Đồ án tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160 000 m3h

Đồ án môn học

[1]

Tính toán thiết kế xử lý khí

MỤC LỤC

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[2]

Tính toán thiết kế xử lý khí

DANH MỤC BẢNG, HÌNH

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[3]

Tính toán thiết kế xử lý khí

MỞ ĐẦU
Hiện nay, do sự phát triển của các ngành công nghiệp tạo ra các sản phẩm phục
vụ con người, đồng thời cũng tạo ra một lượng chất thải vô cùng lớn làm phá vỡ cân

bằng sinh thái, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Trong các loại ô nhiễm, ô nhiễm không khí ảnh hưởng trực tiếp đến con người,
động vật, thực vật và các công trình xây dựng. Sức khỏe và tuổi thọ của con người phụ
thuộc rất nhiều vào độ trong sạch của môi trường. Vì vậy, trong những năm gần đây ô
nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta đang là vấn đề quan tâm
không chỉ của nhà nước mà còn là của toàn xã hội, bởi mức độ nguy hại của nó đã lên
tới mức báo động.
SO2 là một trong những chất ô nhiễm không khí được sản sinh nhiều trong các
ngành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt. Việc sử lý SO 2 có nhiều phương pháp khác
nhau. Phương pháp nào được áp dụng để xử lý tùy thuộc vào hiệu quả và tính kinh tế
của phương pháp đó. Vì vậy, đồ án môn học với nhiệm vụ thiết kế hệ thống xử lý khí
SO2 cho nhà máy sản xuất axit sunfuric Tân Bình 2 đảm bảo đạt tiêu chuẩn môi trường
cho dòng khí thải nhà máy là một trong những phương pháp góp phần vào việc xử lý
khí thải ô nhiễm.

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[4]

Tính toán thiết kế xử lý khí

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về công nghệ sản xuất axit sulfuric
1.1.1 Công nghệ sản xuất axit sulfuric trên thế giới
Axit sulfuric, H2SO4, là một axit vô cơ mạnh. Nó hòa tan trong nước theo bất
kỳ tỷ lệ nào. Tên gọi cổ của nó là dầu sulfat, được đặt tên bởi nhà giả kim ở thế kỉ thứ

8, Jabiribn Hayyan sau khi ông phát hiện ra chất này. Axit sulfuric có nhiều ứng dụng,
và nó được sản xuất với một sản lượng lớn hơn bất kỳ chất hóa học nào, ngoại trừ
nước. Sản lượng của thế giới năm 2001 là 165 triệu tấn, với giá trị xấp xỉ 8 tỷ USD.
Ứng dụng chủ yếu của nó bao gồm sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa
học, xử lý nước thải và tinh chế dầu mỏ. Nguồn nguyên liệu sản xuất axit sulfuric trên
thế giới từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như sau:
- Đi từ lưu huỳnh: 65%
- Đi từ khí thải của ngành luyện kim (như SO2, H2S,..): 23%
- Đi từ quặng pirit: 9%
- Đi từ các nguồn khác: 3%
Các giai đoạn sản xuất
 Từ lưu huỳnh: S → SO2 → SO3 → H2SO4. Các phương trình phản ứng diễn ra

như sau:
S + O2  SO2
2SO2 + O2  2SO3
SO3 + H2O  H2SO4
Axit sulfuric được sản xuất từ lưu huỳnh, ôxy và nước theo công nghệ tiếp xúc.
Trong giai đoạn đầu lưu huỳnh bị đốt để tạo ra sulfur điôxit. Nó bị ôxi hóa thành sulfur
triôxit bởi ôxy với sự có mặt của chất xúc tác vanadi (V) ôxit. Cuối cùng sulfur triôxit
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[5]

Tính toán thiết kế xử lý khí

được xử lý bằng nước (trong dạng 97-98% H 2SO4) để sản xuất axit sulfuric 98-99%.

Bên cạnh đó, SO3 cũng bị hấp thụ bởi H2SO4 để tạo ra ôleum (H2S2O7), chất này sau đó
bị làm loãng để tạo thành axit sulfuric.
(1)S(rắn) +O2 (khí)  SO2 (khí)
(2) 2SO2 + O2 (khí)  2SO3 (khí)
(có mặt V2O5)

(3) SO3(khí) + H2O (lỏng)



H2SO4 (lỏng)

 Từ khí sulfua hydro: H2S → SO2 → SO3 → H2SO4. Các phương trình phản ứng:

2H2S + 3O2  2SO2 + 2H2O
2SO2 + O2  2SO3
SO3 + H2O  H2SO4
 Từ quặng pyrit sắt:

FeS2 → SO2 → SO3 → H2SO4

Đốt quặng pyrit trong không khí:
4FeS2 + 11O2  2Fe2O3 + 8SO2
2SO2 + O2  2SO3
SO3 + H2O  H2SO4
 Từ quặng sulfua sắt:

Đốt quặng sulfua sắt trong không khí:
4FeS + 7O2  2Fe2O3 + 4SO2
2SO2+ O2  2SO3

1.1.2 Công nghệ sản xuất axit sunfuric của nhà máy hoá chất Tân Bình
Axit Sunfuric kỹ thuật: được sản xuất từ nguyên liệu lưu huỳnh theo phương
pháp tiếp xúc. Loại axit này được dùng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác
nhau như: sản xuất phèn lọc nước, nước đổ bình ắc quy, sản xuất phân bón, thuốc
nhuộm, sơn, dược phẩm, chất dẻo, các sản phẩm gốc sunfat,…
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[6]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Axit Sunfuric tinh khiết: được sản xuất theo phương pháp chưng cất Axit
Sunfuric kỹ thuật. Loại axit này thường dùng trong phòng thí nghiệm, công nghệ điện
tử và sản xuất các sản phẩm chất lượng cao.
 Nguồn nguyên liệu:
Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất axit sunfuric là lưu huỳnh khoảng (19.800
tấn/năm). Lưu huỳnh: là sản phẩm từ mỏ thiên nhiên hoặc thu hồi từ các nguồn khí
thải (chủ yếu hiện nay là thu hồi từ các nhà máy lọc dầu). nước ta không có mỏ lưu
huỳnh và công nghiệp hóa dầu chưa phát triển nên phải nhập khẩu từ các nước trong
khu vực như Singapore, Malaysia, Indonesia và các nước Trung đông … Nguồn cung
cấp lưu huỳnh từ nhiều năm nay, khả năng đảm bảo.
 Quy cách
Lưu huỳnh dạng bột, hàm lượng S

99 %

Độ ẩm

2%

Độ tro

0.5 %

Acid tự do

0.02 %

Tạp chất khác

0.1 %

Nhu cầu sử dụng

20.000 – 21.000 tấn / năm

Phương thức vận chuyển : bằng đường biển tới cảng Tp Hồ Chí Minh và sau đó
bằng đường bộ về kho nhà máy.
Lượng lưu huỳnh dự trữ tối đa : 3.400 tấn (2 tháng sản xuất)
Vật liệu phụ : xúc tác của Monsanto – Mỹ và Topse – Thụy Điển.
Xúc tác V2O5

: 13.200 lít/ năm

Nguồn nguyên liệu và động lực:
 Dầu DO
 Điện

 Nước

: 30.000 tấn/năm
: 1.220.400 KW
: 210.000 m3/ năm

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[7]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Nguồn cung cấp nguyên liệu: được các công ty xăng dầu thuộc khu vực TP
HCM và Đồng Nai; Công ty điện lực Biên Hòa ; Công ty cấp nước Đồng Nai và trạm
bơm nhà máy Hóa chất Biên Hòa cung cấp.
Bảng 1. 1 Định mức tiêu hao cho một tấn acid sunfuric

STT

Tên vật tư

Đơn vị tính

Định mức tiêu hao

1

Lưu huỳnh

Tấn

0.33

2

Xúc tác V2O5

Lít

0.4

3

Dầu DO

Lít

0.5

4

Nước

m3

3.5

5

Điện

KWh

30

Phương pháp: sản xuất acid sunfulfuric kỹ thuật theo phương pháp tiếp xúc, đi từ
nguyên liệu chính là lưu huỳnh dạng bột. Phương pháp này gồm các bước sau:
Lưu huỳnh được đốt cháy trong không khí tạo thành SO2
S + O2  SO2 + Q
Chuyển hóa khí SO2 thành SO3 nhờ xúc tác phi kim loại V2O5
SO2 + O2  SO3 + Q
Hấp thụ khí SO3 tạo thành acid sulfuric (H2SO4 98%)
SO3 + H2O  H2SO4
Phương án công nghệ được lựa chọn trong dự án là: phương pháp tiếp xúc kép,
hấp thụ khí SO3 hai lần. Lý do:

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[8]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Từ phương pháp tiếp xúc, hiện nay trên thế giới tồn tại 2 loại dây chuyền là tiếp xúc
đơn (hấp thụ 1lần) và tiếp xúc kép (hấp thụ 2 lần).

Dây chuyền tiếp xúc đơn là dây chuyền được phát minh đầu tiên để phục vụ
công nghiệp sản xuất acid sulfuric theo phương pháp tiếp xúc. Hiệu suất chuyển hóa
SO2 thành SO3 ban đầu chỉ đạt 97.5%, sau đó nhờ cải tiến chất lượng xúc tác nên có
thể đạt 98.5% ÷ 99,5%.
Hàm lượng SO2 trong khí thải ra môi trường khoảng 500 mg/m3.
Hiện nay, ô nhiễm môi trường càng trở nên trầm trọng và có khả năng trở thành
hiểm họa của nhân loại. Đa số các nước trên thế giới đã ký công ước về bảo vệ môi
trường trên lãnh thổ của mình. Việt Nam cũng tham gia công ước trên và đã ban hành
luật bảo vệ môi trường, trong đó mọi quốc gia đều phải ban hành pháp lệnh bảo vệ môi
trường và lãnh thổ của mình. Việt Nam cũng đã tham gia công ước trên và ban hành
luật bảo vệ môi trường.
Dây chuyền tiếp xúc kép đã ra đời trong hoàn cảnh đó và được đa số các nước
áp dụng trở thành phương pháp phổ biến hiện nay trên thế giới.
Tham khảo công nghệ và các thông số kỹ thuật sản xuất acid sunfuric bằng
phương pháp tiếp xúc kép của Mosanto Enviro – Chem Sytems Inc, thấy rằng đây là
một công ty hàng đầu thế giới về thiết kế, công nghệ kỹ thuật sản xuất acid sulfuric.
Ngoài việc sản xuất chất xúc tác chất lượng cao, Envio – Chem Sytem Inc còn có khả
năng tư vấn kỹ thuật và cung cấp đầy đủ thiết bị như bộ lọc xử lí mùi, thiết bị làm
nguội acid, hệ thống thu hồi nhiệt …Có liên quan đến công nghệ sản xuất acid
sunfuric. Dây chuyền sản xuất acid sulfuric theo phương pháp tiếp xúc kép hai lần của
họ là phương pháp tối ưu nhất và có khả năng thực hiện được.
 Sơ đồ công nghệ sản xuất của nhà máy

