Công nghệ loại bỏ chất ô nhiễm không khí (SOx, NOx) bằng phương pháp sử dụng xúc tác có
phân tán các bon
Phòng nghiên cứu môi trường, Viện nghiên cứu khoa học công nghệ Pohang
Lee Ki Man, Byun Young Chul, Go Dong, Joon
1. Mở đầu
Khí thải từ lò hơi của nhà máy nhiệt điện, lò luyện cốc và lò thiêu đều có hàm lượng khí ô xít nitơ và
ôxít sunfua. Hai thành phần này là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng mưa axít, sương mù quang
hóa (Photochemical Smog)và gây ra các chứng bệnh về đường hô hấp. Lượng thải ra môi trường của
hai loại khí thải trên đang ngày một gia tăng theo từng năm, vì vậy các quy định trong Bộ luật liên
quan đến khí thải này đang có xu thế thắt chặt hơn nữa.
y Ô xít ni tơ có thể tự sinh ra trong quá trình tuần hoàn ni tơ trong tự nhiên, ngoài ra trong quá trình
chuyển hóa sang vật chất khác, khí NO2 được hình thành nhờ khí nitơ có trong không khí lại tiếp
tục bị thuỷ hoá thành dạng Axit nititiric, hoặc thấm vào lòng đất dưới dạng nitrat, trở thành nguồn
phân bón cần thiết cho sự tăng trưởng của thực vật. Mặc dù vậy, khí NOx sinh ra do những
nguyên nhân tự nhiên trong không khí thì không gây ra ảnh hưởng lớn vì có nồng độ thấp.
NO₂có độc tính cao gấp từ 5 đến 10 lần so với NO, song với nồng độ thấp thì vẫn gần như
không gây ảnh hưởng gì đến chức năng phổi cũng như phản ứng sinh lý. Tuy vậy, nếu ở nồng độ
cao, NO₂ có thể gây kích ứng nghiêm trọng đối với màng nhầy, ảnh hưởng đến hô hấp và phổi.
y Than đá và các loại dầu tồn tại trong tự nhiên đều có hàm lượng lưu huỳnh chiếm từ 0,1~0,5%,
khi đốt than đá và dầu sẽ sinh ra ôxít lưu huỳnh, tỉ lệ sinh ra SO2 và SO3 là 40~80 : 1. Khí thải ra
môi trường chủ yếu ở dạng SO2 và SO3, trong đó SO2 chiếm phần lớn, vì vậy có thể coi khí thải
phần lớn là khí SO2. Nếu xét trên phương diện ô nhiễm không khí, dựa trên các phản ứng quang
hóa hoặc phản ứng xúc tác, khí này có thể phản ứng với các vật chất ô nhiễm khác để tạo thành
các vật chất ô nhiễm cấp 2 như SO3 hoặc H2SO4 và muối sulphát. Nếu độ Nm không khí cao, khí
này có thể phản ứng với nước, hình thành aerosol như a xít sunfurơ hoặc axít sunfuríc dạng giọt,
làm giảm tầm nhìn, phân tán ánh sáng, ăn mòn kim loại và các loại vật liệu chứa kim loại, ảnh
hưởng đến động thực vật và cả cuộc sống của con người.
y Cứ mỗi giờ đồng hồ, khí SO2 có trong không khí lại bị ô xi hóa từ 0,1- 0,2% và tạo thành những
phân tử siêu nhỏ dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Thế nhưng, trong trường hợp có NOx tồn
tại trong không khí, tỉ lệ ô xi hóa này tăng lên gấp 10 lần, tác dụng lại với nước, nhanh chóng tạo
thành sương mù axít sunfuríc với tốc độ nhanh chóng, ảnh hưởng đến hiện tượng phân tán ánh
sáng và tầm nhìn.
y Trong số các công nghệ khử lưu huỳnh trong khí thải (Fuel Gas Desulfurization, FGD) nhằm loại
bỏ ô xít lưu huỳnh khỏi khí thải, có rất nhiều công nghệ như phương pháp sử dụng thạch cao theo
phương pháp làm ướt, quy trình sử dụng than hoạt tính, phương pháp sử dụng chất hấp thụ làm
khô toàn phần hoặc làm khô một phần… đang được sử dụng trong thực tế.
