Khí thải lò hơi và các công nghệ xử lý

Lò hơi cũng như các thiết bị lò đốt khác, khi đốt các loại nhiên liệu hữu cơ như than, khí, sinh khối như phế thải thực vật, các loại rác đều sinh ra nhiều chất thải có thể trở thành chất thải độc hại khi thải vào môi trường. Đó là:

- Chất thải rắn như tro xỉ và các yếu tố độc hại có trong tro xỉ.

- Chất thải khí như CO, CO2, SOx, NOx, dioxin và furan, các hơi kim loại độc hại như hơi thủy ngân.

- Các hóa chất độc hại như các hóa chất để hoàn nguyên các ionit trong xử lý nước, các hóa chất xúc rửa trang thiết bị, các axit tạo ra từ việc đốt cháy chất đốt.

1. Các loại chất thải thể khí

Chất thải thể khí gây độc hại chủ yếu là khí CO, khí CO2, khí SOx, khí dioxxin và furan.

Khí CO: hầu hết trong các loại lò hơi, lò đốt đều đảm bảo quá trình cháy là hoàn toàn nên gần như không tạo ra CO. Quá trình cháy không hoàn toàn tạo ra CO chỉ khi thiếu oxy.

Khí CO2: CO2 cũng là một khí độc, là một loại khí chủ yếu gây hiệu ứng nahf kính do các quá trình đốt các loại nhiên liệu khoáng với số lượng cực lớn (các loại lò hơi, lò đốt, động cơ đốt trong). Thực tế cũng có nhiều loại khí gây hiệu ứng nhà kính lớn gấp hàng chục, hàng trăm lần (các khí nhiều nguyên tử) nhưng do số lượng ít nên nguyên nhần làm Trái Đất nóng lên chủ yếu do khí CO2.

Khí SO2: lưu huỳnh là một nguyên tố tạo nên vật chất hữu cơ nên trong các loại nhiên liệu hữu cơ luôn có hàm lượng lưu huỳnh.

Khí NOx: Nitơ là một nguyên tố tham gia tạo nên các vật thể hữu cơ nên luôn có mặt trong các chất hữu cơ. Ngoài ra, nitơ còn có tỷ lệ rất cao (gần 79%) trong không khi. Nitơ là khí trơ rất khó phản ứng với oxy cũng như các chất oxy hóa khác. Nitơ chỉ phản ứng với oxy trong môi trường nhiệt độ cao và giàu oxy. Nitơ bị oxy hóa là nitơ có trong nhiên liệu và nitơ của không khí. Sản phẩm oxy hóa nitơ là NO, N2O, NO2, trong đó chủ yếu là NO và NO2. Các oxyt nitơ thường gọi chung là NOx.

Khi đốt nhiên liệu khó cháy như than antraxit, nhiệt độ buồng đốt thường từ 1500 + 1600 °C nên là điều kiện thuận lợi để oxy hóa nitơ. Tuy nhiên, do buồng đốt lò hơi thường được cấp không khi với hệ số không khi thừa rất bé, nghĩa là không phải môi trường giàu oxy nên cũng hạn chế nhiều việc tạo thành oxyt nitơ. Khí đốt cháy trong tuabin khí có nhiệt độ trên 1300 °C (thế hệ F), tôi trên 1500 °C (thế hệ H), lại là môi trường giàu oxy hơn buồng đốt than nên cũng sinh ra nhiều NOx.

Dioxin và furan: Ngày nay, dioxin trong chất diệt cỏ (chất độc màu da cam) đã bị cấm sử dụng, nguồn phát thải dioxin và furan từ các quá trình đốt cháy là nguồn phát thải chính dioxin vào môi trường. Đó là khi chất đốt có những hợp chất chứa clo thì khi bị đốt cháy thành thể khí (thường ở nhiệt độ không quá 500 °C), các hợp chất có cảo sẽ liên kết với nhau và tạo ra dioxin và furan. Trong rác thải (sinh hoạt và công nghiệp) thường có nhiều hóa chất có gốc cảo như các loại nhựa PVC, UPVC, ... Nếu chúng không được phân loại ra khỏi rác thì khi đốt rác, những chất này sẽ là nguồn sinh ra dioxin và furan.