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[9]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Lưu huỳnh

Nấu chảy lưu huỳnh

Đốt cháy (tao khí SO2)Không khí

Hơi nước

Sấy

Không khí

Khô

Tạo hơi nước

ẩm

Nơi cấp nước nồi hơi

Chuyển hóa
Hỗn hợp
SO2

Hấp thụ 1
(tạo H2SO4)

Xử lý khí

Khí thải

Hỗn hợp SO3

Hấp thụ 2
(tạo H2SO4)

H2SO4

Pha loãng
Dd bisulfite
Nước pha loãng

Thành phẩm
H2SO4

Hình 1. 1: Sơ đồ công nghệ nhà máy hóa chất Tân Bình 2
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[10]

Tính toán thiết kế xử lý khí

 Đặc điểm khí thải của nhà máy
Quá trình sản xuất axit sulfuric tạo ra rất nhiều các chất thải ảnh hưởng tới môi
trường và cuộc sống của con người.Các chất thải chính trong quá trình này bao gồm:

- Các khí axit (chủ yếu là SO2) được thải ra từ quá trình sản xuất
- Khói bụi từ quá trình vận chuyển
- Các chất thải rắn từ khâu chuẩn bị nhiên liệu rơi vã ra
- Nước thải sản xuất và nước thải sinh hoạt của nhà máy
- Khí axit chủ yếu là SO2, một phần SO3 và H2SO4
Khí này được sinh ra chủ yếu trong quá trình hấp thụ tạo axit sulfuric, ngoài ra
còn một số quá trình khác cũng thải ra như đốt nguyên liệu, ôxi hóa SO2 thành SO3
1.2 Tác hại của SO2
Khí SO2 là loại khí không màu, không cháy, có vị hăng cay. Do quá trình quang
hóa hay do sự xúc tác, khí SO2 dễ dàng bị oxy hóa và biến thành SO3 trong khí quyển.
Khí SO2 là loại khí độc hại không chỉ đối với sức khỏe con người, động thực vật
mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.
1.2.1 Đối với sức khỏe con người
SO2 là chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây co giật ở cơ trơn
của khí quản. Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạc đường khí quản. Khi
tiếp xúc với mắt, chúng có thể tạo thành axit.
Bảng 1. 2: Liều lượng gây độc

mg SO2 / m3

Tác hại

20 – 30

Giới hạn gây độc tính

50

Kích thích đường hô hấp, ho

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[11]

Tính toán thiết kế xử lý khí

130 – 260

Liều nguy hiêm sau khi hít thở ( 30 – 60 phút )

1000 - 1300

Liều gây chết nhanh ( 30 – 60 phút )

SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ
quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt. Cuối cùng chúng có thể xâm nhập
và hệ tuần hoàn.
Khi tiếp xúc với bụi, SO 2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ có khả năng xâm nhập
vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2 – 3

.

SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học. Kết
quả là lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnh
hưởng đến tuyến nước bọt.
Trong máu, SO2 tham gia nhiều phản ứng hóa học, gây rối loạn chuyển hóa
đường và protein, gây thiểu vitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza, tạo ra

methemoglobine để chuyển Fe2+ (hòa tan) thành Fe3+ (kết tủa) gây tắc nghẽn mạch
máu cũng như làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hồng câu, gây co hẹp thanh
quản, khó thở. Đặc tính chung của SO 2 thể hiện ở rối loạn chuyển hóa protein cà
đường, thiếu vitamin B và C, ức chế enzym oxydaza. Sự hấp thụ lượng lớn SO 2có khả
năng gây bệnh cho hệ tạo huyết và tạo ra methemoglobin tăng cường quá trình oxy
hoá Fe (II) thành Fe (III).
1.2.2 Đối với thực vật
Các loài thực vật nhạy cảm với khí SO 2 là rêu và địa y. Khí SO2 khi bị oxy hoá
trong không khí và kết hợp với nước mưa tạo nên mưa axit gây ảnh hưởng tới sự phát
triển của cây trồng và thảm thực vật.
Bảng 1. 3 Nồng độ gây độc

Nồng độ ( ppm )

