Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2

Chia sẻ: Hoailinh Dangvan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

1.077
lượt xem 369
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

SO2 là loại chất ô nhiễm biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng như trong sinh hoạt của con người. Nguồn phát thải SO2 chủ yếu là từ các trung tâm nhiệt điện, các loại lò nung, lò hơi khi đốt nhiên liệu than, dầu khí đốt có chứa S hay các hợp chất chứa S.Ngoài ra một số công đoạn sản xuất trong công nghiệp hoá chất, luyện kim cũng thải vào khí quyển lượng khí SO2 đáng kể . Trên thế giới hàng năm tiêu thụ gần 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu mỏ. Khi thành...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2

Chuyên đề Công nghệ xử lý khí SO2
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà MỤC LỤC Trang 1.1 Hấp thụ khí SO2 bằng nước 1 1.2 Xử lý SO2 bằng đá vôi (CaCO3) hoặc vôi nung (CaO) 3 1.3 Xử lý SO2 bằng amoniac 5 1.3.1 Hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac theo chu trình 5 1.3.2 Xử lý SO2 bằng amoniac có chưng áp 7 1.3.3 Xử lý SO2 bằng amoniac và vôi 8 1.4 Xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ 9 1.5 Xử lý SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn 11 1.5.1 Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính 11 1.5.2 Xử lý khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới nước–quá trình LURGI 12 1.5.3 Xử lý SO2 bằng nhôm oxit kiềm hóa 14 1.5.4 Xử lý SO2 bằng vôi và dolomit trộn vào than nghiền 14 1.6 So sánh kinh tế – kỹ thuật của một số phương pháp xử lý SO2 16 PHỤ LỤC 17 Lọc không khí bằng lọc sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 1
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà CÔ G GHỆ XỬ LÝ KHÍ SO2 SO2 là loại chất ô nhiễm biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng như trong sinh hoạt của con người. Nguồn phát thải SO2 chủ yếu là từ các trung tâm nhiệt điện, các loại lò nung, lò hơi khi đốt nhiên liệu than, dầu khí đốt có chứa S hay các hợp chất chứa S.Ngoài ra một số công đoạn sản xuất trong công nghiệp hoá chất, luyện kim cũng thải vào khí quyển lượng khí SO2 đáng kể . Trên thế giới hàng năm tiêu thụ gần 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu mỏ. Khi thành phần S trong nhiên liệu trung bình chiếm 1% thì lượng khí SO2 thải vào khí quyển là 60 triệu tấn/năm. • Vấn đề ô nhiễm khí quyển bởi khí SO2 từ lâu đã trở thành mối hiểm hoạ của nhiều nước. Công nghệ xử lý SO2 trong công nghiệp đã đuợc phát tiển từ rất lâu. Ngoài tác dụng làm sạch khí quyển, bảo vệ môi trường, còn có ý nghĩa kinh tế là thu hồi SO2 là nguồn cung cấp nhiên liệu cho sản xuất H2SO4 và lưu huỳnh nguyên chất. 1.1 Hấp thụ khí SO2 bằng nước Quá trình xử lý SO2 bằng nước diễn ra theo phản ứng sau: SO2 + H2O ↔ H+ + HSO3- Sơ đồ hệ thống hấp thụ khí SO2 bao gồm 2 giai đoạn sau: • Hấp thụ khí SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí hoặc cho khí SO2 đi qua lớp vật liệu đệm có tưới nước. • Giải thoát khí SO2 ra khỏi chất hấp thụ để thu hồi SO2 và nước sạch. Mức độ hòa tan của khí SO2 trong nước giảm khi nhiệt độ nước tăng cao và ngược lại để giải thoát khí SO2 ra khỏi nước thì nhiệt độ của nước phải cao. Ở 1000C thì SO2 bốc ra hòan toàn và trong khí thoát ra có lẫn hơi nước. Bằng phương pháp ngưng tụ người ta thu hồi được khí SO2 với độ đậm đặc gần 100% để sản xuất acid sunfuric. Để giải hấp thụ cần phải đun nóng một lượng nước rất lớn, đó là một khó khăn. Ngoài ra, để sử dụng lại nước cho quá trình hấp thụ phải làm nguội nước xuống gần 10oC, tức phải cần đến nguồn cấp lạnh. Đó cũng là vấn đề không đơn giản và tốn kém. Vì vậy, phương pháp này chỉ nên áp dụng khi: -Nồng độ SO2 trong khí thải tương đối cao - Có sẵn nguồn cấp nhiệt (hơi nước) với giá rẻ - Có sẵn nguồn nước lạnh 2
