Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa thúc đẩy sự gia tăng nhanh chóng của các khu công nghiệp và nhà máy sản xuất. Để đáp ứng nhu cầu nhiệt năng cho các quá trình sấy, đun nấu hay phát điện, dầu FO (mazut) được sử dụng phổ biến làm nhiên liệu đốt trong các hệ thống lò hơi công nghiệp nhờ hiệu quả sinh nhiệt cao và tính kinh tế trong vận hành. Tuy nhiên, dầu FO công nghiệp (đặc biệt là phân đoạn dầu nặng) có hàm lượng lưu huỳnh cao, dao động từ 3% đến 5%. Khi đốt cháy hoàn toàn trong buồng đốt lò hơi, lượng lưu huỳnh này chuyển hóa thành khí sunfua đioxit ($\text{SO}_2$) và sunfua trioxit ($\text{SO}_3$) với nồng độ phát thải vượt xa ngưỡng quy chuẩn cho phép. Khí thải lò hơi đốt dầu FO mang lưu lượng lớn, chứa hàm lượng bụi sol khí (muội hóng) cùng nhiều cấu tử độc hại như $\text{SO}_x$, $\text{NO}_x$, và $\text{CO}$, gây ra các tác động nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người:

  • Tác động môi trường: Khí $\text{SO}_2$ kết hợp với hơi nước và các chất oxy hóa trong khí quyển tạo thành axit sunfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$), là tác nhân chính gây ra hiện tượng mưa axit, hủy hoại mùa màng, làm suy thoái thảm thực vật và ăn mòn kim loại của các công trình xây dựng.
  • Tác động sức khỏe: $\text{SO}_2$ kích thích mạnh niêm mạc đường hô hấp, làm rối loạn chuyển hóa protein, đường, gây thiếu hụt vitamin B, C và ức chế enzyme oxydaza. Khi xâm nhập vào máu, $\text{SO}_2$ chuyển hóa $\text{Fe}^{2+}$ thành $\text{Fe}^{3+}$ dạng kết tủa tạo methemoglobine, làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu và gây co hẹp thanh quản. Bụi than chứa các hydrocacbon đa vòng có kích thước nhỏ hơn 5 $\mu\text{m}$ có thể xâm nhập sâu vào phế nang phổi, gây xơ hóa mô phổi và tiềm ẩn nguy cơ ung thư. Bên cạnh đó, $\text{CO}$ làm suy giảm chức năng vận chuyển oxy của máu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ tim mạch.

Nhằm giải quyết bài toán ô nhiễm khói thải công nghiệp và đáp ứng các quy định bảo vệ môi trường, đề tài "Thiết kế hệ thống xử lý khói lò hơi đốt dầu FO công suất hơi 5000 kg/h" được thực hiện.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài:

  1. Xác định đặc tính phát thải, tính toán cân bằng vật chất và lưu lượng khói thải sinh ra từ quá trình đốt cháy dầu FO trong lò hơi công suất 5000 kg/h.
  2. Đánh giá và lựa chọn phương án công nghệ xử lý tối ưu về mặt kinh tế, kỹ thuật nhằm khử bỏ khí $\text{SO}_2$ và tro bụi đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.
  3. Tính toán chi tiết các thông số công nghệ, kích thước thủy động lực học của thiết bị chính (tháp hấp thụ đệm vòng sứ Raschig) và hệ thống thiết bị phụ trợ (đường ống dẫn, bể lắng cặn, bơm ly tâm, quạt hút, ống khói).
  4. Tính toán thiết kế cơ khí và kiểm tra độ bền thân tháp, đáy, nắp thiết bị chịu áp lực làm việc và môi trường hóa chất ăn mòn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khói thải sinh ra từ lò hơi đốt dầu FO công nghiệp công suất sinh hơi 5000 kg/h.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi tính toán công nghệ hấp thụ hóa học bằng tháp đệm, sử dụng dung dịch sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ để xử lý $\text{SO}_2$ và lọc bụi, kiểm soát chất lượng khí đầu ra theo QCVN 19:2009/BTNMT (Cột B).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học, quá trình cháy nhiên liệu, lý thuyết truyền khối và thủy động lực học dòng khí - lỏng:

  • Nhiệt động học quá trình cháy: Xác định lượng không khí lý thuyết, lượng không khí thực tế (với hệ số thừa không khí $\alpha = 1,15$) và thể tích sản phẩm cháy dựa trên thành phần nguyên tố của 100 kg dầu FO (C: 85,3%; H: 10,1%; O: 0,6%; N: 0,6%; S: 3,0%; Tro: 0,4%; nhiệt trị làm việc 9800 kcal/kg).
  • Lý thuyết truyền khối hai pha (Gas-Liquid Mass Transfer): Cơ chế hấp thụ khí gồm 3 giai đoạn khuếch tán: khuếch tán cấu tử từ pha khí đến bề mặt phân chia pha, truyền khối qua bề mặt tiếp xúc pha, và khuếch tán cấu tử tan vào lòng pha lỏng kết hợp phản ứng hóa học tạo muối sunfit/sunfat canxi ($\text{CaSO}_3$, $\text{CaSO}_4$).
  • Mô hình thủy động lớp đệm: Phương trình xác định vận tốc ngập lụt $\omega_{gh}$, vận tốc làm việc của dòng khí $\omega_y$, đường kính tháp $D$, chuẩn số Reynolds ($\text{Re}$), chuẩn số Prandtl ($\text{Pr}$) trong pha khí và pha lỏng, cùng phương trình xác định số đơn vị truyền khối $m_y$ và chiều cao đơn vị truyền khối $h_o$.
  • Cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật: QCVN 19:2009/BTNMT quy định nồng độ tối đa cho phép của bụi và các chất vô cơ trong khí thải công nghiệp; hệ thống công thức tính toán thiết bị cơ khí theo Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 2).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập dữ liệu về đặc tính nhiên liệu FO, so sánh các công nghệ xử lý bụi (buồng lắng, cyclone, lọc túi vải) và xử lý $\text{SO}_2$ (hấp thụ bằng nước, dung dịch kiềm $\text{NaOH}$, $\text{Na}_2\text{CO}_3$, sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$, magie, kẽm, amin).
  • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập phương trình cân bằng tiêu thụ nhiên liệu cho lò hơi công suất 5000 kg/h, tính toán lưu lượng từng thành phần khí ($\text{CO}_2$, $\text{CO}$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{SO}2$, $\text{NO}2$), xác định suất lượng khí trơ $G{tr}$ và lượng dung dịch hấp thụ thực tế $L{tr}$.
  • Phương pháp tính toán công nghệ và thủy động lực học: Xây dựng phương trình đường cân bằng thực nghiệm và đường làm việc trên đồ thị pha, tích phân xác định số đơn vị truyền khối $m_y$, tính toán trở lực lớp đệm khô $\Delta P_k$ và đệm ướt $\Delta P_u$.
  • Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Xác định áp suất làm việc toàn phần, ứng suất cho phép của vật liệu thép hợp kim không gỉ X18H10T, tính toán bề dày thân tháp, đáy nắp elip có gờ và kiểm tra điều kiện bền theo áp suất thử tính toán.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc xử lý khói thải công nghiệp trong bối cảnh công nghiệp hóa. Tác giả phân tích tổng quan về lò hơi công nghiệp – thiết bị chuyển hóa nhiệt năng từ nhiên liệu thành nhiệt năng của hơi nước phục vụ sản xuất. Trong 5 loại lò hơi chính được sử dụng (lò hơi đốt than ghi xích, tổ hợp công nghiệp đa năng, đốt trấu, than/củi trấu, và lò hơi đốt gas/dầu), lò hơi đốt dầu FO có chi phí vận hành khá cao, sinh ít tro bụi hơn than đá nhưng lại phát thải lượng $\text{SO}_2$ lớn do hàm lượng lưu huỳnh trong dầu cao, đòi hỏi phải có hệ thống xử lý chuyên biệt.

Chương 2: Tổng quan về khí thải lò hơi dùng dầu FO

Chương này đi sâu vào phân loại và đặc tính hóa lý của dầu FO (dầu FO nhẹ sôi ở 200–3000°C; FO nặng sôi $> 3200^\circ\text{C}$, độ nhớt 250–7000 đơn vị Red-Wood chuẩn, nhiệt trị 10.175 kcal/kg). Nhu cầu không khí cấp đốt cháy 1 kg dầu FO là $V_{O20} = 10,6\text{ kg/m}^3$, sinh ra lượng khí thải $V_{C20} \approx 11,5\text{ m}^3/\text{kg} \approx 13,8\text{ kg khí thải/kg dầu}$.

