Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công suất 120000 tấn phôi thépnăm

Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Quá trình phát triển ngành thép:

Ngành thép Việt Nam manh nha từ đầu những năm 60 của thế kỷ thứ XX với mẻ gang
đầu tiên của khu liên hiệp gang thép Thái Nguyên, do phía Trung Quốc trợ giúp và
cho ra lò mẻ gang đầu tiên vào năm 1963.
Từ 1976 – 1989, ngành thép gặp nhiều khó khăn do nền kinh tế đất nước lâm vào
khủng hoảng và nguồn thép nhập từ Liên Xô và các nước XHCN vẫn còn dồi dào nên
ngành thép không phát triển và chỉ duy trì sản lượng 40.000 – 85.000 tấn/năm.
Từ 1989 – 1995, thực hiện chủ trương đổi mới, của Đảng và ngành thép bắt đầu có
tăng trưởng, sản lượng thép trong nước đã vượt ngưỡng 100.000 tấn /năm.
Năm 1990, Tổng công ty thép Việt Nam thuộc Bộ Công nghiệp nặng được thành lập,
thống nhất quản lý ngành sản xuất thép trong cả nước. Sản lượng thép năm 1995 tăng
gấp 4 lần so với năm 1990, đạt 450.000 tấn/năm.
Tháng 4/1995, tổng công ty Thép Việt Nam theo mô hình Tổng công ty 91 được thành
lập trên cơ sở hợp nhất Tổng công ty Thép Việt Nam thuộc Bộ công nghiệp và Tổng
công ty kim khí thuộc Bộ thương mại.
Thời kỳ 1996 – 2003: Ngành thép vẫn giữ được tốc độ tăng trưởng khá cao, tiếp tục
được đầu tư mới và đầu tư chiều sâu, đã xây dựng và đưa vào hoạt động nhiều dự án
liên doanh.[1] Tổng sản lượng năm trong năm 2017 ước đạt khoảng 11,4 triệu tấn, sản
xuất thép tăng trưởng mạnh nhưng mới đáp ứng khoảng 40% nhu cầu sắt thép nội địa,
nên đây tiếp tục là ngành nhập siêu lớn, Bộ Công thương nhận định kèm theo đó là
lượng khí thải ngày một tăng nhanh khiến cho đời sống của người dân bị ảnh hưởng.
1.2 Các phương pháp xử lý khí thải:
Việc sản xuất gang thép đã sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên (quặng sắt, than, đá
vôi, khí thiên nhiên…) và sử dụng nhiệt năng, điện năng từ việc đốt cháy nhiên liệu
hoá thạch (than, dầu, khí thiên nhiên) đã tạo nên nguồn phát thải khí ô nhiễm ra môi

trường xung quanh là không nhỏ. Từ đó, ta đưa ra các biện pháp xử lý như sau:
+ Hấp thụ các chất khí độc hại bằng chất lỏng;
+ Hấp phụ các chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu rắn;
+ Xử lý khí thải bằng phương pháp đốt và xúc tác.
Hấp thụ các chất khí độc hại bằng chất lỏng:
Hấp thụ là một quá trình truyền khối mà ở đó các phân tử chất khí chuyển dịch và hòa
tan vào pha lỏng hay nói cách khác hấp thụ khí bằng chất lỏng là quá trình hoà tan của
1.2.1

1


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

chất khí trong chất lỏng khi chúng tiếp xúc với nhau Việc khử chất khí ô nhiễm diễn
ra theo 3 giai đoạn:
1. Khuếch tán chất khí ô nhiễm đến bề mặt chất lỏng.
2. Truyền ngang qua bề mặt tiếp xúc pha khí / lỏng (hòa tan).
3. Khuếch tán chất khí hòa tan từ bề mặt tiếp xúc pha vào trong pha lỏng.
Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc lớn giữa hai pha khí và lớn. Có
rất nhiều dạng thiết bị hấp thụ khác nhau, nhưng có một số loại đặc trưng như:
+ Tháp đệm (packed tower): Là một cột được chất gần đầy vật liệu đệm nhằm tạo ra
một diện tích bề mặt tiếp xúc cao nhất có thể để cho dòng khí và dòng lỏng tiếp xúc
tốt với nhau khi chuyển động ngược chiều qua lớp đệm. Vật liệu đệm được sử dụng
trong các tháp này có thể là đá nghiền, vòng Raschig, vật thể hình yên ngựa (ceramic
berl saddle), than cốc, đá hình xoắn ốc (spral tile), vỉ lưới ô vuông làm bằng gỗ và các
loại sợi tổng hợp.

