CHƯƠng I tổng quan về nguồn gốc khí thảI, TÁc hại và CÁc biện pháp xử LÍ HỖn hợp khí H2s và mercaptan có chứa bụI

Ta áp dụng tiêu chuẩn chất lượng không khí TCVN 5939-2005:(tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ) tiêu chuẩn này qui định giá trị nồng độ nồng độ tối đa của các chất vô cơ và bụi trong khí thải công nghiệp (tính bằng mg/m ³ khí thải) khi thải vào không khí xung quanh.

+ Nồng độ bụi < 400 mg/m³ mà đầu bài cho 130 mg/m³ vậy thỏa tiêu chuẩn TCVN 5939-2005.

+ Nồng độ cho phép của H₂S là 7,5 mg/m³ và khí thải có nồng độ ban đầu 18,2 mg/m³ đã vượt tiêu chuẩn cho phép và cần phải xử lí 60% nồng độ chất ô nhiễm đầu vào.

+ Nồng độ cho phép của khí Mercaptan trong TCVN5 939-2005 không qui định nhưng trong tiêu chuẩn TCVN5938-2005 (Chất lượng không khí - Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung quanh) là 50 (μg/m³) và trong trường hợp này thì Mercaptan chất cản trở quá trình xử lí khí H₂S.

Như vậy yêu cầu thiết kế hệ thống xử hỗn hợp khí này là xử lí khí H₂S là chất cần xử lí chính và bụi – Mercaptan chỉ là chất phụ. Do đó H₂S có nồng độ đầu vào khoảng 18,2 mg/m ³. Vậy yêu cầu hiệu suất xử lí khoảng 60% thì đạt yêu cầu chất khí đầu ra theo tiêu chuẩn qui định.
2.2. CƠ SỞ LỰA CHỌN

Cơ sở chọn lựa công nghệ dựa trên các yêu cầu sau:

• 
  Hiệu đạt được theo yêu cầu của hệ thống xử lí
  
• 
  Khả thi về mặt kĩ thuật: chế tạo, bảo trì, vận hành
  
• 
  Khả thi về mặt kinh tế
  

Với nồng bụi C_b = 130mg/m³, d_p > 5 µm chiếm 85-95% với độ ẩm 0,55 và chất ô nhiễm: H₂S, Mercaptan, đây là những chất khí có tính ăn mòn mạnh.Với độ ẩm nêu trên thì không khí ở trạng thái khô do đó nó sẽ ít ô nhiễm hơn khí ô nhiễm ở trạng thái ẩm. Do đó ta sẽ không sử dụng phương pháp xử lí bụi ướt vì theo thành phần tính chất dòng khí nếu ta xử lí bụi bằng phương pháp ướt sẽ tạo ra dòng khí ẩm có tính ăn mòn mạnh hơn và sinh ra thêm một lượng nước thải ô nhiễm cần xử lí và nước thải (có ăn mòn thiết bị và đường ống).

Còn đối với phương pháp lọc bụi tĩnh chủ yếu dùng cho trường thu hồi bụi tinh, đầu tư thiết với giá thành cao.

Từ những lí do trên ta chọn phương xử lí bụi khô vì những lí do sau:

-Không tạo thêm chất ô nhiễm mới cần xử lí

-Dựa vào bảng 1.1 các thông số thiết bị thu hồi bụi khô thì thiết bị cyclone được ưu tiên chọn vì nó phù hợp với đường kính hạt bụi, lưu lượng thìch hợp.

-Ta so sánh cyclone và lọc vải:

	Cyclone	Loc túi vải
Ưu diểm	Cấu tạo đơn giản Thi công và chế tạo nhanh chống Quản lí và đầu tư thấp Kết hợp với cyclone chùm nhằn tăng lưu lượng	Hiệu suất lọc bụi cao
Nhược điểm	Kích thước cao khó lắp đặt Hiệu suất không cao như lọc vải	Đòi hỏi có thiết bị động để rũ bụi nhằm tái sinh vải lọc Chế tạo và tính toán khó Giá thành đầu tư cao Quản lí vận hành phức tạp Tổn thất áp suất tăng cao sau một thời gian hoạt động do bụi lấp kín túi vải

• 
  Dựa vào điều hiện thực tế tại Việt Nam và nhiệm vụ giai đoạn xử lí sơ bộ và tính chất của dòng khí đầu vào thì cyclone được ưu tiên lựa chọn cho giai đoạn xử lí sơ bộ.
  

a/Các phương pháp có thể xử lí được hỗn hợp khí này: hấp thụ, hấp phụ, oxi hoá nhiệt, hấp phụ sinh học, phát tán.