Chất gây ô nhiễm Nồng độ trong khói thải FO ($mg/m^3$) Nồng độ gây độc hại / Quy chuẩn
$\text{SO}_2$ và $\text{SO}_3$ 5217 – 7000 20 – 30 $mg/m^3$ (giới hạn độc); 1000 – 1300 $mg/m^3$ (tử vong 30-60 phút)
$\text{CO}$ 50 0,8 ppm (nguy cơ tử vong cấp tính)
Tro bụi 280 Bụi $< 5,\mu m$ đi sâu vào phế nang phổi gây xơ hóa
$\text{NO}_x$ 428 Chiếm 90–95% là $\text{NO}$, phần còn lại là $\text{NO}_2$
Hơi dầu 0,4 Sol khí phân tán trong khói

Chương 3: Lựa chọn công nghệ xử lý

Tác giả tiến hành so sánh các nguyên lý xử lý khí và bụi:

  • Xử lý bụi: Phân tích ưu nhược điểm của buồng lắng bụi (hiệu quả thấp với bụi mịn), thiết bị cyclone ly tâm (hiệu suất thấp với hạt $< 5,\mu m$) và thiết bị lọc túi vải (hiệu suất $> 90%$ nhưng không chịu được nhiệt độ cao).
  • Xử lý $\text{SO}_2$: Đánh giá phương pháp hấp phụ và hấp thụ. Với hấp thụ $\text{SO}_2$, tác giả so sánh các dung môi: nước (chi phí nhiệt và lưu lượng quá lớn), dung dịch kiềm natri (hiệu quả cao nhưng đắt), magie/kẽm (vận hành phức tạp), và sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$.
  • Lựa chọn công nghệ: Chọn tháp hấp thụ kiểu đệm vòng sứ Raschig xếp lộn xộn, sử dụng dung dịch sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ nồng độ 5% tưới ngược chiều với dòng khí. Dung dịch sữa vôi có chi phí thấp, dễ tìm, đồng thời giúp hạ nhiệt độ khói thải và tạo chất thải thứ cấp là thạch cao $\text{CaSO}_4$ không gây ô nhiễm thứ cấp, dễ dàng lắng tách và chôn lấp an toàn.

Chương 4: Tính toán tháp hấp thụ

Chương 4 là phần trọng tâm kỹ thuật, thực hiện tính toán chi tiết toàn bộ hệ thống xử lý:

  1. Lượng nhiên liệu tiêu thụ: Lò hơi 5000 kg/h (entanpi hơi $H_g = 665\text{ kcal/kg}$, entanpi nước cấp $H_f = 85\text{ kcal/kg}$, hiệu suất lò $\eta = 0,85$, nhiệt trị dầu $GCV = 9800\text{ kcal/kg}$) tiêu thụ $B = 348\text{ kg dầu/h}$.
  2. Lưu lượng khí thải phát sinh: Cần $53,8854\text{ kmol không khí/h}$ (với $\alpha = 1,15$), sinh ra dòng khí thải gồm $24,6243\text{ kmol CO}_2/\text{h}$, $0,1483\text{ kmol CO/h}$, $19,7973\text{ kmol H}_2\text{O/h}$, $0,3257\text{ kmol SO}_2/\text{h}$ và lượng $\text{NO}_2$ phát sinh $1,723 \times 10^{-3} \times 348^{1,3}$.
  3. Cân bằng truyền khối $\text{SO}_2$: Suất lượng khí thải đầu vào $G = 196,4284\text{ kmol/h}$, khí trơ $G_{tr} = 196,1027\text{ kmol/h}$. Nồng độ $\text{SO}_2$ đầu vào $Y_đ = 0,001658\text{ kmol/kmol trơ}$, nồng độ đầu ra yêu cầu $Y_c = 1,75 \times 10^{-4}\text{ kmol/kmol trơ}$. Lượng $\text{SO}2$ cần hấp thụ là $G{\text{SO}2} = 0,2912\text{ kmol/h}$.
  4. Lượng dung môi và hóa chất: Nồng độ cân bằng cực đại $X_{\max} = 0,005472\text{ kmol/kmol dung dịch}$. Suất lượng dung dịch hấp thụ tối thiểu $L_{\min} = 53,2283\text{ kmol/h}$. Chọn suất lượng thực tế $L_{tr} = 3 L_{\min} = 159,6849\text{ kmol/h}$ (tương đương lưu lượng thể tích $V = 2,928\text{ m}^3/\text{h}$). Lượng $\text{Ca(OH)}_2$ nguyên chất tiêu thụ là $21,55\text{ kg/h}$.
  5. Kích thước hình học: Vận tốc ngập lụt tính toán $\omega_{gh} = 2,23\text{ m/s}$. Chọn hệ số chế độ chuyển tiếp $n = 0,65$, tính ra vận tốc làm việc $\omega_y = 1,47\text{ m/s}$, đường kính tháp $D = 1,1\text{ m}$. Số đơn vị truyền khối $m_y = 2,5$; chiều cao một đơn vị truyền khối $h_o = 1,38\text{ m}$ $\rightarrow$ Chiều cao lớp đệm $H_{đệm} = 3,5\text{ m}$. Tổng chiều cao thân tháp là $H = 6,3\text{ m}$ (gồm lớp đệm $3,5\text{ m}$, phần tách lỏng đỉnh $H_c = 0,8\text{ m}$ và đáy tháp $H_đ = 2,0\text{ m}$).
  6. Trở lực và cơ khí thiết bị: Trở lực đệm khô $\Delta P_k = 1820,86\text{ Pa}$, trở lực đệm ướt $\Delta P_u = 4505,08\text{ Pa}$. Thiết bị chế tạo từ thép không gỉ X18H10T chịu ăn mòn hóa học, bề dày thân tháp và đáy nắp elip được xác định chuẩn xác là $S = 4\text{ mm}$.

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

Quy trình công nghệ hệ thống

Khói thải nhiệt độ cao từ lò hơi được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ xuống khoảng 40°C trước khi đi vào đáy tháp hấp thụ. Dòng khí đi ngược chiều từ dưới lên qua lớp đệm vòng sứ Raschig, tiếp xúc trực tiếp với dòng dung dịch sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ 5% được bơm phun phân phối đều từ đỉnh tháp xuống. Quá trình hấp thụ hóa học diễn ra trên bề mặt ướt của lớp đệm:

$$\text{SO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaSO}_3 + \text{H}_2\text{O}$$ $$\text{CaSO}_3 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{CaSO}_4$$

Khí sạch sau khi tách mù ở đỉnh tháp thoát ra ngoài qua ống khói đạt QCVN 19:2009/BTNMT. Dung dịch chứa bùn cặn $\text{CaSO}_3$, $\text{CaSO}_4$ và tro bụi lắng xuống đáy tháp được dẫn về bể lắng cặn để thu hồi thạch cao và tuần hoàn nước.