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà Trong trường hợp khí thải giàu SO2 như trong công đoạn nấu quặng sunfua kim loại của công nghiệp luyện kim màu, nồng độ SO2 trong khí thải có thể đạt 2-12%, người ta có thể xử lý khí SO2 bằng nước kết hợp với nước tạo thành acid sunfuric. Quá trình cũng được thực hiện thành 2 giai đoạn: giai đoạn thứ nhất khí SO2 kết hợp với oxy nhờ sự có mặt của chất xúc tác Vanadi để biến thành anhiđrit sunfuric và giai đoạn thứ hai là dùng nước tưới trong lớp vật liệu đệm để anhiđrit sunfuric kết hợp với nước tạo thành acid H2 SO4 . SO2 + OV↔5 SO3 2 2O SO3 + H2O H2SO4 Trong giai đoạn thứ nhất, phản ứng oxy hoá khí SO2 có toả nhiệt và phản ứng xảy ra càng mạnh ở nhiệt độ càng thấp, do đó cần thực hiện quá trình này qua nhiều tầng xúc tác, sau mỗi tầng đều được làm nguội. Khí saïch thoaùt ra 1 2 SO2 4 3 6 Hôi nöôùc Chaát taûi Khí vaøo laïnh Xaû 6 5 1- Thaùp haáp thuï 2- Thaùp giaûi thoaùt khí SO2 3- Thieát bò ngöng tuï 4,5- Thieát bò trao ñoåi nhieät 6-Bôm Hình 1 Sơ đồ hấp thụ khí SO2 bằng nước 1.2 Xử lý SO2 bằng đá vôi (CaCO3) hoặc vôi nung (CaO) Xử lý SO2 bằng vôi là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý rất cao, nguyên liệu rẻ tiền và có sẵn ở mọi nơi. 3
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà Các phản ứng: CaCO3 + SO2 = CaSO3 + CO2 CaO + SO2 = CaSO3 2CaSO3 + O2 = 2CaSO4 Khói thải sau khi được lọc sạch tro bụi đi vào scrubơ 1, trong đó xảy ra quá trình hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi tưới trên lớp đệm bằng vật liệu rỗng. Nước chứa acid chảy ra từ scrubơ có chứa nhiều sunfit và canxisunfat 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 bằng bộ phận tách tinh thể 2. Thiết bị 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 scurbơ, phần còn lại đi qua bình lọc chân không 3, ở đó các tinh thể được giữ lại dưới dạng cặn bùn và được thải ra ngoài. Đá vôi được đập vụn và nghiền thành bột rồi cho vào thùng 6 để pha trộn với dung dịch loãng chảy ra từ bộ lọc chân không số 3 cùng với lượng nước bổ sung để hình thành dung dịch sữa vôi mới. Cặn bùn từ hệ thống xử lý thải ra có thể sử dụng làm chất kết dính trong xây dựng khi chuyển sunfit thành sunfat trong lò nung. Khí saïch thoaùt ra 1 2 3 Nöôùc 4 Voâi Khí vaøo 6 5 1- Thaùp haáp thuï 2- Boä phaän taùch tinh theå 3- Boä loïc chaân khoâng 4,5- Maùy bôm 6- Thuøng troän söõa voâi Hình 2 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng CaCO3 , CaO. 4
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà 1.3 Xử lý SO2 bằng amoniac Amoniac và khí SO2 trong dung dịch nước có phản ứng với nhau và tạo ra muối trung gian amoni sunfit, sau đó muối amoni sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 và H2O để tạo ra muối amoni bisunfit theo phản ứng sau: SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3 Lượng bisunfit tích tụ dần trong dung dịch có thể hoàn nguyên bằng cách nung nóng trong chân không, kết quả thu được amoni sunfit và SO2. Amoni sunfit này lại có thể sử dụng tiếp để khử SO2 2NH4HSO3 Nung nóng (NH4)2SO3 + SO2 ↑+ H2O Ngoài ra trong dung dịch còn có thể xảy ra sự phân hủy sunfit và bisunfit amoni thành sunfat amoni và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng sau: 2NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2(NH4)2SO4 + S + H2O Lưu huỳnh đơn chất hình thành theo phản ứng trên đến lượt của mình lại tác dụng với amoni sunfit và tạo ra thiosunfat: (NH4)2SO3 + S = (NH4)2S2O3 Sau đó thiosunfat lại kết hợp với amoni bisunfit và tạo ra lưu huỳnh đơn chất nhiều gấp 2 lần (NH4)2S2O3 + 2NH4HSO3 = 2(NH4)2SO4 + 2S + H2O Lưu huỳnh đơn chất lại tác dụng với sunfit. Cứ như vậy tốc độ phản ứng phân hủy dung dịch làm việc tăng dần và dung dịch làm việc sẽ hoàn toàn biến thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất. 1.3.1 Hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac theo chu trình Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac theo chu trình được thể hiện ở hình 3 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 30oC, còn bụi cặn 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 khói thải khi nồng độ ban đầu của SO2 trong khói là 0,3%. Nhiệt độ cuối của nước đạt gần 50oC. Để nước tuần hoàn được trong hệ thống nó phải được làm nguội xuống khoảng 27oC trong thiết bị làm nguội (thiết bị trao đổi nhiệt) số 2. Thiết bị 2 có thể là tháp làm mát, lúc đó 5
