Đồ án Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h MỤC LỤC CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ DẦU FO VÀ KHÍ THẢI TỪ LO HƠI DÙNG DẦU FO ........................................................................................................................................ 3 1.1.Tổng quan về dầu FO .............................................................................................. 3 1.2.Khí thải chủ yếu từ lò hơi ........................................................................................ 6 1.3.Đặc điểm khí thải lò hơi đốt bằng dầu FO ............................................................. 6 1.4.Tổng quan về khí thải .............................................................................................. 8 1.4.1 Tổng quan về khí SO2 ................................................................................... 8 1.4.2 Tổng quan về bụi ........................................................................................... 9 1.5.Thực trạng dùng dầu FO tai TP HCM .................................................................. 9 CHƯƠNG II:CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI .......................................... 11 I.Các phương pháp xử lý khí thải ............................................................................... 11 I.1. Phương pháp hấp thụ ........................................................................................ 11 I.2.Phương pháp hấp phụ......................................................................................... 12 I.3.Phương pháp đốt ................................................................................................. 13 II.Ưu và nhược điểm của các phương pháp .............................................................. 13 II.1 Phương pháp hấp thụ ........................................................................................ 13 II.2. Phương pháp hấp phụ ...................................................................................... 14 II.3. Phương pháp đốt ............................................................................................... 14 III.Một số phương pháp hấp thụ S0 .......................................................................... 15 2 CHƯƠNG III:ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ........................................................ 17 3.1Tính toán tải lượng các chất ô nhiễm do đốt dầu FO .......................................... 17 3.1.1 Lựa chọn phương pháp xác định tải lượng ................................................... 17 3.1.2. Lựa chọn hệ số phát thải ô nhiễm ................................................................. 17 3.1.3. Tính tải lượng và nồng độ .............................................................................. 17 3.2.Đề xuất quy trình công nghệ xử lý ........................................................................ 18 3.3.Thuyết minh quy trình công nghệ ........................................................................ 21 1 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h CHƯƠNG IV:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ............................................. 23 4.1.TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ ................................................................ 23 4.1.1 Đầu vào ......................................................................................................... 23 4.1.2 Đầu ra ................................................................................................................ 24 4.1.3. Xác định phương trình cân bằng .................................................................. 25 4.1.4. Xác định phương trình đường làm việc .................................................... 27 4.2.TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ ............................................................................ 29 4.2.1 Chọn vật liệu đệm ........................................................................................ 29 4.2.2 Vận tốc khí đi trong tháp ............................................................................ 29 4.2.3 Tính đường kính tháp hấp thụ .................................................................... 30 4.2.4 Tính chiều cao tháp hấp thụ ........................................................................ 31 4.2.5 Tính trở lực tháp .......................................................................................... 36 4.3.Tính các công trình phụ trợ .................................................................................. 