Thiết kế lò đốt thu hồi cho nhà máy bột sunfat gỗ cứng, năng suất 220.000 tấn bột khô gió/năm

MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ Giấy và các sản phẩm từ giấy đóng một vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực hoạt động của con người, đặc biệt trong xã hội văn minh giấy không thể thiếu được, nó là một trong những vật dụng gần gũi nhất với mỗi người. Giấy ngoài việc sử dụng làm phương tiện lưu trữ và phổ biến thông tin, nó còn được dùng rộng rãi để bao gói, làm vật liệu xây dựng, vật liệu cách điện... Với đà phát triển nhanh của khoa học công nghệ hiện nay, giấy ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mới. Có thể nói sự tiến bộ của mỗi quốc gia, sự văn minh của loài người luôn gắn chặt với sự phát triển của ngành sản xuất giấy, tức là không thể tách rời một nền văn minh với sự đa dạng về chủng loại các sản phẩm giấy chất lượng cao cùng với sự ứng dụng không giới hạn của chúng. Hơn thế nữa, hoàn toàn có thể lấy năng suất giấy, khối lượng tiêu thụ giấy để đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia hay của toàn xã hội. Ở nước ta, ngành giấy cũng được chính phủ đặc biệt chú ý và đầu tư phát triển. Nếu như năm 2000, sản lượng giấy đạt 215.000 tấn thì năm 2010, mục tiêu đạt 1.015.000 tấn. Sản lượng bột giấy trong nhiều năm qua luôn tăng nhanh, dó là một tín hiệu đáng mừng, Tuy nhiên, việc phát triển công nghiệp giấy kèm theo đó có nhiều vấn đề lớn đặt ra, đó là xây dựng nhà máy giấy có hệ thống thu hồi và xử lý dịch nấu. Vì dịch nấu nếu không thu hồi mà thải ra môi trường, không những gây mất mát hóa chất nấu dẫn đến không có hiệu quả kinh tế cao, còn gây ô nhiễm môi trường. Ở nước ta, chỉ có duy nhất nhà máy giấy Bãi Bằng là có hệ thống thu hồi hóa chất, còn lại các nhà máy khác đều thải trược tiếp dịch nấu ra ngoài môi trường, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Trong hoàn cảnh hiện nay, vấn đề môi trường lại là một vấn đề rất “nóng”, vì thế khi thiết kế một nhà máy sản xuất bột giấy và giấy, việc tính toán thiết kế hệ thống thu hồi hóa chất là một việc thiết yếu. Chính vì thế, trong giới hạn đồ án môn học của em, em chọn đề tài: Thiết kế lò đốt thu hồi cho nhà máy bột sunfat gỗ cứng, năng suất 220.000 tấn bột khô gió / năm. Phần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mục đích của quá trình thu hồi hóa chất. Thu hồi và tái sử dụng hóa chất trong sản xuất luôn là một trong những mối uan tâm hàng đầu của công nghiệp bột giấy và giấy. Giải quyết tốt được vấn đề này không những mang lại lợi ích lớn về kinh tế mà còn là giải pháp hiệu quả nhất hạn chế ảnh hưởng của sản xuất đến môi trường. Trong quá trình nấu bột, các thành phần của nguyên liệu hòa tan vào trong dịch nấu và tạo thành dịch đen, lượng dịch này tương đối lớn, đây chính là nguồn hóa chất có giá trị cao, có khả năng tái sử dụng được, đồng thời cũng là chất thải gây ô nhiễm cao nếu thải ra môi trường. Vì thế mục đích của quá trình thu hồi hóa chất là thu hồi và tái sử dụng, lại hóa chất nấu, đồng thời thu nhiệt năng khi đốt dịch tạo ra năng lượng phục vụ sản xuất, góp phần bảo vệ môi trường. Trên thế giới, vấn đề này đã được quan tâm và giải quyết một cách hiệu quả, tuy nhiên ở nước ta còn rất nhiều hạn chế, cả nước có duy nhất nhà máy giấy Bãi Bằng có hệt hống thu hồi hóa chất tương đối hiện đại, còn các nhà máy và cơ sở sản xuất bột vừa và nhỏ thì không có hệ thống thu hồi, gây ô nhiễm môi trường rất lớn. Vì vậy trước yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trường, phát triển bền vững và tăng sức cạnh tranh trên thị trường của sản phẩm giấy, vấn đề thu hồi và sử dụng dịch đen đối với ngành công nghiệp bột giấy và giấy là rất lớn, trong tương lai sẽ quyết định tự tồn vong của doanh nghiệp. 1.2 Quá Trình thu hồi hóa chất trong nhà máy sản xuất bột sunphat. 1.2.1 Thành phần hóa học của dịch đen nấu sunfat. Dịch đen thu được trong quá trình nấu bột sunfat là một hỗn hợp các chất vô cơ và hữu cơ, thành phần vô cùng phong phú. Các chất khô của dịch đen theo phương pháp nấu sunfat chứa 30 – 35 % các chất vô cơ và 65 – 70 % hợp chất hữu cơ. Các chất vô cơ chủ yếu là các chất cấu thành nên dịch trắng, còn dư chưa phản ứng hết trong quá trình nấu và thành phần tro của nguyên liêu ban đầu. Các chất vô cơ chính là nguồn hóa chất sẽ được thu hồi và tái sử dụng trong sản xuất. Các chất hữu cơ bao gồm sản phẩm tạo thành trong quá trình phân hủy và hòa tan các thành phần nguyên liệu như Lignin, Bột, Hemibột, Tinh bột, các chất chiết xuất… Trong quá trình chế biến dịch đen và thu hồi hóa chất, các chất hữu cơ là nguồn tạo ra nhiệt năng hoặc được chế biến thành các sản phẩm khác nhau. Thành phần hóa học của chất khô đặc trưng cho thành phần hóa học của dịch đen . Mỗi phương pháp nấu khác nhau sẽ cho dịch đen có thành phần khác nhau. Ngoài ra còn phụ thuộc vào chất lượng bột, dạng nguyên liệu, mức dùng hóa chất, tạp chất trong dịch trắng, hiệu suất nấu… Bảng 1.1 Thành phần hóa học của dịch đen nấu sunfat Chất, nhóm chất Hàm lượng % so với bột KTĐ Lignin 23.72 Lignin trích ly 3.94 Các axit dễ bay hơi (tính theo axit axetic) 10.53 Các chất tan trong etylic trong đó: 6.44 Các axit mạnh, andehit và xeton phenol 5.81 Các axit yếu và phenol 0.61 Các chất trung tính 0.02 Các chất tan trong nước trong đó: 18.59 Các muối axit 16.04 Các chất trung tính tan trong cồn etylic tuyệt đôi 2.13 Các oxi axit 0.42 Na2SO4 4.85 NaOH tự do 2.16 Na2S 0.34 Na2CO3 20.41 Các hợp chất hữu cơ chứa Natri (theo Na2CO3) 11.60 Al2O3, Fe2O3, SiO2, CaO,… 2.02 1.2.2 Tính chất của dịch đen Độ nhớt: liên hệ trực tiếp với độ lưu biến và hiệu suất chưng bốc của dịch, phụ thuộc vào nhiều yêu tố như dạng nguyên liệu, phương pháp nấu bột, nồng độ và nhiệt độ của dịch. Điểm