Tác hại

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

0,03
0,15 – 0,3
1-2

[12]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả

Gây độc kinh niên
Chấn thương lá cây sau vài giờ tiếp xúc

Sự lan truyền chất ô nhiễm khí axit diễn ra trên quy mô rộng lớn, không biên
giới, nhưng trong khu vực có nguồn thải SO 2 lớn sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp. Do vậy,
quá trình công nghệ có sử dụng nhiên liệu dù ở quy mô nhỏ chưa gây ô nhiễm một
cách trực tiếp cũng gián tiếp góp phần làm ô nhiễm tầng khí quyển.
1.2.3 Đối với môi trường
SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa vào tạo thành axit
H2SO4 hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, gây ảnh hưởng xấu tới môi
trường.
 Cơ chế hóa học của quá trình chuyển đổi SO2 thành acid
Ở pha khí có nhiều phản ứng khác nhau để chuyển đổi SO 2 thành axit sulfuric.
Một trong những phản ứng đó là phản ứng quang oxy hóa SO 2 bởi tia UV. Tuy nhiên,
phản ứng này đóng góp một phần không quan trọng vào việc tạo thành axit sulfuric.
Loại phản ứng thứ hai là quá trình oxy hóa SO 2 bởi oxygen trong khí quyển, phản ứng
diễn ra như sau:
2 SO2 + O2  2 SO3 (1)
SO3 + H2O  H2SO4 (2)
Phản ứng (2) xảy ra với tốc độ nhanh, trong khi phản ứng (1) xảy ra rất chậm,
do đó loại phản ứng (2) đóng vai trò không quan trọng trong việc chuyên đổi SO 2
thành axit sulfuric.
Chỉ có loại phản ứng sau đây đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi
SO2 thành axit sulfuric, phản ứng diễn ra như sau:
HO + SO2(+M)  HOSO2(+M)
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[13]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Phản ứng này diễn ra với tốc độ rất nhanh, gốc hydroxy cần cho phản ứng được
tạo ra bởi quá trình phân huỷ quang học oz.
Ở pha lỏng SO2 tồn tại ở ba dạng:
[S(IV)  [SO2 (aq)] + [HSO3-] + [SO32-]
Quá trình phân ly diễn ra như sau:
SO2 (aq)  H+ + HSO3HSO3- (aq)  H+ + SO32Việc thiết lập cân bằng hai phương trình trên phụ thuộc vào pH, kích thước các
hạt nước, hệ số liên kết giữa nước và SO2.
Phản ứng oxy hóa SO2 ở pha lỏng nhờ vào các xúc tác kim loại như ion Fe3+,
Mn2+ hoặc kết hợp của 2 ion trên.Tuy nhiên, phản ứng oxy hóa SO 2 bởi ozone quan
trọng hơn vì nó không cần xúc tác và hàm lượng ozone trong khí quyển cao hơn hàm
lượng oxy nguyên tử trong khí quyển.Quá trình oxy hoá SO 2 ở pha lỏng chiếm ưu thế
nhất là quá trình oxy hóa bởi hydrogen peroxide, phản ứng này tạo nên một chất trung
gian (A-), có thể là peroxy monosulfurous acid ion, phản ứng diễn ra như sau:
HSO3- + H2O2  A- + H2O
A- + H+  H2SO4
Như vậy khí SO2 sẽ hoà tan với oxy và hơi nước trong không khí tạo thành hạt
axit sulfuric (H2SO4 ). Khi trời mưa các hạt axit này tan lẫn vào nước mưa, làm độ pH
của nước mưa giảm. Do có độ chua khá lớn, nước mưa có thể hoà tan được một số bụi
kim loại và oxit kim loại có trong không khí như oxit chì,... làm cho nước mưa trở nên
độc hơn đối với cây cối, vật nuôi và con người.
 Tác hại của mưa axit
Nước hồ bị axit hóa: mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng
trên bề mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồn nước
trong hồ, phá hỏng các loại thức ăn, uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các sinh vật
khác trong nước.

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[14]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Bảng 1. 4 Các ảnh hưởng của pH đến hệ thủy sinh vật

pH

6,0

Các sinh vật bậc thấp của chuỗi thức ăn bị chết (phù du …), đây là
nguồn thức ăn quan trọng của cá.

pH

5,5

Cá không thể sinh sản được. Cá con khó sống sót. Cá lớn bị dị dạng do
thiếu dinh dưỡng. Cá bị chết do ngạt.

pH

5,0

Quần thể cá bị chết.

pH

4,0

Xuất hiện các sinh vật mới khác với các sinh vật ban đầu.

Hơn nữa, do hiện tượng tích tụ sinh học, khi con người ăn các loại cá có chứa
độc tố, các độc tố này sẽ tích tụ trong cơ thể con người và gây nguy hiểm đối với sức
khỏe con người. Ở trong các hồ, lưỡng thê cũng bị ảnh hưởng, chúng không thể sinh
sản được trong môi trương axit.
Ví dụ:
+ Theo tiêu chuẩn an toàn lương thực của Canada, lượng muối thuỷ ngân trong
các sông hồ chỉ được ở mức 0,005 ppm. Nhưng hiện nay người Eskimos và người dân
da đỏ ở một số vùng của Canada ăn thịt cá và hải cẩu có hàm lượng thuỷ ngân lên đến
17,5 thậm chí 32,7 ppm.
+ Thụy Điển có hơn 9 vạn cái hồ, 22% đã bị axit hoá ở mức độ khác nhau. 80%
nước hồ ở miền Nam Na Uy bị axit hoá. Ở Canada có hơn 5 vạn hồ đang có nguy cơ
thành “hồ chết”. Ở Mỹ có 2,7% hồ bị axit hoá, có vùng bị axit hoá lên tới 28 – 56%.
Các chuyên gia môi trường Mỹ cho rằng trong vòng 20 – 50 năm tới, mức độ axit hoá
các hồ của toàn nước Mỹ sẽ tăng 5 – 10 lần hiện nay.
+ Mưa axit làm ô nhiễm nguồn nước hồ, phá hỏng các loại thức ăn, uy hiếp các
loài tôm cua cá và sinh vật thuỷ sinh khác. 4000 hồ của Thụy Điển đã tuyệt chủng cá.
Na Uy có 1,3 km2 mặt hồ không còn cá.
-