36 4.3.1 Tính bơm ....................................................................................................... 36 4.3.2 Tính quạt ........................................................................................................... 38 4.4.TÍNH TOÁN CƠ KHÍ ........................................................................................... 39 4.4.1 Tính bề dày thân tháp ................................................................................. 40 4.4.2 Tính nắp và đáy thiết bị .............................................................................. 42 4.4.3 Tính đường ống dẫn khí vào ra ................................................................. 43 4.4.4 Tính đường ống dẫn lỏng vào ra ................................................................ 44 4.4.5 Tính bích ...................................................................................................... 45 4.4.6 Tính các thiết bị phụ khác .......................................................................... 47 CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 52 5.1 . KẾT LUẬN ................................................................................................ 52 5.2 . KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 54 2 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẦU FO VÀ KHÍ THẢI TỪ LO HƠI DÙNG DẦU FO 1.1 Tổng quan về dầu FO Dầu FO, còn được gọi là dầu nhiên liệu hay dầu Mazut, là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Các dầu FO có điểm sôi cao. Trong kĩ thuật đôi khi người ta còn chia thành dầu FO nhẹ và FO nặng. Vì thế, các đặc trưng hoá học của dầu mazut có những thay đổi đáng kể nhưng không phải tất cả các đặc trưng này ảnh hưởng tới việc sử dụng chúng làm nhiên liệu và các kỹ thuật sử dụng để đạt hiệu quả cao. Dầu FO được sử dụng làm nhiên liệu đốt lò trong công nghiệp nồi hơi, lò nung, lò đốt dạng bay hơi, dạng ống khói hoặc cho các loại động cơ đốt trong của tàu biển,... Nhiệt trị của dầu FO là 10,175 kcal/kg và tỷ trọng là 0,7 – 0,97 kg/l. Phân loại:  Dầu FO nhẹ có độ sôi 200-3.000C, tỷ trọng 0,88 - 0,92.  Dầu FO nặng có độ sôi lớn hơn 3.200C và tỷ trọng 0,92 - 1,0 hay cao hơn. Độ nhớt của dầu FO rất cao và thay đổi trong phạm vi rộng từ 250-7.000 đơn vị Red-Wood chuẩn, trong khi đó độ nhớt của dầu đo chỉ là 40-70 đơn vị. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu FO  Hàm lượng lưu huỳnh: Nhiên liệu đốt lò thường chứa một lượng lưu huỳnh khá lớn, nồng độ của nó thay đổi tuỳ theo loại.Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu đốt lò dưới nhiều dạng khác nhau, thông thường là dưới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dưới dạng di vòng. Khi bị đốt cháy lưu huỳnh sẽ chuyển thành SO2, khí này cùng với khói thải sẽ được thoát ra ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xác với oxy để chuyển một phần thành khí SO3. Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này sẽ kết hợp với hơi nước để tạo thành các axit tương ướng, đó chính là các axit vô cơ có độ ăn mòn các kim loại rất lớn. Thực tế thì các axit sulfuaric sẽ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 100 ÷ 150oC, còn axit sulfuarơ chỉ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 40 ÷ 50oC. Để hạn chế sự ăn mòn này thì người ta thường dùng các phương pháp sau: - Dùng nhiên liệu đốt lò có hàm lượng lưu huỳnh thấp -Giảm lượng không khí thừa trong dòng khí - Gửi cho bề mặt trao đổi nhiệt lớn hơn nhiệt độ điểm sương của các khí 3 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h - Dùng một số kim loại hoặc oxyt kim loại (MgO, CaO) để chuyển SO2 thành các hợp chất không ăn mòn. CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4  Phương pháp này vừa giảm được ăn mòn vừa giảm ô nhiễm môi trường do SO2, SO3 trong khói thải.Ngoài vấn đề ăn mòn thì khi hàm lượng lưu huỳnh càng cao càng làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò.  Độ nhớt Cũng giống như nhiên liệu Diesel hay nhiên liệu phản lực, trước khi bị đốt cháy nhiên liệu được phun ra dưới dạng các hạt sương, từ các hạt sương này nhiên liệu sẽ bay hơi tạo với không khí hỗn hợp cháy. Quá trình bay hơi nhanh hay chậm phụ thuộc nhiều vào bản chất của nhiên liệu, kích thước của các hạt sương dầu khi phunra. Ở gốc độ của độ nhớt thì ảnh hưởng của nó như sau: khi độ nhớt lớn thì kích thước của các hạt sương phun ra lớn, động năng của nó lớn nên không gian trộn lẫn của nhiên liệu với không khí lớn. Tuy nhiên khi kích thước của các hạt lớn thì khả năng bay hơi để tạo hỗn hợp cháy sẽ kém, điều này sẽ làm cho quá trình cháy không hoàn toàn, làm giảm nhiệt cháy và thải ra nhiều chất gây ô nhiễm cho môi trường. Ngoài ảnh hưởng đến quá trình cháy thì khi độ nhớt lớn sẽ làm tăng trở lực ma sát trong hệ thống bơm.  