sôi: cao hơn so với nước hay dung dịch kiềm có nồng độ tương đương. Khả năng sinh nhiệt: Là một trong những tính chất quan trọng. Trung bình khi đốt 1kg Lignin sinh ra một nhiệt lượng tương đương 25MJ, đối với Gluxit là 12MJ/kg. Nhiệt dung riêng: giảm khi nồng độ chất khô trong dung dịch tăng. Hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ (dưới 100 độ C). Khả năng tạo bọt: Cao do chứa lignin kiềm, các chất béo, chất nhựa, nhất là các muối của Na với axit hữu cơ. Chúng là các chất có hoạt tính bề mặt cao, gây bọt làm ảnh hưởng đến quá trình thu hồi. Tinh ăn mòn: Thấp ở nhiệt độ thường, rất cao ở nhiệt độ cao, vì khi chưng bốc, hơi thứ và nước ngưng chứa các a xit hữu cơ (HCOOH, CH3COOH) hay các chất chứa lưu huỳnh (H2S, H3SH). Tính kết dính: Cao do có chứa nhiều chất tồn tại ở thể keo, chủ yếu là các axit béo, axit nhựa liên kết với nhau. Một phần do tính kém bền của lignin kiềm. Các tính chất và thành phần của dịch đen ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thu hồi. 1.2.3 Sơ đồ công nghệ thu hồi hóa chất Do những đặc điểm về thành phần và tính chất, dịch đen sunfat ở nhà máy sản xuất quy mô lớn và hiện đại được thu hồi và tái sử dụng hoàn toàn. Hiệu suất thu hồi với nấu gỗ có thể đạt tới 90 %. Đối với cây thân thảo hiệu suất thấp hơn, thường không quá 70 %. Thông thường một phần dịch đen được tái sử dụng ngay cho quá trình nấu như dùng để pha loãng dịch nấu, tẩm mảnh, phần còn lại được đưa đi thu hồi. Trước khi xử lí người ta còn có thể thu hồi một lượng hóa chất như dầu tallo, là hỗn hợp các chất chiết suất chủ yếu là Tecpen và Skipida, đây là các chất có giá trị kinh tế cao. Dịch đen thu hồi Xử lý sơ bộ Chưng bốc Đốt Thu hồi nhiệt và hơi Thuyết minh: Quá trình gồm 5 giai đoạn GĐ1: Sử lý sơ bộ dịch đen : Mục đích của quá trình này là chuẩn bị cho quá trình chưng bốc và đốt dịch đạt hiệu quả cao. Dịch sẽ được làm sạch và tách các xơ sợi nhỏ, chất xà phòng, khử bọt bao gồm 4 công đoạn: 1- Loại cặn: Loại bỏ một lượng lớn xơ sợi nhỏ và tạp chất cơ học trong dịch. Do chúng làm giảm hiệu suất chưng bốc, kết bám trên đường ống và bề mặt trao đôi nhiệt của thiết bị chưng bốc. 2- Tách xà phòng: Xà phòng tạo ra nhiều bọt trong quá trình chưng bốc, không những làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt mà còn gây mất mát kiềm khi chưng. Việc loại bỏ xà phòng được thực hiện trong các bể chứa lớn, sử dụng các chất điện li như Na2SO4, NaCl, Na2CO3... hiệu quả loại bỏ cao nhất khi nồng độ dịch đen 25-35 %. 3- Oxi hóa dịch đen bằng không khí: Nhằm tránh phản ứng thủy phân của Na2S thành H2S, gây mất mát lưu huỳnh và tạo ra khí có mùi, có tính ăn mòn thiết bị cao. Việc oxi hóa dịch đen được tiến hành trong tháp oxi hóa dạng khí, màng hay loại xáo động. Tuy nhiên việc oxi hóa dịch đen cũng có nhược điểm là sau khi oxi hóa, hiệu quả sinh nhiệt của dịch đen giảm, kết bám thiết bị khi chưng bốc cho nên hiện nay ít được sử dụng. 4- Tách loại silic: Silic có mặt trong dịch đen gây nhiều ảnh hưởng cho quá trình thu hồi hóa chất bằng phương pháp đốt. Ví dụ như gây kết bám thiết bị chưng bốc, giảm khả năng sinh nhiệt của dịch, giảm hiệu suất kiềm hóa… Việc tách loại silic là cần thiêt. Phương pháp tách loại silic bao gồm: bổ xung kiềm, kết tủa và tách loại silic dưới dạng kết tủa. GĐ2: Chưng bốc dịch đen : Khi rửa bột, dịch đen được pha loãng từ 2 đến 3 lần. Dịch này được đưa đi thu hồi, hàm lượng chất khô chiếm 13 đến 17%. Dịch đen như trên không thể đốt ngay vì vậy cần phải cô đặc lại. Sau khi cô đặc, nồng độ dịch đen phải đạt từ 60 % trở lên lúc này mới có thể đốt. Các thiết bị chưng bốc chủ yếu được sử dụng là thiết bị chưng bốc màng dâng và màng rơi. Hình 1.1 sơ đồ công nghệ chưng bốc dịch đen GĐ3: Đốt dịch: Sau khi chưng bốc, dịch đen được đưa vào khoang đốt của lò đốt thu hồi. Lò đốt thu hồi thực hiện 2 chức năng: + Thu hồi hóa chất sử dụng cho quá trình nấu và + Khai thác lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt. Lưu huỳnh và Natri được giải phóng từ các hợp chất trong dịch đen trong quá trình đốt. Sau đó chúng được chuyển hóa thành các hợp chất thích hợp và quay trở lại để phục vụ quá trình nấu, tạo thành một vòng tuần hoàn khép kín. Đồng thời nhiệt sinh ra từ sự cháy của các hợp chất hữu cơ trong lò đốt được dùng để sản xuất hơi nước, vì thế lò đốt thu hồi cũng có chưng năng một nồi hơi. Trong thành phần chất khô của dịch đen sunfat có những hợp chất của lưu huỳnh dạng vô cơ và hữu cơ. Ngoài ra người ta còn bổ xung Na2SO4 vào dịch đen trước khi cho vào lò đốt để bù đắp lại phần kiềm đã bị mất mát trong quá trình sản xuất. Hình 1.2 các phản ứng diễn ra trong lò đốt thu hồi ` N2, H2O, CO2, SO2, NOx, CO, H2S, Na2SO4, NaCL, HCl Không khí cấp 3 Không khí cấp 2 Không khí cấp 1 VÙNG OXI HÓA Na, SO2, O2 à Na2SO4 H2S, O2 à SO2, H2O H, C, O à CO2, H2O H2O, Na,NaOH, H2S 1500oC CO, CO2 NaOH, Na, H2S Na2SO4, C, CO2 Na2S, Na2CO3, CO2 800o C VÙNG KHỬ VÙNG SẤY KHÔ Quá trình đốt dịch đen sunfat chia ra 3 giai đoạn xảy ra nối tiếp nhau. 1- Sấy khô kiềm 2- Nhiệt phân và than hoá chất khô hữu cơ, đồng thời xảy ra quá trình cacbonat hoá kiềm. 3- Cháy than và nóng chảy chất khô vô cơ đồng thời xảy ra quá trình khử natrisunfat. *Giai đoạn 1 Những phản ứng hoá học xảy ra ở giai đoạn thứ 1 – Giai đoạn sấy khô kiềm là những phản ứng giữa những thành phần trong dịch đen với khí lò. Trong thành phần của khí lò, ngoài khí CO2 còn có SO2, SO3 .Trong thành phần của dịch đen sunfat gồm có NaOHtự do Na2Stự do và những hợp chất của Na với các chất hữu cơ trong kiềm. Những thành phần trong khí lò và những thành phần chính trong kiềm tác dụng với nhau theo phản ứng. 2NaOH+CO2Na2CO3+H2O 2NaOH+SO2Na2SO3+H2O 2NaOH+SO3Na2SO4+H2O 2Na2S+SO2+O22Na2S2O3 Na2S+CO2+H2ONa2CO3+H2S