Thông số kỹ thuật thiết kế của hệ thống

Hạng mục / Thông số Giá trị thiết kế Đơn vị Ghi chú kỹ thuật
Công suất sinh hơi lò hơi ($Q$) 5000 $kg/h$ Sử dụng nhiên liệu dầu FO
Lượng dầu FO tiêu thụ ($B$) 348 $kg/h$ $GCV = 9800\text{ kcal/kg}$, $\eta = 0,85$
Suất lượng khí thải vào tháp ($G$) 196,4284 $kmol/h$ Khí trơ chiếm $196,1027\text{ kmol/h}$
Lưu lượng dung dịch hấp thụ ($V$) 2,928 $m^3/h$ Dung dịch $\text{Ca(OH)}_2$ nồng độ 5%
Lượng $\text{Ca(OH)}_2$ tiêu thụ ($m$) 21,55 $kg/h$ Hấp thụ $0,2912\text{ kmol SO}_2/\text{h}$
Loại vật liệu đệm Vòng sứ Raschig - Xếp lộn xộn, cỡ $25 \times 25 \times 3,0\text{ mm}$
Diện tích bề mặt riêng đệm ($\sigma$) 195 $m^2/m^3$ Thể tích tự do $V_R = 0,75\text{ m}^3/\text{m}^3$
Đường kính tháp ($D$) 1100 ($1,1$) $mm$ ($m$) Chọn theo tiêu chuẩn đường kính
Vận tốc dòng khí làm việc ($\omega_y$) 1,47 $m/s$ Đảm bảo chế độ chảy chuyển tiếp ($n = 0,66$)
Chiều cao lớp đệm ($H_{đệm}$) 3,5 $m$ Số đơn vị truyền khối $m_y = 2,5$; $h_o = 1,38\text{ m}$
Chiều cao phần tách lỏng đỉnh ($H_c$) 0,8 $m$ Ngăn ngừa hiện tượng cuốn giọt
Chiều cao phần đáy tháp ($H_đ$) 2,0 $m$ Chứa chất lỏng và phân phối dòng khí
Tổng chiều cao thân tháp ($H$) 6,3 $m$ Tỷ lệ $H_{đệm}/D = 3,18 < 4$ (hoạt động tối ưu)
Trở lực tháp đệm ướt ($\Delta P_u$) 4505,08 $Pa$ Tính toán theo công thức màng đệm ướt
Vật liệu chế tạo tháp Thép X18H10T - Thép không gỉ ($\sigma_k = 550\text{ N/mm}^2, \sigma_c = 220\text{ N/mm}^2$)
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn ($[\sigma]$) 146,67 $N/mm^2$ Tính theo giới hạn chảy với hệ số an toàn
Áp suất tính toán làm việc ($P$) 0,1643 $N/mm^2$ $P = p_{mt} + p_l$ ($0,1013 + 0,063\text{ N/mm}^2$)
Bề dày thân tháp ($S$) 4 $mm$ Chiều dày tính toán $0,65\text{ mm} + C(2,3\text{ mm}) \rightarrow 4\text{ mm}$
Bề dày đáy và nắp elip ($S$) 4 $mm$ Chiều cao phần lồi $h_t = 275\text{ mm}$, gờ $h = 25\text{ mm}$
Đường kính ống dẫn khí vào/ra ($d$) 300 ($0,3$) $mm$ ($m$) Vận tốc khí $v = 16\text{ m/s}$, chiều dài nối $140\text{ mm}$
Vận tốc dòng lỏng trong ống ($v_l$) 1,5 $m/s$ Phục vụ tính toán tuyến ống dẫn lỏng

Kiểm tra điều kiện bền cơ khí

Thân tháp và nắp đáy được kiểm tra bền chặt chẽ theo áp suất thử tính toán $P_0 = 1,5P = 0,2464\text{ N/mm}^2$:

  • Ứng suất thực tế phát sinh trên thân tháp: $\sigma = 84,04\text{ N/mm}^2 < \frac{\sigma_c}{1,2} = 183,33\text{ N/mm}^2$.
  • Tỷ số kiểm tra bền: $\frac{S - C}{D} = \frac{4 - 2,3}{1100} = 0,0015 < 0,1$.
  • Ứng suất thực tế phát sinh trên đáy, nắp elip: $\sigma = 58,94\text{ N/mm}^2 < 183,33\text{ N/mm}^2$.

Các kết quả kiểm nghiệm chứng minh kích thước kết cấu $S = 4\text{ mm}$ hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện chịu lực, chống biến dạng và đảm bảo hệ số ăn mòn hóa học trong thời gian sử dụng 15 năm (với tốc độ ăn mòn $0,1\text{ mm/năm}$).

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

Hệ thống xử lý khói thải được tính toán đạt hiệu suất xử lý cao, đưa toàn bộ các thông số ô nhiễm đầu ra về dưới ngưỡng giới hạn cho phép của QCVN 19:2009/BTNMT:

Thông số ô nhiễm Nồng độ đầu vào ($mg/m^3$) Nồng độ sau xử lý ($mg/m^3$) Giới hạn QCVN 19:2009/BTNMT ($mg/m^3$)
$\text{SO}_2$ 4730,23 $\le 500$ 500
$\text{CO}$ 942,29 942,29 1000
$\text{NO}_2$ 389,36 389,36 850
Tro bụi 157,94 $< 157,94$ 200