Tỷ trọng Tỷ trọng là một đại lượng rất quan trọng đối với nhiên liệu đốt lò bởi nó liên quan đến bản chất của nhiên liệu, độ nhớt, độ bay hơi nghĩa là nó liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu, tất cả những vấn đề này ta đã đề cập đến ở trên. Ngoài ra, trong quá trình xử lý nhiên liệu, người ta tách loại nước bằng phương pháp ly tâm do đó yêu cầu tỷ trọng của nhiên liệu và nước phải khác nhau để đảm bảo cho quá trình tách loại có hiệu quả. Trong quá trình vận chuyển hay tồn chứa thì nước thường lẫn vào trong nhiên liệu, khi sự chênh lệch tỷ trọng của hai loại này lớn sẽ giúp cho quá trình lắng tách nước cũng tốt hơn.  Hàm lượng nước Nước không phải là thành phần của dầu mỏ nhưng nó luôn có mặt trong dầu thô hay trong tất cả các sản phẩm của dầu mỏ. Sự có mặt của nước luôn gây ra những tác hại nhất định. Nước có mặt trong dầu thô hay các sản phẩm có thể từ các nguồn gốc sau: 4 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h - Trong dầu thô ban đầu nhưng không tách loại hết trong quá trình xử lý - Do sự thở của các bồn chứa - Do thủng ở các thiết bị đun nóng lại - Do lỗi ở các chổ nối - Nước trong nhiên liệu có thể gây ra những tác hại như sau: - Sự rít bơm - Hiện tượng xâm thực - Quá trình bay hơi lớn dẫn đến hoạt động của mỏ đốt không bình thường - Sự có mặt của nước sẽ gây rỉ trong bảo quan.  Cặn Carbon Để đánh giá khả năng tạo cặn, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn đặc trưng là độ cốc hoá, tùy theo phương pháp tiến hành xác định cặn mà cặn thu được gọi là cặn crcbon conradson hoặc cặn carbon rabostton. Hàm lượng cặn cacbon conradson trong dầu nhiên liệu đốt lò thường dao động từ 5 - 10% khối lượng, có khi lên đến 20% khối lượng. Tỷ lệ cao cặn cacbon conradson trong nhiên liệu đốt lò cao luôn luôn gây trở ngại cho quá trình cháy, làm tăng hàm lượng bụi của các chất thải rắn trong dòng khí thải.  Hàm lượng tro Các hợp chất cơ kim và muối có trong dầu mỏ đều tập trung đa phần ở dầu cặn, khi đốt nó biến thành tro. Tro có nhiều trong nhiên liệu đốt lò sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng như gây tắc ghi lò, làm giảm khả năng truyền nhiệt của lò, ở nhiệt độ cao một số kim loại như vanadi có thể kết hợp với sắt để tạo ra những hợp kim tương ứng có nhiệt độ nóng chảy thấp do đó dễ dẫn đến sự thủng lò ...  Nhiệt trị Nhiệt trị là một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của nhiên liệu đốt lò. Thường thì nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò khác cao (>10000 cal/g) đây chính là một trong những yếu tố chính làm cho nhiên liệu đốt lò được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nhiệt trị này phụ thuộc vào thành phần hoá học. Nếu trong thành phần nhiên liệu đốt lò càng có nhiều hydrocacbon mang đặc tính parafinic, càng có ít hydrocacbon thơm nhiều vòng và trọng lượng phân tử càng bé thì nhiệt năng của chúng càng cao. Những thành phần không thuộc loại hydrocacbon trong dầu cặn cũng có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt trị của nó. Các hợp chất lưu huỳnh trong dầu mỏ tập trung 5 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h chủ yếu vào dầu cặn. Sự có mặt của lưu huỳnh đã làm giảm bớt nhiệt năng của dầu cặn, khoảng 85 kcal/kg tính cho 1% lưu huỳnh.  Điểm chớp cháy Cũng giống như những sản phẩm phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hỏa hoạn của nó.Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá… 1.2 Khí thải chủ yếu từ lò hơi Khí SO2 là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh (S) như than,…hay nguyên liệu chứa lưu huỳnh như đốt quặng Pirit sắt (FeS2), đốt cháy lưu huỳnh,…trong quá trình sản xuất axit Sunfuric (H2SO4). Trong tự nhiên, SO2 được phát tán trong không khí chủ yếu là do đốt than, và một phần do núi lửa phun. Trong lò hơi, khí SO2 chủ yếu sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu bằng than đá hoặc dầu F.O. 1.3 Đặc điểm khí thải lò hơi đốt bằng dầu FO Lò hơi đốt bằng dầu FO là loại phổ biến nhất hiện nay. Dầu FO là một phức hợp của hợp chất cao phân tử. Dầu FO dạng lỏng có lượng sinh nhiệt cao. Độ tro ít nên ngày càng được sử dụng rộng rãi. Mặt khác, vận hành lò hơi đốt dầu FO đơn giản và khá kinh tế. Khí thải của lò hơi đốt bằng dầu F.O thường có các chất sau: CO2, CO, SO2, SO3, NOx, 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 sol khí mà ta thường gọi là mồ hóng. - Lượng khí thải: Lượng khí thải khi đốt dầu FO ít thay đổi; nhu cầu không khí cần cấp cho đốt cháy 3 hết 1kg dầu FO là VO20 = 10,6 kg/m . 