Na2S+SO3+H2ONa2SO4+H2S 2RCOONa+SO2+H2ONa2SO3+2RCOOH 2RCOONa+SO3+H2ONa2SO4+2RCOOH Do những phản ứng trên, nên toàn bộ NaOHtự do và phần lớn Na2S được chuyển thành cacbonat, sunfit, sunfat, và thiosunfat. Ngoài ra sunfit và sunfat còn được sinh ra do phản ứng giữa SO2 và SO3 với những hợp chất của Na với các chất hữu cơ. *Giai đoạn 2. Ở giai đoạn thứ 2 - giai đoạn nhiệt phân và than hoá chất khô hữu cơ đồng thời xảy ra quá trình cácbonat hoá kiềm, tạo ra những hợp chất như metylic, phenol….ngoài ra còn tạo ra một lượng nhỏ những hợp chất của sunfua như H2S, (CH3)2S, CH3HS, ankyl sunfua và một số sản phẩm bay hơi khác. Phần lớn những sản phẩm này bị bốc cháy và cháy trong dòng khí nóng để sinh ra CO, CO2, H2, SO2 và SO3. Trong thành phần khí đi ra khỏi lò chỉ còn lại một lượng rất nhỏ sản phẩm cháy không hoàn toàn. Do những hợp chất của sunfua và đặc biệt là H2S cháy không triệt để khí lò có mùi rất đặc trưng. Giai đoạn 3: Đến đầu giai đoạn thứ 3 - giai đoạn cháy than, trong lò chỉ còn lại khoảng một nửa khối lượng Cacbon trong dịch đen ban đầu được chuyển về dạng than cốc. Trong số những hợp chất vô cơ còn lại sau khi nhiệt phân thì chủ yếu là Natri cacbonnat được sinh ra chủ yếu do quá trình phân huỷ và ôxi hoá những hợp chất hữu cơ với Natri. Ngoài ra Natri cacbonnat còn được sinh ra do quá trình cacbonat hoá NaOH tự do và Na2S có sẵn trong dịch đen ban đầu. Natri cacbonat và Natri sunfua có sẵn trong dịch đen ban đầu hoàn toàn không bị biến đổi trong giai đoạn đầu của quá trình đốt và cả lượng Natri sunfat bổ sung cũng không biến đổi ở giai đoạn này. Do quá trình phân huỷ những hợp chất hữu cơ mà trong thành phần của chúng có S và Na nên ở giai đoạn thứ hai có thể sinh ra thêm một lượng Natri sunfat mới và một số hợp chất của Lưu huỳnh như Na2S, Na2SO3… theo số liệu của Venhemark thì trong khi chưng khô (không có không khí) kiềm, lưu huỳnh trong chất khô sau khi chưng khô chủ yếu là Na2S. nếu như có một lượng không khí nào đó tức là trong điều kiện như khi đốt dịch đen thì ngoài Na2S còn có sunfit, sunfat và thiosunfat… tỷ khối các chất này phụ thuộc vào điều kiện nhiệt phân, nhiệt độ, khối lượng không khí cho vào lò đốt, ở điều kiện tối ưu thì trong quá trình nhiệt phân sẽ có tới 50% lưu huỳnh ở dạng hợp chất hữu cơ được chuyển về dạng hợp chất sunfua vô cơ. Ở giai đoạn thứ 3 sẽ xẩy ra quá trình cháy tăng tốc và nóng chảy các muối vô cơ còn lại. Trong quá trình đốt dịch đen, giai đoạn có tầm quan trọng đặc biệt đối với quá trình công nghệ là giai đoạn thứ 3 của qúa trình đốt. Giai đoạn này nhất thiết không thể thiếu được, bởi vì chỉ có trong kiềm nóng chảy (kiềm lỏng) mới hoàn toàn có đủ điều kiện để cho quá trình khử Na2SO4 xảy ra. Có phản ứng này mới có thêm NaOH, Na2S là hai thành phần của dịch nấu sunfat. Để cho than cốc được cháy hoàn toàn trong giai đoạn thứ 3 cần phải có một lượng không khí dư nhất định. Trong hệ thống lò đốt kiểu phun kiềm hiện nay, có 2 vùng thổi không khí vào lò đốt - vùng thứ nhất dùng để thổi một phần không khí trực tiếp và vùng cháy để đốt than cốc, vùng thứ 2 dùng để thổi không khí vào lò để đốt cháy những sản phẩm khí sinh ra do quá trình nhiệt phân, vùng này gọi là vùng thứ của lò, khối lượng không khí chung (theo lý thuyết) cần thiết để đốt cháy hoàn toàn những chất hữu cơ trong kiềm thành CO2, H2O, SO2. Phản ứng khử Na2SO4 và thành phần kiềm đỏ sunfat. Phản ứng chủ yếu xảy ra ở giai đoạn thứ 3 của quá trình đốt dịch đen sunfat là phản ứng khử Na2SO4 về Na2S bằng than cốc. Phản ứng khử Na2SO4 bằng than cốc có thể xảy ra theo những phản ứng sau: Na2SO4+2CNa2S+2CO2 Na2SO4+4CNa2S+4CO Na2SO4+4CONa2S+4CO2 Hai phản ứng đầu là phản ứng của sunfat tác dụng trực tiếp với cacbon và là phản ứng thu nhiệt. Phản ứng thứ ba là phản ứng khử sunfat bằng cacbonoxit và là phản ứng toả nhiệt. Hiệu suất nhiệt của những phản ứng trên là kết qủa của 2 quá trình: quá trình khử sunfat, tức là chuyển sunfat về sunfua và quá trình oxi hoá cácbon bằng oxi sinh ra. Trong ba phản ứng trên thì phản ứng thứ nhất chủ yếu xảy ra trong quá trình khử sunfat. Bởi vì tổng của phản ứng thứ hai và phản ứng thứ ba là phản ứng thứ nhất. Tốc độ và trạng thái cân bằng của cả ba phản ứng trên đều phụ thuộc vào nhiệt độ. Nếu tăng nhiệt độ thì cân bằng của hai phản ứng đầu sẽ chuyển sang phải tức là về phía làm cho mức độ khử sunfat cao, còn cân bằng của phản ứng thứ ba thì ngược lại, tức là chuyển sang bên trái. Trong thực tế và trong cả nghiên cứu cho tấy rằng ở nhiệt độ gần 10000K tất cả ba phản ứng trên đều có cùng một hằng số cân bằng. GĐ4: Tái sử dụng hóa chất: Quá trình tái sử dụng hóa chất chủ yếu bao gồm xúa hòa và thu hồi vôi, mục đích là chuyển Na2CO3 thành NaOH. Dịch đỏ thu được khi đốt dịch đen được hòa với dịch trắng loãng thành dịch danh trong bể hòa dịch xanh. Sau đó đưa sang bể tôi vôi, sau khi tôi vôi, dịch xanh chuyển thành dịch trắng và được tách khỏi cặn vôi bằng hệt thống bể lắng. Cặn vôi thu được đem cô đặc lại và đưa sang hệ thống lò tôi vôi. Theo lý thuyết độ xút hóa có thể đạt 98-99%, tuy nhiên thực tế không đạt được như vậy bởi có nhiều yếu tổ ảnh hưởng. Với nồng độ dung dịch 64-124 g/l Na2CO3 thì độ xút hóa đạt hợp lý nhất. Phần II: LẬP LUẬN CHỌN SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Lập luận chọn sơ đồ công nghệ đốt dịch đen Hiện nay có nhiều phương pháp thu hồi và tái sử dụng hóa chất như: Hệ thống thu hồi – xút hóa, Khí hóa Plasma, Xút hóa tự động… tuy nhiên phổ biến nhất là sử dụng hệ thống lò đốt thu hồi – xút hóa Phổ biến nhất hiện nay là hệ thống lò đốt kiểu phun. Hệ thống lò đốt kiểu phun chính là hệ thống nồi hơi, trong lò đốt của hệ thống này được đốt bằng một loại nhiên liệu thứ cấp – dịch đen với hàm kượng nước, hàm