Công Nghệ Xử Lý SO2 Sau Quá Trình Cháy

Có nhiều công nghệ xử lý SO₂ sau quá trình cháy, một số công nghệ điển hình như: sử dụng nước, bằng đá vôi hoặc vôi nung, phương pháp song kiềm… Mời bạn cùng Môi trường Hợp Nhất tìm hiểu thông tin về các phương pháp này qua nội dung bài viết dưới đây.

1. Xử lý SO2 bằng nước

Xử lý khí SO₂ bằng nước được sử dụng khá phổ biến khi nồng độ SO₂ trong khói thải nhỏ hơn 12%. Công nghệ này bao gồm 2 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Hấp thụ SO₂ bằng cách phun nước vào dòng khí thải, có thể sử dụng lớp vật liệu đệm để tăng diện tích tiếp xúc giữa nước và dòng khí.

- Giai đoạn 2: Tách khí SO₂ ra khỏi nước để thu hồi SO₂ và nước sạch.

Đặc điểm của công nghệ này là khi nhiệt độ nước phun tăng cao thì mức độ hấp thụ SO₂ trong nước giảm, vì vậy nhiệt độ nước phun càng thấp thì hiệu quả hấp thụ SO₂ càng cao. Ngược lại, để tách SO₂ ra khỏi nước thì nhiệt độ nước phải cao. Khí SO₂ sẽ được tách ra hoàn toàn ở nhiệt độ 100^oC. Khí SO₂ thu được có thể sử dụng cho việc sản xuất H₂SO₄.

Lượng nước thích hợp để hấp thụ 1 tấn SO₂ được thống kê theo bảng 1 dưới đây:

Bảng 1: Thể tích nước lý thuyết [m³] cần thiết để hấp thụ 1 tấn SO₂ đến trạng thái bão hòa ứng với nhiệt độ và nồng độ SO₂ khác nhau trong khí thải.

2. Xử lý SO₂ bằng đá vôi hoặc vôi nung

Xử lý SO₂ bằng đá vôi CaCO₃ hoặc vôi nung CaO được sử dụng khá phổ biến cho các lò hơi trong nhà máy nhiệt điện. Hệ thống này có ưu điểm là đơn giản, chi phí vận hành thấp, chất hấp thụ (đá vôi hoặc vôi nung) phổ biến và hiệu quả hấp thụ SO₂ cao.

Hệ thống hấp thụ SO2 theo nguyên lý này đều đặt ở cuối đường khói, sau thiết bị thu hồi bụi vì vậy các chất khử, sản phẩm phụ của phản ứng đều ở trạng thái ướt; nhiệt độ phản ứng đều thấp hơn nhiệt độ đọng sương. Vì vậy, dòng khói sau khi ra khỏi thiết bị hấp thụ thường được gia nhiệt bổ sung trước khi dẫn vào ống khói.

Sử dụng đá vôi CaCO3 hoặc vôi nung hấp thụ SO2 được thực hiện theo các phương trình:

- Sử dụng đá vôi CaCO3:

CaCO₃ + SO₂ + ½ H₂O = CaSO₃.½H₂O + CO₂

- Sử dụng vôi tôi CaO:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + SO₂ = CaSO₃.½H₂O + ½H₂O

Vì trong khói thải có một lượng nhỏ oxy nên một phần CaSO3.1/2H2O được hình thành sẽ tiếp tục bị oxy hóa và chuyển thành thạch cao theo phản ứng:

2CaSO₃.½H₂O + O₂ + 3H₂O = CaSO₄.2H₂O

Để nâng cao hiệu quả hấp thụ SO₂ khi sử dụng đá vô thì độ pH trong tháp nằm trong khoảng 5,8 ÷ 6,2; còn với vôi tôi thì độ pH khoảng 8.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống hấp thụ SO₂ bằng đá vôi được thể hiện trên hình dưới đây:

Nguyên lý hoạt động:

Đá vôi qua các máy đập và máy nghiền đến kích cỡ nhỏ được dẫn vào thùng hòa trộn tạo dung dịch sữa vôi mới. Dung dịch này được bổ sung vào tháp hấp thụ 1 thông qua tháp lọc tinh thể 2. Khói thải cũng với lượng khí SO₂ dẫn vào tháp hấp thụ 1, trong tháp hấp thụ xảy ra phản ứng sử dụng đá vôi CaCO₃.

