Tài liệu giảng dạy kỹ thuật môi trường đại cương: chương 2- kiểm soát ô nhiễm không khí

Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁN CÔNG TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG *** TÀI LIỆU GIẢNG DẠY KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 2. KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2006 MỤC LỤC Chương 2. Kiểm soát ô nhiễm không khí .....................................................................1 Tài liệu tham khảo.........................................................................................................54 MỤC LỤC.........................................................................................................................1 CÁC BẢNG ......................................................................................................................2 Các hình ............................................................................................................................2 1 2 2 CHƯƠNG 2. KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ.............................................................3 2.1 Chiến lược và kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm không khí – hiệu quả dài hạn ........................................ 3 2.2 giảm thiểu chất thải .................................................................................................................................. 5 2.2.1 Giảm thiểu ô nhiễm tại nguồn .............................................................................................................. 5 2.2.2 Quá trình cháy và vấn đề môi trường ................................................................................................... 7 2.3 Phát tán ô nhiễm trong không khí ........................................................................................................ 13 2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch tán ô nhiễm trong môi trường không khí ............................... 13 2.3.2 Phân loại nguồn ô nhiễm ở lớp khí quyển gần mặt đất...................................................................... 15 2.3.3 Các mô hình phát tán ô nhiễm trong không khí ................................................................................. 17 2.4 Các phương pháp xử lí khí thải.............................................................................................................. 27 2.4.1 Các phương pháp xử lý bụi ................................................................................................................. 30 2.4.2 Các thiết bị xử lý khí, hơi.................................................................................................................... 48 Giảng Viên: ThS. Trần Minh Hải 1 Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương CÁC BẢNG Bảng 1. Phân cấp ổn định của khí quyển theo Turner............................................................................. 25 Bảng 2. Các hệ số a, c, d, f của công thức Martin ................................................................................... 25 Bảng 3. Bảng tính hệ số phát tán theo công thức Martin ........................................................................ 26 CÁC HÌNH Hình 1. Ghi nghiêng................................................................................................................................. 11 Hình 2. Lò đốt tầng sôi ............................................................................................................................ 11 Hình 3. Hệ thống đốt thùng quay ............................................................................................................ 