lượng tro khá cao. Trong hệ thống lò đốt này thực hiện hai chức năng: chức năng thứ nhất là sản xuất hơi đốt (chức năng về nhiệt); Chức năng thứ hai là tái sinh lại kiềm trong nhiên liệu là dịch đen (chức năng công nghệ). Hiện nay, cả hai chức năng này được kết hợp rất có hiệu quả. Hình 2.1 Lò đốt thu hồi kiểu phun Năng suất hơi đốt của hệ thống lò đốt kiểu này đạt tới 60 – 70 tấn/giờ. Lượng hơi đốt này tương đương với đốt một lượng dịch đen khi sản xuất 300 – 350 tấn bột trong một ngày. Hiện nay người ta đã thiết kế và chế tạo hệ thống lò đốt kiểu phun kiềm với năng suất hơi là 100 – 120 tấn/h (500 – 600 tấn bột trong một ngày). áp suất hơi thu được trong lò đốt kiểu này đạt tới 60 – 70 at với nhiệt độ quá nhiệt là 450oC> Trong trường hợp đặc biệt có thể sản xuất được loại hơi đốt với áp suất 100 – 110 at với nhiệt độ quá nhiệt 480oC. Đa số các hãng chế tạo loại lò này đảm bảo chắc chắn rằng chỉ cần đặt một lò đốt với năng suất tương ứng với năng suất của nhà máy bột chứ không cần phải đặt thêm lò dự phòng mà vẫn đảm bảo đầy đủ sản lượng sản xuất của nhà máy bột. Bộ phận đốt của hệ thống chính là một lò có thiết diện hình vuông, chiều cao từ 10 – 18m. Thành lò và dưới đáy lò là một mạng lưới ống đốt hầu như phục vụ cho nồi hơi. Theo chiều cao của lò có thể chia ra 3 vùng – một vùng khử và một vùng oxi hoá, và một vùng khí (Sấy).Vùng khử chính là vùng mà trong đó được chất đầy bởi kiềm đỏ và cặn kiềm (khoảng cách giả thử là đến mép lớp vòi phun không khí thứ nhất); vùng khí (ở giữa lớp vòi phun thứ nhất và lớp vòi phun thứ hai). Đặc trưng của vùng khử là thiếu oxy và nhiệt độ tương đối cao. Vùng oxy hóa là vùng tính từ mép lớp vòi phun không khí thứ hai đến chùm ống đốt đầu tiên của nồi hơi. Hệ thống lò đốt kiểu phun kiềm hiện nay thường làm việc với lượng không khí dư khá thấp, khoảng 1,1 – 1,15, trong đó khối lượng không khí được thổi vào lò để đốt bằng một quạt gió chung. Trước khi thổi vào lò, không khí được đốt nóng sơ bộ, có thể trong thiết bị đốt nóng bằng khí nóng hoặc trong thiết bị đốt nóng bằng hơi đốt. Mạng lưới ống ở vùng oxy hoá thường để hở, còn mạng lưới ống ở vùng khử phải phủ kín bằng một lớp gang, trên bề mặt lớp gang được phủ bằng một lớp cách nhiệt bằng hồ Crôm dày gần 100mm hoặc có thể đơn giản có thể chỉ bằng một lớp hồ Crôm. Lớp cách nhiệt bằng hồ Crôm có tác dụng bảo vệ rất tốt về tác dụng của niệt độ cao. Nhưng trong môi trường oxy hoá, dưới tác dụng của kiềm, lớp hồ Crôm vẫn bị phân huỷ để tạo ra Crômat natri có khả năng hoà tan vào nước. Đáy lò nhất thiết cũng phải dược che phủ bằng lớp hồ Crôm. Hiện nay, người ta làm đáy lò phẳng chứ không làm nghiêng. Đáy lò được làm lạnh bằng nước và có cửa để cho liềm đỏ chảy xuống cửa hoà kiềm đỏ. Cửa chảy kiềm đỏ cách đáy lò 100mm. Vì vậy mà dưới đáy lo luôn luôn có một lớp kiềm đỏ dự trữ, lớp kiềm đỏ này có tác dụng bảo vệ lớp lót côm khỏi sự tác dụng trực tiếp bởi những muối kiềm nóng chảy. Vòi phun không khí vào lò bậc một đặt hơi nghiêng xuống phía dưới (khoảng 15o) nhằm để cho không khí thổi xuống phía dưới mà không bị dòng khí cuốn lên vùng thứ của lò đốt, vòi phun không khí bậc hai đặt nằm ngang. Gần đây, người ta đặt vòi phun không khí bậc hai theo phương tiếp tuyến. Đặt vòi phun theo kiểu này thì ở tâm lò sẽ tạo thành hình xoáy ốc có đường kính nhất định. Như vậy sẽ thoả mãn được điều kiện – sản phẩm khí được cháy triệt để hơn và khi cường hoá lò đốt có thể tăng cường lượng không khí vao lò ma không làm mất mát cặn kiềm theo khói lò. Để đưa dịch đen vào lò đốt chủ yếu sử dụng hai cơ cấu. Loại thứ nhất: vòi phun cơ học kiểu đu đưa của Tomlinson có tấm ngắt. Vòi phun này được đặt ở giữa thành lò chính diện. Như vậy thành lò đối diện với vòi phun được bồi lên một lớp kiềm hoặc hạt kiềm được văng lên vùng oxy hoá và từ đó kiềm sẽ chảy suống đáy lò. Loại thứ hai: kiềm được đưa trực tiếp xuống đáy lò bằng một số loại vòi phun cơ học hoặc vòi phun hơi. Trong nhiều trường hợp, kiềm còn được trọn với chất khô thu hồi được trong xyclon hoặc trong thiết bị lọc điện. Nồng độ chất khô trong khi phun vào lò đốt thường trong khoảng từ 55 – 70%. Trong trạm cô đặc, kiềm thường được cô đặc đến nồng độ 45 – 55% chất khô. Còn tiếp tục tách nước đến nồng độ cần thiết được tiến hành trong thiết bị bốc hơi tiếp xúc (tầng bốc hơi) đặt trước lò đốt. Nhiệt để bốc hơi nước trong thiết bị này là nhiệt thừa của khí lò. Thiết bị bốc hơi này đồng thời cũng là thiết bị thu hồi cặn kiềm trong khí lò. Để thu hồi cặn kiềm trong khí lò hiệu quả nhất là dùng phin lọc điện kiểu khô hoặc kiểu ướt. 2.2 Chọn sơ đồ công nghệ. Sơ đồ công nghệ: Trình bày trên bản vẽ. Thuyết minh dây chuyền. Dịch đen sau khi cô đặc được đưa vào bể trộn 3, cùng với tro lắng ở hệ thống lắng tro 4 và lọc tĩnh điện 6, Na2SO4 Được bổ xung vào bể 3 để trộn sau đó dịch đen được đưa sang hệ thống gia nhiệt 12 làm tăng hiệu quả đốt. Dịch đen được đưa vào hệ thống vòi phun dịch của lò đốt. Bắt đầu quá trình đốt dịch, dầu đốt được cấp vào qua hệ thống vòi phun dầu. Không khí sau khi được gia nhiệt bằng hơi nước được cấp vào lò đốt thành 3 vùng khác nhau nhằm đạt hiệu quả đốt tối ưu. Dịch đen được phun thành tia nhỏ vào lò, được đốt cháy cùng dầu, các chất vô cơ nóng chảy (dịch đỏ) liên tục chảy qua máng thoát vào bể hòa tan 2. Dịch trắng loãng được bơm vào bể hòa tan để hòa kết hợp với dịch đỏ thành dịch xanh. Trong quá trình hòa tan, sinh ra hơi nước kéo theo các chất vô cơ, hơi này được ngưng tụ ở xyclon tách khí 5 và chảy trở lại bể trộn, lương khí không ngưng được thải bỏ. Dịch xanh từ bể hòa tan được đưa sang dây chuyền xút hóa. Lượng nhiệt do các chất hữu cơ trong dịch đen cháy tạo ra làm bay hơi nước trong đường ống feston, sinh ra hơi trong bao hơi 11, sau đó hơi nước được đưa sang hệ thống quá nhiệt hơi nước, hơi tạo ra có áp suất 8.4Mpa, nhiệt độ 480oC được đưa sang nhà máy điện, một phần đưa đi sản xuất. Lượng nước ngưng từ quá trình sản xuất được đưa về bể chứa nước ngưng 9 , sau đó được bơm tuần hoàn qua hệ thống gia nhiệt 10 và đi vào nồi hơi 8. Nước từ nồi hơi 8 được tuần hoàn với hệ thống ống sinh hơi của lò đốt và bao hơi 11. Phần III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NHIỆT LƯỢNG 3.1 Tính cân bằng vật chất. 3.1.1Tính tổng lượng chất khô đen đi đốt. Các số liệu ban đầu : 1,Hiệu suất nấu sunfat :48% so với NLKTĐ. 