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà không khí đi qua tháp phải được thải ở độ cao thích hợp để đề phòng sự lan tỏa khí SO2 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 vào. 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 NH3 đi theo khói thải ra ngoài. Dung dịch đã hoàn nguyên được cấp vào tầng hấp thụ kề với tầng trên cùng. 1.Tháp hấp thụ, 2,4.TB làm nguội, 3.tháp hấp thụ nhiều tầng, 5.hoàn nguyên, 6.tháp bốc hơi, 7.thùng kết tinh, 8.máy vắt khô ly tâm, 9.nồi trưng áp. Hình 3 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac Dung dịch đi ra ở tầng hấp thụ dưới cùng có chứa nhiều amoni bisunfit (NH4)2SO3 được trích một phần để đưa vào tháp hoàn nguyên 5, trong đó được cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa khô (đi trong dàn ống xoắn) để đun nóng dung dịch. Ở đây xảy ra phản ứng 2NH4HSO3 (NH4)2SO3 + SO2 ↑+ H2O Nung nóng Khí SO2 thóat ra từ tháp hoàn nguyên 5 đạt nồng độ khoảng 94-97% và được sử dụng để điều chế acid sunfuric. Dung dịch sau khi hoàn nguyên xong (chứa amoni sunfit) được làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và đưa vào chu trình tưới. Như vậy dung dịch hấp thụ được tuần hoàn theo chu trình kín và do đó người ta gọi là phương pháp theo chu trình. Một lượng amoniac NH3 được bổ sung vào chu trình tưới để bù lại lượng NH3 đã tiêu hao để tạo thành amoni sunfit theo phản ứng 6
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà 2NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2(NH4)2SO4 + S + H2O Để tách amoni sunfat hình thành trong quá trình hấp thụ ra khỏi dung dịch, một phần dung dịch sau khi hoàn nguyên được đưa sang thiết bị 6, tại đây người ta cấp nhiệt cho nước bốc hơi, phần còn lại được làm nguội và kết tinh trong thùng 7. Các tinh thể sunfat được vắt khô trong máy quay ly tâm 8 còn phần dung dịch thì quay về chu trình tưới. Ngoài amoni sunfat, trong dd ra khỏi tháp hấp thụ 3 còn có thể có thiosunfat. Do đó một phần dd ra khỏi tháp hấp thụ 3 được đưa sang xử lý ở nồi chưng áp 9. Ở đây dưới áp suất và nhiệt độ =140oC sunfit, bisunfit và thiosunfat amoni phân hủy thành amonisunfat và lưu hùynh đơn chất theo phản ứng (NH4)2S2O3 + 2NH4HSO3 = 2(NH4)2SO4 + 2S + H2O Dung dịch amoni sunfat được tách khỏi lưu hùynh bằng phương pháp lắng và đi vào tháp bốc hơi 6, còn lưu hùynh đơn chất được đổ ra khuôn. 1.3.2 Xử lý SO2 bằng amoniac có chưng áp Hình 4 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac có chưng áp Khí thải sau khi được lọc sạch bụi đi vào tháp hấp thụ 1, ở đó dung dịch hấp thụ được tưới theo chu trình tuần hòan. Nồng độ muối amoni trong dd hấp thụ đạt khỏang 45%. Người ta bổ sung vào dd tưới một lượng dd nước – amoniac đậm đặc (30%). Một phần dd tưới tương đương với lượng dd mới bổ sung vào luôn luôn được tách ra sau tháp hấp thụ để đưa vào bộ lọc ép 2, sau đó đi vào thung chưng áp 3. Ở đây người ta cho một lượng nhỏ axit sunfuric vào dd và đun nóng đến nhiệt độ 180oC với áp suất dư 14 atm. Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất nêu trên quá trình oxy hóa tự động xảy ra để tạo thành amoni sunfat và lưu hùynh đơn chất. Sau khi hòan thành phản ứng oxyhóa, các chất trong thùng 7