Hình 1.1 Tháp đệm.
+ Tháp đĩa (plate tower): Là một cột mà trong đó có bố trí một số lượng nhất định
các đĩa đục lỗ bít kín ngang thân thiết bị để sủi bọt hoặc các khay rây và chất khí
thường chuyển động đi lên ngược chiều với chất lỏng hấp thụ.

2


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hình 1.2 Tháp đĩa.
+ Tháp phun (spray tower): Là một tháp rỗng có tiết diện ngang hình tròn hoặc hình
vuông, trong đó dòng khí chuyển động xuyên qua các tia lỏng được bắn phun thành
giọt mịn.

3


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hình 1.3 Tháp phun.
Những ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý bằng hấp thụ:
-

Ưu điểm:

+ Rẻ, dễ ứng dụng, có thể sử dụng dung môi là nước để hấp thụ các khí độc hại như
SO2, H2S…
+ Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khí thải có chứa bụi
lẫn khí độc hại mà các chất khí có khả năng hoà tan tốt trong nước rửa.
-

Nhược điểm:

+ Hiệu suất làm sạch không cao, không dung để xử lý dòng khí có nhiệt độ cao.
+ Quá trình hấp thụ là quá trình toả nhiệt nên khi thiết kế nhiều trường hợp phải lắp
đặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ để làm nguội và tăng hiệu quả quá
trình xử lý.
+ Khó chọn dung môi khi chất khí không có khả năng tan trong nước.
+ Giá thành xử lý dung môi khá cao.

1.2.2

Hình 1.4 Một số vật liệu đệm sử dụng trong hấp thụ.
Hấp phụ các chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu rắn:

4


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hấp phụ là một hiện tượng (quá trình) gây ra sự tăng nồng độ của một chất hoặc một
hỗn hợp chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (rắn - khí, rắn - lỏng, lỏng - khí).
Quá trình hấp phụ phân chia thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

+ Hấp phụ vật lý: Là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phân tử; nó giống
như tương tác trong hiện tượng ngưng tụ. Lực tương tác là lực van der Waals.
+ Hấp thụ hoá học: Là loại hấp phụ gây ra do tương tác mạnh giữa các phân tử và tạo
ra hợp chất bề mặt giữa bề mặt chất hấp phụ và các phần tử bị hấp phụ. Hấp phụ hoá
học được tạo ra do áp lực hoá học.
Trong công nghệ xử lý môi trường, để làm sạch các hơi và khí thải người ta thường sử
dụng các chất hấp phụ xốp như than hoạt tính, sihcagen, zeolit có hoạt độ cao và khá
dễ dàng tái sinh.
Bảng 1.1 Các số liệu kĩ thuật của các chấp hấp phụ thông dụng

1.2.2.1 Giới thiệu sơ lược về than hoạt tính:

Hình 1.5 Than hoạt tính.

5


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, không phân cực và có bề mặt riêng rất
lớn. Về bản chất nguyên tố, nó thuộc nhóm graphit - một dạng thù hình của cacbongồm các tinh thể nhỏ có cấu trúc bất trật tự; nhưng khác vôi graphit là trong tinh thể
của than hoạt tính các vòng sáu nguyên tử cacbon sắp xếp kém trật tự hơn. Vì vậy
than hoạt tính có cấu tạo xốp hơn và tạo nên nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất
phức tạp, Nhược điểm chủ yếu của than hoạt tính là kém bền cơ học và dễ cháy.
Cấu trúc lỗ xốp phức tạp và bề mặt riêng khác nhau làm cho các loại than hoạt tính
này trở nên có khả năng hấp phụ khác nhau. Việc tạo ra các loại than khác nhau phụ
thuộc chủ yếu vào cách chế tạo, Có thể chia kích thước lỗ xốp thành ba loại sau:
* Dạng vi mao quản, bán kính hiệu dụng cỡ 10 Ao, có bề mặt riêng lớn nhất

(350 1000 m2/gam và chiếm phần chủ yếu trong than hoạt tính.
*Dạng mao quản trung gian có bán kính hiệu dụng trong khoảng 100 đến 250 Ao, bề
mặt riêng không lớn lắm, khoảng 100 m2/gam.
*Dạng mao quản lớn có bán kính hiệu dụng khoảng 1.000 đến 10.000 Ao; dạng này có
bề mặt riêng rất nhỏ, không quá 2 m2/gam.
1.2.2.2. Giới thiệu sơ lược về Silicagel:

Hình 1.6 Silicagel.
Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển. Mạng lưới của
gel bao gồm các nguyên tử Si nằm giữa khối tứ diện nối với nhau thông qua các
nguyên tử O phân bố tại các đỉnh. Bề mặt của gel thay vì các nguyên tử oxy là các
nhóm hydroxyl (OH); điều đó quyết định tính chất hấp phụ của silicagel.