Dung dịch thoát ra khỏi tháp chứa nhiều canxi sunfit và canxi sunfat dưới dạng tinh thể CaCO₃.½H₂O và CaSO₄.2H₂O và được dẫn vào tháp lọc tinh thể 2. Thiết bị này là một bình rỗng cho phép dung dịch lưu lại một thời gian đủ để tách các tinh thể.

Sau khi ra khỏi tháp này thì dung dịch này cùng với dung dịch sữa tươi mới cấp vào tháp hấp thụ SO₂, phần còn lại được dẫn qua lọc chân không 3. Tại đây các tinh thể được giữ lại dưới dạng cặn bùn và được thải ra ngoài.

Hiệu quả hấp thụ SO₂ có thể đạt đến 98%. Hiệu suất phụ thuộc vào vận tốc dòng khí cấp vào tháp hấp thụ và độ pH trong dung dịch sữa vôi tưới lên tháp được thể hiện trong bảng 2. Trở lực của tháp hấp thụ <20 mmH₂O.

Bảng 2: Phụ thuộc hiệu suất hấp thụ η vào vận tốc khí trên tiết diện ngang của tháp [2]

Bảng 3: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp thụ η vào độ pH của dung dịch sữa vôi [2]

Khối lượng đá vôi CaCO₃ cần để xử lý hết hàm lượng SO₂ sinh ra từ quá trình cháy 1 tấn than được xác định theo công thức:

G_CaCO3 = 10βS_pM_CaCO3/KM_s, kg/tấn than (3)

Trong đó:

• S_p: Thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu (tính theo % khối lượng);
• M_s, M_CaCO3: Phân tử gam của lưu huỳnh và canxi cacbonat;
• β: Hệ số khử SO2 trong khói thải, là mức độ cần thiết phải khử SO2 trong khói thải để đạt đến giới hạn cho phép: β = (m_SO2 - m_{SO2 (tc)})/m_SO2;
• m_SO2: lượng khí SO2 vào tháp hấp thụ, g/s;
• m_SO2(tc): lượng khí SO2 trong khói thải cho phép tiêu chuẩn;
• K: tỷ lệ CaCO₃ nguyên chất trong đá vôi (thường k = 0,8 ÷ 0,9);

Nếu dùng vôi nung thì trong công thức (3) thay MCaSO3 bằng MCaO.

Khối lượng cặn thu được từ quá trình hấp thụ SO2 được xác định theo công thức [1]:

G_can = 10βS_p/M_s (0,83 M_CaSO3 0,5H₂O + 0,17M_CaSO32H2O) + (1-K) G_CaCO3

Trong đó: G_can là lượng cặn thu được trong quá trình xử lý, kg/tấn nhiên liệu.

3. Xử lý SO₂ bằng phương pháp song kiềm

Ưu điểm của phương pháp này khắc phục các nhược điểm dễ đóng cáu cặn của phương pháp sử dụng đá vôi hoặc vôi tôi, đồng thời nâng cao hiệu quả hấp thụ SO2.

Chất khử lưu huỳnh thường dùng là NaOH, Na₂CO₃, Na₂SO₃ và được thực hiện theo các phản ứng:

2NaOH + SO₂ = Na₂SO₃ + H₂O

Na₂SO₃ + SO₂ + H₂O = 2NaHSO₃

Na₂CO₃ + SO₂ = Na₂SO₃ + CO₂

Nhằm tái sinh dung dịch hấp thụ SO2 ta có thể sử dụng vôi tôi để tiến hành công việc này theo các phản ứng: 

Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ = 2NaOH + CaSO₃

Ca(OH)₂ + 2NaHSO₃ = Na₂SO₃ + CaSO₃.½H₂O + ½H₂O

Do còn tồn tại một lượng oxy nhất định nên đồng thời có thể phát sinh phản ứng:

Na₂SO₃ + ½O₂ = Na₂SO₄

Ca(OH)₂ + Na₂SO₄ + ½O₂ + H₂O = 2NaOH + CaSO₄.2H₂O

4. Xử lý SO₂ bằng các chất hấp phụ thể rắn

Nhằm hạn chế một số nhược điểm của phương pháp xử lý khí SO₂ bằng phương pháp hấp thụ như: thiết bị cồng kềnh, chi phí vận hành cao, nhiệt độ khói thải thấp, độ ẩm cao dẫn đến giảm tuổi thọ thiết bị, Người ta sử dụng phương pháp xử lý SO₂ bằng các chất hấp phụ thể rắn.