y Trong số các phương pháp làm giảm thiểu NOx trong khí thải, phương pháp xúc tác khử chọn lọc
(Selective Catalytic Reduction, SCR) và phương pháp khử không xúc tác có chọn lọc (Selective
Non-Catalytic Reduction, SNCR) đang được sử dụng rất rộng rãi. Trong số đó, quy trình SCR là
phương pháp khử NOx thành N2 thông qua quá trình xúc tác sử dụng hydrocacbon hoặc khí
amomiac. Thông thường đối với quy trình SCR, hiệu suất khử NOx sẽ cho hiệu quả cao nhất
trong phạm vi nhiệt độ phản ứng từ 300 đến 400 độ C. Vì vậy cần phải tăng nhiệt độ khí thải sau
khi đi qua các vùng của thiết bị khử lưu huỳnh có nhiệt độ thấp, điều này đang trở thành vấn đề
liên quan đến kinh phí khi vận hành. Ngoài ra, phương pháp SNCR cũng đang được đưa vào sử
dụng, nhưng quy trình này cần môi trường nhiệt độ lên đến từ 900 đến 1100 độ C. Và do hiệu
suất khử Nox thấp nên không được sử dụng nhiều Chính vì vậy đang có rất nhiều loại quy trình
đang được phát triển nhằm loại bỏ những yếu điểm của các quy trình khử NOx.
y Mặt khác, các quy trình cũ này đều tiến hành theo tuần tự khử lưu huỳnh và khử ni tơ, không liên
quan gì đến khối lượng khí thải, vì vậy yêu cầu đối với việc vận hành cũng khác nhau, phải lắp
đặt riêng biệt hai quy trình, vì thế đang nảy sinh rất nhiều vấn đề phức tạp như chi phí lắp đặt
thiết bị, chi phí vận hành tăng cao, phương pháp kết hợp hai quy trình một cách phù hợp nhất.
y Công nghệ đang được phát triển là công nghệ khử đồng thời lưu huỳnh và nitơ sử dụng chùm tia
điện tử, plasma nhiệt độ thấp, than hoạt tính…, khắc phục những vấn đề tồn tại của quy trình khử
lưu huỳnh và khử ni tơ riêng rẽ như trên. Quy trình xử lý khí thải có sử dụng tia điện tử đã được
phát triển và áp dụng vào thực tế tại nhiều quốc gia phát triển như Nhật Bản, Mỹ. Tuy nhiên,
công nghệ sử dụng chùm tia điện tử để khử đồng thời lưu huỳnh và ni tơ phải sử dụng máy gia
tốc điện tử có giá thành rất cao làm cho chi phí đầu tư cho thiết bị khá lớn, đồng thời phải lắp đặt
toàn bộ quy trình dưới lòng đất để tránh tia X lọt ra ngoài. Đối với quy trình xử lý khí thải plasma
nguội sử dụng ắc quy điện áp cao thay cho chùm tia điện tử với nguyên lý tương tự, mặc dù đặc
trưng của quy trình này là có thể xử lý đồng thời cả ô xít lưu huỳnh, ô xít ni tơ cũng như các loại
hợp chất ô nhiễm không khí như hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, song lại tồn tại nhược điểm là lượng
điện tiêu thụ quá lớn dẫn đến tăng chi phí, ngoài ra NO được ô xi hóa thành NO2 một cách dễ
dàng, song NO2 lại không phản ứng nhanh với NH3, dẫn đến hiệu suất khử NOx còn thấp. Công
nghệ khử đồng thời ô xít sunfua và ô xít ni tơ bằng than hoạt tính cũng đang được đưa vào sử
dụng trong nước. Đây là quy trình dùng than hoạt tính để hấp phụ và khử SO2 bằng phương pháp
xúc tác SCR. Tuy vậy, công nghệ này dù có hiệu suất khử lưu huỳnh cao, song hiệu suất khử ni tơ
so với chi phí đầu tư lại thấp (khoảng 40~70%). Một nhược điểm nữa của phương pháp là diện
tích lắp đặt tháp tái sinh than hoạt tính rất lớn.
2. Công nghệ khử đồng thời chất ô nhiễm không khí (SOx, NOx) sử dụng xúc tác có phân tán các bon
y Công nghệ khử đồng thời chất ô nhiễm không khí sử dụng xúc tác có phân tán các bon là công
nghệ có thể xử lý đồng thời các vật chất ô nhiễm không khí như SOx, NOx, đi ô xin có trong khí
thải. Toàn bộ quy trình sử dụng chất ô xi hóa, plasma nhiệt độ thấp và ô zôn để khử NO, thành
phần chủ yếu trong ô xít ni tơ thành NO2, khí được ô xi hóa và đi qua lò phản ứng xúc tác có
phân tán các bon để loại bỏ đồng thời các vật chất ô nhiễm. Đặc biệt, xúc tác hấp phụ xảy ra
trong môi trường có nhiệt độ từ 100~200 oC, vì vậy không cần gia nhiệt cho khí thải như xúc tác
SCR thông thường, ngoài ra còn có thể khử đồng thời không chỉ NOx mà còn cả SOx và đi ô xin.