6


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hạt Silicagel có khả năng hút nước mạnh ngoài ra với đặc tính xốp còn được dung
làm chất mang xúc tác, chất hấp phụ (pha tĩnh) trong phân tích sắc ký. Silicagel là một
chất vô cơ bền, không độc, bảo quản và vận chuyển dễ dàng.
1.2.2.3. Các chất hấp phụ khác:
Trong tự nhiên có nhiều loại khoáng chất có khả năng hấp phụ như sét, bentomt,
diatomit... Các loại khoáng chất này thường được làm tăng khả năng hấp phụ của
chúng lên nhiều sau khi xử lý bằng các biện pháp phù hợp. Tính ưu việt nhất của các
chất hấp phụ tự nhiên là chúng có giá thành rất thấp so với các chất hấp phụ nhân tạo.
Các muối vô cơ và các oxit kim loại cũng có thể được dùng làm chất hấp phụ khi ta
đưa nó lên trên một chất mang nào đó, chẳng hạn như silicagen, oxit nhôm... Để làm

điều đó, người ta trộn đều dung dịch 20-25% của muối yêu cầu với chất mang rồi sấy
khô.
Những ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý bằng hấp phụ:
- Ưu điểm:
+ Có khả năng làm sạch cao.
+ Chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có khả năng tái sinh làm hạ giá thành xử lý.
- Nhược điểm:
+ Không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao. Quá trình xử lý
thường phải thực hiện theo phương pháp gián đoạn.
1.2.3 Xử lý khí thải bằng phương pháp đốt:
Phương pháp thiêu đốt được sử dụng khá phổ biến trong các trường hợp lượng khí
thải lớn mà nồng độ chất ô nhiễm cháy được nhỏ.
Quá trình thiêu đốt được áp dụng cho các trường hợp:
+ Phần lớn các chất ô nhiễm có mùi khó chịu đều cháy được hoặc thay đổi được về
mặt hoá học để biến thành chất có ít mùi hơn.
+ Các loại sol hữu cơ có khói nhìn thấy được.
+ Các hơi, khí thải hữu cơ có phản ứng với sương mù.
- Ưu điểm:
+ Phân hủy được hoàn toàn các chất ô nhiễm cháy được.
+ Khả năng thích ứng tốt của thiết bị đối với sự thay đổi vừa phải của lưu lượng và
nồng độ khí thải.
+ Hiệu quả xử lý cao
+ Xử lý được các chất khó xử lý
+ Nhiệt thiêu đốt có thể được thu hồi cho các công đoạn khác.
- Nhược điểm:
+ Chi phí đầu tư, vận hành lớn
+ Làm tăng tính phức tạp của ô nhiễm không khí khi các khí cần xử lý chứa nitơ, lưu
huỳnh, photpho,…
+ Việc cấp thêm chất xúc tác trong quá trình đốt gây cản trở hoạt động của thiết bị

7


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hình 1.7 Cấu tạo đầu đốt trực tiếp.
1. Ống dẫn khí thải; 2. Vòng khống chế vận tốc khí thải; 3. Ống góp phân phối hơi
nước; 4. Các điểm phun hơi; 5. Bộ phận mồi lửa; 6. Ống cấp ga mồi; 7. Ống cấp hơi
nước
Ngoài phương pháp đốt trực tiếp, thông thường còn có thể dùng phương pháp đốt
bằng buồng đốt, phương pháp này áp dụng rộng rãi cho các khí thải chứa chất ô nhiễm
dạng khí, hơi hoặc sol khí cháy được với nồng độ thấp.
Các bộ phận chính của thiết bị này gồm: buồng đốt, vòi đốt, bộ điều chỉnh quá trình
cháy và đồng hồ đo nhiệt.

8


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hình 1.8 Buồng đốt khí thải hình trụ đứng.
1. Ống cấp khí thải; 2. Các cửa vòi đốt; 3. Vòng thắt bằng vật liệu chịu lửa; 4. Ống
cấp nhiên liệu; 5. Vỏ thép ốp vật liệu chịu lửa; 6. Ống khói thải khi sạch

Hình 1.9 Buồng đốt khí thải có ngăn áp lực.
1. Ống cấp khí thải; 2. Ống cấp nhiên liệu; 3. Ngăn áp lực; 4. Vòi đốt

9


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG
2.1 Sơ lược quá trình hoạt động của lò nung:
Trong giai đoạn này các nguyên liệu đầu vào như: Quặng viên(Pellet), quặng sắt( Iron
ore), quặng thiêu kết, và các chất phụ gia như than cốc (coke), đá vôi(lime stone) được
đưa vào lò nung (Blast furnace).
Nếu là phế liệu cũng sẽ được nung nóng tới 1 nhiệt độ nhất định để làm thành dòng
kim loại nóng chảy (hot metal).