2. Quy chuẩn Việt Nam về khói thải lò hơi:

STT	Thông số	Nồng độ C (mg/Nm3)
STT	Thông số	A	B
1	Bụi tổng	400	200
2	Carbon oxit, CO	1000	1000
3	Hydro sunfur, H2S	7,5	7,5
4	Lưu huỳnh đioxit, SO2	1500	500
5	Nito oxit, NOx (tính theo NO2)	1000	850
6	Nito oxit, NOx (tính theo NO2) Cơ sở sản xuất hóa chất	2000	1000

Trong đó:

Cột A áp dụng với các trường hợp sau: Các cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, dịch vụ công nghiệp hoạt động trước ngày 16/01/2007 với thời gian áp dụng đến 31/12/2014.
Cột B áp dụng với các trường hợp sau:

+ Các cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, dịch vụ công nghiệp hoạt động kể từ ngày 16/01/2007.

+ Tất cả các cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, dịch vụ công nghiệp với thời gian áp dụng kể từ ngày 01/01/2015.

3. Các công nghệ xử lý khói thải

3.1 Giải pháp xử lý bụi

Xử lý bụi trong khói thải lò hơi là một bước quan trọng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người. Tùy vào quy mô, loại nhiên liệu sử dụng và ngân sách để có thể chọn giải pháp phù hợp hoặc kết hợp nhiều giải pháp để tối ưu hiệu quả xử lý bụi trong khói thải lò hơi. Dưới đây là một số phương pháp cụ thể:

- Tối ưu quá tình cháy: Điều này giúp giảm thiểu lượng bụi sinh ra từ đầu nguồn bằng cách làm cho quá trình đốt cháy hoàn toàn hơn, nhờ đó hạn chế khí thải chưa cháy hết và các hạt bụi.

- Hệ thống cyclone: Cyclone là một phương pháp phổ biến để xử lý bụi trong khói thải của lò hơi nhờ vào nguyên lý ly tâm. Cấu tạo cơ bản của hệ thống Cyclone gồm một ống trụ hình trụ và hình nón bên dưới, giúp tạo ra dòng khí xoáy để tách bụi ra khỏi không khí

- Hệ thống lọc bụi túi vải: Khói thải từ lò hơi đi vào buồng lọc, và được dẫn qua các túi vải. Các hạt bụi trong khói thải bị giữ lại trên bề mặt túi vải, trong khi khí sạch được thoát ra môi trường qua các lỗ rỗng của túi.

- Lọc bụi tĩnh điện: là một trong những phương pháp tiên tiến, tối ưu và hiệu quả, giúp loại bỏ các hạt bụi có kích thước nhỏ trong khí thải. Cơ chế hoạt động của hệ thống ESP dựa trên nguyên lý ion hóa không khí và lắng đọng các hạt bụi nhờ lực tĩnh điện.

- Thiết bị hấp thụ bụi bằng nước: Sử dụng chất lỏng (thường là nước) để cuốn và hấp thụ các hạt bụi, khí độc hại hoặc các hạt vật chất trong luồng khí thải. Khi khói thải đi qua thiết bị, các hạt bụi và chất ô nhiễm bị bắt giữ bởi các giọt nước hoặc dung dịch hấp thụ, sau đó tạo thành các hạt lắng đọng, dễ dàng xử lý hơn.

- Thiết bị lọc bằng màng gốm: Khi khí thải đi qua màng gốm, các hạt bụi và ô nhiễm bị giữ lại trên bề mặt hoặc trong các lỗ nhỏ của màng. Kích thước của lỗ trên màng thường được thiết kế sao cho chỉ cho phép các phân tử khí đi qua, trong khi giữ lại các hạt lớn hơn (như bụi, soot, và các hạt rắn khác).

- Hệ thống xử lý đa tầng: Phương pháp này là một cách tiếp cận hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm không khí. Hệ thống này thường bao gồm nhiều giai đoạn xử lý khác nhau, mỗi giai đoạn có chức năng riêng biệt, giúp nâng cao hiệu quả xử lý bụi.