4.1. Hấp phụ SO₂ bằng than hoạt tính

Sơ đồ nguyên lý hệ thống hấp phụ SO₂ bằng than hoạt tính được thể hiện như sau:

Nguyên lý làm việc: Khói thải và khí SO₂ được dẫn vào tháp hấp phụ 3. Tại đây khí SO₂ được giữ lại trên bề mặt của than, tro bụi được tách ra khỏi dòng khói nhờ xyclon 4. Sau khi bão hòa SO₂ than hoạt tính dẫn vào tháp hoàn nguyên được gia nhiệt đến nhiệt độ từ 400 đến 450oC (nhờ bộ gia nhiệt 7). Môi chất gia nhiệt là hơi nước, Khí SO₂ thoát ra khỏi tháp hoàn nguyên có nồng độ từ 40 đến 50% và đạt đến 97% lượng SO₂ cần xử lý (trước khi dẫn vào hệ thống). Than sau khi hoàn nguyên cùng với lượng than bổ sung được cấp vào buồng chứa than 1.

Hệ thống này hoạt động đơn giản, có thể ứng dụng cho mọi hệ thống khí thải liên tục hoặc gián đoạn. Nhược điểm: tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên dẫn đến tiêu hao nhiều than hoạt tính.

Hỗn hợp khí thoát ra khỏi tháp hoàn nguyên ngoài khí bao gồm SO₂, H₂S, S, trong đó khí H₂S từ 2 đến 4%, lưu huỳnh S từ 0,1 đến 0,3% theo các phản ứng:

2SO₂ + 3C +2H₂O = 2H₂S + 3CO₂

SO₂ + C = S + CO₂

2S + C + 2H₂O = 2H₂S + CO₂

Hiệu quả quá trình hấp phụ SO₂ phụ thuộc vào thời gian làm việc của lớp vật liệu hấp phụ và được thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng: Nồng độ SO₂ thoát phụ thuộc vào thời gian làm việc của lớp than hoạt tính

4.2. Xử lý SO₂ bằng than hoạt tính có tưới nước - quá trình Lurgi

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong hình dưới đây.

Nguyên lý làm việc: Khí thải được làm cho bão hòa hơi nước ở nhiệt độ dưới 100^oC đi qua lớp than hoạt tính có tưới nước 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;

SO₃ kết hợp với H₂O chuyển thành H₂SO₄ và theo nước chảy vào thùng 4 có nồng độ 20 ÷ 25%. Lượng axit này được trích một phần để làm nguội dòng khói thải có khí SO₂ cần xử lý; quá trình này được thực hiện trong tháp rửa khí Venturi 1. Tại đây hỗn hợp được tăng tốc chuyển động rối và xé nhỏ thành các hạt mịn, nhiệt độ giảm xuống do có nước bốc hơi và axit loãng trở thành axit đậm hơn. Dòng khói được tiếp tục dẫn vào tháp hấp phụ 3 trước khi được tách tro, bụi tại xyclon 2.

Nếu trong các nhà máy hoạt động liên tục thì có thể lắp 2 tháp hấp phụ đặt song song nhau nhằm hoạt động luân phiên. Khi một cái hoàn nguyên thì cái còn lại thực hiện quá trình hấp phụ.

Hệ thống hoạt động có hiệu quả xử lý SO₂ đạt đến 98 ÷ 99%, đây cũng là lý do mà hệ thống này được sử dụng nhiều trong công nghiệp.

Càm ơn bạn đã dành thời gian theo dõi bài viết, hẹn gặp lại bạn ở những chủ đề tiếp theo.