y Nguyên lý loại bỏ các vật chất ô nhiễm không khí dựa vào xúc tác có phân tán các bon về căn bản
tương tự với quy trình khử đồng thời lưu huỳnh và ni tơ bằng than hoạt tính. So với than hoạt tính,
ưu điểm của chất xúc tác hấp phụ là các bon trong chất hữu cơ được phân tán, do vậy giảm thiểu
mức độ nguy hiểm do khả năng cháy nổ. Quy trình sử dụng than hoạt tính thông thường chỉ được
thực hiện trong môi trương nhiệt độ 120oC～150 oC để ngăn chặn nguy cơ cháy nổ. Tuy nhiên,
trong trường hợp có sơ suất trong quá trình vận hành vẫn có nhiều khả năng xuất hiện các điểm
nóng cục bộ, gây ra hiện tượng cháy nổ. Trên thực tế đã có một số trường hơp sinh ra cháy nổ tại
thiết bị vận hành quy trình sử dụng than hoạt tính.
y Trong lò phản ứng xúc tác có phân tán các bon, NOx được loại bỏ nhờ phản ứng khử ni tơ SCR,
SOx lại được loai bỏ nhờ quá trình hấp phụ.
2-1. Công nghệ ô xi hóa NO
Trên thực tế, phần lớn NOx có trong khí thải đều ở dạng NO, tỉ lệ NO2 rất thấp. Chính vì vậy, đã có
rất nhiều công nghệ ô xi hóa NO thành NO2 đã được công bố, trong đó có phương pháp sử dụng xúc
tác ô xi hóa như xúc tác Pt, phương pháp sử dụng tia lửa điện từ phóng điện cao áp, trong đó có
plasma nhiệt độ thấp, phương pháp ô xi hóa NO bằng ôzôn. Ngoài ra còn có phương pháp dùng
NaClO và ClO2 được dùng làm chất phụ gia hóa học trong các thiết bị như máy lọc khí để làm chất ô
xi hóa NO.
2-2. Đặc tính khử chất ô nhiễm không khí sử dụng khí amonia trong xúc tác có phân tán các bon
- Thành phần chủ yếu của xúc tác có phân tán các bon là các bon tương tự như than hoạt tính được sản
xuất hỗn hợp với một số chất vô cơ. Ưu điểm của chất xúc tác hấp phụ này trước hết phải kể đến việc
các bon được phân tán trong vật chất vô cơ nên nguy cơ xảy ra cháy nổ rất thấp. Ưu điểm thứ hai có
được là do quy trình có sử dụng than hoạt tính được sử dụng dưới hình thức dòng liên tục.
Thông thường, các bon khó có thể sử dụng với hiệu suất cao trong điều kiện cần duy trì độ cứng nhất
định nếu hình thành dạng hạt, nhưng các bon được sử dụng trong chất xúc tác hấp phụ là các bon đặc
thù có hiệu suất cao nên khả năng hấp phụ khá mạnh.
2-3. Thí nghiệm hiện trường sử dụng thiết bị Bench scale
y Thông thường, đặc tính phản ứng trong các thiết bị thí nghiệm có quy mô phòng thí nghiệm có
thể sai khác so với kết quả trong điều kiện thí thải ngoài thực tế. Bởi vì trong khí thải ngoài thực
tế, ngoài các vật chất ô nhiễm được coi là mục tiêu để loại bỏ còn tồn tại rất nhiều vật chất khác
có thể gây ảnh hưởng đến phản ứng xúc tác như kim loại nặng hoặc kim loại kiềm. Chính vì vậy,
việc đánh giá hiệu suất ứng dụng trong điều kiện khí thải thực tế là hết sức quan trọng. Thiết bị
thí nghiệm hiện trường Bench scale (quy mô chuNn) để đánh giá dã được lắp đặt tại nhà máy
thiêu kết của nhà máy luyện sắt .
y Thông thường, quy trình thiêu kết tại nhà máy sản xuất sắt thép khép kín là quy trình tạo quặng
thiêu kết dạng cục với kích cỡ phù hợp với lò cao, ngoài nguyên liệu chính là quặng dạng bột nhỏ
còn có nguyên liệu phụ như đá vôi, đá serpentin, quặng thạch anh v.v với nhiên liệu sử dụng là
than cốc, than khói và than không khói với tỉ lệ nhất định. Trong quá trình thiêu kết, thành phần
lưu huỳnh có trong quặng sắt và nhiên liệu phản ứng với ô xi của không khí được hút vào lò thiêu
kết tạo thành ô xít sunfua (SOx). Tương tự đối với trường hợp ô xít nitric NOx, 90% thành phần
ni tơ tham gia phản ứng để tạo thành ô xít ni tơ nhiên liệu. Do vậy, nồng độ SOx và NOx sinh ra