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà chưng áp nguội dần, áp suất dư giảm xuống đến 3.5atm, lưu hùynh đơn chất lắng xuống đáy rồi đưa ra đổ thành khuôn. Phần dd nổi bên trên được đưa sang thiết bị bốc hơi chân không 4 rồi đi qua máy lọc ly tâm 5 để tách amoni sunfat. Đặc điểm của phương pháp xử lý SO2 bằng amoni có chưng áp là sản phNm cuối cùng thu được chủ yếu gồm amoni sunfat. 1.3.3 Xử lý SO2 bằng amoniac và vôi Phương pháp này được một số hãng công nghiệp của Pháp nghiên cứu và áp dụng tại trung tâm công nghiệp Saint Ouen gần thủ đô Pari của Pháp. Hỗn hợp hơi nước và amoniac được phun trực tiếp vào khói thải trên đường ống dẫn vào hệ thống hai scrubơ lắp nối tiếp 1 và 2. Khí SO2 trong khói thải kết hợp với amoniac tạo thành sunfit và bisunfit amoni. Trong scrubơ 1 phần lớn tro bụi và các sản phNm sunfit, bisunfit được lọai ra khỏi dòng khí và theo dung dịch tưới chảy xuống thùng chứa 7. Tại đây nhiệt độ khí cũng hạ xuống còn khỏang 60oC. Tiếp theo khí đi vào scrubơ 2 và các sản phNm tạo thành từ SO2 và amoniac còn sót lại tiếp tục bị tách ra khỏi dòng khí và theo dung dịch chảy xuống thùng chứa 8. Một phần dung dịch tưới từ scrubơ 2 chảy xuống thùng chứa 8 được đưa sang tưới cho scrubơ 1 và một lượng dung dịch mới được bổ sung vào thùng 8. 1,2.tháp hấp thụ, 3.thùng phản ứng, 4.làm nguội, 5.máy lọc ly tâm, 6.thùng pha chế sữa vôi, 7,8.thùng chứa dung dịch tưới Hình 5 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng amoniac và vôi Dung dịch đã bão hòa ở thùng chứa 7 được đưa sang thùng phản ứng 3, tại đó sữa vôi và hơi nước được cấp vào để kết hợp với sunfit và bisunfit amoni tạo thành sunfit và sunnfat canxi theo các phản ứng sau: 8
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà (N H4)2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + 2N H3 + 2H2O N H4HSO3 + Ca(OH)2 = CaSO3 + N H3 + 2H2O (N H4)2SO3 + Ca(OH)2 = CaSO3 + 2N H3 + 2H2O Amoniac và hơi nước bốc lên từ thùng phản ứng 3 được hút và phun vào đường ống dẫn khói thải, còn bùn nhão lắng ở đáy được đưa sang làm nguội trong thiệt bị trao đổi nhiệt 4, sau đó cặn được tách ra ở máy lọc ly tâm 5 không chứa canxi bisunfit có tính chất hòa tan nên có thể lọai bỏ hoặc được sử dụng như vật liệu san lấp, làm nền đường… Hiệu quả khử SO2 của phương pháp amoniac – vôi có thể đạt 95%, nồng độ N H3 theo khí sạch thóat ra khỏang 0.001%. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp amoniac đơn thuần là rất ít tốn amoniac và có thể áp dụng để khử SO2 trong khói thải có chứa nhiều bụi và ở nhiệt độ cao. Hệ thống có thể làm việc với lưu lượng khói thải rất lớn. N hược điểm chủ yếu của phương pháp này là lượng phế thải nhiều. 1.4 Xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ Quá trình xử lý khí SO2 trong khí thải bằng các chất hấp thụ hữu cơ được áp dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim màu. Chất hấp thụ khí SO2 được phổ biến là các amin thơm như anilin C6H5N H2, toluiđin CH3C6H4N H2, xyliđin (CH3)2C6H3N H2 và đimetyl-anilin C6H5N (CH3)2 Thực tế cho thấy dung dịch xyliđin trong nước có nhiều ưu điểm khi sử dụng để khử SO2 trong khói thải với nồng độ thấp, còn khi nồng độ SO2 trong khói thải tương đối cao (trên 2%) thì đimetyl-anilin có ưu thế hơn. Quá trình sunfidin Quá trình này được các hãng công nghiệp hóa chất và luyện kim của Đức nghiên cứu và áp dụng ở nhà máy Luyện Kim Hamburg để khử khí SO2 trong khói thải của lò thổi luyện đồng. N ồng độ khí SO2 trong khói thải dao động trong phạm vi 0,5-8%, trung bình là 3,6%. Chất hấp thụ được sử dụng là hỗn hợp xyliđin và nước tỷ lệ = 1:1 Khí thải sơ bộ được làm nguội và lọc sạch bụi trong thiết bị lọc bằng điện, sau đó cho qua các tháp hấp thụ 2 và 3 đặt nối tiếp nhau. Các tháp hấp thụ được tưới hỗn hợp xyliđin-nước theo sơ đồ chuyển động ngược chiều của dòng khí và dung dịch hấp thụ. Trong quá trình hấp thụ SO2 bằng xiliđin có tỏa ra một lượngnhiệt đáng kể, do đó cần làm nguội bằng các thiết bị trao đổi nhiệt 1. Khí sạch đi ra khỏi tháp hấp thụ có chứa hơi xyliđin cần cho qua srcubơ 4 để thu hồi xyliđin bằng acid sunfuric loãng. 9
