Tài liệu 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

Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. : TỔNG QUAN Khái quát 1.1.1 Quy trình cơ bản về sản xuất mì gói: Chuẩn bị nguyên liệu Phối trộn Cán bột, tạo sợi Hơi nước từ lò hơi Hấp Ướp gia vị Tạo hình và chiên Bổ sung các gói gia vị Đóng gói Hình 1. 1 Quy trình cơ bản về sản xuất mì gói. Để sản xuất mì gói cần trải qua nhiều giai đoạn quan trọng. Thứ nhất là khâu chuẩn bị nguyên liệu, tất cả nguyên liệu đều được chọn lọc và kiểm tra theo quy trình SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 1 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. nghiêm ngặt trước khi nhập kho, đưa vào sản xuất. Tiếp theo là giai đoạn phối trộn các loại nguyên liệu với nhau theo công thức thích hợp tùy với mỗi loại sản phẩm. Sau đó sẽ cán bột và tạo sợi nhờ các thiết bị hiện đại. Tiếp đó là giai đoạn hấp, công đoạn này sử dụng hơi nước từ lò hơi để hấp chín mì, đây là giai đoạn quan trọng trong việc cần phải xử lý khí thải từ lò hơi tạo ra. Sau đó sợi mì đã được hấp chín sẽ được ướp gia vị, tạo hình và chiên giúp cho quá trình bảo quản lâu và tạo độ giòn cho sản phẩm. Cuối cùng, các vắt mì sẽ được chuyển qua khâu thành phẩm bổ sung các gói gia vị và đóng gói. 1.1.2 Lò hơi Lò hơi (hay còn gọi là nồi hơi) công nghiệp là thiết bị sử dụng nhiên liệu như than đá, dầu DO, FO,... để đun sôi nước, tao thành hơi nước mang nhiệt để phục vụ cho các yêu cầu về nhiệt trong các lĩnh vực công nghiệp như: sấy, đun nấu, hơi để chạy tuabin máy phát điện,… Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta tạo ra nguồn hơi có nhiệt độ và áp suất phù hợp để đáp ứng cho các loại công nghệ khác nhau. Điều đặc biệt ở lò hơi mà không thiết bị nào thay thế được là tạo ra nguồn năng lượng an toàn không gây cháy để vận hành các thiết bị hoặc động cơ nơi cần cấm lửa và cấm nguồn điện. Lò hơi được sử dụng nhiều trong hầu hết các ngành công nghiệp, mỗi ngành đều có nhu cầu sử dụng nhiệt ở mức độ và công suất khác nhau. Đặc biệt các nhà máy thường sử dụng lò hơi: Nhà máy sản xuất mì gói – mì ăn liền sử dụng lò hơi cho công đoạn hấp chín mì bằng hơi. Nhà máy chế biến thức ăn gia súc, nhà máy sản xuất bánh kẹo các nhà máy này sử dụng lò hơi để sấy các sản phẩm. Một số nhà máy thì sử dụng lò hơi để đun nấu, thanh trùng như các nhà máy sản xuất nước giải khát, nhà máy nước mắm, sữa tươi... Hình 1. 2 Thiết bị lò hơi. SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 2 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. 1.1.3 Dầu diesel (DO) Khi chưng cất sơ cấp dầu thô ta thu được phân đoạn sôi giữa 200 oC và 320oC. Phân đoạn này được gọi là gas oil hay dầu diesel. Nhiên liệu diesel (Diesel fuel) có cùng một khoảng nhiệt độ chưng cất (200 ÷ 320oC) như dầu gas oil và dĩ nhiên chúng là cùng một nhiên liệu nhưng được sử dụng cho động cơ nén – nổ (được gọi là động cơ diesel) vì thế chúng được gọi là nhiên liệu diesel. Các động cơ diesel có rất nhiều dạng và tốc độ, sử dụng một khoảng rất rộng các nhiên liệu từ các distillat của dầu thô đến các phân đoạn chưng cất dầu than đá và các dầu thực vật. Nguyên lí cơ bản của động cơ diesel là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy nhiên liệu. Nhiên liệu được tiêm vào buồng nén mà ở đó không khí đã được nén tới 1 áp lực từ 41,5 – 45,5 kg/cm2 và đạt tới nhiệt độ ít nhất là 500oC. Nhiệt độ này đủ để làm bốc cháy nhiên liệu và khí dãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kg/cm2. Áp lực này tác động lên piston và làm động cơ chuyển động. Trong chu trình làm việc của động cơ diesel, nhiên liệu tự bốc cháy trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn, không cần mồi lửa từ bugi. Dầu DO đúng tiêu chuẩn có các thông số như trong bảng 1.1 Bảng 1. 