Ảnh hưởng của mưa acid lên thực vật và đất

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h

Đồ án môn học

[15]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Một trong những tác hại nghiêm trọng của mưa axit là các tác hại đối với thực
vật và đất.
+ Khi có mưa axit, các dưỡng chất trong đất sẽ bị rửa trôi.Các hợp chất chứa
nhôm trong đất sẽ phóng thích các ion nhôm và các ion này có thể hấp thụ bởi rễ cây
và gây độc cho cây.Như chúng ta đã nói ở trên, không phải toàn bộ SO 2 trong khí
quyển được chuyển hoá thành axit sulfuric mà một phần của nó có thể lắng đọng trở
lại mặt đất dưới dạng khí SO 2. Khi khí này tiếp xúc với lá cây, nó sẽ làm tắt các thể
soma của lá cây gây cản trở quá trình quang hợp. Một thí nghiệm trên cây Vân Sam
(cây lá kim) cho thấy, khi phun một hỗn hợp axit sulfuric và axit nitric có pH từ 2,5 –
4,5 lên các cây Vân Sam con sẽ làm xuất hiện và phát triển các vết tổn thương có màu
nâu trên lá của nó và sau đó các lá này rụng đi, các lá mới sẽ mọc ra sau đó nhưng với
một tốc độ rất chậm và quá trình quang hợp bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Ví dụ:
+ Cuối năm 1999, đã có một số trận mưa axit ở Đồng Bằng Sông Cửu Long làm
cho cỏ cây cháy lá, hoa quả rụng non. Người và súc vật bị dính nước mưa bÞ ngứa
ng¸y, khã chÞu…
+ Những năm 70, ở vùng miền núi Adirôntac (Mỹ) đang vụ xuân, cây cối bỗng
dưng khô héo dần, rụng hết lá. Trên sông không thấy cá bơi lội, ven hồ không có tiếng
ếch nhái kêu. Quang cảnh vắng lặng tiêu điều. Nguyên nhân là do mưa axit.
+ Mưa axit làm tổn thương lá cây, phá hoại tác dụng quang hợp, lá bị vàng úa
rơi rụng.
Mưa axit hoà tan chất dinh dưỡng trong đất, phá hoại sự cố định đạm của vi
sinh vật và sự phân giải các chất hữu cơ, làm cho đất đâi mất độ phì nhiêu, màu mỡ.

Mưa axit còn ngăn trở bộ rễ sinh trưởng, lám suy giảm khả năng chống bệnh và sâu
hại.
Ví dụ:
+ “Lá phổi Châu Âu” là các dải rừng lớn bên bừ sông Đông bị mưa axit tàn phá
đã ảnh hưởng đến môi trường sinh thái của các nước Pháp, Đức, Thụy Sĩ. Toàn Châu
Âu có khoảng 14% rừng bị mưa axit phá hoại, riêng nước Đức bị tàn phá tới 50%.

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[16]

Tính toán thiết kế xử lý khí

+ Theo số liệu nghiên cứu thì trên toàn thế giới chỉ riêng phần gỗ đã bị mưa
axit tàn phá vượt quá 10 tỉ USD.
+ Sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm cho các lá cây bị hư hại, xuất
hiện các vết đốm, làm yếu tác dụng quang hợp, phá hoại các tổ chức bên trong, làm
mất chất đông, chất keo và axit amin, làm cho cây khó mọc. Mưa axit còn ức chế việc
phân giải các chất hữu cơ và cố định đạm trong đất, rửa trôi các nguyên tố dinh dương
trong đất như: Ca, Mg, K,... làm cho đất nghèo đi. Mưa axit làm cho cây ngũ cốc giảm
30% sản lượng.
Ở Mỹ, mưa axit làm thiệt hại 1 tỷ USD hàng năm (hiện nay). Trung Quốc hỏng
5,3 triệu tấn lương thực do mưa axit. Ngoài ra, mưa axit còn hoà tan các kim loại độc
hại trong đất đá như chì, thủy ngân, Cadmi, nhôm,... Cây công nghiệp lại hấp thụ chất
hoà tan đó, tích tụ lại làm giảm giá trị sử dụng, thậm chí gây ngộ độc cho người và gia
súc ăn vào.
-

Ảnh hưởng đến khí quyển

Các hạt sulfate tạo thành trong khí quyển sẽ làm hạn chế tầm nhìn. Các sương
mù axit làm ảnh hưởng đến khả năng lan truyền ánh sáng mặt trời. Ở Bắc cực, nó đã
ảnh hưởng đến sự phát triển của Địa y, do đó ảnh hưởng đến quần thể Tuần lộc và Nai
tuyết - loại động vật ăn Địa y.
-

Ảnh hưởng đến các công trình kiến trúc

Các hạt axit khi rơi xuống nhà cửa và các bức tượng điêu khắc sẽ ăn mòn
chúng.
Ví dụ:
+ Toà nhà Capitol ở Ottawa đã bị tan rã bởi hàm lượng SO 2 trong không khí
quá cao.
+ Vào năm 1967, cây cầu bắc ngang sông Ohio đã sập làm chết 46 người.
+ Thành phố cổ Aten nổi tiếng, sân khấu ngoài trời của La Mã, bức tượng nhân
sư của Ai Cập do bị những trận mưa axit mà ngày càng bị xâm thực hỏng dần.

