Tác giả: Jeff Shelton, Công ty BD Heat and Dracyon
Đăng trên Tạp chí Wolrd Cement số tháng 10/2023, Tr.60-67
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.
Trong bài viết này, Jeff Shelton, Công ty BD Heat and Dracyon, chứng minh tại sao ngăn ngừa tích tụ liệu lại quan trọng để các hệ thống SCR có thể xử lý vấn đề phát thải NOx trong ngành xi măng.
Trong thế giới ngày nay, bất kể ngành nào, các quy định về phát thải đang ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Trong ngành xi măng, đang nỗ lực giảm lượng phát thải NOx. Các nhà máy hiện đang xem xét sử dụng hệ thống khử giảm xúc tác có lựa chọn (SCR) để hoàn thành nhiệm vụ này. Khi được thiết kế và vận hành hợp lý, hệ thống SCR có thể giảm thiểu lượng phát thải NOx lên tới 97%.
Hệ thống SCR là một thiết bị bổ trợ phun chất thử phản ứng như amoniac hoặc urê, vào dòng khí với sự có mặt của chất xúc tác để kích hoạt một phản ứng hóa học. Ở nhiệt độ thích hợp (570 – 750oF), chất thử phản ứng và chất xúc tác biến đổi NOx thành khí ni-tơ và nước.
Urê + 2NO + 1/2O2 → 2N2 + 3H2O, hoặc
2NH3 + 2NO + 1/2O2 → 2N2 + 3H2O
Các hệ thống SCR đã được sử dụng thành công trong các ngành công nghiệp khác nhau trong nhiều năm. Ở Mỹ, chúng thường được lắp đặt trong các ngành điện, công nghiệp, dầu mỏ, khí đốt, và hóa dầu. Việc sử dụng các hệ thống SCR ở Mỹ để kiểm soát lượng phát thải NOx trong ngành xi măng là không phổ biến. Tuy nhiên, ở Châu Âu và Trung Quốc, các hệ thống SCR thường được sử dụng hơn trong các nhà máy xi măng để giảm thiểu ô nhiễm NOx.
Nỗ lực toàn cầu nhằm giảm thiểu lượng phát thải NOx
Các quy định về chất gây ô nhiễm nguy hại NOx đang ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn trên toàn cầu. Có lẽ ví dụ điển hình nhất là ‘Quy định về Hàng xóm Tốt’ mới được thông qua ở Mỹ. Quy định này đã đặt ra các mục tiêu và chỉ tiêu cụ thể về phát thải NOx nghiêm ngặt hơn ở 23 bang. Quy định này đặc biệt giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí vượt qua ranh giới các bang và ảnh hưởng tới các bang lân cận. Người ta tin rằng các quy định phát thải mới nghiêm ngặt hơn sẽ làm tăng chi phí sản xuất xi măng và đưa ra những thách thức vận hành. Để tuân thủ các quy định mới này, các thiết bị khử giảm NOx mới dự kiến sẽ cần thiết.
Giải pháp được chứng minh tốt nhất là bổ sung thêm hệ thống SCR. Rất nhiều nhà máy đã sử dụng các hệ thống SNCR để khử giảm phát thải NOx, tuy nhiên lại chưa đạt được hiệu quả theo các quy định mới. Các hệ thống SCR mới trong ngành xi măng có thể khử giảm lượng phát thải NOx tới 90% và trong một số trường hợp tới 97%.
Rất nhiều hệ thống SCR được lắp đặt trong ngành xi măng đã gặp phải vấn đề tích tụ làm giảm bớt khả năng khử giảm NOx và thời gian vận hành. Tích tụ là một thách thức có thể khắc phục được.
Tích tụ như đã chỉ ra ở Hình 1 ngăn cản chất thử phản ứng tiếp xúc với chất xúc tác và có tác động lớn tới việc khử giảm NOx và độ sụt áp suất trên toàn hệ thống. Không có gì lạ khi các nhà máy bị buộc phải dừng hoạt động để vệ sinh thủ công hệ thống SCR.
Như đã chỉ ra ở phía trên cùng Hình 1 là thanh gạt làm sạch. Hệ thống này vận hành liên tục và cần có một bể chứa ống nồi hơi phía trước hệ thống để làm nóng không khí. Đây là một hệ thống đắt tiền và hoạt động không đáng tin cậy và trong hầu hết các trường hợp không làm sạch được chất xúc tác. Thực vậy, nó đã được chứng minh là gây cản trở mạnh chất xúc tác.