Hình 2.1 Quy trình xử lý quặng vào lò nung.
Nguyên liệu dùng để gia nhiệt cho lò nung đa dạng như: Than đá, củi, dầu FO,…
Nhưng dựa vào đặc điểm kinh tế địa lý, phần lớn các nhà máy đều sử dụng dầu để làm
nhiên liệu(chủ yếu là dầu FO). Trong khí thải của lò nung đốt dầu FO người ta thường
thấy có các chất sau: CO 2, CO, NOx, SO2, SO3 và hơi nước, ngoài ra còn có một hàm
lượng nhỏ tro và các hạt tro rất nhỏ trộn lẫn với dầu cháy không hết tồn tại dưới dạng
son khí mà ta thường gọi là mồ hóng.

10


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

2.2 Giới thiệu tổng quan về dầu FO:
Dầu là nhiên liệu được sử dụng phổ biến trong các lò công nghiệp. Nhiên liệu dầu đốt
được chia thành 2 loại: Dầu nặng (heavy oil) và dầu nhẹ (light oil).
Nhiên liệu đốt lò dầu mazut (Fuel Oils – FO) là sản phẩm chủ yếu của quá trình chưng
cất thu được từ phân đoạn sau phân đoạn gas oil khi chưng cất dầu thô ở nhiệt độ sôi
lớn hơn 350 0C. Dầu mazut là loại nhiên liệu gồm chủ yếu các cặn của quá trình chưng
cất dầu thô. Loại dầu này thường được sử dụng cho các nồi hơi trong các nhà máy
điện, tàu, và trong các nhà máy công nghiệp.
Dầu mazut được phân loại như sau:
• Dầu mazut loại nặng (FO nặng): là nhiên liệu đốt lò chủ yếu dùng trong công
nghiệp.
• Dầu mazut loại nhẹ (FO nhẹ): bao gồm cả các loại dầu giống như điêzen (DO); dầu
hỏa (KO), … khi chúng được sử dụng làm nhiên liệu để đốt lò (lò đốt dạng bay hơi,
dạng ống khói hoặc lò đốt gia đình).
Theo TCVN 6239:2002, căn cứ vào độ nhớt động học và hàm lượng lưu huỳnh, nhiên
liệu đốt lò (FO) được phân loại như sau:
Bảng 2.1 Các loại dầu FO

Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu đốt lò (FO) theo TCVN 6239:2002 được quy
định trong bảng dưới đây:

11


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu của các loại dầu FO

2.3 Tính toán tải lượng các chất ô nhiễm từ đốt dầu FO:
Các hệ số trong tính toán:
-Hệ số thừa không khí: α = 1,4
-Hệ số cháy không hoàn toàn: η = 0,03

12


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

-Hệ số tro bay theo khói: a = 0,475
Để cho ra 1 tấn sản phẩm thì lượng dầu FO tiêu thụ từ 25-36 lit
→ Lượng nhiên liệu tiêu thụ để nung 1 tấn phôi thép là 30 lit dầu FO

Bảng 2.3 Thành phần % các chất trong dầu FO

(Nguồn: Ô nhiễm không khí & Xử lý khí thải, Tập 3 – Trần Ngọc Chấn.)
Giả sử nhà máy luyện cán thép hoạt động 1 năm 300 ngày, mỗi ngày làm việc 24h
Lượng nhiên liệu dầu FO tiêu thụ trong 1h:

Bảng 2.4 Hệ số phát thải ô nhiễm do đốt dầu FO
Hệ số phát thải
Chất gây ô nhiễm
n: Tô
tế Thế SO2
(WHO), SO
3

Lượng
NO2
khí cần
để đốt CO
kg dầu:
Bụi

(g/l)
Nhà máy điện

Công nghiệp khác

18,8S

18,8S

0,29S

0,24S

12,46

8,62

0,005

0,24

1,19

1,79

(Nguồ
chức Y
Giới
1993)
không
thiết
cháy 1

13


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Lt = 11,53 C + 34,4 (H – ) + 4,29 S
= 11,53 0,834 + 34,4 (0,1 – ) + 4,29 0,029 ≈ 13,17 kg không khí/kgdầu
Lượng khí thải ở điều kiện chuẩn (1at, 2730K) được tính theo công thức:

Lk0 = (mf – mNC) + Lt
= (1 – 0,003) + 13,17
= 14,167 kgkk/kgdầu ≈ 10,98 m3kk/kgdầu
Trong đó:

mf = 1 : là khối lượng nhiên liệu

mNC = 0,003 : là hàm lượng tro trong dầu.
 Giả sử lò hơi hoạt động có hệ số nhiệt thừa là α = 1,4 (thực tế 1,4 ≤

α ≤1,45) và
Tkhói = 2000C (thực tế khói từ lò hơi có nhiệt độ
từ 180 - 250℃). Khi đó, lưu lượng khói thải khi đốt 1kg dầu được
tính theo công thức:
Lk = = = 26,63 m3kk/kgdầu
Lưu lượng khói thải ở 2000C: 26,63x500x0,97 = 12915,6 (m3/h)
(1 lít dầu = 0,97 kg dầu)
Lưu lượng khói thải ở 250C: 12915,6 = 8137,1 (m3/h)
Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải dầu FO (ở 250C) được tính theo công thức:
Nồng độ (mg/m3) = 103 = × 103
Với: Tải lượng (g/h) = Hệ số phát thải (g/l) × Lượng dầu FO cần cho 1 giờ (lít dầu/h)
Trong đó:
Hệ số phát thải tra bảng 2.4 (cột các ngành công nghiệp khác)
Lượng dầu FO cần cho 1 giờ như đã tính là 600 (l dầu/giờ)
Bảng 2.5 Nồng độ các chất ô nhiễm chủ yếu trong khí thải dầu FO
Chất gây ô nhiễm

Tải lượng (g/h)

Nồng độ ( mg/m3)

SO2

18,82,9600= 32712

103 = 4020

SO3

0,242,9600 = 417,6

103 = 51,3

CO

0,24600 = 144

103 = 17,7

Bụi

1,79600 = 1074

103 = 132

2.4 Xác định nồng độ, thành phần vượt chuẩn

14


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Theo QCVN 19: 2015/BTNMT, nồng độ tối đa cho phép của SO 2 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/Nm 3) 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 19:2015/BTNMT với
P<20000 (m3/h) chọn Kp = 1.
- Kv là hệ số vùng, khu vực quy định tại mục 2.4 QCVN 19:2015/BTNMT với giả sử
nhà máy A thuộc công nghiệp B chọn Kv = 1.
Bảng 2.6 So sánh nồng độ khí thải và nồng độ cho phép
STT

Chỉ tiêu

Nồng độ
QCVN 19:2009
3
(mg/m )
(mg/m3)
1
SO2
4020
500
2
CO
51,3
1000
3
SO3
17,7
50
4

Bụi
132
200
Theo số liệu từ bảng trên cho chúng ta thấy nồng độ SO 2 vượt giới hạn gấp 8 lần giới
hạn cho phép. Nên cần phải có công nghệ xử lý SO 2 hợp lý trước khi tiến hành xả thải
ra bên ngoài môi trường.
Đối với chất SO2 ta có phương pháp đặc trưng
Phương pháp hấp thụ: sử dụng nước, dung dịch hoặc huyền
phù của muối kim loại kiềm, kiềm thổ.
- Phương pháp hấp phụ: sử dụng đá vôi, quặng dolomit, than
hoạt tính,...
2.5 Giới thiệu một số phương pháp hấp thụ SO2 và phương pháp xử lý CO:
2.5.1 Hấp thụ bằng nước:
Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO 2 ra khỏi khí thải
từ các lò công nghiệp.
-

Nhược điểm:
-

Do độ hòa tan của SO2 trong nước thấp nên phải cần lưu
lượng nước lớn và thiết bị hấp phụ có thể tích lớn
Quá trình hấp thụ tốn nhiều năng lượng chi phí nhiệt lớn.
Nước sau khi hấp thụ nếu vượt ngưỡng cho phép cần được xử
lý trước khi thải ra môi trường
15


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công

suất 120000 tấn phôi thép/năm

Ưu điểm:
-

Chất hấp thụ rẻ tiền, dễ tìm

Phương trình phản ứng:
SO2 + H2O  H+ + HSO3

Hình 2.2:

Sơ đồ quy
trình hấp thụ 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

2.5.2 Hấp thụ bằng đá vôi và nước vôi:
Là phương pháp áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lí cao, nguyên
liệu rẻ tiền và có sẵn ở mọi nơi.
Sữa vôi là dung dịch quá bão hoà của vôi (Ca(OH) 2) với nước (với hàm lượng vôi 100
110 g/lít). Khi phun vào tháp phun hay tháp đệm, khí SO 2 bị dung dịch hấp thụ và xảy
ra phản ứng:
Ca(OH)2 + SO2  CaSO3¯+ H2O
Sunfit canxi ít tan trong nước và bị oxi hoá dần thành sufat canxi, lắng xuống theo
phản ứng:
2CaSO3 + O2  2CaSO4¯
Ưu điểm: của phương pháp này là quy trình công nghệ đơn giản chi phí hoạt động
thấp, chất hấp thụ dễ tìm, có khả năng xử lý mà không cần làm nguội và xử lý sơ bộ,
không cần đến vật liệu chống acid và không chiếm nhiếu diện tích xây dựng.