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà Dung dịch hấp thụ đã bão hòa từ tháp hấp thụ đầu tiên (số 2) đi ra với nồng độ SO2 130-180g/l được đưa vào tháp bốc hơi 5. N hiệt độ ở phần dưới của tháp bốc hơi được giữ ở mức 45-100oC bằng chất mang nhiệt là hơi nước đi bên trong ống xoắn. Các loại khí, hơi (gồm SO2, xyliđin và hơi nước) bốc lên trong tháp bốc hơi được ngưng tụ ở thiết bị trao đổi nhiệt 1 rồi đi tiếp vàp srcubơ 7 tưới bằng nước để làm giảm nồng độ xyliđin trong khí SO2. Từ đây khí SO2 được sử dụng cho các công đoạn chế biến acid sunfuric hoặc lưu huỳnh đơn chất. Dung dịch loãng xyliđin – SO2 cùng với nước ngưng từ thiết bị ngưng tụ 1 lại quay lên tưới vào tháp bốc hơi 5. Dung dịch hấp thụ đã được hoàn nguyên ở phần dưới của tháp bốc hơi chảy vào bể lắng 6, ở đó nước thừa được thải đi và hỗn hợp xyliđin-nước theo tỷ lệ thích hợp được bơm qua thiết bị làm nguội rồi tưới cho tháp hấp thụ số 3. 1.Thiết bị trao đổi nhiệt (làm nguội), 2.3. Tháp hấp thụ, 7. Scrubơ, 5. Tháp bốc hơi, 6. Bể lắng Hình 6 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 theo quá trình sunfiđin Trong quá trình hấp thụ, một phần sunfit xyliđin bị oxy hóa. Để hạn chế sự tích tụ sunfat xyliđin trong dung dịch hấp thụ, người ta cho natri cacbonat (N a2CO3) vào dung dịch tưới ở tháp hấp thụ 3. N atri cacbonat tác dụng với sunfat xyliđin tạo thành natri sunfat (N a2SO4) và cacbonic. Khí CO2 cùng với khí thải đã được khử SO2 thoát ra khí quyển, còn natri sunfat tương ứng với lượng natri cacbonat đã sử dụng sẽ được thải ra ngoài ở bể lắng 6 dưới dạng dung dịch trong nước thải. 10
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà 1.5 Xử lý SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn Các quá trình xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ theo phương pháp ướt có nhược điểm là nhiệt độ của khí thải bị hạ thấp, độ Nm lại tăng cao gây hoen rỉ các loại máy móc, hệ thống cồng kềnh và chi phí đầu tư lớn. Với những lý do trên thì xử lý khí thải bằng phương pháp khô rất có triển vọng, đặc biệt trong công nghiệp năng lượng và luyện kim màu. Kinh phí đầu tư cho việc xây dựng lắp đặt hệ thống xử lý khí thải theo phương pháp khô thấp hơn so với phương pháp ướt, còn chi phí sử dụng vận hành thì theo phương pháp khô đôi lúc lại cao hơn so với phương pháp ướt. Do nhu cầu hoàn nguyên vật liệu hấp phụ và làm sạch khí thải khỏi bụi của vật liệu hấp phụ, vấn đề kết hợp giữa quá trình khô và ướt ngày càng trở nên thiết thực. 1.5.1 Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính Trước đây người ta cho rằng xử lý khí SO2 theo phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính là ít hiệu quả. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, người ta thấy rằng phương pháp này có thể áp dụng rất tốt để xử lý khói thải từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện kim và sản xuất acid sunfuric với hiệu quả kinh tế đáng kể. Sử dụng than hoạt tính để hấp phụ khí SO2 có sơ đồ hệ thống đơn giản có thể áp dụng được cho mọi quá trình công nghệ có thải khí SO2 một cách liên tục hay gián đoạn. N goài ra, hệ thống xử lý cho phép làm việc được với khí thải có nhiệt độ cao, trên 100oC. N hược điểm của phương pháp này tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên có thể là tiêu hao nhiều vật liệu hấp phụ hoặc là sản phNm thu hồi được – khí SO2 có nồng độ thấp, có lẫn nhiều acid sunfuric và tận dụng kho khăn, phải xử lý tiếp mới sử dụng được. 11
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà 1.phễu chứa vật liệu hấp phụ. 2.TB định lượng. 3.Tháp hấp phụ nhiều tầng. 4.Xiclon 5.Bunke 6.Tháp giải hấp phụ 7.TB cấp nhiệt 8.Quạt 9.Máy sàng Hình 7 Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng PP hấp phụ than hoạt tính. Theo sơ đồ trên, khói thải đi vào tháp hấp phụ 3 gồm nhiều tầng, khí SO2 bị giữ lại trong lớp than hoạt tính của các tầng hấp phụ, sau đó khí đi qua xiclon 4 để lọc sạch tro, bụi trước khi thải ra khí quyển. Than hoạt tính sau khi được hoàn nguyên cùng với một lượng than mới bổ sung được chuyển lên phễu chứa 1 để cấp vào tháp hấp phụ qua một bộ phận khống chế liều lượng 2. Than rơi từ tầng trên xuống