Bài giảng Công nghệ xử lý khí thải - Chương 4: Tính toán lựa chọn và sử dụng thiết bị xử lý khí - Nguyễn Văn Hiển

Các sản phẩm cháy: SO2, NOx Loại chất khí gây ô nhiễmChương 4:Tính tóan lựa chọn và sử dụng thiết bị xử lý khí.Sản phẩm cháy không hoàn toàn như các CxHy, CO, bụi than.Hấp thụ khí độc hại bằng chất lỏng (nước hoặc dung dịch)Các phương pháp xử lý khí thảiÔNKK và Xử lý khí thải tập 3 (Trang40-91; Các khí gây mùi hôi như H2S, NH3 vv... Các loại dung môiHấp phụ chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu rắnBiến đổi hóa học các chất ô nhiễm bằng quá trình thiêu đốt hoặc xúc tác ở nhiệt độ cao4.1 Hấp thụ khí bằng chất lỏng Hấp thụ là quá trình hòa tan chất khí vào trong chất lỏng, khi chúng tiếp xúc với nhau. Bao gồm các quá trình:Khuếch tán chất khí ô nhiễm đến bề mặt của chất lỏng hấp thụ.Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ.Khuếch tán chất khí đã hòa tan vào sâu trong bề mặt chất hấp thụ.Các phương trình cơ bản của QT hấp thụĐể hấp thụ được chất ô nhiễm, các phần tử khí cần được khuếch tán đến bề mặt lớp biên của 2 phaNA = kG (yAG – yAi) = kx (xAi – xAL) 13.8Trong đó:Số đảo ngược của hệ số trao đổi chất có thể được xem là sức cản của quá trình trao đổi chấtyAG; yAi là tỷ suất mol của chất khí trong khối khí và trong lớp biên khí sát bề mặt ngăn cáchxAi; xAL là tỷ suất mol của chất khí trong khối dd hấp thụ và lớp biên bế mặt khối d2 hấp thụ(Tỷ suất mol là tỷ số giữa số mol chất khí trên tổng số mol chất khí + mol chất lỏng)kx, ky là hệ số trao đổi chất của lớp biên chất lỏng và lớp biên khí. Mol/m2.h Khi hấp thụ khí dễ hòa tan có thể bỏ qua sức cản của lớp biên khí, chỉ cần tính tới sứ cản của lớp biên lỏng. Và ngược lại, với khí khó hòa tan thì sức cản của lớp biên khí là quan trọng.Tất cả những thiết bị mà tại đó làm xảy ra quá trình tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng. Làm cho chất khí độc hại hòa tan vào trong chất lỏng thì gọi là thiết bị hấp thụBuồng phun, tháp phun: Chất lỏng được phun thành giọt trong thể tích rỗng của thiết bị, và cho dòng khí đi qua.Thiết bị hấp thụBao gồm các loại chính sau:Thiết bị sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng. Hoặc có thể bằng cách cho khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ, hoặc khuấy cơ họcTháp hấp thụ kiểu sủi bọt: Cho khí đi qua lớp tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước mỏng.Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi qua.Thông thường khi nói thiết bị hấp thụ và lý thuyết tính toán và thử nghiệm chính là nói tới tháp đệmTháp hấp thụ (tháp đệm) được sử dụng để xử lý các loại khí thải dễ hòa tan trong các dung dịch phổ biến, dễ kiếm, dễ tìm (Xem trang 64) như: Ca(OH)2, NaOH, Na2CO3, Na2SO3 vvPhạm vi ứng dụng và điều kiện lựa chọnTháp hấp thụ (tháp đệm) được sử dụng để xử lý hỗn hợp các loại khí thải có lẫn bụi bẩn, có mang nhiệt độ cao. Như khói thải lò hơi, lò đốt dầu, lò nấu đồng vvTháp hấp thụ (tháp đệm) còn được sử dụng để xử lý hơi axit tại các nhà máy xi mạ vvƯu điểmHiệu quả xử lý cao; Có thể xử lý được cả bụi, nhiệt trong khí thải; Đơn giản, dễ vận hành, rẻ tiềnNhược điểmLàm phát sinh nước thải gây ô nhiễm thứ cấp; Độ bền thiết bị không caoTính toán thiết kế tháp hấp thụ.Khí thải vào có lưu lượng là G1 (mol/m2.h) chứa chất A có tỷ suất mol đầu vào là y1 