1 Các thông số kỹ thuật của dầu DO Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu Diesel 1 Chỉ số cetan Loại nhiên liệu Diesel Phương pháp thử DO 0,5% S DO 1,0% S ≥50 ≥45 ATSM D976 Thành phần chưng cất ở, t0C 50% được chưng cất ở 2800C 2800C 90% được chưng cất ở 3700C 3700C TCVN 2693 – 95 3 Độ nhớt động học ở 200C (đơn vị cST: xenti-Stock) 1,8 ÷5,0 1,8 ÷5,0 ASTN D445 4 Hàm lượng S (%) ≤0,5 ≤1 ASTM D2622 5 Độ tro (% kl) ≤0,01 ≤0,01 TCVN 2690 – 95 6 Độ kết cốc (%) ≤0,3 ≤0,3 TCVN6 324 – 97 7 Hàm lượng nước, tạp chất cơ học (%V) ≤0,05 ≤0,05 TCVN 2693 – 95 2 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 3 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. 8 Ăn mòn mảnh đồng ở 500C trong 3 giờ N0 1 N0 1 TCVN 2694 – 95 9 Nhiệt độ đông đặc, t0C ≤5 ≤5 TCVN 3753 – 95 10 Tỷ số A/F 14,4 14,4 -- Đặc điểm khí thải từ lò hơi đốt dầu DO Nhiệt từ các thiết bị công nghệ được tạo ra từ lò hơi sử dụng dung môi là hơi nước và nhiên liệu được sử dụng từ nhiều loại khác nhau. Khói thải của lò hơi được sinh ra chủ yếu từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Quá trình đốt cháy sinh ra lượng nhiệt lớn, đi kèm theo đó là lượng khí bụi, các hợp chất khí độc hại như H2S, NOx, SO2, CO…Nhiệt độ của khí thải khi thoát ra khỏi lò hơi thường cao. Trong quá trình hoạt động của các hệ thống lò hơi đốt dầu DO sinh ra các chất khí ô nhiễm đặc trưng như bụi, COx, NOx, SOx,... Tác động của SO2 đến môi trường và con người SO2 là loại chất ô nhiễm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng như hoạt động sinh hoạt của con người. Nguồn phát thải SO2 chủ yếu từ các trung tâm nhiệt điện, các loại lò nung, lò hơi khi đốt nhiên liệu than, dầu và khí đốt có chứa lưu huỳnh hoặc các hợp chất lưu huỳnh. 1.3.1 Tính độc hại Khí SO2, SO3 gọi chung là SOx, là những khí thuộc loại độc hại không chỉ với sức khỏe con người, động thực vật mà còn tác động lên các vật liệu xây dựng, các công trình kiến trúc, là một trong những chất gây ô nhiễm môi trường. Trong khí quyển, khí SO2 khi gặp các chất oxy hóa dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng chúng chuyển thành SO3 nhở có oxy trong không khí. Khi gặp H2O, SO3 kết hợp với nước tạo thành H2SO4. Đây chính là nguyên nhân tạo ra các cơn mưa axit ăn mòn các công trình, làm cho thực vật, động vật chết hoặc chậm phát triển, biến đất đai thành vùng hoang mạc. Khí SO2 gây ra các bệnh viêm phổi, mắt, da. Nếu H2SO4 có trong nước mưa có nồng độ cao làm bỏng da người hoặc làm mục nát quần áo. 1.3.2 Đối với con người SOx và hợp chất của SO2 là những chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây co giật cơ trơn của khí quản. Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạc khí quản. Khi tiếp xúc với mắt chúng có thể thành axit. SOx có thể thâm nhập vào cơ thể người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt. Và cuối cùng chúng có thể thâm nhập vào hệ tuần hoàn. Khi tiếp xúc với bụi, SOx có thể tạo ra các hạt axit nhỏ, các hạt này có thể có thể xâm nhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2 - 3µm. SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 4 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể của người qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học, kết quả của nó là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt. Hầu hết dân cư sống quanh khu vực nhà máy có nồng độ SO2, SO3 cao đều mắc bệnh đường hô hấp. Nếu hít phải SO2 ở nồng độ cao có thể gây tử vong. Bảng 1. 2 Độc tính của SO2 Theo Henderson – Haggard Triệu chứng Chết nhanh trong 30’ – 1h Nguy hiểm sau khi hít thở 30’ – 1h Kích ứng đường hô hấp, ho Giới hạn độc tính Giới hạn ngửi thấy mùi mg/m3 1300 – 1000 260 – 130 50 30 – 20 13 – 8 Ppm 500 – 400 100 – 50 20 12 – 8 –3 1.3.3 Đối với thực vật SOx bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit sulfuric là tác nhân chính gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển thực vật. Khi tiếp xúc với môi trường có chứa hàm lượng SO2 từ 1 - 2ppm trong vài giờ có thể gây tổn thương lá cây. Đối với các loại thực vật nhạy cảm như nấm, địa y, hàm lượng 0,15 - 0,30 ppm có thể gây độc tính cấp. 1.3.4 Đối với công trình xây dựng Sự có mặt của SOx trong không khí ẩm tạo thành axit là tác nhân gây ăn mòn kim loại, bê-tông và các công tr.nh kiến trúc. SOx làm hư hỏng, làm thay đổi tính năng vật liệu, làm thay đổi màu sắc vật liệu xây dựng như đá vôi, đá hoa, đá cẩm thạch; phá hoại các tác phẩm điêu khắc, tượng đài. Sắt, thép và các kim loại khác ở trong môi trường khí ẩm, nóng và bị nhiễm SOx thì bị han gỉ rất nhanh. SOx cũng làm hư hỏng và giảm tuổi thọ các sản phẩm vải, nylon, tơ nhân tạo, đồ bằng da và giấy... Các phương pháp xử lý SO2 1.4.1 Phương pháp hấp thụ Nguyên tắc cơ bản của việc hấp thụ khí là tạo ra một sự tiếp xúc giữa dòng khí chứa các chất ô nhiễm và các hạt dung dịch hấp thụ thường được phun ra với kích thước nhỏ và mật độ lớn. Các chất ô nhiễm được tách ra bằng việc hòa tan trong chất lỏng hấp thụ hoặc phản ứng hóa học giữa chất ô nhiễm và dung dịch hấp thụ. ❖ 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 lò công nghiệp -Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 5 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. -Nhược điểm: do độ hòa tan của khí SO2 trong nước quá thấp nên thường phải dùng một lượng nước rất lớn và thiết bị hấp thụ phải có thể tích rất lớn Hình 1. 3 Sơ đồ hệ thống xử lý khí SO2 bằng hơi 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 ❖ Hấp thụ khí SO2 bằng CaCO3 (Đá vôi), CaO (Vôi nung) hoặc vôi sữa Ca(OH)2 - Xử lý SO2 bằng vôi là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp với hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và có sẵn ở mọi nơi. - Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình xử lý như sau: CaCO3 + SO2 → CaCO3 + CO2 CaO + SO2 → CaSO3 2CaSO3 + O2 → 2CaSO4 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 6 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. Hình 1. 