Có thể có hiệu quả hấp thu SO2 trong khí thải cao (tới 98%) khi dùng tháp đệm có
chiều dày lớp đệm h = 1m; Vận tốc trọng lượng dòng khí thải 0,6 kg/m 2s và hệ số
phun nước vôi có pH = 910 là 2 kg/m3kk.
Nhược điểm: Trên thực tế sử dụng đã cảnh báo tính phức tạp trong sử dụng vì cặn vôi
đóng cứng làm hư hỏng hệ thống và thiết bị vì lý do như sau: Trong khói lò đốt ngoài
khí SO2 ra còn có CO2 với hàm lượng cao. Lượng khí này sẽ phản ứng với dung dịch
nước vôi theo phản ứng sau:
Ca(OH)2 + CO2  CaCO3¯ + H2O

16


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Phản ứng không mong muốn này làm tiêu tốn thêm hoá chất trong hệ thống. Đồng
thời, CaCO3 sẽ lắng đọng trên bề mặt lớp đệm, làm dày lên và làm tắc lớp đệm. Chúng
còn đóng trên hệ thống phun dung dịch làm tắc nghẽn hệ thống này.

Hình 2.3 Sơ đồ xử lý khí lưu huỳnh bằng đá vôi.
2.5.3 Phương pháp magiê oxit (MgO):
Phương pháp hấp thụ xử lý khí lưu huỳnh đioxit (SO2) bằng oxit-hydro magie và tạo
thành các tinh thể ngậm nước sunfit magie.
Ưu điểm: Phương pháp xử lý này có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm sạch sơ
bộ sẽ thu được axit sunfuric là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả quá trình xử lý cao,
nguyên liệu dễ kiếm và rẻ tiền.
Nhược điểm: Quy trình công nghệ rất phức tạp và chi phí cao, vận hành khó.

17

Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống xử lý bằng magiê oxit kết tinh theo chu trình.
1. scrubơ; 2. bộ lọc; 3.bể chứa; 4. bộ phận khống chế liều lượng; 5, 6. xyclon thủy
lực; 7.máy lọc ép; 8. máy lọc chân không có băng tải; 9. lò nhiều tầng (hoàn nguyên
MgO)
2.5.4

Phương pháp kẽm:

Trong phương pháp này chất hấp thụ là kẽm
SO2 + ZnO + 2,5 H2SO4  ZnSO3 + H2O
Ưu điểm: của phương pháp này là khả năng xử lý ở nhiệt độ cao (200 – 2500C)
Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi về kinh tế nên
phải thường xuyên tách chúng và bổ sung thêm ZnO.
2.5.5 Hấp thụ bằng xút (NaOH):
Ưu điểm : Có một vài ứng dụng trong nước dùng tháp phun kết hợp tháp đệm lọc
SO2 bằng dung dịch xút 0,51% với hệ số phun μ 3kg/kg đã cho kết quả:
Hạ được nồng độ SO2 trong khí thải lò đốt dầu F.O khoảng 85 90%.
Phản ứng trong quá trình như sau:
NaOH + SO2  NaHSO3
NaOH + NaHSO3  Na2SO3 +H2O
Dung dịch này tránh được nhược điểm của dùng vôi là ít bị nghẹt hệ thống phun dung
dịch và chỉ hấp thu SO2 .
Phản ứng phụ của xút với CO2 nếu có xảy ra thì một phần của cacbonat natri được
hình thành sẽ phản ứng với khí SO2 để tạo thành sunfit và bisunfit natri:

NaOH + H2CO3  NaHCO3 + H2O
2NaOH + CO2  Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + SO2  Na2SO3 +CO2
NaHCO3 + SO2  NaHSO3 + CO2
Na2SO3 + SO2 + H2O  2NaHSO3
Nhược điểm:
18


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm
-

-

Hệ thống này tiêu tốn nhiều xút;
Còn đòi hỏi khí thải phải được làm nguội trước khi xử lý và trên thực tế
nước thải đã không được xử lý khi thải bỏ, vì nếu cộng thêm phần xử lý
nước thì giá thành hệ thống rất cao.
Ngoài ra hệ thống này cần làm bằng vật liệu chịu được môi trường kiềm
cao như INOX; COMPOSITE…

Hình 2.5: Sơ đồ xử lý khí bằng xút hoặc sữa vôi.