tầng dưới của tháp nhờ hệ thống cào - đảo. Sau khi bão hòa khí SO2, than hoạt tính từ tầng dưới cùng của tháp chảy xuống bunke 5 để đi vào thiết bị giải hấp phụ (hoàn nguyên) 6. Tại đây một lượng nhiệt được cấp từ bên ngoài để nâng nhiệt độ của than lên 400- 450oC nhờ thiết bị cấp nhiệt 7 và quạt 8. Để thúc đNy quá trình hoàn nguyên người ta còn thổi khí trơ nóng hoặc hơi nước vào thiết bị hoàn nguyên. Khí SO2 thoát ra từ quá trình hoàn nguyên có nồng độ 40-50% và đạt khoảng 96- 97% lượng khí SO2 có trong khói thải trước khi đi vào hệ thống lọc. Sau khi hoàn nguyên, than hoạt tính được sàng chọn lại qua máy sàng 9 để loại bỏ phần than quá vụn nát và bổ sung thêm than mới để đưa lên phễu 1. 1.5.2 Xử lý khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới nước – quá trình LURGI Xử lý khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới để thu acid sunfuric do công ty Lurgi của Đức ngiên cứu áp dụng. Theo phương pháp này, khí thải được làm cho bão hòa hơi nước ở nhiệt độ dưới 100oC đi qua lớp than hoạt tính có tưới nước làm Nm trong thiết bị hấp phụ 3. Khí SO2 được giữ lại trong lớp than hoạt tính và oxy hóa thành SO3 nhờ có oxy trong khí thải. Tiếp theo SO3 kết hợp với H2O 12
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà biến thành acid sunfuric và theo nước chảy vào thùng chứa 4. Acid sunfuric trong thùng 4 với nồng độ 20-25% được trích một phần để làm nguội và làm Nm khí thải cần xử lý. Quá trình này được thực hiện trong một scrubơ Venturi 1, trong đó acid loãng được dòng khí chuyển động rối với vận tốc lớn xé nhỏ thành giọt mịn, nhiệt độ của khí giảm xuống nhờ có nước bốc hơi, còn acid loãng thì trở nên đậm đặc hơn. Sau srcubơ Venturi, tro bụi và acid được tách ra khỏi dòng khí trong xiclon 2 và chảy xuống bể chứa 4, còn khí đi tiếp vào thiết bị hấp phụ. Để quá trình xử lý được liên tục cần lắp đặt ít nhất là hai bình hấp phụ luân phiên nhau để hoạt động, cái này theo chu kỳ hấp phụ, cái kia theo chu kỳ hoàn nguyên. Việc sử dụng acid thu được từ quá trình phụ thuộc vào mức độ nhiễm bNn tro bụi và độ đậm đặc của nó khi xử lý khí thải đã được lọc sạch bụi, nồng độ acid thu được có thể đạt 65-70%. Acid bị nhiễm bNn nặng có thể được phân giải theo các phương pháp thông dụng để thu khí SO2 dùng vào việc điều chế acid sunfuric sạch hoặc lưu huỳnh đơn chất. Hệ thống thử nghiệm ban đầu với lưu lượng khói thải 1000-1500m3/h. N ồng độ ban đầu của SO2 trong khói khi đốt nhiên liệu mazút là 0,1-0,15%. Hiệu quả khử SO2 đạt 98-99%. Chất hấp phụ làm việc trong hơn 3 năm liên tục mà hoạt tính không bị giảm sút. 1.Scrubơ venturi - 2.Xiclon - 3.Tb hấp phụ - 4.bể chứa axit sunfuric - 5.Bơm - 6.Than hoạt tính. Hình 8 Sơ đồ hệ thống xử lý khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới nước (quá trình LURGI) 13
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà 1.5.3 Xử lý SO2 bằng nhôm oxit kiềm hóa Quá trính xử lý SO2 bằng nhôm oxit kiềm hóa được dưa trên tính chất hấp phụ của hỗn hợp Al2O3 và N a2O với thành phần natri oxit chiếm 20% khối lượng của hỗn hợp. Trong quá trình hấp phụ, khí SO2 bị oxy hóa, sau đó tác dụng với các oxit kim loại để biến thành sunfat. Chất hấp phụ đã bão hòa được hoàn nguyên bằng khí trơ ở nhiệt độ 600-650oC. Khói thải sau khi được sơ bộ lọc sạch bụi trong xiclon 1 đi vào tháp hấp phụ 2 theo chiều từ dưới lên trên.Chất hấp phụ dạng hạt được cấp vào từ đỉnh tháp và rơi tự do xuống dưới. Trong quá trình rơi trong dòng khí chuyển động ngược chiều, chất hấp phụ khử khí SO2 trong khói thải. Bụi và các hạt chất hấp phụ có kích thước bé bị dòng khí mang theo sẽ được tách ra trong xiclon 3 và khí sạch được thải ra khí quyển. Một phần chất hấp phụ sau khi ra khỏi tháp 2 được tuần hoàn trở lại cho đến khi đạt mức bão hòa nhất định, phần còn lại qua bộ phận khống chế liều lượng 5 để đi qua thiết bị hoàn nguyên 6. Sau khi hoàn nguyên sẽ được làm nguội tại buồng làm nguội 7 và được cấp vào phễu nạp 4 cùng với một lượng chất hấp phụ mới bổ sung để lặp lại chu trình làm việc. 1,3.xiclon 2.Tháp hấp thụ 4.phếu nạp than 5.Tb định lượng 6.Tb giải hấp phụ 7.buồng làm nguội 8.bề mặt trao đổi nhiệt Hình 9 Sơ đồ hệ thống xử lý khí SO2 bằng nhôm oxít kiềm hóa 14