Hệ thống xử lý hấp thụ bằng dung dịch $\text{Ca(OH)}_2$ khử bỏ hơn $89,4%$ lượng $\text{SO}_2$ (tương đương $0,2912\text{ kmol/h}$ hay $18,64\text{ kg SO}_2/\text{h}$), đồng thời lớp đệm sứ kết hợp dòng lỏng giúp giữ lại phần lớn lượng bụi sol khí, làm nguội khói thải trước khi xả ra môi trường.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Ứng dụng tháp đệm vòng sứ Raschig $25 \times 25 \times 3,0\text{ mm}$ với chế độ chảy chuyển tiếp ($n = 0,66$) giúp tối ưu hóa diện tích tiếp xúc hai pha khí - lỏng, giảm thiểu kích thước tháp ($D = 1,1\text{ m}, H = 6,3\text{ m}$) trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất truyền khối.
  • Sử dụng vật liệu thép hợp kim không gỉ X18H10T chịu được môi trường khí lò có tính axit cao và nhiệt độ thay đổi, bảo vệ thiết bị khỏi nguy cơ ăn mòn cục bộ.
  • Tích hợp bể lắng cặn sau tháp hấp thụ để chuyển hóa toàn bộ sản phẩm phụ thành thạch cao $\text{CaSO}_4$, ngăn ngừa nguy cơ ô nhiễm nguồn nước cục bộ.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Cung cấp bộ số liệu tính toán chi tiết, hoàn chỉnh từ khâu cân bằng cháy nhiên liệu thực tế, động học truyền khối pha khí - lỏng đến thiết kế kết cấu cơ khí chi tiết cho hệ thống xử lý khói lò hơi đốt dầu FO công suất 5000 kg/h.
  • Thiết lập quy trình tính toán thủy động lực học và kiểm tra độ bền thiết bị theo các chuẩn số thực nghiệm, làm tài liệu tham khảo trực tiếp cho các dự án thiết kế trạm xử lý khí thải công nghiệp tương đương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Quá trình hấp thụ $\text{SO}_2$ bằng sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ sinh ra muối $\text{CaSO}_3$ và $\text{CaSO}_4$ có độ tan thấp, dễ bám dính gây hiện tượng đóng cặn trên bề mặt vật liệu đệm và đường ống, làm gia tăng trở lực hệ thống sau thời gian dài vận hành liên tục.
  • Trở lực dòng khí qua lớp đệm ướt tương đối lớn ($\Delta P_u = 4505,08\text{ Pa}$), đòi hỏi quạt hút phải có cột áp cao, làm tăng điện năng tiêu thụ của hệ thống.
  • Đồ án tập trung chính vào tính toán thiết kế tháp hấp thụ $\text{SO}_2$, chưa đi sâu vào mô phỏng tự động hóa nồng độ dung dịch châm vôi tự động và hệ thống ép bùn thạch cao quy mô công nghiệp.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Nghiên cứu bổ sung hệ thống rửa đệm định kỳ tự động bằng dung dịch axit loãng hoặc nước áp lực cao nhằm ngăn chặn nguy cơ tắc nghẽn vật liệu đệm sứ Raschig.
  • Tính toán tối ưu hóa hệ thống hoàn lưu nước thải sau bể lắng để tiết kiệm nguồn nước cấp và nghiên cứu giải pháp sấy, thu hồi bùn thạch cao $\text{CaSO}_4$ thương phẩm phục vụ ngành sản xuất vật liệu xây dựng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật chuyên sâu, hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên: Ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt - Năng lượng tham khảo phương pháp luận tính toán thiết kế tháp hấp thụ đệm, tính toán cân bằng vật chất quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch và bài toán thủy động lực học tháp đệm.
  • Kỹ sư thiết kế môi trường: Ứng dụng trực tiếp các công thức tính toán đường kính, chiều cao lớp đệm, trở lực tháp ướt ($\Delta P_u$) và quy trình kiểm tra bền cơ khí thân tháp bằng thép không gỉ X18H10T cho các lò hơi công nghiệp đốt dầu FO công suất 3–10 tấn hơi/h.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 4 với hệ thống bảng biểu tính toán chuẩn số Reynolds, Prandtl, hệ số khuếch tán $D_x, D_y$ và các bước xác định ứng suất cơ khí theo Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất.