12 Hình 4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát tán ô nhiễm trong không khí .............................................. 14 Hình 5. Phân loại phương pháp và thiết bị xử lí khí thải......................................................................... 28 Hình 6. Buồng lắng bụi............................................................................................................................ 30 Hình 7. Buồng lắng bụi quán tính............................................................................................................ 31 Hình 8. Thiết bị lắng bụi quán tính.......................................................................................................... 31 Hình 9. Thiết bị lá xách ........................................................................................................................... 31 Hình 10. Kết cấu của xyclon đơn .............................................................................................................. 32 Hình 11. Dòng vật chất trong xyclon......................................................................................................... 32 Hình 12. Xyclon có cánh hướng dòng ....................................................................................................... 33 Hình 13. Các dạng xiclon cơ bản (theo dòng khí) ..................................................................................... 33 Hình 14. Nhóm xyclon............................................................................................................................... 34 Hình 15. Xiclon tổ hợp............................................................................................................................... 34 Hình 16. Thiết bị thu bụi kiểu gió xoáy .................................................................................................... 35 Hình 17. Máy hút bụi................................................................................................................................. 36 Hình 18. Thiết bị lọc tay áo ....................................................................................................................... 37 Hình 19. Các cách phân bố dòng khí qua lớp vải lọc................................................................................ 38 Hình 20. Thiết bị lọc bụi với lớp hạt vật liệu rời chuyển động................................................................. 39 Hình 21. Tháp rửa khí trần ........................................................................................................................ 40 Hình 22. Thiết bị rửa khí đệm ................................................................................................................... 41 Hình 23. Thiết bị rửa khí với lớp đệm chuyển động ................................................................................. 42 Hình 24. Thiết bị rửa khí sủi bọt................................................................................................................ 43 Hình 25. Thiết bị thu hồi bụi va đập quán tính.......................................................................................... 44 Hình 26. Tháp rửa khí ventury................................................................................................................... 45 Hình 27. Thiết bị thu bụi ướt ..................................................................................................................... 45 Hình 28. Thiết bị lọc bụi tĩnh điện dạng ống ............................................................................................ 46 Hình 29. Các dạng điện cực ...................................................................................................................... 