3.2 Các giải pháp xử lý khí CO

Việc xử lý khí CO trong khói thải thải lò hơi có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau và lựa chọn giải pháp phù hợp sẽ phụ thuộc vào quy mô, loại nhiên liệu và công nghệ của từng nhà máy. Dưới đây là một số phương pháp cụ thể:

- Tối ưu quá trình cháy: Kết hợp một số biện pháp sau quá trình chày có thể được tối ưu, giảm thiểu khí CO đồng thời nâng cao hiệu quả đốt cháy và bảo vệ môi trường.

- Sử dụng các thiết bị xúc tác: Thiết bị sử dụng các chất xúc tác (thường là platinum, palladium và rhodium) để thúc đẩy các phản ứng hóa học mà không làm thay đổi bản thân chất xúc tác. Trong trường hợp này, chất xúc tác sẽ giúp chuyển đổi CO thành carbon dioxide (CO₂), một khí ít độc hại hơn.

- Sử dụng buồng đốt thứ cấp: Buồng đốt thứ cấp được thiết kế để đốt cháy lại khí thải từ lò hơi, đặc biệt là các khí chưa cháy hết như carbon monoxide (CO). Khi đi qua buồng đốt thứ cấp, khí CO và các hydrocarbon (HC) sẽ được tiếp xúc với nhiệt độ cao, từ đó chuyển đổi thành CO₂ và H₂O, giảm mức độ độc hại của khí thải.

- Sử dụng thiết bị lọc bụi hấp phụ: Phương pháp này là một lựa chọn hiệu quả. Thiết bị lọc hấp phụ thường sử dụng các vật liệu có khả năng hấp phụ cao như than hoạt tính hoặc các vật liệu hấp phụ có chứa kim loại chuyển tiếp, nhằm mục đích giữ lại khí CO từ dòng khí thải. Đặc biệt phương pháp này có thể kết hợp với các vật liệu xúc tác hoặc công nghệ khác để tối ưu hiệu suất và kéo dài thời gian sử dụng vật liệu

- Công nghệ oxy hóa nhiệt: Công nghệ oxy hóa nhiệt bao gồm công nghệ sử dụng màng lọc nano và xúc tác không nhiệt.

3.3 Các giải pháp xử lý H2S

- Phương pháp hấp phụ: Phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu hấp phụ để giữ lại các phân tử khí H₂S trên bề mặt của chúng, qua đó giảm nồng độ H₂S trong khí thải. Các vật liệu hấp phụ thường có diện tích bề mặt lớn và khả năng phản ứng hóa học cao với H₂S, cho phép hấp thụ lượng lớn khí độc này.

- Phương pháp hấp thụ sinh học: Bio-scrubbing là phương pháp sử dụng hệ thống sinh học có chứa các vi khuẩn hiếu khí hoặc kỵ khí để chuyển hóa H₂S thành các hợp chất ít độc hại hơn như lưu huỳnh tự nhiên hoặc sulfat. Vi sinh vật sẽ hấp thụ và oxy hóa H₂S thông qua các quá trình sinh học tự nhiên.

- Sử dụng thiết bị lọc ướt: Phương pháp sử dụng thiết bị lọc ướt (Wet Scrubber) là một trong những giải pháp hiệu quả trong việc xử lý khí H2S. Phương pháp này rất hiệu quả nếu được áp dụng đúng cách, đặc biệt cho các lò hơi công nghiệp và các hệ thống phát thải khí H₂S cao. Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên tắc hấp thụ khí H₂S vào dung dịch lỏng (thường là nước hoặc dung dịch có tính kiềm) để chuyển hóa H₂S thành các hợp chất khác ít độc hại hơn.

- Sử dụng tháp khử lưu huỳnh: Đây là phương pháp hiệu quả trong việc giảm lượng khí SO2 và H2S trong khói thải. Phương pháp tháp khử lưu huỳnh (FGD) có thể được áp dụng để xử lý H₂S trong khói thải lò hơi bằng cách sử dụng dung dịch kiềm để hấp thụ và chuyển đổi H₂S thành các hợp chất không độc. Để đạt hiệu quả cao, cần kiểm soát kỹ lưỡng các yếu tố như pH, nhiệt độ, và chất hấp thụ trong hệ thống FGD.