4 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng sữa vôi. 1-tháp hấp thu, 2- bộ phận tách tinh thể, 3-bộ lọc chân không, 4,5- máy bơm, 6-thùng trộn sữa vôi - Hiệu quả hấp thụ SO2 bằng sữa vôi đạt 98%. Sức cản khí động của hệ thống không vượt quá 20 mm H2O. - Nguyên liệu vôi được sử dụng một cách hoàn toàn, cụ thể là cặn bùn từ hệ thống xử lý thải ra có thể được sử dụng làm chất kết dính trong xây dựng sau khi chuyển sunfit thành sunfat trong lò nung. Ưu điểm: Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, 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 CaSO4 và CaSO3 gây tắc nghẽn các đường ống và ăn mòn thiết bị. ❖ Hấp thụ khí SO2 bằng Magie Oxit (MgO) - SO2 được hấp thụ bởi oxit – hydroxit magiê, tạo thành tinh thể ngậm nước sunfit magiê. Trong thiết bị hấp thụ xảy ra các phản ứng sau: MgO + SO2 ➔ MgSO3 MgO + H2O ➔ Mg(OH)2 MgSO3 + H2O + SO2 ➔ Mg(HSO3)2 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 7 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. Mg(OH)2 + Mg(HSO3)2 ➔ 2MgSO3 + 2H2O - Độ hòa tan của sunfit magiê trong nước bị giới hạn, nên lượng dư ở dạng MgSO3.6H2O và MgSO3.3H2O rơi xuống thành cặn lắng. ❖ Hấp thụ khí SO2 bằng Zn - Xử lí khí SO2 bằng kẽm oxit (ZnO) cũng tương tự như phương pháp oxit magiê tức là dùng phản ứng giữa SO2 với kẽm oxit để thu các muối sunfit và bisunfit, sau đó dùng nhiệt để phân ly thành SO2 và ZnO. - Trong phương pháp này, chất hấp thụ là kẽm. Phản ứng hấp thụ như sau: SO2 + ZnO + 2,5H2O → ZnSO3.2,5 H2O + Khi nồng độ SO2 lớn 2SO2 + ZnO + H2O → Zn(HSO3)2 → Sunfit kẽm tạo thành không tan trong nước được tách ra bằng xyclon nước và sấy khô. Tái sinh ZnO bằng cách nung sunfit ở 350oC. ZnSO3.2,5H2O → SO2 + ZnO + 2,5H2O - SO2 được chế biến tiếp tục còn ZnO quay lại hấp thụ. ❖ Hấp thụ khí SO2 bằng natri sunfit (Na2SO3) - Ưu điểm của phương pháp: là ứng dụng chất hấp thụ hóa học không bay hơi có khả năng hấp thụ lớn. Phương pháp có thể được ứng dụng để loại các SO2 ra khỏi khí với bất kì nồng độ nào. Có nhiều phương án khác nhau. Nếu dùng soda để hấp thụ ta thu được sunfit và bisunfit natri. Na2SO3 + SO2 + H2O ➔ 2NaHSO3 - Khí tham gia phản ứng với sunfit và bisunfit làm tăng nồng độ bisunfit SO2 + NaHCO3 + Na2SO3 + H2O ➔ 3NaHSO3 - Dung dịch hình thành tác dụng với kẽm tạo thành sunfit kẽm NaHSO3 + ZnO ➔ ZnSO3 + NaOH 1.4.2 Phương pháp hấp phụ - Quá trình hấp phụ được sử dụng 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. SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 8 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. ❖ 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 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 9 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. : ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 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% QH2O = 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 = QH 2O H = 12,9 106 = 14,3 × 106 ( kJ/h ) 90% 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) 14,3 106 QDO GDO = = = 357,1 (k g/h) LHVDO 40048,33 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 10 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. Bảng 2. 2 Thành phần và lượng của các nguyên tố C O H N S A W 308,2 1,1 37,5 1,1 1,8 1,1 6,4 Thành phần Lượng nguyên tố = GDO × %m Phương trình phản ứng: → CO2 → 25,7 O2 → H2 O 37,5 → 9,4 → 18,8 N → NO2 0,08 → 0,08 → 0,08 S → SO2 → 0,06 C + O2 25,7 → 25,7 2H + 1 2 + O2 + O2 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 H2 O 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 = VO2 0, 21 = 1056 = 5028,6 (m3/h) 0, 21 Lưu lượng khí thải: QKT =  Vthải + Vkk = 844,8 + 5028,6 =5873,4 (m3/h) SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 11 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. 