Trong đó phương pháp hấp phụ được ưu tiên lựa chọn vì:

+ Lưu lượng khí cần xử lí Q= 1200 m³/h là dạng lưu lượng trung bình-nhỏ

+ Yêu cầu xử lí 60% chất ô nhiễm trên toàn bộ hệ thống

+ Khí thải có tính ăn mòn mạnh khi hoà tan vào nước

+ Tải lượng chất ô nhiễm cũng như nồng độ chất ô nhiễm đầu vào không quá lớn

Đối với phương pháp hấp phụ ta thường sử dụng khi nồng độ chất ô nhiễm thấp, lưu lượng trung bình, tải lượng ô nhiễm thấp.

Phương pháp phát tán: phương xử lí cuối đường ống sau khí đã qua hệ thống xử lí còn phần nhỏ nhỏ ô nhiễm, ta tiến hành xử lí bằng phương pháp phát tán do đó ta không chọn phương pháp pháp phát tán, làm hệ thống xử lí chính vì nếu chọn thiết bị xử lí chính cho hệ thống này là không hợp lí vì ống khói phát tán rất cao cao, ta chỉ xử lí một phần nhỏ khí cần xử lí ở cuối đường ống nhằm giảm bớt áp lực xử lí cho hệ thống xử lí chính.

Phương pháp oxi hoá nhiệt: Khí H₂S và Mercaptan khi bị oxi hoá tạo chất ô nhiễm thứ cấp: SO₂ ,CO₂ là những chất ô nhiễm do đó ta phải xử lí thêm một bậc nữa. Bên cạnh đó chi phí đầu tư thiết bị lớn, chí phí vận hành cao. Do vậy ta không chọn thiết bị này làm thiết bị xử lí chính.

Do hỗn hợp khí đầu vào có tính ăn mòn do đó ta không chọn thiết bị hấp thụ vì loại thiết bị này sinh ra nước thải ô nhiễm cần xử lí.

Phương pháp hấp phụ sinh hoc: rất khó vận hành cho sự phát triển của vi khuẩn hay duy trì sự ổn định của vi khuẩn. Bên cạnh đó chỉ cần có sự thay đổi nhỏ về lưu lượng, nồng độ cũng làm cho vi sinh vật bị ức chế do đó ta không thể chọn thiết bị này là thiết bị xử lí chính.

b/Chọn thiết bị hấp phụ

Ta có 3 dạng thiết bị hấp phụ:

• 
  Thiết bị hấp phụ gián đoạn với lớp hạt không chuyển động: khi dùng thiết bị hấp phụ dạng này có 3 phương pháp làm việc:
  
  • 
    Phương thức 4 giai đoạn: hấp phụ - nhả - sấy - làm lạnh
    
  • 
    Phương thức 3 giai đoạn: hấp phụ - nhả - làm lạnh
    
  • 
    Phương thức 2 giai đoạn: hấp phụ - nhả
    

• 
  Thiết bị hấp phụ làm việc liên tục với lớp hạt chuyển động: cấu tạo tháp có 3 khu vực :hấp phụ - chưng - nhả. So với thiết bị hoạt động gián đoạn thì thiết bị này có năng suất lớn và hiệu suất xử lí cao, tuy nhiên khí đầu ra có nhiều bụi và cấu tạo thiết bị cũng như vận hành phức tạp hơn.
  