19


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công

suất 120000 tấn phôi thép/năm

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ, TÍNH TOÁN
VÀ THIẾT KẾ
3.1 Đề xuất công nghệ xử lý – phương pháp hấp thụ
Khí SO2 là khí không màu, là loại khí độc có khả năng hoà tan trong nước cao hơn các
khí ô nhiễm khác, gây tác động xấu đến sức khỏe của con người và động vật.
Khí SO2 là chất khí ô nhiễm khá điển hình từ nhiều nhà máy công nghiệp. Vì vậy
phương pháp xử lí SO2 bằng tháp hấp thụ (tháp đệm) được áp dụng rộng rãi trong việc
xử lí khí SO2 từ các nguồn thải trước khi xả thải ra môi trường bên ngoài.
3.1.1 Xử lý SO2 bằng tháp đệm
Tháp đệm được sử dụng rộng rãi vì đặc điểm dễ thiết kế, gia công và vận hành đơn
giản.
Tháp cần đạt những yêu cầu sau:
- Trở lực thấp;
- Kết cấu đơn giản, vận hành thuận tiện;
- Không bị tắc nghẽn bởi cặn.
3.1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Sơ đồ xử lý khí thải nồi hơi được đề xuất như sau:
Dòng khí phát sinh từ lò hơi có nhiệt độ dòng khí thải cao (200 0C) trước tiên được dẫn
qua thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ xuống sao cho thích hợp với quá trình hấp
thụ khoảng 550C rồi mới đưa sang tháp hấp thụ.
Dùng quạt gió thổi dòng khí thải vào tháp hấp thụ (tháp đệm với vật liệu đệm là vòng
sứ) từ dưới lên. Dung dịch hấp thụ được bơm từ thùng chứa lên tháp và tưới trên lớp
vật liệu đệm theo chiều ngược với chiều của dòng khí đi trong tháp.
Khí sạch được hút vào ống khói nhờ quạt hút và thải ra môi trường với nồng độ SO 2
đạt tiêu chuẩn cho phép Cmax (theo QCVN 19:2009/BTNMT). Nước sau khi hấp thụ
SO2 đi xuống đáy tháp và đi ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng. Nước sau khi
hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ được xử lý và tái sử dụng.

20


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình xử lý SO2 bằng tháp đệm.
Ưu điểm:
- Áp suất giảm tương đối thấp;
- Vẫn có thể xử lý trong điều kiện khí có tính ăn mòn cao;
- Có khả năng đạt được hiệu quả tương đối cao;
- Chi phí vốn tương đối thấp;
- Yêu cầu không gian tương đối nhỏ;
Nhược điểm:
- Sản phẩm thải thu được là dung dịch;
- Nhạy cảm với nhiệt độ;
- Chi phí bảo trì tương đối cao.
3.2 Xử lý SO2 bằng tháp mâm
- Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có cấu trúc
khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi cho tiếp xúc với nhau
- Tháp mâm có trở lực nhỏ, thường được sử dụng rộng rãi cho xử lý khí có nồng độ
vượt chuẩn không cao lắm.
- Khả năng nghẽn của tháp thấp hơn tháp đệm do đó việc vận hành dễ và ít tốn kém
hơn.
3.2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ
Dòng khí phát sinh từ lò hơi có nhiệt độ dòng khí thải cao (200 0C) trước tiên được dẫn
qua thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ xuống sao cho thích hợp với quá trình hấp
thụ khoảng 550C rồi mới đưa sang tháp hấp thụ.

21


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Dùng quạt gió thổi dòng khí thải vào tháp hấp thụ (tháp mâm xuyên lỗ) từ dưới lên.
Dung dịch hấp thụ được bơm từ thùng chứa lên tháp và tưới trên lớp vật liệu đệm theo
chiều ngược với chiều của dòng khí đi trong tháp.
Khí sạch được hút vào ống khói nhờ quạt hút và thải ra môi trường với nồng độ SO 2
đạt tiêu chuẩn cho phép Cmax (theo QCVN 19:2009/BTNMT). Nước sau khi hấp thụ
SO2 đi xuống đáy tháp và đi ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng. Nước sau khi
hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ được xử lý và tái sử dụng.

Hình 3.2 Sơ đồ quy trình xử lý SO2 bằng tháp mâm.
Ưu điểm:
-

Chế tạo đơn giản;

-

Vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp.