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[17]

Tính toán thiết kế xử lý khí

+ Ở thành phố cổ Kracốp (Ba Lan) có 6000 kiến trúc cổ kiệt tác đang bị các

trận mưa axit hủy hoại. Có một số tượng thánh đã không còn mặt mũi, một số tượng
khác chỉ còn là một dống đá.
+ Lăng Thái Chi của Ấn Độ, Đại Giác đông thánh Paolô của Anh đã bị mưa
axit phá hủy. Pho tượng phật ngồi lớn nhất thế giới ở Lạc Sơn – Trung Quốc đã bị hư
hỏng nhiều chỗ do tác dụng ăn mòn của các trận mưa axit. Ngoài ra mưa axit còn làm
tăng nhanh độ ăn mòn đường ray xe lửa, cầu bằng kim loại, nhà cao tầng , công
trường, hầm mỏ, dây cáp điện,... làm giảm tuổi thọ của chúng.
-

Ảnh hưởng đến các vật liệu

Mưa axit cũng làm hư vải sợi, sách và các đồ cổ quý giá. Hệ thống thông khí
của các thư viện, viện bảo tàng đã đưa các hạt axit vào trong nhà và chúng tiếp xúc và
phá hủy các vật liệu nói trên.
Theo dự báo, đến giữa thế kỉ 21, hàm lượng khí SO 2 trong khí quyển sẽ tăng
gấp đôi so với hiện nay. Trong quá khứ, Mỹ là quốc gia sử dụng nhiều năng lượng
nhất thế giới và cũng là nước đứng đầu thải SO 2 vào khí quyển, do đó ngay từ những
năm 50, ở Mỹ đã xuất hiện mưa axit. Nhưng hiện nay, Trung Quốc đã trở thành quốc
gia thải khí SO2 nhiều nhất thế giới. Mưa axit đang tuôn xuống trên hơn 1/3 diện tích
đất nước Trung Quốc. Ở một số khu vực, trong đó có nhiều quận của các tỉnh bờ biển
giàu có Fujian và Zhejiang, 100% cơn mưa được xem là độc hại. Lượng khí SO 2 thải
ra ở Trung Quốc đã tăng 27% trong thời gian từ năm 2000 đến 2005. Tổng thiệt hại
kinh tế trong năm 2005 của Trung Quốc lên hơn 60 tỉ USD khi lượng khí thải SO 2 lên
đến 25 triệu tấn.
1.3

Các phương pháp xử lý SO2

1.3.1 Hấp thụ khí SO2 bằng nước
 Nguyên lý quá trình hấp thụ

Quá trình hấp thụ SO2 bằng nước:
SO2 + H2O

H+ + HSO3-

Hấp thụ khí SO2 bằng nước là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất
để loại bỏ khí SO2 trong khí thải, nhất là trong khói từ các loại lò công nghiệp.
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[18]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Sơ đồ hệ thống xử lý khí SO2 bằng nước bao gồm 2 giai đoạn:
Hấp thụ khí SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí thải hoặc cho khí thải đi
qua lớp vật liệu đệm (vật liệu rỗng) có tưới nước – scrubơ.
Giải thoát khí SO2 ra khỏi chất hấp thụ để thu hồi SO 2 (nếu cần) và nước
sạch. Mức độ hòa tan của khí SO 2 trong nước giảm khi nhiệt độ nước tăng cao, do
đó nhiệt độ nước cấp vào hệ thông hấp thụ khí SO 2 phải đủ thấp. Còn để giải thoát
khí SO2 khỏi nước thì nhiệt độ của nước phải cao.
Lượng nước thực tế phải lớn hơn một ít so với lượng nước lý thuyết vì nước
sau khi ra khỏi thiết bị hấp thụ không thể đạt mức bão hòa khí SO 2.
Để giải hấp thụ cần phải đun nóng một lượng nước rất lớn tức phải có một
nguồn cấp nhiệt (hơi nước) công suất lớn. Đó là một khó khăn .ngoài ra, để sử
dụng lại nước cho quá trình hấp thụ phải làm nguội nnước xuống gần 10 oC tức phải
cần đến nguồn cấp lạnh. Đó cũng là vấn đề không đơn giản và khá tốn kém.
Từ những nhược điểm nói trên, phương pháp hấp thụ khí SO 2 bằng chỉ áp

dụng được khi:
- Nồng độ ban đầu của khí SO2 trong khí thải tương đối cao
- Có sẵn nguồn cấp nhiệt (hơi nước) với giá rẻ
- Có sẵn nguồn nước lạnh
- Có thể xả được nước có chứa ít axit ra sông ngòi

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[19]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Hình 1. 2: Sơ đồ hệ thống xử lý khí SO2 bằng nước
1-tháp hấp thụ; 2-tháp giải thoát khí SO2 ; 3-thiết bị ngưng tụ ; 4,5- thiết bị trao đổi
nhiệt ; 6-bơm.
Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO 2 trong khí
thải, nhất là trong khói của các lò công nghiệp.
 Ưu nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được.
SO2 + H2O

HSO3-

Nhược điểm: do độ hòa tan của khí SO 2 trong nước quá thấp nên thường dùng 1
lượng nước rất lớn và thiết bị hấp thụ phải có thể tích rất lớn, cồng kềnh. Để tách SO 2
ra khỏi dung dịch phải nung nóng lên đến 100oC nên tốn rất nhiều năng lượng, chi phí
nhiệt lớn.