• 
  Thiết bị hấp phụ tầng sôi: Thiềt bị có kết cấu đơn giản và nhiệt độ đồng đều tránh hiện tượng quá nhiệt, trở lực bé, năng suất lớn, tuy nhiên chất hấp phụ có thể bị phá vỡ tạo bụi. Đòi hỏi người vận hành phải được đào tạo chuyên môn.
  

c/ Chọn chất hấp phụ: Ta có nhiều chất hấp phụ có thể hấp phụ H₂S và R-SH. Tuy nhiên đây là những khí gây mùi không có giá trị và nhiệt độ dòng khí vào bằng với nhiệt độ môi trường xung quanh (< 200^oC ) thấp hơn nhiệt độ cháy của than bên cạnh đó thì than hoạt tính giá thành tương đối thấp hơn các chất hấp phụ khác. Từ những lí do trên than hấp hấp phụ được chọn cho giai đoạn xử lí chính.

Khí thải thông qua hệ thống ống thu khí từ các khu vực sản xuất của nhà máy vào giai đoạn sinh ra khí ô nhiễm cần xử lí được thu gom về một đường chung đưa về hệ thống xử lí chung.

Đầu tiên khí thải đưa vào hệ thống cyclone thu hồi bụi khoảng 80%-90% lượng bụi. Sau đó khí bẩn được đưa vào tháp hấp phụ bằng than hoạt tính. Khí sau khi ra khỏi tháp hấp phụ, khí được phát tán ra môi trường bằng ống khói đạt tiêu chuẩn TCVN 5939-2005.

Hệ thống tháp hấp phụ sẽ hoạt động trong những ca làm việc tại những dây chuyền có gây ra khí ô nhiễm cần xử lí. Ví dụ nhà máy hoạt động 3 ca thì ta sẽ cho thực hiện sản xuất trong một ca tại công đoạn gây ra khí ô nhiễm thì lúc này hệ thống xử lí khí thải sẽ hoạt động. Còn 2 ca còn lại tiến hành sản xuất ở những công đoạn không gây ô nhiễm thì lúc này hệ thống xử lí ngừng hoạt động. Sau thời gian hoạt động than bão hoà ta lợi dụng lúc hệ thống không xử lí tiến hành hoàn nguyên than hoạt tính bằng hơi nước quá nhiệt. Sản phẩm từ quá trình hoàn nguyên là hổn hỗn hợp khí ô nhiểm đậm đặc ta thu hồi đem ngưng tụ hay qua tháp hấp thụ để thu hồi dung dịch có giá trị (có thể sản xuất ra lưu huỳnh). Hơi nước ngưng tụ từ quá trình tái sinh sẽ đưa vào hệ thống xử lí nước thải. Định kì ta thay thay lớp than hoạt tính mới sau khi than đã mất hoạt tính sau nhiều lần tái sinh.

Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt Benzen ở 20^oC (Sổ tay quá trình và công nghệ hoá chất - Tập 2)

Trong đó:

a₁, a₂ : nồng độ Benzen và H₂S bị hấp phụ trong chất hấp phụ (kg chất bị hấp phụ /kg chất hấp phụ)

V₁, V₂: thể tích mol Benzen và H₂S ở dạng lỏng (m³/kg)

p₁, p₂: áp suất riêng phần của hơi Benzen và H₂S (mmHg)

p_S1, p_S2: áp suất hơi bão hoà của hơi Benzen và H₂S ở 20^oC

T₁, T₂: nhiệt độ hơi Benzen và H₂S khi hấp phụ

Giả sử hỗn hợp khí ô nhiễm có nhiệt độ bằng nhiệt độ trung bình của môi trường 30^oC

T₁ = 273 + 20 = 293 ^oK

T₂ = 273 + 30 = 303 ^oK

β: hệ số ái lực

Thể tích mol của Bezen

Khối lượng riêng của Benzen: ρ₁= 879 kg/m³

Khối lượng phân tử của Benzen: M₁= 78 kg/kmol

=> (m³/kmol)

Khối lượng riêng của H₂S (kmol/m³)

Theo sổ tay của Peery trang 98

Đối với H₂S:

C₁= 2,7672

C₂= 0,27369

C₃= 373,53

C₄= 0,29015

Thể tích mol của H₂S (m³/kmolH₂S)

m³/kmol H₂S

Áp suất hơi bão hoà của Benzen ở 20 ^oC

p_S1= 75 mmHg ở 20^oC (Sách quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất-Bài tập truyền khối)

Áp suất hơi bão hoả của H₂S ở 20^oC

p_S2 = 1774004,9 Pa = 13306,17 mmHg

Hệ số ái lực β

Từ (3.1) + (3.2) và số liệu của đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen ở 20^oC, ta có bảng số liệu xây dựng đường hấp phụ dẳng nhiệt của H₂S ở 30^oC.