47 Hình 30. Thiết bị hấp thụ dạng đệm.......................................................................................................... 49 Hình 31. Sơ đồ thiết bị xử lí khí thải công nghiệp bằng nhiệt .................................................................. 53 1 Giảng Viên: ThS. Trần Minh Hải 2 Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương 2 CHƯƠNG 2. KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.1 CHIẾN LƯỢC VÀ KỸ THUẬT KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ – HIỆU QUẢ DÀI HẠN Trong gần 20 – 30 năm nay, hoạt động của con người thải nhiều chất ô nhiễm nghiêm trọng, dẫn tới việc làm thủng tầng ozon, tăng hiệu ứng nhà kính, tăng thiên tai lũ lụt, các bệnh về đường hô hấp cũng tăng lên một cách nghiêm trọng. Trước tình hình đó “Nghị trình thế kỷ 21“ (do Hội nghị môi trường và phát triển của Liên Hiệp Quốc họp tại Rio de Janairo Braxin ngày 3 – 14 tháng 6 năm 1992 thông qua) đã kêu gọi cần quan tâm hơn đến những chất có thể làm thay đổi khí hậu, làm ô nhiễm không khí và phá vỡ tầng ozon. Đồng thời, đặt ra một loạt các bước hành động để bảo vệ tầng không khí như: • Sử dụng nguồn năng lượng ít ô nhiễm và có hiệu quả hơn để sản xuất, vận chuyển, phân phối và sử dụng, giảm bớt các ngành năng lượng ảnh hưởng có hại đến khí quyển; thúc đẩy việc mở mang, nghiên cứu và chuyển nhượng, sử dụng những kỹ thuật cao có liên quan và phương pháp thực dụng, chuyển sang sử dụng một hệ thống nguồn năng lượng vô hại mới. • Thông qua việc nâng cao tài nguyên công nghiệp và hiệu suất sử dụng tổng hợp vật liệu, áp dụng kỹ thuật phòng chống ô nhiễm, dùng chất thay thế chất tiêu hao tầng ozon, mở mang kỹ thuật và công nghệ sản xuất sạch, giảm bớt các chất phế thải, tăng cường việc giám sát các chất ô nhiễm vượt qua biên giới tầng khí quyển, hạn chế công nghiệp ô nhiễm và ảnh hưởng có hại của nó đối với khí quyển . • Xúc tiến việc sử dụng tài nguyên lục địa và đại dương đồng thời sử dụng hợp là đất đai, giảm bớt sự ô nhiễm không khí hay hạn chế con người thải ra các khí thải nhà kính, bảo vệ tính đa dạng của sinh vật, để tăng cường năng lực của hệ thống sinh thái chống lại sự biến đổi của khí hậu và ô nhiễm tầng khí quyển. Nhìn chung, chúng ta cần có các biện pháp tổng hợp, thực hiện đồng thời nhiều biện pháp từ giáo dục quảng đại nhân dân, thực hiện luật, nghị định và các quy chế bảo vệ môi trường, quản lý xã hội, đến việc đầu tư kinh phí và áp dụng các biện pháp kỹ thuật thích đáng mới có thể phòng ngừa được ô nhiễm và bảo vệ môi trường. • Quản lý nhà nước, pháp luật ¾ Nhà nước ta ban hành Luật bảo vệ môi trường và nhiều văn bản dưới luật về bảo vệ môi trường. Ở nước ta đã thành lập các cơ quan chuyên trách về quản lý môi trường, các tổ chức thanh tra và kiểm soát bảo vệ môi trường, đang hình thành mạng lưới quan trắc môi trường và báo động kịp thời về tình trạng ô nhiễm quá giới hạn cho phép cho các cơ quan quản lý và cho nhân dân biết. Đó là cơ sở pháp lý và tổ chức nền tảng rất quan trọng để bảo vệ môi trường. ¾ Mối quan tâm của nhà sản xuất là lợi ích kinh tế đến mức họ có thể quên đi những tác hại đối với môi trường, với sức khẻ con người. Vì vậy cần phải tiến hành việc kiểm soát, đăng ký các nguồn gây ô nhiễm môi trường (chất thải, hìnht hức thải, biện pháp phòng tránh, ứng cứu sự cố) và áp dụng các biện pháp xử lý đối với các đơn vị vi phạm, khuyến khích đầu tư và áp dụng các công nghệ sản xuất sạch hơn. Đăng ký nguồn chất thải sẽ giúp các cơ quan quản lý có thể kiểm soát chặt chẽ Giảng Viên: ThS. Trần Minh Hải 3 Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương những chất thải, đồng thời thúc đẩy các cơ sở sản xuất tự áp dụng mọi biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường, tự kiểm soát môi trường, hạn chế gây ô nhiễm. ¾ Kiểm soát chặt chẽ các phương tiện giao thông về số lượng, chất lượng phương tiện vận chuyển, quy hoạch đường giao thông cũng sẽ hạn chế nạn ô nhiễm môi trường không khí. ¾ Quy hoạch đô thị và các khu công nghiệp. ƒ Đánh giá hiện trạng ô nhiễm môi trường, thiết lập bản đồ phân bố chất ô nhiễm từng địa phương, khu vực làm căn cứ để quản lý môi trường. Trên thực tế, phát triển đô thị và sản xuất luôn luôn thay đổi nên cần điều chỉnh và bổ sung định kỳ các sốù liệu điều tra cơ bản và hiệu chỉnh các bản đồ ô nhiễm theo thực tế. ƒ Bố trí mặt bằng đô thị và khu công nghiệp dựa trên cơ sở hiện trạng môi trường và dự báo tác động môi trường của dự án. Phải có vùng cách li vệ sinh công nghiệp (vùng đệm) giữa các khu dân cư và khu công nghiệp, đảm bảo môi trường không khí xung quanh khu dân cư không bị ô nhiễm ƒ Trồng cây xanh để giảm bức xạ nhiệt, giảm nhiệt độ không khí, tăng độ ẩm và làm trong sạch môi trường không khí. • Áp dụng các kỹ thuật bảo vệ môi trường Có ba phương pháp bảo vệ môi trường khí quyển cần được thực hiện đồng thời làø giảm thiểu chất thải nhờ hoàn thiện công nghệ, máy móc thiết bị và tận dụng chất thải; xử lý khí thải; phát tán chất thải vàokhí quyển qua ống khói cao. ¾ Giảm thiểu khí thải Để giảm ô nhiễm không khí do chất thải công nghiệp ta cần hoàn thiện các quá trình công nghệ, bảo đảm độ kín tuyệt đối cho các thiết bị, ứng dụng phương pháp vận chuyển vật liệu trong ống dẫn khí bằng khí nén và xây dựng các hệ thống xử liù. Phương hướng hiệu quả nhất để giảm chất thải là sáng lập các quá trình công nghệ không thải, trong đó ứng dụng các dòng khí khép kín. ¾ Xử lý chất thải Cho đến nay, phương tiện cơ bản để giải quyết chất thải ô nhiễm vẫn là nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống hiệu quả làm sạch khí. Kết quả của việc xử lí là phải thu được khí đạt tiêu chuẩn chất lượng môi trường và chất độc hại phải được xử lí triệt để. Do đó xử lí khí thải được hiểu là một quá trình sản xuất mà nguyên liệu là khí bị ô nhiễm, còn sản phẩm phải là khí sạch và chất ô nhiễm được thu ở dạng thành phẩm có thể ứng dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu cho một quá trình công nghệ khác hoặc được chuyển sang dạng không độc. Chất ô nhiễm đã tách khỏi dòng khí đi chuyển thành dạng khác (lỏng hay rắn) dễ kiểm soát hơn, tránh lan truyền trong môi trường. ¾ Phát tán ô nhiễm Chất ô nhiễm đã được giảm lượng phát thải và xử lý đạt đến mức độ cho phép thải. Sau đó, khí thải cần được phát tán tốt để bảo đảm chất lượng không khí ở sát mặt đất không bị ô nhiễm. Trong phương pháp này, lượng chất ô nhiễm phát thải không giảm mà Giảng Viên: ThS. Trần Minh Hải 4 Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương chỉ là được pha loãng trong không khí nhằm tránh gây tác hại cho con người và môi trường xung quanh. 2.2 GIẢM THIỂU CHẤT THẢI 2.2.1 Giảm thiểu ô nhiễm tại nguồn Giảm thiểu chất thải là giảm chất ô nhiễm cần phải xử lý đi vào dòng chất thải, nhằm làm giảm bớt chi phí xử lý, giảm mối nguy hiểm không chỉ về số lượng mà còn cả đặc tính ô nhiễm của chúng đối với sức khoẻ cộng đồng và môi trường. Đối với ô nhiễm không khí gây ra do các nguồn tự nhiên (núi lửa phun, cháy rừng, gió bão…) giảm thiểu ô nhiễm không thể thực hiện được hay hiệu quả rất thấp, mà con người chỉ đối phó với sự ô nhiễm bằng cách che chắn hoặc tránh xa khu vực chịu ảnh hưởng của khí ô nhiễm. Đối với ô nhiễm không khí gây ra do các nguồn nhân tạo, con người có khả năng giảm thiểu sự phát thải ô nhiễm. Các giải pháp như sau. 2.2.1.1 Giải thiểu ô nhiễm do giao thông vận tải Đối với nguồn ô nhiễm không khí do giao thông việc xử lý có khó khăn. Do đó, giảm thiểu chất