2,Khối lượng riêng của NL: 430 Kg/m3 3,Độ nén chặt:0,38 m3/m3 4,Nồng độ kiềm hoạt tính: 100 g/l. 5,Mức dùng kiềm :18%Na2O. 6,Độ sunfua :25%Na2S . 7,Modun nấu sunfat 1:4 . 8, Độ khử sunfat :92% . 9, Nồng độ dịch đen cho vào lò đốt 70% chọn tổn thất ở nấu rửa 10% . 3.1.2 Tính lượng NLKTĐ để sản xuất ra 1 tấn bột khô gió. -Lượng gỗ KTĐ để sản xuất thực tế chứa trong 1m3 nồi nấu. 430×0.38=163.4 Kg - Lượng sản phẩm KTĐ chứa trong 1m3 nồi. 163.4×48100=78.43 Kg Lượng sản phẩm Bột khô gió bằng: 78.430.88=89.125 Lượng gỗ KTĐ cần thiết nạp vào nồi để sản xuất ra 1 tấn Bột khô gió: 1000×163.489.125=1933.28 Kg gỗ KTĐ -Lượng dịch cần nạp vào nồi 1833,28x4 = 7333,12 kg Vậy lượng chất hữu cơ hoà tan khi nấu được 1 tấn Bột khô gió sẽ là: 100-4848×880=954 Kg -Lượng kiềm hoạt tính dùng cho nấu là: 10048×880×0.18=330 Kg Ta chọn hệ số chuyển đổi khối lượng kiềm hoạt tính từ đơn vị Na2O sang khối lượng muối vô cơ trong kiềm ở đơn vị riêng bằng 1,5. Do đó khối lượng chất khoáng có trong dịch đen/1 tấn Bột 330×1.5=495 Kg - tổng khối lượng chất khô (hữu cơ và vô cơ) là 495+954=1449 Kg 495+954=1449 kg Tỷ lệ vô cơ và hữu cơ có trong dịch đen : 495954=0.52 Tức là vô cơ chiếm 34,2% Hữu cơ chiếm 65,8% Lượng dịch còn lại sau giai đoạn nấu rửa là: 9333.12-0.1×7333.12=6599.8 Kg Do % mất mát ở các khâu là khá nhỏ vì vậy ta coi lượng chất khô mất mát là không đáng kể. Như vậy lượng dịch đi vào quá trình cô đặc là 6599,8 kg/tấn Bột. Do đó nồng độ % về khối lượng của dịch đen đi vào cô đặc bằng : 14496599.8×100%=21.95 % Nhiệm vụ của quá trình cô đặc là phải cô đặc tới 60% lượng chất khô. Với năng suất nhà máy là 220000 tấn/năm thì năng suất của dịch đen đem cô đặc trong 1 giờ sẽ bằng: 6599.8×220000330×24=193328.78Kg/h 330 là số ngày sản xuất trong 1 năm 24 là số giờ trong một ngày Lượng hơi nước thoát ra của toàn hệ thống tính theo công thức: W=Gd×1-XdXc Xd: Nồng độ chất khô ban đầu Xc: nồng độ chất khô cuối W=183327.78×1-21.9570=125841.43 Kg/h Lượng dịch đen ra khỏi quá trình cô đặc Gc=Gd-W=183327.78-125841.43=57486.35 Kg/h Lượng dịch tính theo 1 tấn Bột khô gió: 57486.35×24×330220000=2069.51 Kg/tấn bột khô gió Lượng chất khô ra khỏi quá trình cô đặc (Với hàm lượng chất khô 70%) là 2069.51×0.7=1448.65 Kg Bằng thực nghiệm người ta tính toán được rằng sau quá trình cô đặc thì lượng chất khô bị mất mát 5% Þ Lượng chất khô thực tế đem vào đốt là: 1448.65×0.95=1376.22Kgtấn bột khô gió 3.1.3 Thành phần khối lượng các chất trong dịch đen. Thực nghiệm người ta đã xác định thành phần các chất trong dịch đen và đã được đưa ra trong phần lý thuyết về đốt kiềm. Từ đó ta có thể đưa thành phần và khối lượng các chất theo bảng sau. Bảng 3.1 thành phần chất khô của dịch đen Phần hữu cơ Phần vô cơ Thành phần nguyên tố % Kg Thành phần nguyên tố % kg C 42 578 NaOH tự do 1,4 19,3 O 20 275,24 Na2CO3 4 55,05 Shữu cơ 1,6 22 Na2S 1,6 22,02 H 5 68,81 NaOH liên kết 23,4 322,04 Na2SO4 1 13,76 Tổng 68,6% 944,05 Tổng 31,4 432,17 *Lượng kiềm trong dịch đen: Tính bằng đơn vị Na2O là 19.3+322.04×6280+22.02×6278+55.05×62106+13.76×62142=320.25 Kg *Lượng S trong dịch đen: 22+22.02×3278+13.76×3214234.13 *Thành phần khối lượng các chất trong kiềm đỏ . Để xác định thành phần các chất trong kiềm đỏ ta phải tính từ thành phần kiềm trắng Lượng kiềm hoạt tính dùng cho quá trình nấu với mức dùng kiềm 18% so với NLKTĐ là 1833.28×0.18=330 Kg Na2O Trong đó Lượng NaOH : 330×100-25100=247.5 KgNa2O Lượng Na2S : 330-247.5=82.5 Kg Na2O Lượng Na2CO3: 247.5×100-8888=33.75 Kg Na2O Lượng Na2SO4: 82.5×100-9292=7.17 Kg Na2O Từ đây ta suy ra thành phần các chất trong kiềm đỏ Lượng Na2CO3 trong kiềm đỏ: 247.5×10680×0.88=288.59 Lượng Na2S trong kiềm đỏ : 82.5×0.92=75.9 Lượng Na2SO4 có trong kiềm đỏ bằng trong kiềm trắng = 7,17Kg Từ đó ta có tổng thành phần các chất trong kiềm đỏ 288.59+75.9+7.17=371.66 Kg Trong đó Na2CO3 chiếm : 288.59371.66×100%=77.65% Na2S chiếm : 75.9371.66×100%=20.42 % Na2SO4 chiếm 1,93% Đổi ra đơn vị riêng Na2CO3=288.59×10662=493.4 Kg Na2S=75.9×7862=95.49 Kg Na2SO4=7.17×14262=16.42 Kg Lượng S trong kiềm đỏ : 95.49×3278+16.42×32142=42.87 Kg So sánh với Na2O và S giữa dịch đen và kiềm đỏ ta thấy hàm lượng các chất trong kiềm đỏ lớn hơn trong dịch đen. Vì vậy để đảm bảo cho sự cân bằng thì trước khi vào đốt ta phải bổ xung 1 lượng Na2SO4 vào dịch đen. Từ bảng thành phần kiềm đỏ ta suy ra mức độ khử 20.4220.42+1.93×78142=95% Mất mát kiềm từ lò đốt ta chọn n=15% so với tổng khối lượng Na2O đi vào với dịch đen và sunfat bổ xung . Trong khối lượng mất mát có 20% lắng lại ở phễu tro, 70% nằm trong loc điện còn 10% mất mát vĩnh viễn 3.1.4 Lượng Na2SO4 cần bổ xung Ký hiệu A: Khối lượng Na2O trong dịch đen. B: Khối lượng Na2O trong kiềm đỏ. N: Khối lượng Na2O trong sunfat bổ xung. Khối lượng Na2O mất mát vĩnh viễn trong khói lò là: A+N×η100×1-m100 Phương trình cân bằng Na2O đối với lò đốt: A+N=B+A+N×η100×1-m100 Từ đó rút ra: N=B-A1-η100×1-m1001-η100×1-m100 Thay số ta có: N=371.66-320.251-15100×1-901001-15100×1-90100=57 Kg Na2O Theo đơn vị riêng 57×14262=130.7 KgNa2SO4tấnbột Trong thực tế Na2SO4 chỉ có độ tinh khiết 95% . Do vậy lượng Na2SO4 thực tế bổ xung