Tính toán theo lý thuyết.Số liệu đầu vàoTỷ suất mol đầu ra sau xử lý qua tháp của chất A là y2Tỷ suất mol của chất A có trong chất lỏng hấp thụ ở đầu vào là x2Tính chiều cao lớp đệm ZT và lưu lượng dung dịch hấp thụ phun vào L2Giả thiếtPha khí cũng như pha lỏng đều có 2 thành phần: Khí trơ + Khí A và chất lỏng trơ + chất A (hòa tan).G và L là lưu lượng tổng bao gồm cả phần khí trơ hoặc chất lỏng trơ + chất AXem lý thuyết tính toán từ trang 50 – 55 và ví dụ trang 55Tính toán theo kinh nghiệm.Số liệu đầu vàoLưu lượng khí thải cần xử lý L (m3/h) Nồng độ đầu vào và đầu ra khỏi thiết bị (m3/h) Tính Dtháp, HđệmChọn vận tốc làm việc của tháp v = 1 – 3,5 m/s. Từ đó tính ra đường kính tháp Chọn chiều cao lớp đệm trong tháp từ 1 – 1,5mVận hành thápPha dung dịch hấp thụ theo tỷ lệ yêu cầu (xem bảng trang 64) Đo đạc kiểm nghiệm hiệu quả xử lý, từ đó điều chỉnh lưu lượng dung dịch hấp thụ cho phù hợp (xem bảng trang 64) Lựa chọn hóa chất hấp thụ. T64Khí độc hại cần khửChất hấp thụN2O3, NO2, N2O5Nước, NaOH, Na2CO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2, CaCO3, Mg(OH)2, MgCO3, Ba(OH)2NODd: FeCl2, FeSO4, Na2SO3, Na2S2O5, NaHSO3, NaHCO3SO2Dd: NaSO3 (18-25%), Ca(OH)2, Na2CO3 (15-20%), NaOH (15-25%), KOH, CaCO3, MgOH2SDd: Na2CO3, NH4OH, K3PO4 (40-50%), K2CO3CONito lỏng, [Cu(NH)3]n, COCH Cl2, CO2NaOH, Na2CO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2HCl, HF, SiF4NaOH, Na2CO3, K2CO3, Ca(OH)2Hấp phụ là quá trình phân ly chất khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với các khí có mặt trong khí thải và bị giữ lại trên bề mặt của vật liệu rắn.4.2 Hấp phụ khí bằng chất rắn (Trang 64)Hấp phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi bề mặt chất hấp phụ.Bản chất quá trình hấp phụHấp phụ vật lýHấp phụ hóa họcHẤP PHỤ VẬT LÝ.Các phân tử khí bị hút vào bề mặt vật liệu hấp phụ nhờ lực tương tác yếu giữa các phân tử. Hấp phụ vật lý là quá trình có tỏa nhiệtLực tương tác này là lực VanderWaals. Nên dạng hấp phụ này còn gọi là hấp phụ phân tử hay hấp phụ VanderWaalsQuá trình hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch. Khí đã hấp phụ có thể được nhả ra bằng cách thay đổi áp xuất của chất khí hoặc nâng cao nhiệt độ.Sử dụng ưu điểm này để có thể thu hồi lại những khí hoặc chất quý hiếm. Hoặc hoàn nguyên lại vật liệu hấp phụHấp phụ vật lý diễn ra rất nhanh, nhưng khả năng hấp phụ sẽ giảm nhanh khi khí thải có nhiệt độ cao và có nhiều bụi.Hấp phụ hóa học là quá trình tỏa nhiệt rất mạnh. Nhiệt độ càng cao, quá trình diễn ra càng nhanhHẤP PHỤ HÓA HỌCLàm xảy ra phản ứng hóa học giữa chất bị hấp phụ với vật liệu hấp phụ. Khi đó vật liệu hấp phụ sẽ biến đổi tính chất thành chất khácHấp phụ hóa học là quá trình không thuận nghịch nên vật liệu hấp phụ không thể hoàn nguyên đượcKhí bị hấp phụ nếu có được nhả ra khỏi vật liệu hấp phụ thì cũng bị thay đổi thành phần và tính chất ban đầuVẬT LIỆU HẤP PHỤVật liệu làm chất hấp phụ là các vật liệu xốp với bề mặt trong lớn, được tạo thành do tổng hợp nhân tạo hay tự nhiên.Cấu trúc bên trong của các chất hấp phụ công nghiệp được đặc trưng bởi kích thước và h́ình dạng khác nhau của khỏang trống và lỗ xốp.Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các yêu cầuCó khả năng hấp phụ cao; Phạm vi tác dụng rộng;Có độ bền cơ học cần thiết;Có khả năng ḥòan nguyên dễ dàng;Rẻ tiền.Một số vật liệu hấp phụ phổ biếnThan hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp,không phân cực và có bề mặt riêng rất lớn. Than hoạt tính có cấu tạo xốp và nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất phức tạp.Có 3 dạng than là Dạng vi mao quản; Dạng mao quản trung gian; Dạng mao quản lớnƯu điểm: Giá rẻ nhất dùng trong xử lý ô nhiễm môi trường.Nhược điểm: Khó tái sinh nếu bị đóng cặn, cóthể bắt cháy khi tái sinh.Than hoạt tínhThan hoạt tính có thể tích lỗ xốp vào khỏang 0,24-0,48 cm3/g. Dùng để tách các chất ô nhiễm có gốc hữu cơ.ĐK mao quản là 0,003μm thì than có thể tách được H2O, NH3. Nếu d tăng lên 0,004 μm thì có thể tách được CO2, SO2, H2S, C2H4, C2H6 và C2H5OHZeolit là các hợp chất alumosihcat có cấu trúc tinh thể.Zeolit Sản xuất dưới dạng bột hoặc dạng viên xốp từ cao lanh tự nhiên sẵn có ở Việt Nam.Tính chất của zeolit phụ thuộc vào tỷ lệ Si và Al và mức độ tạo tinh thể của sản phẩm cuối cùng.Các zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rõ đối với nhiệt độ.ZeolitZeolit có khả năng hấp phụ hơi các hợp chất phân cực và các chất có nối đôi trong phân cực.Ưu điểm: Giữ được hoạt tính cao ở nhiệt độ tương đối 150 – 250oC.Nhược điểm: Do thể tích lỗ xốp nhỏ nên lượng chất hấp phụ ít hơn so với các chất hấp phụ khác.Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển.Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất phân cực cũng như các chất có thể tạo với nhóm hydroxyl các liên kết kiểu cầu hydro.Silicagel có độ rỗng cao khoảng 800m2/gam, cho phép nó hút nước mạnh.Ứng Dụng: Silicagen có lỗ xốp mịn dùng hấp phụ các hơi và khí dễ ngưng tụ. Silicagen có lỗ xốp trung b́ình và thô dùng để hút hơi các hợp chất hữu cơ.Nếu tiến hành giải hấp bằng khí nóng ẩm hay bằng hơi nước với thời gian kéo dài sẽ làm giảm hoạt tính hấp phụ của chúng.SilicagelSilicagelSilicagel có ái lực rất mạnh với hơi nước nên chúng thường được sử dụng để sấy khô các môi trường khác.Silicagel có ái lực rất mạnh với hơi nước nên chúng thường được sử dụng để sấy khô các môi trường khác.Silicagel không cháy ở nhiệt độ tái sinh thấp 110oC – 200oC và có độ bền cơ học caoSilicagel có thể bị phá hủy dễ dàng bởi cá giọt nước. Hoặc ở nơi có độ ẩm quá cao.Keo nhômKeo nhôm được điều chế bằng cách nung Hydroxyt nhôm ở nhiệt độ cao.Diện tích bề mặt của keo nhôm là 170 – 220 m2/g. Tổng thể tích lỗ xốp là 0,6 – 1 cm3/g.Keo nhôm bền khi độ ẩm cao. Chúng được ứng dụng để thu hồi các hợp chất hữu cơ phân cực và sấy khí Thiết kế Tháp hấp phụVật liệu hấp phụ được đổ thành từng lớp trong thiết bị hấp phụ. Dòng khí được dẫn xuyên qua lớp vật liệu này với vận tốc khí từ 0,1 - 0,5 m/s. Thời gian lưu từ 1 – 6sTiêu chí thiết kế:Đảm bảo chu kỳ làm việc thích hợpDòng khí được phân phối đều tới các lớp than trong thápĐảm bảo khả năng dễ thay thế mới hay hoàn nguyên vật liệu hấp phụ.