= t
1đ
- t
2c
t
c
= t
1c
– t
2d
Ta có
nhiệt độ :t
1đ
= 820
0
C, t
1c
= 60
0
C
5
t
2đ
= 25
0
C, t
2c
= 178
0
C

=>
2
1
21
tb
Δt
Δt
ln
ΔtΔt
Δt
−
=
=
( ) ( )
0
820 178 60 25
208,6 C
642
ln
35
− − −
=

Nhiệt độ trung bình của nước là:
C101.5
2
25178
2
tt
t

0
21
n
=
+
=
+
=
Nhiệt độ trung bình của khí thải là:

0
1 2
n
t t 820 60
t 440 C
2 2
+ +
= = =
Nhiệt dung riêng của khói lò
Ta có công thức tính nhiệt rung riêng của hỗn hợp khí:
C = c
1
x
1
+ c
2
x
2
+ c
3

x
3
+ ...+c
n
x
n
Trong đó: c
1
, c
2
, c
3
là nhiệt rung riêng phân tử của các cấu tử thành phần
x
1
, x
2
, x
3
là thành phần của các cấu tử khí, phần mol
Trước hết ta phải xác định nhiệt rung riêng của các cấu tử thành phần
c
p
= a
0
+ a
1
T - a
2
.T

-2
Các giá trị a
0
, a
1
, a
2
được xác định theo bảng sau:
Bảng 3 Các hệ số của hàm nhiệt rung riêng
Chất a
0
a
1
.10
3
a
2
.10
-5
CO
2
10.55 2.16 - 2.04
SO
2
11.4 1.714 -2.045
NO
x
10.26 2.04 -1.61
H
2

O 7.2 2.7 -
N
2
6.66 1.02 -
Suy ra nhiệt rung riêng phân tử của các khí thành phần với nhiệt độ trung bình của khói
lò là: t
tb
= 440
0
C = 440 + 273 = 713
0
K và % mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí.
Cấu tử CO
2
SO
2
NO
x
H
2
O N
2
C
pi
(kcal/kmol.độ 15,6 16,3 15,2 11,11 10,5
x
i
0,062 0,002 0,004 0,132 0,8
Vậy nhiệt rung riêng của hỗn hợp khí là:
C

p
= c
1
x
1
+ c
2
x
2
+ c
3
x
3
+ …+ c
n
x
n
= 10,93 kJ/kmol.độ
6
Độ nhớt của khói lò được xác định theo công thức:
333222111
333322221111
hh
.TM.m.TM.m.TM.m
.TM..μm.TM..μm.TM..μm
μ
++
++
=
Trong đó:

hh
μ
: Độ nhớt của hỗn hợp khí ở nhiệt độ t và áp suất khí quyển.
1
µ
,
2
µ
,
3
µ
- Độ nhớt của các cấu tử ở nhiệt độ t.
m
1
, m
2
, m
3
- Nồng độ phần thể tích của các cấu tử.
M
1
, M
2
, M
3
– Khối lượng phân tử của các cấu tử.
T
1
, T
2

, T
3
- Nhiệt độ tới hạn của các cấu tử
Các giá trị M
i
, T
i
, và
ii
TM .

được xác định theo bảng sau:
Bảng 4 Giá trị
ii
TM .
của một số khí
Chất M
i
m
i
T
i
ii
T.M
CO
2
44 0,062 304,1 115,6
SO
2
64 0,002 430,5 165,9

NO
x
30 0,004 431,2 143,7
H
2
O 18 0,132 647 107,9
N
2
28 0,8 126 59,5
Độ nhớt của các cấu tử ở 713
o
K (Ns/m
2
)
Cấu tử CO
2
SO
2
NO H
2
O N
2
µ
i
x10
-7
240,81 225,4 380,4 270,2 257,2
Thay các giá trị vào công thức trên ta có:
hh
μ

= 262,47 x 10
-7
N.s/m
2
Chọn thiết bị kiểu có ống xoắn bên ngoài vỏ, vật liệu làm thiết bị trao đổi nhiệt ta chọn
làm bằng thép cacbon, đường kính ống d1/d2= 50/60 mm.
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là:
λ
= 45,35 W/m.độ
Chọn bước ống: s
1
= 2,1d
2
; s
2
= 2d
2
Lượng nhiệt do khí mang vào thiết bị là: Q
k
= n
1
. C
p
. t
1đ
7
Trong đó : n
1
- lượng khí thải đi vào thiết bị
1,11.1

0,0124
0,082.(820 273)
VP
n
RT
= = =
+
kmol/s.
C
p
- nhiệt dung riêng của khí thải kJ/kmol.độ, C
p
= 10,93 kJ/kmol.độ.
t
1đ
- nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp khí,
0
C
Nhiệt độ của khói lò là t = 820.
0
C
0,0124 10,93 820 111,14
k
Q = × × =
(kJ/s)
Lượng nhiệt mà hỗn hợp khí mang ra là Q
1
= m
1
. C

p
. t
1c
Với t
1c
=60
0
C, ở 60
0
C ta tính nhiệt dung riêng của các khí theo công thức
2
210
T.aT.aaC
−
−+=
kcal/kmol.độ
Nhiệt dung riêng của khí: C
k
=ΣC
i
.x
i

Cấu tử CO
2
SO
2
NO
x
H

2
O N
2
C
pi
(kcal/kmol.độ 7,63 8,43 7,42 5,12 4,74
x
i
0.062 0,002 0,004 0,132 0,8
Thay các hệ số vào ta tính được: C
k
=7,23 kj/kmol.độ
⇒
1
0,0124 7,23 60 5,4Q = × × =
kJ/s
Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị nồi hơi ta có:
Q
k
=Q
m
+Q
n
+Q
1
Trong đó:
Q
m
: Nhiệt lượng mất mát, lấy Q
m

=5%Q
k
= 5,56 kJ/s.
Q
n
: Nhiệt lượng nước nhận
Q
1
: Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị
⇒ Q
n
=Q
k
- Q
m
-Q
1
=111,14 – 5,56 – 5,4 = 100,18 kJ/s
Vậy nhiệt lượng cung cấp cho nước là: Q
n
= 100,18 kJ/s = 24,04 kcal/s
Lượng nhiệt nước nhận tính theo công thức:
Q
n
=G
n
[C
n
(t
s

-t
v
)+r] kcal/s
Với Q
n
= 24,04 kcal/s.
Nhiệt dung riêng của nước ở 178
0
C, C
n
=1.047 kcal/kg.độ
Nhiệt độ ban đầu của nước: t
v
=25
0
C.
Nhiệt hoá hơi của nước ở 10at: r = 482.1 kcal/kg
Thay các giá trị trên vào công thức ta tính được lượng nước được đun nóng:
8