bằng: 130.70.95=137.58 Kg Từ đây ta có thể tính được khối lượng Na2O đi ra khỏi lò đốt và khói lò sẽ là 320.25+57×0.15=56.58 Kg -Lượng mất mát vĩnh viễn : 56.58×0.1=5.66 Kg 3.1.5 Kiểm tra lại cân bằng Na2O + Đi vào cùng với dịch đen và sunfat bổ xung : 320.25+57=377.25 Kg + Đi ra với kiềm đỏ và mất mát : 371.66+5.66=377.25 Kg Từ giả thiết đi ra theo khói lò có 90% là NaSO4 và 10% là Na2CO3. Khi đó, ở phễu tro có Tổng khối lượng các chất bằng: 56.58×0.2 = 11.31 Kg Trong 11,31 kg này có10% là Na2CO3 và 90% là Na2SO4 tức là lượng Na2CO3 bằng: 11.31×0,1 =1.1 Kg Lượng Na2SO4 :10.21 kg. Tính theo đơn vị riêng Na2SO4=10.21×14262=23.38 Kg Na2CO3=1.1×=1.88 Kg Tổng = 25.26 Kg Ở lọc tĩnh điện :Tổng lượng các chất bằng: 56.58-5.66-11.31=39.61 Kg Na2O Trong đó: Na2CO3=39.61×0.1=3.96 Kg Na2O Na2SO4 = 35.65 kg Na2O Đổi ra đơn vị riêng: Na2CO3=3.96×10662=6.77 Kg Na2SO4=35.65×14262=81.65 kg Tổng: 88,42 kg *Đi ra theo ống khói có 5,66 kg trong đó có 0.566 kg Na2CO3 và 5.094 kg Na2SO4 theo Na2O Theo đơn vị riêng Na2CO3=0.566×10662=0.96 Kg Na2SO4=5.094×14262=11.67 Kg Tổng :12.63 Kg Tới đây ta có tất cả các số liệu ban đầu để tính toán tổng cân bằng vật chất của lò đốt: -Trong dịch đen có: 1376.22 kg chất khô và 1376.22×3070=589.8 Kg nước. Theo dây chuyền công nghệ, dịch đen sẽ trộn với tro lắng ở phễu tro và bụi kiềm ở lọc tĩnh điện. Như vậy, sau thiết bị khuấy trộn, lượng các chất vô cơ trong kiềm sẽ là: 432.17+130.7+25.26+88.42 = 676.55 Kg Tổng lượng chất khô là: 944.05+676.55 = 1620.6 Kg Hàm lượng các chất vô cơ tăng lên đến: 676.551620.6×100%=41.74% Hàm lượng chất khô bằng 1620.61620.6+589.8×100%=73.32% 3.1.6 Các phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình đốt. Trong quá trình đốt khi phun dịch đen thì các thành phần như NaOHtư do, Na2S và NaOHliên kết sẽ được cacbonat hóa hoàn toàn. 50% lượng H2S tạo ra khi cacbonathoa Na2S và Shc tạo thành SO2 .Quá trình tái sinh S, tức là chuyển nó từ thành phần có trong dịch đen về kiềm đỏ diễn ra do quá trình oxy hoa 1 phần SO2 chuyển thành SO3, sau đó sẽ tác dụng với Na2CO3 để tạo thành Na2SO4 .Trong tổng số thành phần cacbon được cháy sẽ có 3% C tạo thành CO. 1, Phản ứng cacbonat hoá xút 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O 2.40 44 106 18 Lượng NaOH đem đi phản ứng bằng NaOHliên kết+NaOHtự do=341.34 Kg Lượng CO2: 341.34×4480=187.74 Kg Lượng Na2CO3: 341.34×10680=252.27 Kg Lượng H2O 341.35×1880=76.8 Kg 2, Phản ứng cacbonat hoá sunfua Na2S + CO2 + H2O = Na2CO3 + H2S 78 44 18 106 34 Lượng Na2S tham gia phản ứng bằng lượng Na2S trong dịch đen = 22.02 Kg Lượng CO2 : 22.02×4478= 12.42 kg H2O : 22.02×1878=5.08 Kg Na2CO3 : 22.02×10678=29.92 Kg H2S : 22.02×3478=9.6 Kg 3, Phản ứng khử sunfat Na2SO4 + 2C = Na2S + CO2 142 2.12 78 2.44 Lượng Na2S có trong kiềm đỏ :95,49 kg Lượng các chất tham gia phản ứng: Na2SO4 : 95.49×14278=173.84 Kg C : 95.49×2478=29.38 Kg CO2 :95.49×4478=53.87 Kg 4, Phản ứng cháy không hoàn toàn 2C + O2 = 2CO 2.12 32 2.28 Lượng cacbon trong dịch đen : 578 kg Lượng C bị khử ở phản ứng 3 :29.38 kg Lượng C còn lại 548.62 kg Lượng cacbon chuyển thành CO, theo điều kiện là 3%: 548.62 × 0.03 = 16.46 kg Lượng O2 tham gia phản ứng :16.46×3224=21.94 Kg Lượng tạo thành : CO:16.46×5624=38.4 Kg 5, Phản ứng tạo thành CO2 của C C + O2 = CO2 12 32 44 Lượng tham gia phản ứng: C : 548.62 – 16.46 = 532.16 Kg O2:532.16×3212=1419.09 Kg Lượng tạo thành: CO2:632.16×4412=1951.25 Kg 6, Phản ứng cháy hyđro 2H2 + O2 = 2H2O 4 32 2.18 Lượng tham gia phản ứng: H2(có trong dịch đen): 68.81 kg 68.81×324=550.48 Kg Lượng tạo thành: H2O : 68.81×364619.29 Kg 4.7. phản ứng cháy S S + O2 = SO2 32 32 64 Lượng S tham gia phản ứng: Shc trong dịch đen = 22 Kg O2 :22×3232=22 Kg Tạo thành SO2 : 22×6432=44 Kg 8, Phản ứng cháy H2S 2H2S + 3O2 = SO2 + 2H2O 2.34 3.32 2.64 2.18 Lượng H2S tham gia phản ứng : 9.6×0.6=4.8 Kg O2 :4.8×3234=6.78 Kg Tạo thành: SO2 : 4.8×6434=9.03 Kg H2O : 4.8×1834=2.54 Kg 9, Phản ứng tạo thành Na2SO4 2SO2 + O2 + 2Na2CO3 = 2Na2SO4 + 2CO2 2.64 32 2.106 2.142 2.44 Lượng Na2SO4 gồm có + Trong kiềm đỏ, mất mát vĩnh viễn và bị khử về sunfua 16.42 + 11.67 + 173.84 = 201.93 Kg + Trong dịch đen và lượng bổ xung: 13.76 +130.7 = 144.46 Kg + Lượng tạo ra do phản ứng trên: 201.93 – 144.46 =57.47 Kg SO2 : 57.47×64142=25.9 Kg O2 : 57.47×322×142=6.47 Kg + Lượng Na2CO3: 57.47×106142=42.9 Kg + Lượng CO2 :57.47×44142=17.8 Kg 3.1.7 Kiểm tra cân bằng. 1, Kiểm tra lượng Na2CO3 -Lượng vào = lượng có trong dịch đen, lượng sinh ra do các phản ứng (1) và (2) và bằng : 55.05 + 452.27 +29.92 = 537.24 Kg -Lượng ra = lượng có trong kiềm đỏ, mất mát và lượng chi phí cho phản ứng (9) bằng : 493.4 + 0.96 +42.9 = 537.24 kg Như vậy tính toán trên là đúng ! 2, Kiểm tra cân bằng S - Tổng lượng vào = lượng S có trong dịch đen và sunfat bổ xung bằng: 34.13 + 130.7× = 63.58 kg - Lượng ra = lượng ra của kiềm đỏ và lượng mất mát +ở dạng SO2 : tức là = lượng ra ở phản ứng (7) cộng ra ở phản ứng (8 ) trừ đi tham gia phản ứng (9) và bằng : ( 44 + 9.03 - 25.9)× = 13.56 kg ở dạng H2S bằng lượng vào phản ứng (2) trừ ra phản ứng (8) Bằng (9.6 – 4.,8)× =4.,52 kg +ở dạng Na2SO4 : chính bằng lượng mất mát: 11.67× =2.63 kg Như vậy tổng lượng S bị mất mát bằng 13.56 + 4.52 +2.63 = 20.71 kg -Tổng lượng ra = 42.78 + 20.,71 = 63.,58 kg Như vậy cân bằng S cũng đúng 3.1.8 Kiểm tra lượng oxy tiêu hao cho các phản ứng 4,5,6,7,8,9 21.94+1419.09+550.48+22 +6.78+6.47= 2026.76 kg 3.1.9 Lượng oxy theo lý thuyết : Bằng lượng oxy tiêu hao trừ đi lượng oxy có sẵn trong dịch đen: 2026.76-275.24 = 1751.52 kg Tiêu thụ không khí theo lý thuyết. 