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà Lượng chất hấp phụ lưu thông trong hệ thống khoảng 48-50kg cho 1000m3 khí thải cần xử lý với nồng độ ban đầu của SO2 là 0,3%. Vận tốc chuyển động của khí trong tháp hấp phụ là 2-2,5m/s. Hiệu quả khử SO2 trong khí thải đạt trên 90%. 1.5.4 Xử lý SO2 bằng vôi và dolomit trộn vào than nghiền Từ lâu người ta đã biết các kim loại kiềm có phản ứng với SO2 để tạo ra các muối sunfat. Tuy nhiên quá trình đốt nhiên liệu than nghiền có trộn bột vôi và đolomit để khử khí SO2 thì mới được áp dụng trong những năm gần đây và hiện nay vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện. Phản ứng giữa vôi CaO và dolomit CaCO3.MgCO3 với SO2 : 2CaO + 2SO2 + O2 =2CaSO4 2CaCO3.MgCO3 + 2SO2 + O2 = 2CaSO4 + 2MgO + 4CO2 Phản ứng giữa vôi và SO2 xảy ra mạnh nhất ở nhiệt độ 760-1040oC, còn phản ứng giữa dolomit và SO2 ở nhiệt độ 600-1200oC. Có thể nói phương pháp này là sự kết hợp giữa quá trình cháy với quá trình khử khí SO2 thành một quá trình thống nhất trong buồng đốt của lò mà không đòi hỏi phải lắp đặt thêm nhiều thiết bị phụ trợ khác. Than nghiền với cỡ hạt kích thước trên 6mm được trộn cùng với bột kích thước 1,6-6mm đổ thành lớp dầy bên trên đĩa phân phối khí 1. Không khí được thổi từ dưới lên với vận tốc 0,6-4,6m/s. Không khí xuyên qua lớp than cháy ở nhiệt độ 760-1040oC làm cho các hạt nhiên liệu và vôi chuyển động, những hạt to và nặng bốc lên rồi rơi xuống, còn các hạt mịn bay theo sản phNm cháy. Lớp than trong buồng đốt sôi động và do đó người ta gọi là quá trình đốt than “giả hóa lỏng” hoặc “giả sôi”. Buồng đốt được bao quanh bằng các vách ống 2 để hấp thu nhiệt bức xạ, trong đó lưu thông nước và hơi. N goài ra, trong lớp than “giả hóa lỏng” còn có thể bố trí các dãy ống xoắn 3 để nhận nhiệt trực tiếp từ lớp than cháy. Bên trên lớp than còn được bốt trí dãy ống nằm ngang 4 để vừa nhận nhiệt, vừa để cản trở không cho các hạt than bốc lên cao và theo khói ra ngoài. Trên đường khói có bố trí các dàn ống nhận nhiệt đối lưu 5 và dàn ống 6 tận dụng nhiệt trong khói thải để hâm nóng nước trước khi cấp vào dàn ống chính. Khói thải đi ra khỏi lò có chứa tro, các hạt vôi hoặc đolomit và than được lọc bụi cấp thô trong xiclon 7 để thu hồi than chưa cháy hết, tiếp theo được lọc tinh ở bộ lọc 8 rồi thải ra khí quyển. Lớp than nổi bên trên phần lớn là tro, các chất trơ, vôi và sunfat có lẫn một ít than chưa cháy hết sẽ được thải ra ngoài và nhiên liệu cùng chất hấp phụ SO2 đuợc bổ sung vào buồng đốt qua đĩa phân phối khí hoặc qua cửa cấp than trên vách lò. 15
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà 1.6 So saùnh kinh teá – kyõ thuaät cuûa moät soá phöông phaùp xöû lyù SO2 STT PP Xöû lyù Noàng ñoä ñaàu Ñaàu tö ban Chi phí saûn Thu hoài saûn Chi phí Xöû lyù SO2 SO2 ñaàu xuaát trong phaåm trong quy cho 1000 % T/tích 1000 c naêm naêm Kwh,c 1000 c/naêm 1000 c/naêm 1 PP ñaù voâi 0.5 162.36 48.86 - 23.2 2 PP voâi 0.5 133.3 47.32 - 22.5 nung 3 PP NH3 0.5 231.3 20.1 65.6 9.6 chu kyø c : đồng Curon của Tiệp Khắc PP Xöû lyù Chi phí Ñaàu Hieäu quaû Saûn phaåm Thu Chi phí saûn SO2 hoài tö cho 1KW Xöû lyù SO2 xuaát cho 1 (Ñoâ la) (%) taán nhieân lieäu (Ñoâ la) PP nhoâm Axít 17.77 100 0.55 kieàm hoùa • Löu huyønh 10.64 100 0.61 PP voâi boät • Axít 21.25 100 0.4 • Khoâng Thu 1.0 90 1.13 hoài saûn phaåm 16