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 ×106 𝑄 (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. 2.2 Đề xuất và thuyết minh quy trình công nghệ 2.2.1 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 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 12 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. 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. 2.2.2 Quy trình công nghệ đề xuất a) Phương án 1: • Sơ đồ công nghệ: Khí thải Bồn pha hóa chất Tháp giải nhiệt dung dịch Ca(OH)2 Cyclon Khu lưu trữ Tháp hấp thụ SO2 Huyền phù Tháp hấp phụ Nguồn tiếp nhận Ống khói phát thải Nguồn tiếp nhận QCVN 19:2009/BTNMT, cột B Hình 2. 1 Quy trình xử lý khí SO2 có sử dụng Cyclon. Chú thích: : Đường khí : Đường hóa chất : Đường bụi thu hồi SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 13 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. • 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. b) Phương án 2: • Sơ đồ công nghệ: Nguồn tiếp nhận QCVN 19:2009/BTNMT, cột B Khí Tháp thải rửa Tháp hấp thụ bụi Ống khói Bùn thải Bể nước Huyền phù Ca(OH)2 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 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 14 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. 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. SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 15 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ Các thông số ban đầu 3.1 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 3.2 3.2.1 Nồng độ khí vào và nồng độ khí ra - Nồng độ khí vào: C v  10−6 M SO2 1 24 Yv = 647 10−6 64 = = 0, 00024 (kmol/kmol kk) 1 24 - Tỉ lệ thể tích khí SO2 đi vào: Yv 0, 00024 = = 0,00022 (Kmol SO2/ Kmol kk ) 1 + 0, 00024 1 + Yv yv = - Nồng độ pha khí ra khỏi tháp: 500 10 Cr M 64 Yr = SO2 = 1 1 M KK 24 −6 = 0,00019 (Kmol SO2/ Kmol kk) - Tỉ lệ thể tích khí SO2 đi vào: yr = 0, 00019 Yr = = 0,00019 (Kmol/ Kmol) 1 + 0, 00019 1 + Yr - Suất lượng của khí trơ: Gtr= Gv  (1- yv) = 5873,4  (1- 0,00024)=5872 (m3/h)=244,67(kmol/h) 3.2.2 Xác định đường cân bằng và đường làm việc ❖ Đường cân bằng SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 16 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. Ta có: logP*SO2 = 3.58 + 1.871  log  SO2  + 2.24  10-2T - 1960 T Trong đó : P*SO2: áp suất riêng phần SO2 cân bằng (Pa).  SO2  : nồng độ SO2 cân bằng. Từ phương trình trên lập đường cân bằng: X=  SO2   M DM Y*=  DM P* 10 − P * 5 Bảng 3. 1 Số liệu đường cân bằng SO2 * PSO 2 0,005 0,0125 1,062 0,02 5,894 14,195 0,0275 0,035 0,0425 0,05 0,0575 0,065 0,0725 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 0,06 0,14 0,26 0,4 0,58 0,79 1,02 1.129 1.58 0,01 ❖ 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:  Yd − Yc   0,00024 − 0,00019   = 244,67    = 26 (kmol/h) 0,00047 − 0    X max − X d  Lmin= Gtr  (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= Gtr 244, 67  ( 0, 00024 − 0, 00019 ) = 0,00037 (kmol SO2/kmol (Yv − Yr ) = 36, 4 Ltr DM) SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 17 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. 