Đảm bảo dòng khí đi vào tháp đã được tách ẩm, tách bụi triệt để.Thiết kế Tháp hấp phụVật liệu hấp phụ thường được đổ thành 2 – 3 lớp trong tháp. Để sau này có thể thay thế luân phiên than hoạt tínhCăn cứ vào lưu lượng khí thải; Vận tốc khí đi trong thiết bị lựa chọn; Thời gian lưu khí trong tháp mà ta có thể thiết kế ra được tháp hấp phụHoàn nguyên vật liệu hấp phụTrong quá trình vận hành, khi thấy xuất hiện điểm dừng, ta phải ngừng ngay quá trình hấp phụ, chuyển sang chu kỳ hoàn nguyên (nếu hấp phụ vật lý), nhằm phục hồi khả năng hấp phụ của vật liệu hoặc thay thế vật liệu hấp phụ (nếu là hấp phụ hóa học).Phương pháp hoàn nguyênHoàn nguyên bằng nhiệt: Là phương pháp rất phổ biến. Dùng không khí nóng hoặc hơi nước quá bão hòa, hoặc đơn giản là mang phơi nắng để hoàn nguyênHoàn nguyên bằng áp suất: Làm giảm áp suất riêng phần của khí bị hấp phụ và giữ nguyên nhiệt độ. Khi đó các khí bị hấp phụ sẽ được nhả ra.Than hoạt tính, silicagel, keo nhôm thường được hoàn nguyên ở nhiệt độ từ 100-200oC. Zeolit hoàn nguyên ở nhiệt độ 100 – 400oCSau khi hoàn nguyên thì khả năng hấp phụ của vật liệu chỉ đạt 60-75% so với lúc đầu. Sau vài lần hoàn nguyên thì khả năng hấp phụ mất hẳn, và ta phải thay vật liệu mớiPhương pháp hoàn nguyên Trong các phương pháp hoàn nguyên thì phương pháp sử dụng hơi nước là đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả cao nhất.Vì hơi nước quá bão hòa có nhiệt trị rất cao, mà lại không làm ẩm vật liệu hấp phụ.Ở nhiệt độ 100oC, hơi nước nóng sẽ làm cho các khí hấp phụ được nhả ra, và không làm hỏng vật liệu hấp phụ.Chất khí hấp phụ được nhả ra được cho ngưng tụ lại để thu hồi hoặc mang xử lý tiếp theo.Phạm vi ứng dụngCác chất khí ô nhiễm không cháy được hoặc khó đốt cháyCác chất khí có giá trị cao, cần được thu hồiCác khí ô nhiễm có nồng độ thấp trong khí thải, mà các quá trình khử khí khác không thể áp dụng đượcƯu điểmCó hiệu quả xử lý cao; Đơn giản, dễ vận hành, dễ chế tạo thiết bị; có khả năng xử lý hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau cùng lúcNhược điểmDo vật liệu có khả năng hấp phụ là hữu hạn nên khó kiểm soát quá trình hấp phụ; Hiệu quả xử lý khó kiểm soát ổn định; Chi phí vận hành cao.4.3 Xử lý khí bằng phương pháp thiêu đốt (Trang 80)Quá trình thiêu đốt thích hợp sử dụng choPhần lớn những chất khí có mùi khó chịu đều có thể cháy được, hoặc chịu tác dụng của nhiệt độ cao mà biến đổi bản chất thành loại có mùi ít khó chịu hơnCác sol khí hữu cơ có khói nhìn thấy được như: Khói từ lò rang cafê; Khói từ lò nước thịt; Khói từ lò nung men sứ vv...Các khí, hơi hữu cơ nếu thải vào khí quyển chúng sẽ phản ứng với sương mù, gây hại cho môi trường;Các khí, hơi sinh ra từ các công nghệ khai thác, lọc dầu. Khi thiêu đốt sẽ xử lý được nhiều loại khí ô nhiễm cùng lúc;Ưu điểmKhả năng xử lý của thiết bị là ổn định, không cần hoàn nguyên năng lực xử lý như các phương pháp hấp phụ, hấp thụ;Phân hủy được hoàn toàn chất ô nhiễm cháy được, khi thiết bị thiêu đốt được thiết kế và vận hành đúng quy cáchKhả năng thích ứng của thiết bị đối với sự thay đổi vừa phải của lưu lượng, cũng như nồng độ khí thảiHiệu quả xử lý cao đối với những chất ô nhiễm có lưu lượng và tải lượng ô nhiễm lớn;Có khả năng thu hồi, tận dụng được nhiệt lượng thải ra của quá trình thiêu đốt;Nhược điểmChi phí đầu tư trang thiết bị và chi phí vận hành là tương đối lớnCó khả năng làm phức tạp thêm vấn đề ÔNKK khi các chất cần thiêu đốt có chứa thêm các tạp chất khác như clorin, nito, lưu huỳnh vv...Trong quá trình thiêu đốt có cấp thêm nhiên liệu và năng lượng để đảm bảo nhiệt độ cần thiết. Điều này làm tốn thêm chi phí vận hành và phức tạp cho quá trình vận hànhCác quá trình thiêu đốtThiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếpThiêu đốt có buồng đốtThiêu đốt có xúc tác