ô nhiễm là một phương án hiệu quả. Các biện pháp thực hiện là. • Nâng cao chất lượng đường giao thông sẽ giảm được bụi bốc lên khi có xe lưu thông, giảm sự bào mòn lốp xe trên mặt đường và sinh bụi. Giảm số lần dừngxe và tăng tốc độ xe sẽ giảm lượng phát thải khí ô nhiễm. • Áp dụng phương pháp vệ sinh đường phố đúng, bụi được thu gom. • Thay nhiên liệu. Sử dụng xăng không chì cho các xe gắn máy hai bánh. Thay dầu diesel bằng hỗn hợp 40% metan (CH4) và khí hóa lỏng (LG). Hiện nay, người ta đang chú ý đến các nhiên liệu mới là metanol, etanol, khì tự nhiên, propan và hydro. • Nâng cao chất lượng động cơ. Sử dụng xe có tiếng ồn dưới 70 dB, dùng động cơ 4 thì thay cho động cơ 2 thì. Sử dụng kiểu động cơ nạp điện nhiều tầng thực hiện quá trình đốt nhiều bậc. • Kiểm soát hệ thống thải của xe. Các xe lưu thông phải có bộ phận xử lý khí thải nhằm giảm lượng bụi và khí ô nhiễm thoát ra ngoài. Cải tiến bộ phận này cũng mang lại hiệu quả giảm lượng chất ô nhiễm đáng kể. Bộ phận xử lý khí thải thực hiện nguyên lý phản ứng quay vòng khí thải và trao đổi xúc tác để tiếp tục oxy hoá monoxit cacbon (CO), hydrocacbon và oxit nitơ (NOx). • Quy hoạch mạng lưới giao thông công cộng thuận lợi, giảm lượng xe hai bánh cá nhân. Sử dụng phương tiện giao thông công cộng nhằm giảm tổng lượng phát thải ô nhiễm do giảm tổng quãng đường di chuyển. • Quy hoạch đường giao thông: trồng cây xanh hai bên đường hoặc các tường chắn bụi, chắn âm. Giảng Viên: ThS. Trần Minh Hải 5 Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương 2.2.1.2 Giảm thiểu ô nhiễm do sản xuất công nghiệp Đối với s ản xuất công nghiệp có thể thực hiện các hướng giảm thiểu ô nhiễm như sau: • Quy hoạch khu công nghiệp. ¾ Tính toán dự báo tác động của công trình đối với môi trường đảm bảo khi đưa nhà máy vào hoạt động thì nồng độ chất thải của nó cộng với nồng độ ô nhiễm nền của khu vực không được vượt tiêu chuẩn cho phép. Bố trí nhà máy ở cuối hướng gió chính. Cách li khu công nghiệp với khu dân cư bằng vành đai xanh. Kích thước vùng cách li công nghiệp xác định bằng khoảng cách từ nguồn thải đến khu dân cư và được xác định đảm bảo nồng độ chất ô nhiễm tại khu dân cư không vượt tiêu chuẩn cho phép. ¾ Bố trí các công trình trong mặt bằng chung của khu công nghiệp yêu cầu đảm bảo thông thoáng các công trình, hạn chế hay loại trừ sự lan truyền chất ô nhiễm từ công trình này sang công trình khác,không gây ô nhiễm cho bản thân nhà máy. • Trồng cây xanh. ¾ Cây xanh giảm bức xạ nhiệt, giảm nhiệt độ không khí vì tạo bề mặt trao đổi nhiệt lớn, cản gió, nâng cao chất lượng môi trường do tác dụng tăng độ ẩm, tăng lượng oxy trong không khí đồng thời giảm nồng độ bụi và hấp thụ các chất độc trong kh6ng khí và dưới đất. Ngoài ra, cây xanh còn hấp thu tiếng ồn, ngăn cản sự lan truyền ồn ra xung quanh. ¾ Tổ chức hệ thống cây xanh trong thành phố gồm các hệ thống vành đai cây xanh – mặt nước xung quanh thành phố có chức năng điều hoà khí hậu, cung cấp không khí sạch, chắn gió, tăng giá trị thắng cảnh; vành đai cây xanh cách vệ sinh đối với khu công nghiệp và đường giao thông; hệ thống công viên; cây trong hàng rào công trình. • Giảm thiểu lượng nhiên liệu hiện dùng: ¾ Tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu bằng các biện pháp cải tiến công nghệ, đảm bảo vận hành đúng quy trình kỹ thuật. ¾ Giảm tiêu hao năng lượng bằng các biện pháp tăng cường cách nhiệt, nâng cao hiệu suất chiếu sáng dân dụng và đường phố, nâng cao hiệu suất các động cơ. ¾ Sử dụng nguồn năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thuỷ điện, địa nhiệt, năng lượng nguyên tử… để giảm sử nhiệt nhiên liệu than dầu cấp cho nhiệt điện. • Giảm thiểu chất thải công nghiệp: ¾ Dùng nhiên liệu có lượng lưu huỳnh thấp hay