Câu hỏi thường gặp

1. Lượng dầu FO và lượng hóa chất $\text{Ca(OH)}_2$ tiêu thụ của hệ thống trong một giờ là bao nhiêu? Theo tính toán cân bằng vật chất ở Chương 4, lò hơi công suất 5000 kg/h tiêu thụ $348\text{ kg dầu FO/h}$. Lượng $\text{SO}_2$ sinh ra cần loại bỏ là $0,2912\text{ kmol/h}$, do đó lượng $\text{Ca(OH)}_2$ nguyên chất cần cấp để phản ứng trung hòa là $21,55\text{ kg/h}$ (tương ứng với lưu lượng dung dịch sữa vôi 5% là $2,928\text{ m}^3/\text{h}$).

2. Tại sao tác giả lựa chọn tháp đệm vòng sứ Raschig kết hợp dung dịch sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$? Phương pháp này có quy trình công nghệ đơn giản, chi phí hóa chất rẻ, chất hấp thụ dễ tìm và không đòi hỏi vật liệu chống axit đắt tiền như khi dùng các dung môi khác. Vật liệu đệm vòng sứ Raschig ($25 \times 25 \times 3,0\text{ mm}$) tạo diện tích tiếp xúc pha lớn ($\sigma = 195\text{ m}^2/\text{m}^3$), tăng thời gian tiếp xúc giữa khí và lỏng, đồng thời có khả năng va đập giữ bụi và hạ nhiệt độ dòng khói thải hiệu quả.

3. Các kích thước hình học cơ bản của tháp hấp thụ được thiết kế là bao nhiêu? Tháp có đường kính trong $D = 1,1\text{ m}$ ($1100\text{ mm}$), vận tốc dòng khí làm việc $\omega_y = 1,47\text{ m/s}$. Chiều cao lớp vật liệu đệm là $H_{đệm} = 3,5\text{ m}$, chiều cao phần tách lỏng đỉnh $H_c = 0,8\text{ m}$, chiều cao đáy tháp $H_đ = 2,0\text{ m}$, tạo nên tổng chiều cao thiết bị là $H = 6,3\text{ m}$.

4. Thiết bị được chế tạo bằng vật liệu gì và bề dày thân tháp là bao nhiêu? Tháp được chế tạo bằng thép hợp kim không gỉ X18H10T (chứa 18% Cr, 10% Ni, 1–1,5% Ti) có giới hạn bền kéo $\sigma_k = 550\text{ N/mm}^2$ và ứng suất cho phép $[\sigma] = 146,67\text{ N/mm}^2$. Bề dày thân tháp và đáy nắp elip được chọn là $S = 4\text{ mm}$ (sau khi đã tính đại lượng bổ sung ăn mòn $C = 2,3\text{ mm}$ cho thời gian vận hành 15 năm), thỏa mãn hoàn toàn điều kiện bền cơ khí theo áp suất thử $P_0 = 0,2464\text{ N/mm}^2$.

5. Chất lượng khí thải sau xử lý có đáp ứng quy chuẩn môi trường hiện hành không? Hệ thống xử lý làm giảm nồng độ $\text{SO}_2$ từ mức $4730,23\text{ mg/m}^3$ xuống dưới $500\text{ mg/m}^3$, nồng độ bụi từ $157,94\text{ mg/m}^3$ xuống dưới $200\text{ mg/m}^3$, nồng độ $\text{CO}$ ($942,29\text{ mg/m}^3 \le 1000\text{ mg/m}^3$) và $\text{NO}_2$ ($389,36\text{ mg/m}^3 \le 850\text{ mg/m}^3$), đáp ứng đầy đủ các thông số theo QCVN 19:2009/BTNMT về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế hệ thống xử lý khói thải lò hơi đốt dầu FO công suất 5000 kg/h, ứng dụng tháp hấp thụ đệm vòng sứ Raschig bằng dung dịch sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$. Kết quả tính toán công nghệ xác định tháp có đường kính 1,1 m, tổng chiều cao 6,3 m và chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T bề dày 4 mm, đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn hóa chất cao. Hệ thống cho phép khử bỏ hơn 89,4% lượng $\text{SO}_2$ và lọc sạch tro bụi, đưa khí thải đầu ra đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT trước khi xả ra môi trường. Đây là công trình thiết kế kỹ thuật môi trường có độ chính xác cao, cung cấp phương pháp luận và số liệu tham khảo thực tế cho các dự án xử lý khí thải lò hơi công nghiệp.