1.3.2 Hấp thụ SO2 bằng dung dịch sữa vôi
 Nguyên lý quá trình hấp thụ
Đây là phương pháp được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xứ lý
cao, nguyên liệu rẻ tiền và có sẵn ở mọi nơi.
CaCO3 + SO2

CaSO3 + CO2

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[20]
CaO + SO2
2CaSO3 + O2

Tính toán thiết kế xử lý khí
CaSO3
2CaSO4

Hình 1. 3: Sơ đồ hệ thống xử lý khí SO2 bằng sữa vôi
1- srubơ
2- bộ phận tách tinh thể
3- bộ lọc chân không
4,5- máy bơm
6-thùng hòa trộn dung dịch hấp thụ (sữa vôi – dạng huyền phù)
7- máy đập
8- máy nghiền đá vôi
Khói thải sau khi thu được lọc sạch tro bụi đi vào scrubơ, trong đó xảy ra quá

trình hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi tưới lên lớp đệm bằng vật liệu rỗng.
Nước chua (chứa acid) chảy ra từ scrubơ có chứa nhiều sunfit và canxi sunfat dưới
dạng tinh thể: CaSO3.0.5H2O, CaSO4.2H2O và một ít tro bụi còn sót lại sau bộ lọc
tro bụi, do đó cần tách các tinh thể nói trên ra khỏi dung dịch bằng bộ phận tách tinh
thể 2. Thiết bị sấy số 2 là một bình rỗng cho phép dung dịch lưu lại một thời gian đủ
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 scrubơ, phần còn lại đi qua bình lọc chân không 3, ở
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[21]

Tính toán thiết kế xử lý khí

đó các tinh thể bị giữ lại dưới dạng cặn bùn và được thải ra ngoài. Đá vôi được đập
vụn và nghiền thành bột ở các thiết bị 7, 8 rồi cho vào thùng 6 để pha trộn với dung
dịch loãng chảy ra từ bộ lọc chân không số 3 cùng với một lượng nước bổ sung để
được dung dịch sữa vôi mới.
Để thực hiện quá trình làm sạch khí trong tháp rửa có ô đệm thì cần phun
dịch thể vào tháp với lượng lớn để loại trừ sự tắc bẩn trong lớp ô đệm do phản ứng
CaSO3 và thạch cao (CaSO4.2H2O). Vì vậy, dùng phương pháp tuần hoàn bùn nhão
nhiều lần. Khi nồng độ khí SO2 thay đổi thì lượng dịch thể cấp vào tháp tỷ lệ thuận
với sự thay đổi nồng độ SO2 trong khí.
Hiệu quả hấp thụ SO2 bằng sữa vôi đạt 98%. Sức cản khí động của hệ thống
không vượt quá 20 mm cột nước. Đôi khi thay thế sữa vôi bằng bột vôi, khi đó làm
giảm đáng kể mức làm sạch khí. Để tăng mức làm sạch khí và giảm lượng vôi thì
kích thước của nó phải nhỏ.
Trường hợp này phản ứng:

CaCO3 + SO2  CaSO3 + CO2
Nguyên liệu vôi được sử dụng một cách hoàn toàn, cụ thể là cặn bùn từ hệ
thống xử lý ra có thể được sử dụng làm chất kết dính trong xây dựng sau khi chuyển
sunfit thành sunfat trong lò nung.
 Ưu nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, chi phí vận
hành thấp, chất hấp thụ rẻ, dễ tìm, làm sạch khí mà không cần phả làm lạnh và tách bụi
sơ bộ, có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông thường, không cần đến vật liệu chống
axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng.
Nhược điểm: đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO 4 và CaSO3, gây tắc nghẽn
các đường ống và ăn mòn thiết bị.
1.3.3 Xử lý khí SO2 bằng ammoniac
 Nguyên lý quá trình hấp thụ
Phương pháp này hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch ammoniac tạo muối amoni
sunfit và amoni bisunfit theo phản ứng sau:
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[22]
SO2 + 2NH3 + H2O
(NH4)2SO3 + SO2 + H2O

Tính toán thiết kế xử lý khí
(NH4)2SO3
2NH4HSO3

Hình 1. 4: Sơ đồ hệ thống xử lí SO2 bằng amoniac.
1- scrubơ

2,4- thiết bị làm nguội
3- tháp hấp thụ nhiều tầng
5- tháp hoàn nguyên
6- tháp bốc hơi
7- tháp kết tinh
8- máy vắt khô ly tâm
9- nồi chưng áp
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 30 oC, còn bụi cần 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 khóithải khi nồng độ ban đầu của SO 2 trong khói là 0.3%.
Nhiệt độ cuối của nước đạt khoảng 50oC. Để nước tuần hoàn được trong hệ thống,
nó phải được làm nguội xuống khoảng 27 oC trong thiết bị làm nguội (thiết bị trao
đổi nhiệt) số 2. thiết bị 2 có thể là tháp làm mát, lúc đó không khí đi qua tháp phải
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[23]