Các kiểu hệ thống này đã không giữ được bộ SCR khỏi bị tích tụ liệu và thường là nguyên nhân gây tổn hại chất xúc tác. Tích tụ liệu là một trong những thách thức lớn nhất trong quá trình vận hành hiệu quả hệ thống SCR ở các nhà máy xi măng. Các tích tụ cách đều nhau trên toàn bộ lò phản ứng thường là dấu hiệu cho thấy vận tốc dòng khí là quá thấp. Lò phản ứng này được bố trí phía sau buồng túi lọc đã được dự kiến sẽ không bị tích tụ liệu.
Tránh để xảy ra tích tụ
Trong một nỗ lực nhằm trách được sự tích tụ, một số nhà máy xi măng đã lựa chọn lắp đặt các hệ thống SCR mới vào vị phí phía sạch (ít bụi). Đây là vị trí ở phía sau buồng túi lọc hoặc Lọc bụi tĩnh điện (ESP). Vị trí này gặp phải những thức về nhiệt độ (để có hiệu quả cần phải có nhiệt độ nhất định). Trong rất nhiều ứng dụng thấp bụi, nhiệt độ của khí thải giảm xuống dưới mức được yêu cầu đối với hệ thống SCR để đạt được hiệu quả và phải được làm nóng lên. Sự tích tụ xảy ra ở vị trí này ảnh hưởng tới quá trình vận hành hệ thống SCR vì bụi xi măng có xu hướng bết dính. Loại tích tụ này thường xảy ra trong các ứng dụng công nghiệp khác và có thể khống chế được bằng dòng khí phù hợp, hệ thống phối trộn, và hệ thống làm sạch phù hợp có sử dụng những lượng chất xúc tác hợp lý.
Nhìn chung, những lợi ích khi sử dụng hệ thống SCR để kiểm soát NOx bao gồm như sau:
►Khả năng khử giảm NOx cao. Hệ thống SCR có thể loại bỏ tới 95% lượng phát thải NOx.
►Có thể trang bị thêm cho các nhà máy hiện tại.
►Chi phí vận hành thấp và khả năng duy trì hoạt động liên tục cho nhà máy. Điều quan trọng đối với bất kỳ hệ thống SCR nào đó là chi phí vận hành càng thấp càng tốt và duy trì nhà máy hoạt động liên tục.
►Một trong những ưu điểm lớn nhất của một SCR phía sạch đó là hệ thống có thể được lắp đặt trong khi lò nung vẫn đang hoạt động. Dừng hoạt động chỉ được yêu cầu để thực hiện đấu nối hoàn thiện với đường ống dẫn hiện có. Việc giảm bớt thời gian dừng hoạt động sẽ giảm bớt sự thất thoát doanh thu và lợi nhuận cho chủ đầu tư. Ngoài ra, SCR phía sạch có thể được thiết kế tách riêng biệt khỏi lò nung để cho phép tiến hành vệ sinh hoặc sửa chữa, trong khi vẫn duy trì lò hoạt động.
Chìa khóa cho các ứng dụng thành công hệ thống SCR là Nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) bộ SCR phải xử lý và cung cấp như sau:
► Hệ thống phối trộn và lưu lượng khí tốt .
► Hệ thống làm sạch phù hợp.
► Chất xúc tác chống lại sự tích tụ và không bị tích tụ trong nhiều năm.
Hai công ty (BD Heat và Dracyon Corp) với nhiều năm kinh nghiệm về SCR có thể cung cấp hệ thống SCR hiệu quả và tin cậy được cho ngành xi măng, do đó cung cấp một hệ thống khử giảm NOx không bị tích tụ và có hiệu suất khử giảm NOx cao. BD Heat đã nhiều năm cung cấp các hệ thống SCR cho ngành hóa dầu, công nghiệp, và các thị trường dầu mỏ và khí đốt. Công ty đã lắp đặt hàng chục hệ thống SCR trên khắp thế giới, với nhiều hệ thống khác được đưa vào hoạt động mỗi năm. Các hệ thống này áp dụng phun trực tiếp amoniac dạng khan hoặc ngậm nước vào trong khí thải. Việc phun này được thực hiện ở phía đầu lớp xúc tác.
Việc sử dụng các thiết bị điều biến dòng chảy như các thiết bị phối trộn tạo dòng xoáy cho phép phân bố đều lại NOx và chất thử phản ứng trong khí thải, không tính đến sự phức tạp của đường ống dẫn. Thiết kế của bị phối trộn tạo dòng xoáy được biết đến và sử dụng trong các môi trường nhiều bụi trong ngành điện. Hệ thống được cấp bằng sáng chế này đã nhiều lần được chứng minh là một thiết bị quan trọng giúp loại bỏ tích tụ trong các hệ thống SCR và mang lại khả năng khử giảm NOx cao. Các đặc điểm này giúp đảm bảo rằng hiệu suất của thiết bị đã nêu đáp ứng các nhu cầu cụ thể của dự án, bất kể ứng dụng hoặc yêu cầu khử giảm của vị trí đó. Mỗi thành phần của hệ thống được thử nghiệm rộng rãi về dòng chảy để đảm bảo rằng sau khi lắp đặt, thiết bị sẽ hoạt động đúng như thiết kế. Vì vậy, hệ thống SCR của Bộ phận Thu hồi Nhiệt BD có thể đạt hiệu suất tới 97% trong lò phản ứng đơn lẻ.