1751.52×=8340.57 kg Hay bằng: 8340.571376.22 =6.06 kg không khí/kg chất khô Ta chọn hệ số dư không khí =1.2 .Khi đó lượng không khí tiêu thụ thực tế bằng : 8340.57×1.2 = 10008.68 kg Trong đó O2 chiếm: 10008.68×0.21 = 2101.82 kg N2 chiếm: 7906.86 kg (bỏ qua lượng nước trong không khí) 3.1.10 Thành phần khí ra khỏi lò đốt. Để tính toán thành phần khí ra khỏi lò đốt ta cần sử dụng khối lượng riêng các thành phần ở t0 tiêu chuẩn(0oc, 760 mmHg) ở đơn vị kg/Nm3 như sau: H2O (hơi nước) 0.8 H2S 1.52 CO 1.25 CO2 1.98 SO2 2.93 N2 1.25 O2 1.43 Bảng 3.1.2 thành phần thể tích khí khô và khí ẩm Cấu tử Không khí ẩm Không khí khô Thành phần khối lượng Thành phần thể tích Thành phần khối lượng Thành phần thể tích Kg/tấn Xenlulô % Nm3/tấn Xenlulô % Kg/tấn Xenlulô % Nm3/tấn Xenlulô % H2O 1611,03 13,69 2013,78 21,09 H2S 4,8 0,04 3,16 0,033 4,8 0,047 3,16 0,042 CO 38,4 0,33 30,72 0,32 38,4 0,378 30,72 0,4 CO2 1822,76 15,5 920,58 9,64 1822,76 17,96 920,58 12,22 SO2 27,13 0,23 9,26 0,097 27,13 0,267 9,26 0,123 N2 7906,86 67,23 6325,49 66,25 7906,86 77,898 6325,49 83,96 O2 350,3 2,98 244,96 2,57 350,3 3,45 244,96 3,25 Tổng 11761,28 100 9547,96 100 10150,25 100 7534,18 100 Bảng 3.1.3 Tổng kết cân bằng vật chất lò đốt kiềm, lượng vào Các cấu tử Lượng vào, kg/ tấn bột Tổng Với dịch đen đặc Với sunfat Với trô Với bụi thu hồi Với không khí Lượng sinh ra từ các phản ứng hh 2NaOH+CO=Na2CO3+H2O Na2S+CO2+H2O=Na2CO3+H2S Na2SO4+2C=Na2S+2CO2 2C+O2=2CO C+O2=CO2 2H2+O2=2H2O S+O2=SO2 2H2S+3O2=2SO2+2H2O 2SO2+O2+Na2CO3=2Na2SO4+2CO2 C 578 578 H2 68,81 68,81 O2 275,24 2101,82 2377,06 SH.C 22 22 NaOH 341,34 341,34 Na2S 22,02 95,49 117,51 Na2CO3 55,05 1,88 6,77 452,27 29,92 545,89 Na2SO4 13,76 130,7 23,38 81,65 57,47 306,96 H2O 917,48 76,8 619,29 2,54 1616,11 H2S 9,6 9,6 CO 38,4 38,4 CO2 53,87 1951,25 17,8 2022,92 SO2 44 9,03 53,03 N2 7906,86 7906,86 Tổng 2293,7 130,7 25,26 88,42 10008,68 529,07 39,52 149,36 38,4 1951,25 619,29 44 11,57 75,27 16004,49 Bảng 3.1.4 Bảng cân bằng vật chất lò đốt kiềm, lượng ra Các cấu tử Lượng ra, kg/ tấn bột Tổng Với kiềm đỏ Với tro Với bụi thu hồi Mất mát vinh viễn Với không khí Lượng sinh ra từ các phản ứng hh 2NaOH+CO=Na2CO3+H2O Na2S+CO2+H2O=Na2CO3+H2S Na2SO4+2C=Na2S+2CO2 2C+O2=2CO C+O2=CO2 2H2+O2=2H2O S+O2=SO2 2H2S+3O2=2SO2+2H2O 2SO2+O2+Na2CO3=2Na2SO4+2CO2 C 29,38 16,46 532,16 578 H2 68,81 68,81 O2 350,3 21,94 1419,09 550,48 22 6,78 6,47 2377,06 SH.C 22 22 NaOH 341,34 341,34 Na2S 95,49 22,02 117,51 Na2CO3 493,4 1,88 6,77 0,96 42,9 545,91 Na2SO4 16,42 23,28 81,65 11,67 173,84 306,96 H2O 1611,03 5,08 1616,11 H2S 4,8 4,8 9,6 CO 38,4 38,4 CO2 1822,76 187,74 12,42 17,8 2022,92 SO2 27,13 44 25,9 53,03 N2 7906,86 7906,86 Tổng 605,31 25,26 88,42 12,63 11761,28 529,08 39,52 203,22 38,4 1951,25 619,29 44 11,58 75,27 16004,51 3.2 Tính cân bằng nhiệt lượng Điều kiện ban dầu: Tính toán cho 1 tấn bột khô gió Bề mặt truyền nhiệt của lò, m2 Buồng đốt: 640 Thiết bị sinh hơi quá nhiệt: 2708 Bề mặt nồi hơi: 4860 Bề mặt của thiết bị sinh hơi tiết kiệm: 13500 Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt: 21708 Nhiệt dung riêng, kcal/kg 0C: Hỗn hợp dịch đen: 0,65 Không khí khô: 0,24 Kiềm đỏ: 0,27 Hơi nước quá nhiệt: 0,46 Khí lò khô: 0,23 Nhiệt hoá lỏng, kcal/kg Cacbonat natri: 85,5 Na2S 14,8 Na2SO4 61,5 Nhiệt độ, 0C Hỗn hợp kiềm, tro: 100 Không khí sau đốt nóng vào lò đốt: 30 Kiềm đỏ ra khỏi lò: 850 Khí sau các thiết bị thu hồi nhiệt: 150 Nước cấp cho nồi hơi: 100 Thành ngoài lò: 80 Không khí trong nhà: 20 Lượng các chất vào lò, kg Dịch đen: Lượng chất khô trong kiềm trước khi đốt cộng với lượng nước trong kiềm:1376.22 +917.48 =2293.7 kg Không khí nóng: 10008.68 kg Chất khô của dịch đen: 1376.22 kg Kiềm đỏ: 605.31 kg Lượng sunfat bổ xung 130.7 kg 3.2.1 Tính toán lượng nhiệt vào cân bằng. 3.2.1.1Nhiệt vật lý của dịch đen và sunfat bổ xung kcal Q1= (2293.7 +130.7)×0.65×100 = 157586 3.2.1.2 Nhiệt vật lý của không khí khô, kcal Q2= m3c2t2=10008.68×0.24×130=312270.82 3.2.1.3 Nhiệt cháy chất khô của dịch đen, kcal Q3 = 3850×m4 m4 khối lượng chất khô, kg 3850: Nhiệt sinh ra khi đốt cháy 1kg chất khô, kcal Q3 = 3850×1376.22 = 5298447 3.2.1.4.Tổng lượng nhiệt vào, kcal Qv = Q1 + Q2 + Q3 Qv = 5768303.82 (kcal) 3.2.2 Tính toán lượng nhiệt ra khỏi lò. 3.2.2.1 Nhiệt tiêu hao để bay hơi nước và đốt hơi quá nhiệt, kcal Q4 = Gnước ×[540 + (150-100)×0.46 ] r t1 t2 c Q4= 1611.03×[540 +150-100×0.46] =907009.89 3.2.2.2 Nhiệt vật lý của kiềm đỏ, kcal Q5 = 605.31×0.27×850 = 138918.64 3.2.2.3 Nhiệt cung cấp cho đốt nóng chảy các muối vô cơ, kcal Q6 = 493.4×85.5 + 95.49× 14.8 + 16.42×61.5 = 44608.78 kcal 3.2.2.4 Nhiệt tiêu hao cho phản ứng khử sunfat Theo lý thuyết lượng nhiệt này =1700 Kcal/kg Tuy nhiên khi tính toán cần tính theo khối lượng sunfat Q7= 95.49×1700×14278 = 295529.3 3.2.2.5 Nhiệt cung cấp cho phản ứng tạo ra CO, kcal (phản ứng cháy không hoàn toàn). Mất mát nhiệt do cháy không hoàn toàn, theo lý thuyết cứ 1 kg cacbon khi cháy đến CO sẽ mất đi 5636 kcal Q8 = 5636×16.46 = 92768.56 3.2.2.6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, kcal (Tiêu hao nhiệt do bức xạ của lò đốt và nồi hơi) Q9= F×(t1-t2) = 21708×15×(80-20) = 19537200 Hệ số truyền nhiệt từ thành lò ra không khí bên ngoài chọn a = 15 kcal/m2.h.0C, với công suất của lò đốt là 917.34 tấn chất khô/ ngày đêm, Vậy mất mát nhiệt trên 1 tấn bột sẽ là: Q9 = 19537200×24917.34 = 511143.96 3.2.2.7 Nhiệt theo không khí khô đi vào đường ống, kcal Q10 = m×c×t = 10150.25×0.23×50 = 350183.63 3.2.2.8 Nhiệt do hệ thống nồi hơi hấp thụ, kcal Nhiệt sử dụng để sản xuất hơi nước trong nồi hơi tính theo công thức: Q11 = Qv - Q’ Trong đó: Q’ = Q4 + Q5 + Q6 + Q7 + Q8 + Q9 + Q10=2340162.76 → Q11= 3428141.06 3.2.2.9 khối lượng hơi nước thu được, kg Chọn các thông số của hơi nước là: Áp suất 8400.0000 kPa (8.4 Mpa) Nhiệt độ 480.0000 C Enthalpy 3344.3868 kJ/kg Ẩn nhiệt 3023.2661 kJ/kg ~ 722.267 kcal/kg Với nhiệt độ của nước cấp cho nồi hơi là 100 0C. Vậy khối lượng hơi nước thu được sẽ là: 3428140.06722.267-100×1=5509.11Kgtấnbột 3.2.3 Tính toán hiệu suất nhiệt. 