Nồng độ khối lượng H₂S sau khi qua tháp hấp phụ: (mg H₂S/m³)

Áp suất riêng phần của H₂S ban đầu

Từ đồ thị (ngoại suy) ta tìm được nồng độ chất bị hấp phụ trong than ban đầu: a*_o = 0,033 kgH₂S/kg than ứng với áp suất riêng phần của H₂S ban đầu (p_o).

Phần mol H₂S đầu vào (y_d)

Phần khối lượng H₂S

Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu vào

P₁=P_o= 1 at

Lưu lượng hỗn hợp khí đầu vào

Lưu lượng khối lượng H₂S đầu vào

Lưu lượng khối lượng không khí vào

Tháp hấp phụ xử lí 50% nồng độ khí đầu vào

Phần mol H₂S đầu ra

Phần khối lượng H₂S đầu ra

Giả sử nhiệt độ đầu ra vào bằng nhiệt môi tường trung bình 30^oC

Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu ra

Khối lượng H₂S bị hấp phụ khi đi qua tháp hấp phụ than hoạt tính

Lưu lượng khối lượng đầu ra H₂S

Lưu lượng hỗn hợp khí đầu ra .Giả sử không khí không bị hấp phụ

Chọn vận tốc khí đi vào tháp hấp phụ là m/s

Lưu khí đi vào tháp Q = 1200 m³/h

Lưu lượng khối lượng trung bình đi vào tháp hấp phụ

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi qua tháp hấp phụ

Để dễ gia công ta chọn đường kính tháp m

Vận tốc dòng khí qua tháp

m/s

b/Xác định thời gian hấp phụ theo định luật truyền khối

Do áp suất riêng phần của H₂S nằm trong vùng 1( tăng theo qui luật tuyến tính) của đường hấp phụ đẳng nhiệt của H₂S do đó thời gian hấp phụ được xác định theo công thức sau:

Chọn than hoạt tính có khối lượng riêng đổ đống là ρ_than = 500 kg/m³ và đường kính trung bình của than d_e = 0.004 m

Nồng độ H₂S bão hoà ứng với p_o (áp suất riêng phần của H₂S đầu vào), ta có a*_o= 0,033 kgH₂S /kg than

kgH₂S/m³ than

Hệ số b phụ thuộc tỉ số nồng độ khối lượng của chất ô nhiễm đầu và cuối của pha khí

Tra bảng thì b= 0,15 ( Sổ tay quá trình và thiết bị hoá chất. Tập2- Bảng 8.3)

Hệ số truyền khối k_y

Do quá trình hấp phụ đẳng nhiệt được biểu diễn dạng của phương trình Langmuir

Do đó suy ra:

Trong công thức:

d_e: đường kính trung bình của than hoạt tính hấp phụ

D: hệ số khuyếch tán của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ của quá trình (m²/s)

v_hh: vận tốc dòng khí đi vào tháp hấp phụ (m/s)

γ: độ nhớt động học của khí (m²/s)

k_y: hệ số truyền khối (m/s)

v_hh = 0,42 m/s

d_e = 0,004 m

μ_hh ở 30^oC =1,854.10^-5 N.s/m²

m²/s
T=303^oK

V_H2S = 32,9.10^-3 m³/kmol

V_kk = 29,9.10^-3 m³/kmol

P = 1 at

Vậy

Với H (m) là chiều cao lớp than hấp phụ khí H₂S, ta chọn là H = 0,5 m

Ứng với chiều cao lớp than H = 0,5 m thì τ = 681846= 189 giờ

Do lớp than còn hấp phụ khí R-SH ta phải thêm chiều cao lớp than m

Vậy chiều cao tổng cộng của lớp than là H_than = 0,5 +0,1 = 0,6 m

Lưu lượng khí xử lí được trong một chu kì hoạt động V(m³)

V= Q. τ =1200.189 = 226800 m³

Khối lượng than cần thiết cho một chu kì hấp phụ