- Một số giải pháp khác:

+ Tối ưu quá trình cháy

+ Phương pháp oxy hóa hóa học

+ Sử dụng thiết bị oxy hóa xúc tác

+ Phương pháp hấp thụ khô

+ Sử dụng tháp khử lưu huỳnh

4. Giải pháp xử lý SO2

Đây là là một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu lượng khí này trong khí thải. SO₂ chủ yếu được tạo ra trong quá trình đốt cháy các nhiên liệu chứa lưu huỳnh, như than, dầu, và khí. Các phương pháp tối ưu hóa quá trình đốt cháy không chỉ giúp giảm phát thải SO₂ mà còn cải thiện hiệu suất của lò hơi. Dưới đây là một số chiến lược tối ưu quá trình cháy để giảm SO2

- Hệ thống hấp thụ FGD: Phương pháp xử lý khí SO₂ trong khói thải lò hơi bằng hệ thống hấp thụ (Flue Gas Desulfurization - FGD) là một trong những phương pháp hiệu quả để giảm ô nhiễm không khí do khí sulfur dioxide (SO₂), vốn là một trong những tác nhân chính gây ra mưa axit và các vấn đề về sức khỏe. Cơ chế của hệ thống hấp thụ FGD là loại bỏ SO₂ từ khói thải bằng cách sử dụng các chất hấp thụ, chủ yếu là dung dịch canxi hydroxide (Ca(OH)₂) hoặc canxi carbonate (CaCO₃).

- Phương pháp khử khí SO2 bằng chất hấp thụ rắn: Tiêm chất hấp thụ vào dòng khí thải chất hấp thụ rắn, thường là các vật liệu như vôi (CaO), canxi carbonate (CaCO3), hay các loại khoáng vật khác, được tiêm vào dòng khí thải từ lò hơi. Những chất này có khả năng phản ứng với khí SO2, chuyển hóa thành các hợp chất không độc hại và dễ xử lý.

- Một số giải pháp khác:

+ Tối ưu quá trình cháy

+ Phương pháp oxy hóa xúc tác

+ Sử dụng phương pháp sinh học

5. Giải pháp xử lý NOx

Khí NOx trong khói thải lò hơi là một trong những chất gây ô nhiêm môi trường đặc biệt là đối với chất lượng không khí và sức khỏe con người. Việc xử lý khí NOx trong khói thải lò hơi là vô cùng cần thiết. Hiện nay có một số phương pháp xử lý NOx và đạt hiệu quả cao, phổ biến là một số phương pháp dưới đây:

- Hệ thống lọc khí khô: Hệ thống sử dụng một chất hấp thụ (hay còn gọi là chất khử) để hấp thụ hoặc trung hòa các thành phần ô nhiễm trong khí thải, bao gồm cả NOx. Phương pháp này sử dụng các chất hút khí ở dạng khô thay vì dung dịch lỏng như trong hệ thống lọc ướt.

- Sử dụng công nghệ SCR: Công nghệ SCR (Selective Catalytic Reduction) là một phương pháp xử lý khí thải hiệu quả, đặc biệt là khí NOx. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả cho các hệ thống lò hơi công nghiệp và nhà máy nhiệt điện. Amoniac (NH₃) hoặc urê (NH₂CONH₂) được bơm vào dòng khí thải trước khi đi qua bộ xúc tác. Khi vào môi trường nhiệt độ cao, urê sẽ chuyển hóa thành amoniac, và cả hai chất này sẽ đóng vai trò là chất khử.

- Sử dụng công nghệ SNCR: Công nghệ SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction) là một phương pháp giảm thiểu lượng khí NOx trong các quá trình đốt cháy công nghệp mà không cần sử dụng chất xúc tác. Phương pháp này phổ biến trong các hệ thống lò hơi, nhà máy nhiệt điện và công nghiệp có nguồn khí thải NOx cao.

- Sử dụng công nghệ SCR&SNCR: Việc kết hợp giữa hai công nghệ SCR & SNCR là một giải pháp vô cùng tối ưu và hiệu quả để xử lý khí NOx, bảo vệ môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của cả hai công nghệ SCR và SNCR

- Một số giải pháp khác:

+ Tối ưu quá trình cháy

+ Phương pháp thu hồi nhiệt