Tính toán thiết kế xử lý khí

được thải ở độ cao thích hợp để đề phòng sự lan tỏa khí SO 2 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 liên tục vào vòng tuần hoàn. 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 NH 3 đi theo khói thải ra ngoài. Thành phần
dung dịch tưới ở mỗi tầng hấp thụ được giữ không đổi. Dung dịch đã hoàn nguyên
được cấp vào tần hấp thụ kề với tầng trên cùng.
 Ưu nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: hiệu quả rất cao, chất hấp thụ dễ kiếm và thu được muối amoni sunfit
và amoni bisunfit là các sản phẩm cần thiết.
Nhược điểm: rất tốn kém, chi phí đầu tư và vận hành cao.
1.3.4 Xử lý SO2 bằng MgO
 Nguyên lý quá trình hấp thụ
Các phản ứng xảy ra như sau:
MgO + SO2
MgSO3 + SO2 + H2O
Mg(HSO3)2 + MgO
0

MgSO3 (1)
Mg(HSO3)2 (2)
2MgSO3 + H2O (3)

8 00÷900 C
MgSO3  → SO2

+ MgO (4)

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[24]

Tính toán thiết kế xử lý khí

Hình 1. 5: Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng magie oxit
1- srubơ
2- bộ lọc
3- bể chứa
4- bộ phận khống chế liều lượng
5,6- xiclon thủy lực
7- máy lọc ép
8- máy lọc chân không có băng tải
9- lò nhiều tầng
Khói thải cần xử lý SO2 được đưa vào scrubơ 1 trong đó được tưới dung dịch
huyền phù MgSO3.6H2O và MgO. Khí SO2 trong khói thải sẽ bị khử theo phản ứng
(1)và (2), khí sạch thoát ra ngoài. Sau khi ra khỏi scrubơ 1, một phần dung dịch đã
bị oxy hóa chảy vào bể chứa 3, tại đây nhờ có bộ phận đo liều lượng 4, MgO được
bổ sung vào bể chứa. Lượng MgO bổ sung pụ thuộc vào lượng SO 2 khử được. Từ
bể chứa 3 dung dịch với tỷ lệ rắn - lỏng ≈ 0.1 được đưa lên tưới cho scrubơ sau khi
đã được lọc các hạt cứng ở bộ lọc 2. Một phần dung dịch ra khỏi scrubơ 1 được đưa
sang xiclon thủy lực 5 và 6. Phần bùn sệt lắng ở đáy xiclon sẽ chảy xuống máy lọc
chân không có băng tải số 8 để tách tinh thể MgSO 3.6H2O. Phần nổi bên trên xiclon
cũng còn lẫn nhiều cặn bùn được đưa sang máy lọc ép 7 để loại bở cắn bùn, phần
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h


Đồ án môn học

[25]

Tính toán thiết kế xử lý khí

dung dịch còn lại ở các bộ lọc 7 và 8 chảy trở về bể chứa 3 để chuẩn bị dung dịch
tưới mới.
Các tinh thể MgSO3.6H2O thu được ở bộ lọc băng tải được đưa sang lò nung
9, ở đó dưới tác dụng của nhiệt độ cao (800÷900 oC) do đốt nhiên liệu rắn, lỏng hoặc
khí đốt, phản ứng (4) sẽ xảy ra, khí SO2 thoát ra với độ đặm đặc khoảng 18÷20%
dùng cung cấp cho công đoạn sản xuất axit sunfuric hoặc lưu huỳnh đơn chất, còn
magie oxit được hoàn nguyên và đưa về bể 3 để pha chế dung dịch mới.
 Ưu nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: có thể làm lạnh khí nóng mà không cần làm sạch sơ bộ, thu được axit
sunfuric như là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao, MgO dễ kiếm và rẻ.
Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, vận hành khó, chi phí cao, tổn hao
MgO khá nhiều.
1.3.5 Xử lý SO2 bằng ZnO
 Nguyên lý quá trình hấp thụ
Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:

SO2 + ZnO +

ZnSO3.

H2 O

H2O

ZnSO3.

H2 O

ZnO + SO2 +

H2O

Kẽm sunfit hình thành từ phản ứng trên là loại muối kém hòa tan trong nước
và kết tủa dưới dạng các tinh thể ZnSO 3.5H2O trong bể tuần hoàn có khuấy. Tinh
thể kẽm sunfit được tách ra khỏi dung dịch bằng máy lọc hoặc máy ly tâm. Dung
dịch loãng sau máy lọc được quay về để chuẩn bị sữa kẽm oxit mới, còn tinh thể
kẽm sunfit thì được sấy khô và đưa vào lo nung để hoàn nguyên kẽm oxit và thu hồi
SO2 nồng độ cao (≈100%). Khí SO2 thu hồi được có thể được hóa lỏng hoặc chế
biến thành axit sunfuric hoặc lưu huỳnh đơn chất.
 Ưu nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm: có thể làm sạch khí ở nhiệt độ khá cao ( 200 – 250oC ).
Tính toán thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng tháp hấp thụ với công suất 160.000 m3/h