Nhược điểm:
-

Yêu cầu lắp đặt cao;

-

Mâm lắp phải rất phẳng;

-

Chất lỏng phân phối không đều trên mâm.

3.3 Lựa chọn phương pháp xử lý:
Áp dụng phương pháp xử lý khí SO2 bằng tháp đệm với dung dịch hấp thụ là NaOH
10%.
Chọn vật liệu đệm là vòng sứ Rasching xếp ngẫu nhiên (bảng IX.8/193/[11])

22


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Kích thước: 50x50x5 (mm)
Bề mặt riêng: σ= 95 m2/m3
Thể tích tự do: Vt = 0,79 m3/m3
Khối lượng riêng đệm: pđệm = 500 kg/m3
Các tiêu chí lựa chọn công nghệ:
- Dung dịch hấp thụ rẻ tiền, dễ tìm
- Chi phí lắp đặt, vận hành thấp
- Hiệu quả xử lý cao, ít trục trặc
Hiệu suất của quá trình xử lý hấp thụ
Lưu lượng khí thải ở 50oC là:

Nồng độ SO2 ở 50oC là:
4020×= 3708,9 mg/m3
Hiệu suất quá trình hấp thụ:
ŋ = 100 = 87,6%
Chọn hiệu suất thiết kế cho thiết bị là 90% để nồng độ SO2 đầu ra bé hơn
QCVN19/2009.
3.4

Tính toán

Tính toán quá trình hấp thụ:
Các số liệu ban đầu:
-

Lưu lượng khí thải ở 2000C: 12915,6 m3/h

-

Lưu lượng khí thải vào tháp: 8819 m3/h

-

Nồng độ SO2 đầu vào 3708,9 mg/m3

-

Nồng độ SO2 đầu ra: 500 mg/m3

-

Áp suất 1atm = 760mmHg =1,0133105 Pa

-

Nhiệt độ khói thải đầu ra: 2000C

-

Nhiệt độ khí vào tháp: 500C

23


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

-

Nhiệt độ khói thải trong tháp hấp thụ: 40 0C (nhiệt độ trung bình của dòng
khí và lỏng trong tháp)

Các thông số liên quan:
Gđ, Gc: suất lượng khí đầu vào, ra (kmol/h)
Lđ, Lc: suất lượng dung dịch đầu vào, ra khỏi tháp (kmol/h)
Yđ, Yc: nồng độ SO2 đầu vào, ra trong pha khí (kmol/kmol trơ)
Xđ, Xc: nồng độ SO2 đầu vào, ra trong pha lỏng (kmol/kmol lỏng)
Thiết lập đường cân bằng – đường làm việc:
Đầu vào:
Suất lượng mol của pha khí vào tháp:

Suất lượng mol của :
Suất lượng mol của cấu tử trơ:
Nồng độ phần mol của trong hỗn hợp khí
Tỉ số mol
Khối lượng riêng của pha khí ở , 1 atm
= 2,93110-3 kg/l = 2,93 kg/m3
= 1,29 kg/m3

(Bảng I.7-I.8/13-14/[ Trần xoa_NTK])

Khối lượng riêng của pha khí ở , 1 atm
Xd : phần mol SO2 trong pha lỏng.
Giả sử ban đầu dung dịch là dung dịch sạch nên Xd = 0
Đầu ra:
Suất lượng mol của được hấp thụ

24


Đồ án xử lý khí thải
Tên đề tài: Tính toán, thiết kế thiết bị xử lý khí thải từ lò nung thép nhà máy luyện thép công
suất 120000 tấn phôi thép/năm

Suất lượng mol của còn lại trong hỗn hợp khí đầu ra
Suất lượng mol của khí ở đầu ra
Nồng độ phần mol của trong hỗn hợp khí ở đầu ra
Tỉ số mol
Khối lượng riêng của pha khí ở , 1 atm

Khối lượng riêng của pha khí ở , 1 atm

Thiết lập phương trình đường cân bằng:
Theo định luật Henry ta có:
(trang 138/[Trần xoa_NTK])
Ta có:
: hằng số Henry của khí SO2 ở 400C,
(Bảng IX.1/139/[ Trần xoa_NTK])
P: Áp suất chung của hỗn hợp khí (760 mmHg).

Phương trình cân bằng vật liệu cho thiếi bị:
Do nên phương trình trở thành:
Ứng với nồng độ của chất bị hấp thụ trong dòng lỏng ra khỏi tháp lớn nhất.
(Xc = Xcbc) thì lượng dung môi tối thiểu cần để hấp thụ là:
Từ phương trình đường cân bằng:

25