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: đường cân bằng Y* = 829,84x2 + 0,1402x - 1E-05 đường làm việc Y (kmol SO2/kmol KK) 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 X (kmol SO2/kmol DM) - Hiệu suất của quá trình hấp thụ: E= 3.3 Yv − Yr 0, 00024 − 0, 00019 100 = =13,6% 0, 00024 Yv 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 = 0,78 𝑚3 ⁄𝑚3 − Khối lượng riêng của đệm: 𝜌đ = 520 𝑘𝑔⁄𝑚3 − Khối lượng riêng xốp: d = 520 kg/m3 − Số lượng đệm trong 1𝑚3 : 185 × 102 (Bảng IX.8, trang 193,[2] ) 3.3.1 Đường kính tháp hấp thụ Đường kính tháp hấp thụ được xác định theo công thức D= 4Vtb (m) ( IV.89, trang181,[2])   3600  tb Trong đó: SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 18 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. D: đường kính tháp hấp thụ (m) Vtb: lưu lượng trung bình của dòng khí qua tháp hấp thụ (𝑚3 ⁄𝑠) Vtb= Gtr= 5872 (m3/h) tb : vận tốc biểu kiến của dòng khí ứng với tổng tiết diện (m/s) tb =  s = (0,8÷0,9)  ' s Tốc độ sặc  ' s , m/s được xác định theo công thức:   '2      ytb lg  s 3d  x  g Vd   xtb   y     0,16 1 1    4   8  = A − 1,75   Gx    ytb  (IX.114, trang 187,[2]) (*) G    y    xtb   Trong đó: Gx, Gy: lưu lượng dòng lỏng và khí trung bình (kg/s) Gtr  29 244, 67  29 = = 1,97 (kg/s) 3600 3600 L  18 36, 4 18 = = 0,182 (kg/s) Gy= tr 3600 3600 Gx = 𝜌𝑥𝑡𝑏 , 𝜌𝑦𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí  x =0,656  10-3 (N.s/m2) độ nhớt trung bình của pha lỏng ở nhiệt độ 400C  y = 0,8937  10-3 (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: [y  M SO + (1 − ytb )  M kk ]  273  ytb = tb (IX.104, trang 183,[2]) 22, 4  (273 + 40) Nồng độ phần mol trung bình của pha khí: 2 yv + yr 0, 00024 + 0, 00019 = = 0, 000215 2 2 [0, 000215  64 + 91 − 0, 000215)  29]  273 = 1,13 (kg/m3) ⇒  ytb = 22, 4  (273 + 40) Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng:  xtb = 992 kg/m3 ytb= Thay số vào (*) ta được: 1 1   ' 2 135 1,13  0, 656 10−3 0,16   0,182  4  1,13  8 lg  s   = 0, 022 − 1, 75      3 −3   1,97   992   9,81 0, 78  992  0,8937 10   Suy ra:  's = 3,7 (m/s) Chọn tốc độ làm việc : tb = 0,9  3, 7 = 3,33 (m/s) Đường kính tháp hấp thụ sẽ được xác định: D= 4  5872 = 0,8 (m)   3600  3,33 Chọn đường kính tháp: D = 0,8 (m) Kiểm tra vận tốc làm việc: SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 19 Đồ án khí thải Tên 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 tấn/h của nhà máy sản xuất mì gói. D= 4  5872 = 0,8  tb = 3, 2 (m/s)   3600  tb tb 3, 2 = = 0,86 ( thỏa điều kiện làm việc)  ' s 2 3,7 Vậy vận tốc: tb = 3, 2 (m/s) 3.3.2 Chiều cao tháp hấp thụ ➢ Kiểm tra mật độ tưới Mật độ tưới thực tế: U tt = Vx Ft trong đó: Vx là thể tích pha lỏng (m3/h) F là diện tích tháp (m2) 18 18 Ltr  36, 4  V 1000 = 1000 = 1,31 (m3/m2.h)  U tt = = D2 D2 0,82    4 4 4 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])  U th = 0, 093 135 = 12, 6 (m3/m2.h) Lập tỷ số: U tt 1,31 = = 0,1 < 1 U th 12,6 Vậy  = 0,1 ➢ Kiểm tra điều kiện thiết kế: ddem 4 Vd 4  0,78 = = = 0,03  0, 2 D  d  D 135  0,8 Vậy đệm trên là phù hợp. Chiều cao tương ứng với một đơn vị truyền khối: hoy = hG + m  Gx  hL Gy 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 SVTH: Huỳnh Thị Kiều An – MSVV: 0350020270 GVHD: Trần Anh Khoa 20