6 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h 3 Lượng khí thải sinh ra khi đốt 1kg dầu FO là: VC20  11,5 m /kg  13,8 kg khí thải/ 1 kg dầu. - Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải: Với dầu FO đúng theo tiêu chuẩn chất lượng, khi đốt cháy trong lò hơi sẽ có nồng độ các chất trong khí thải như trong bảng sau: Bảng 1.1 Nồng độ các chất trong khí thải lò hơi đốt dầu F.O trong điều kiện cháy tốt Chất gây ô nhiễm Nồng độ (mg/m3) SO2 và SO3 5217 – 7000 CO 50 Tro bụi 280 Hơi dầu 0,4 NOx 428 (Sổ tay hướng dẫn xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường Tp.HCM) Bảng 1.2 Các chất ô nhiễm trong khói thải lò hơi Loại lò hơi Chất ô nhiễm Lò hơi đốt bằng củi Khói + tro bụi + CO + CO2 Lò hơi đốt bằng than đá Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx Lò hơi đốt bằng dầu F.O Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx (Sổ tay hướng dẫn xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường Tp.HCM) - CO: là sản phẩm của quá trình cháy trong điều kiện thiếu O2, CO gây ức chế sự hô hấp của động vật và tế bào thực vật. Có thể gây tử vong cấp kì ở nồng độ 0,8 ppm. 7 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h - NOx: bao gồm NO, NO2… là những chất ô nhiễm do quá trình đốt cháy nhiên liệu phát thải vào bầu khí quyển, trong đó ở gần ngọn lửa khí NO chiếm 90 – 95% và phần còn lại là NO2. - SOx: hầu hết các loại nhiên liệu lỏng đều có chứa lưu huỳnh trong dầu đốt. Khi cháy thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu phản ứng với oxy tạo thành khí oxit lưu huỳnh, trong đó khoảng 99% là khí sunfua đioxit SO2. - Bụi: trong sản phẩm cháy của các nguyên liệu lỏng, rắn hầu hết đều có mang theo bụi; nhiên liệu khi cháy sinh ra một hàm lượng bụi lớn nhưng nhất thiết cần được xử lý để tránh bụi phát tán ra môi trường gây ra các bệnh liên quan đến đường hô hấp và làm mất vệ sinh môi trường xung quanh nguồn thải. 1.4 Tổng quan về khí thải 1.4.1 Tổng quan về khí SO2 o Khí sunfurơ là chất khí không màu ,có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm,là sản phẩm của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh (ví dụ dầu FO). 0 0 o SO có nhiệt độ nóng chảy ở -75 C và nhiệt độ sôi ở -10 C 2 0 o SO rất bền nhiệt((ΔH =- 296,9kJ/mol). 2 tt o Khí SO là một chất khí ô nhiễm khá điển hình.SO có khả năng hòa tan trong 2 2 nước cao hơn các khí gây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của con người và động vật. o Độc tính chung của SO2 thể hiện ở rối loạn chuyển hoá protein và đường,thiếu vitamin B,C ức chế enzyme oxydaza. Khi hàm lượng thấp, SO2 có th ể làm sưng viêm mạc. Bảng 1.3 Liều lượng gây độc 3 mg SO2/m Tác hại 20 – 30 Giới hạn gây độc tính 50 Kích thích đường hô hấp, ho 130 – 260 Liều nguy hiểm sau khi hít thở (30 – 60 phút) 8 GVHD:PGS.TS. Nguyễn Đinh Tuấn SVTT: Đặng Quốc Cường (msvs:0510020031) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống xử lý khí thải lò hơi dùng dầu FO công suất hơi 5T/h 1000 – 1300 Liều gây chết nhanh (30 – 60 phút) o SO làm thiệt hại đến mùa màng, nhiễm độc cây trồng.Khí SO trong khí 2 2 quyển khi gặp các chất oxy hóa dưới tác động của nhiệt độ,ánh sáng chúng chuyển thành SO .Khi gặp nước SO + H O = H SO là nguyên nhân gây 3 3 2 2 4 nên mưa axit gây thịêt hại lớn.Nhà cửa,kiến trúc công trình làm bằng kim loại dễ bị ăn mòn, động vật và thực vật chậm phát triển hoặc chết. 1.4.2 Tổng quan về bụi o Ô nhiễm bụi gây tác hại đến sức khoẻ đặc biệt nếu bụi chứa các chất độc hại . Thành phần hoá học ,thời gian tiếp xúc là các yếu tố ảnh hưởng đến các cơ quan nội tạng . Mức độ bụi trong bộ máy hô hấp phụ thuộc vào kích thước ,hình dạng, mật độ hạt bụi và cá nhân từng người. o Bụi đất đã không gây ra các phản ứng phụ trong cơ thể do có đặc tính trơ và không chứa các hợp chất có tính độc hại.Bụi đất ,cát có kích thước lớn (bụi thô) ,nặng , ít có khả năng di vào phế nang phổi , ít ảnh hưởng đến sức khoẻ. o Bụi than tạo thành trong quả trình đốt nhiên liệu có thành phần chủ yếu là các chất Hydrocacbon đa vòng là chất ô nhiễm có độc tính cao vì có khả năng gây ung thư . Khi tiếp xúc ,phần lớn bụi than có kích thước lớn hơn 5 micromet bị các dich nhầy ở các tuyến phế quản và các long giữ lại . Chỉ có các hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 5 micromet vào được phế nang. Bụi vào phổi gây kích thước cơ học,xơ hoá phổi dẫn đến các bệnh hô hấp như khó thở ,ho, khạc đờm, ho ra máu, đau ngực,… o Tiêu chuẩn bộ y tế Việt Nam năm 1992 quy định đối với bụi than trong không khí tại khu vực dân cư là 0.15 mg/m3,TCVN 1995 quy định bụi tổng cộng trong không