3.2.3.1 Hiệu suất nhiệt kỹ thuật: hKT = Q1×100%Q3 = 3428141.06×100%5298447 = 64.7% 3.2.3.2 Hiệu suất nhiệt công nghệ hCN = (Q4 + Q5 + Q6+ Q7 +Q11 )100%Q3 = 90.08% Các thông số K,P,D trên còn phải trừ đi lượng nhiệt dùng để đốt nóng dịch đen và không khí Tiêu hao nhiệt để đốt nóng hỗn hợp dịch đen từ 800C đến 1000C Q’0 = (2293.7 +130.7)×0.65×(100 - 80) = 31517.2 kcal Nhiệt tiêu hao để đốt nóng không khí từ 200C đến 1300C Q”0 = 10008.68×0.24×(130 - 20) = 264229.15 kcal Tổng tiêu hao nhiệt để đốt nóng kiềm và không khí Q0 = Q’0 + Q”0 =295746.35 kcal Vậy lượng nhiệt này sẽ làm giảm lượng nhiệt để sinh hơi và như vậy: +Hiệu suất nhiệt kỹ thuật thực tế chỉ còn là: hKT = 3428141.06-295746.355298447×100%=59.11 % +Hiệu suất nhiệt công nghệ thực tế chỉ còn là: hCN =(Q4 + Q5 +Q6 + Q7 + Q11 – Q0)×100%Q3= 85,27% Bảng 3.2.1 Tổng kết cân bằng nhiệt lượng Các giai đoạn nhiệt vào và ra Khối lượng nhiệt trên 1 tấn bột Kcal % Vào Nhiệt vật lý của hỗn hợp dịch đen và sunfat bổ xung 157586 2,73 Nhiệt vật lý của không khí khô 312270,82 5,41 Nhiệt cháy các chất khô của kiềm 5298447 91,86 Tổng 5768303,82 100% Ra Nhiệt bay hơi nước và đốt hơi nước quá nhiệt 907009,89 15,72 Nhiệt vật lý của kiềm đỏ 138918,64 2,4 Nhiệt khử sunfat 295529,3 5,12 Nhiệt làm nóng chảy kiềm đỏ 44608,78 0,77 Nhiệt cháy không hoàn toàn 92768,56 1,6 Nhiệt bức xạ 511143.96 6,45 Nhiệt vật lý của khói lò khô 350183,63 6,1 Nhiệt sinh hơi nước 3428141.06 61,84 Tổng 5768303,82 100% Phần IV: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHÍNH Thiết bị chính. Từ phần tính cân bằng vật chất của quá trình đốt kiềm, ta có số liệu về lượng chất khô trong dịch đen mang đốt là: 1.376 tấn chất khô/ tấn bột. Khối lượng sản phẩm Bột nấu ra trong một ngày đêm bằng 220000330 = 666,67 tấn/ ngày đêm Như vậy lượng chất khô thực tế đem đốt trong một ngày đêm là: 1.376 × 666.67 = 917.34 tấn chất khô/ngày đêm. 4.2 Thiết bị phụ. Bunke sunfat. Thể tích: 50 m3 Công suất động cơ vít tải: 0.75 Kw Bể trộn sunfat. Kích thước: ϕ5.5 x H3.6 (m). Công suất cánh khuấy: 2000kW. Lọc tĩnh điện Hiệu quả làm sạch 98 % Hàm lượng bụi trước khi vào: 40 – 75 Kg/ tấn chất khô. Nồng độ bụi sau lọc tĩnh điện 0.25-0.3 kg/m3 khí. Lượng khói ra: 220.000 m3/h nhiệt độ: 125o C Điện thế sử dụng: A/KV : 1.2/72 KV. Công suất vận hành: 100KW Kích thước: 20.16x10.18x17.75 (m) Ta chọn lò đốt thu hồi của hãng ABB, CPK1400 có các thông số kỹ thuật sau: Thông số kỹ thuật Giá trị Năng suất 1540 tấn/ ngày đêm Năng suất theo tính toán 1400 tấn/ngày đêm Mức nước 6 m Chiều rộng buồng đốt 6 m Chiều cao buồng đốt 9.946 m Mức nước trong buồng đốt 9.946 m Diện tích đáy buồng đốt 98 m2 Thể tích hiệu dụng của buồng đốt 1910 m 3 Tải trọng đáy 15.3 tấn/m2/ngày Hiệu ứng nhiệt của đáy buồng đốt 12.017x106 Kj/m3.h Hiệu ứng nhiệt của buồng đốt 494x103 Kj/m3.h Đường kính ống vách 60.3 mm Chiều dày ống vách 5 mm Khoáng các các ống vách 61 mm Tổng bề mặt trao đổi nhiệt vách ống 640 m2 Đường kính ống feston 51 mm Chiều dày ống feston 4.5 mm Khoáng cách các ống feston theo chiều ngang 434 mm Diện tích trao đổi nhiệt ống feston 377 m2 Đường kính thiết bị quá nhiệt hơi 40.3 mm (hoặc 50.8mm) Khoáng cách các ống theo chiều ngang của tb quá nhiệt hơi 217 mm (hoặc 434 mm) Bề mặt đốt nóng của thiết bị quá nhiệt hơi 2708 m2 Đường chùm ống đối lưu 60.3 mm Khoáng cách ngang chùm ống đối lưu 124 mm Khoáng cách dọc chùm ống đối lưu 124 mm Tổng bề mặt trao đổi nhiệt chùm ống đối lưu 4860 m2 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt với khói lò 13500 m2 Số lượng vòi phun dịch 4 vòi Chiều cao phân bố các ống cấp khí Cấp1 1 m Cấp 2 6 m Cấp 3 m 4.2 Thiết bị phụ. Bunke sunfat. Thể tích: 50 m3 Công suất động cơ vít tải: 0.75 Kw Bể trộn sunfat. Kích thước: ϕ5.5 x H3.6 (m). Công suất cánh khuấy: 2000kW. Lọc tĩnh điện Hiệu quả làm sạch 98 % Hàm lượng bụi trước khi vào: 40 – 75 Kg/ tấn chất khô. Nồng độ bụi sau lọc tĩnh điện 0.25-0.3 kg/m3 khí. Lượng khói ra: 220.000 m3/h nhiệt độ: 125o C Điện thế sử dụng: A/KV : 1.2/72 KV. Công suất vận hành: 100KW Kích thước: 20.16x10.18x17.75 (m) KẾT LUẬN Sau 3 tuần làm đồ án môn học, chúng em đã được làm quen với các phương pháp tra cứu tài liệu, tổng hợp kiến thức đã học, tiếp cận với kiến thức mới, trình bày bản vẽ kỹ thuật.. đây là những kỹ năng rất cần thiết cho một kỹ sư trước khi bước vào làm việc ở các nhà máy, xí nghiệp. Nộ dung đồ án môn học của em về phần thu hồi hóa chất, cụ thể là công đoạn đốt dịch đen. Đây là một lĩnh vực không mới mẻ trên thế giới nhưng ở nước ta lại đang là vấn đề nan giản, bởi những tác động của nhà máy giấy đến môi trường là rát lớn nếu nước thải không được xử lý. Vì vậy tìm hiểu về lĩnh vực này sẽ là một phần rất quan trong đối với mỗi sinh viên, riêng em thấy rất lí thú và bổ ích. Trong quá trình làm đồ án, em đã cố gắng làm tốt nhất có thê, tuy nhiên không tránh khỏi còn những thiếu sót, vì vậy sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Bộtza và Giấy là vô cùng quý báu đối với chúng em. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án môn học. Đặc biệt là thầy Lê Quang Diễn đã trực tiêp hướng dẫn em hoàn thành đồ án này! TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Doãn Thái Hòa – Bảo vệ môi trường trong công nghiệp bột giấy và giấy – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, 2005. 2. Doãn Thái Hòa – Thiết Bị Ngành Giấy, Tập 1 & 2, NBX Khoa Học và Kỹ Thuật, 2010 4. J.Gullichsen. Paper Making Science and Technology. Book 6B. Fapet.CO.1999. 5. Nhiều Tác Giả - Sổ tay Quá Trình Thiết Bị và Công Nghệ Hóa Chất tập 1, NBX Khoa Học và Kỹ Thuật,2003