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà PHỤ LỤC LỌC KHÔ G KHÍ BẰ G LỌC SI H HỌC Lọc sinh học là gì? Lọc sinh học là một biện pháp xử lý ô nhiễm tương đối mới. Đây là một phương pháp hấp dẫn để xử lý các chất khí có mùi hôi và các hợp chất hữu cơ bay hơi có nồng độ thấp. Hình dạng phổ biến của một hệ thống lọc sinh học giống như một cái hộp lớn, một vài hệ thống có thể lớn bằng sân bóng rổ, một vài hệ thống có thể nhỏ độ một yard khối (0,76 m3). N guyên tắc chính của hệ thống xử lý là tạo điều kiện cho vi khuNn tiếp xúc với các chất ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc khí thải này là nơi chứa các nguyên liệu lọc và nơi sinh sản cho các vi sinh vật. Trong hệ thống này, các vi sinh vật sẽ tạo thành một màng sinh học (biofilm), đây là một màng mỏng và Nm bao quanh các nguyên liệu lọc. Trong quá trình lọc, khí thải được bơm chậm xuyên qua hệ thống lọc, các chất ô nhiễm trong khí thải sẽ bị các nguyên liệu lọc hấp thụ. Các chất khí gây ô nhiễm sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây, các vi sinh vật sẽ phân hủy chúng để tạo nên năng lượng và các sản phNm phụ là CO2 và H2O theo phương trình sau: Chất hữu cơ gây ô nhiễm + O2 ---> CO2 + H2O + nhiệt + sinh khối Lịch sử Trong khi việc sử dụng các hệ thống lọc sinh học chưa được phổ biến ở Mỹ thì hàng trăm hệ thống lọc sinh học đã được ứng dụng thành công và có hiệu quả ở Châu Âu (Hà Lan, Tân Tây Lan, Đức) và N hật Bản. Hệ thống lọc sinh học trước đây thường được thiết kế để xử lý mùi của các hệ thống xử lý nước thải, các nhà máy tái chế, quá trình ủ phân compost. Sau đó, nó được ứng dụng phổ biến trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các hợp chất hữu cơ khác. 17
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà Sau đây là một số mốc lịch sử của việc phát triển hệ thống lọc sinh học: • 1923 Phương pháp xử lý sinh học được đề nghị sử dụng để xử lý các chất khí có mùi hôi. • 1955 Phương pháp xử lý sinh học được áp dụng để xử lý các chất khí có mùi hôi ở nồng độ thấp ở Đức. • 1960 Hệ thống lọc sinh học được sử dụng để xử lý các chất khí ô nhiễm ở Đức và Mỹ. • 1970 Hệ thống lọc sinh học đạt được những thành quả cao ở Đức. • 1980 Hệ thống lọc sinh học được sử dụng để xử lý các chất khí độc và các hợp chất hữu cơ bay hơi của các ngành công nghiệp. • 1990 Hiện nay, hơn 500 hệ thống lọc sinh học đang hoạt động tại Đức, Hà Lan và phổ biến rộng ở Mỹ. Việc xử lý mùi hôi đã được tiến hành từ những năm 1950 và lúc đó người ta thường sử dụng hệ thống lọc qua đất, hay bể lọc sinh học nhỏ giọt. Các chất khí có mùi hôi thường là hydrogen sulphite hay mercaptant và các hợp chất sulfur khác. Việc xử lý các chất hữu cơ bay hơi mới được áp dụng gần đây và trở nên phổ biến trong thập kỷ vừa qua và hiện nay còn đang được tiến hành nghiên cứu sâu thêm. Ví dụ, hiện nay một số nghiên cứu đã chứng minh được là các hệ thống lọc sinh học có thể dùng để xử lý các hợp chất hữu cơ có nhân thơm và các hợp chất béo, cồn, aldehydes, acid hữu cơ, acrylate, acid carbolic, amines và ammoniac. Mô tả quá trình xử lý Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân hủy các chất khí có mùi hôi và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa các vi sinh vật và hấp thụ hơi nước, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc. N guyên liệu lọc được thiết kế sau cho có khả năng hấp thụ nước lớn, độ bền cao, và ít làm suy giảm áp lực luồng khí đi ngang qua nó. 18
Chuyên đề: Công nghệ xử lý khí SO2 – ThS. Đinh Hải Hà Hình sau đây là một bể lọc sinh học có một lớp nguyên liệu lọc (diện tích 6000 ft2) ở nhà máy Monsanto Các hệ thống nhỏ hơn, phổ biến hơn với nhiều lớp nguyên liệu lọc được trình bày trong hình sau: Các đơn vị nguyên liệu lọc này gọi là "khối sinh học" (Biocube) được thiết kế bởi EG&G Corporation có kích thước cao khoảng 7 ft và đường kính khoảng 6 ft. Việc sử dụng nhiều lớp nguyên liệu lọc kiểu này hạn chế được việc các nguyên liệu lọc bị dồn nén lại và việc các luồng khí xuyên thành những đường thoát qua lớp nguyên liệu lọc. Hơn nữa, nó còn tạo sự thuận lợi trong việc bảo trì hay thay mới nguyên liệu lọc. Trong quá trình lọc sinh học, các chất khí gây ô nhiễm được làm Nm và sau đó được bơm vào một buồng phía bên dưới nguyên liệu lọc. Khi chất khí đi ngang 19