giảm bớt hàm lượng lưu huỳnh trước khi đốt. ¾ Cải tiến quá trình đốt để giảm chất thải. Trong đó, chú ý đến các chất ô nhiễm là bụi, SOx, NOx, CO. Các biện pháp như đã nêu ở phần trên. • Áp dụng các phương pháp xử lý trước khi thải. Giảng Viên: ThS. Trần Minh Hải 6 Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương 2.2.2 Quá trình cháy và vấn đề môi trường Các chất ô nhiễm không khí sinh ra chủ yếu do quá trình đốt các loại nhiên liệu tạo năng lượng phục vụ cho sản xuất cũng xử lý các loại chất thải hữu cơ (khí, lỏng, rắn) bằng phương pháp đốt. Các thành phần ô nhiễm chủ yếu trong quá trình đốt là bụi, COx, NOx, SOx, VOC… 2.2.2.1 Nguyên lý cháy Quá trình cháy cuả nhiên liệu là quá trình oxy hoá nhanh ở nhiệt độ cao. Chất cháy trong nhiên liệu chủ yếu là cacbon (C), hydro (H) và một số chất khác tham gia phản ứng cháy như nitơ (N), lưu huỳnh (S)… Chất oxy hoá trong phản ứng là oxy (O2) được cấp vào vùng cháy từ không khí. Quá trình cháy trong lò đốt phải đảm bảo các yếu tố sau. - Chất cháy và chất oxy hoá phải tiếp xúc tốt với nhau. - Tỷ lệ chất oxy hoá và chất đốt phải phù hợp (≥1 so với lượng cần thiết, tính theo phương trình lượng hóa học). - Nhiệt độ đủ cao để cháy hết các thành phần nhiên liệu và không sinh ra các chất ô nhiễm độc hại đặc biệt. - Thể tích buồng đốt phải đủ lớn, đảm bảo thời gian lưu của nhiên liệu trong lò để cháy hoàn toàn. • Đốt chất khí Chất cháy và chất oxy hoá đều ở thể khí, nên quá trình này là cháy đồng thể (cháy trong thể tích). Nhiên liệu cháy ngay khi hoà trộn khí đốt với không khí. Chất lượng khí cháy được quyết định do tỷ lệ hoà trộn hợp lý giữa khí đốt và oxy không khí và điều kiện hoà trộn chúng. Lượng không khí vào không đủ, thiếu oxy khí cháy không hoàn toàn, nhiệt độ buồng đốt giảm. • Đốt chất lỏng Nhiên liệu ở dạng lỏng, nên để đốt chúng cần phân tán chúng thành dạng giọt lỏng hoặc phun sương (phun bụi). Tác nhân biến bụi là không khí nén, hơi nước áp suất cao hay không khí từ quạt litâm cao áp. Chất biến bụi có áp cao phá vỡ độ bền vững của dòng chất lỏng làm cho chúng bị chia nhỏ thành bụi. Sau khi dòng lỏng đã biến bụi, để tạo sự cháy thành ngọn lửa cần qua các giai đoạn: - Hoà trộn giữa bụi nhiên liệu và oxy của không khí. - Sấy nóng hỗn hợp và chất lỏng bốc hơi. - Phân hủy các hợp chất hydrocacbon. Quá trình này tạo các hạt muội than. - Phản ứng cháy diễn ra. • Đốt chất rắn Khi đốt nhiên liệu rắn, quá trình cháy dị thể xảy ra giữa một chất rắn và chất khí (oxy không khí), đồng thời có quá trình cháy đồng thể giữa hai chất khí là chấùt bốc hơi và oxy không khí. Giảng Viên: ThS. Trần Minh Hải 7 Môn học Kỹ thuật Môi trường Đại cương Quá trình cháy của nhiên liệu rắn trong buồng đốt gồm nhiều giai đoạn. Đầu tiên khi than được nung đến một nhiệt độ nhất định (đối với than là khoảng 200oC), chất bốc được thoát ra khỏi than như khí hydro (H2), monoxit cacbon (CO), metan (CH4), hydrocacbon (CnHm) hoà trộn với oxy và cháy đầu tiên. Khi kết thúc quá trình cháy của chất bốc thì cacbon bắt đầu tiếp xúc với oxy và cháy. Quá trình cháy của cacbon sinh ra các khí ô nhiễm là CO và CO2 do các phản ứng sau. C + O2 = CO2. 2C + O2 = 2CO. C + CO2 = 2CO. C + H2O = CO2 + 2H2. CO + O2 = 2CO2. Một số giả thuyết cho là CO và CO2 đã xuất hiện đồng thời theo phản ứng sau: C + 3O2 = 2CO2 + 2CO. Sự cháy của cacbon lâu hơn và quyết định thời gian cháy của nhiên liệu. Tốc độ cháy nhiên liệu rắn phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán oxy và tốc độ tách cacbon. Như vậy, trong buồng đốt để oxy (từ gió) tiếp xúc với cacbon, cần tạo cho gió khối lượng và áp suất nhất định. Nhiên liệu có thành phần chất bốc cao thì chất bốc cháy hết để lại nhiều lỗ xốp làm tăng bề mặt tiếp xúc của cacbon với oxy nên