Trước đây, BD Heat đã sử dụng Umicore làm nhà cung cấp chất xúc tác của mình. Umicore là một trong công ty cung cấp hàng đầu chất xúc tác trên thế giới. Các ứng dụng bao gồm ngành điện, hóa dầu, công nghiệp, và các thị trường dầu mỏ và khí đốt và bao gồm cả các ứng dụng ít bụi và nhiều bụi. Trong các ứng dụng xi măng, trong hầu hết các trường hợp, chất xúc tác là chất xúc tác Vanadi-Vonfram-Titan được gia cường bằng sợi. Chất xúc tác này có sẵn trong một phiên bản có tường vách dày 0,4 mm. Chất xúc tác DNX-LD có thể được tối ưu hóa để đáp ứng các điều kiện vận hành cụ thể bằng cách thay đổi các thành phần hiệu dụng của chất xúc tác, kích thước bước lỗ, và độ dày tường vách để đạt được hiệu suất mong muốn.
Umicore có kinh nghiệm về xi măng, cùng với việc thử nghiệm rộng rãi trong phòng thí nghiệm, đã chứng minh độ hoạt tính chất xúc tác DNX-LD được duy trì trong một thời gian vận hành lâu dài trong một loạt các ứng dụng.
Việc kết hợp các đặc điểm trên của chất xúc tác DNX-LD đảm bảo tuổi thọ hoạt động lâu dài, không gặp sự cố. Điều này được chuyển đổi trực tiếp thành chi phí vận hành và chất xúc tác được giảm thiểu và do đó đảm bảo được giá trị vượt trội và dễ dàng vận hành. Tuổi thọ hoạt động lâu dài cùng với độ sụt áp suất thấp khiến cho chất xúc tác DNX-LD trở nên rất hiệu quả về kinh tế cho vận hành.
Dracyon Corp đã có nhiều năm kinh nghiệm trong ngành xi măng nhờ làm việc cùng với Air Cannons để xử lý các vấn đề tích tụ. Nhân viên của công ty đã sử dụng súng bắn khí để loại bỏ nhiều loại tích tụ khác nhau trong ngành xi măng.
Các nhân viên này cũng chịu trách nhiệm về sử dụng súng bắn khí để xử lý các vấn đề tích tụ ở thiết bị SCR trong các ngành công nghiệp khác.
Các nhân viên này cùng với Dracyon Corp đã chủ động trong việc nâng cao hoạt động trong nhiều hệ thống SCR trong ngành công nghiệp bao gồm cả kinh nghiệm trong ngành xi măng.
Giải pháp tiếp cận của Dracyon Corp để làm sạch các SCR như sau:
► Không cho phép các hạt lớn hơn khe hở bước lỗ của chất xúc tác để đạt tới chất xúc tác. Điều này sẽ gây tắc nghẽn dòng khí.
► Các hạt to này phải được chặn lại bằng một màng lọc và được nổ thành những mảnh vụn hơn bằng súng bắn khí. Các hạt này phải nhỏ hơn lỗ hở màng lọc trước khi được phép đưa tới chất xúc tác. Bất kỳ hạt nào gặp chất xúc tác đều phải nhỏ hơn bước lỗ mà sẽ cho phép nó đi qua.
► Bất cứ khi nào có thể hãy lắp còi âm thanh. Còi âm thành tạo ra sóng âm thanh năng lượng cao, có tần suất thấp khiến cho các hạt rung động. Còi âm thanh là một giải pháp có chi phí thấp cho làm sạch bổ sung.
Kết luận
Tích tụ sẽ khác nhau ở mỗi hệ thống SCR trong nhà máy xi măng do hỗn hợp nhiên liệu được sử dụng bởi nhà máy đó. Phải hết sức chú ý đến việc đánh giá nhiên liệu và các hạt tạo thành. Chìa khóa để thành công chính là hệ thống phối trộn và dòng khí của BD Heat mà đã được chứng minh là hiệu quả. Khi người vận hành có được dòng chảy phù hợp, thì khi đó họ sẽ cần phải bảo vệ chất xúc tác không bị tích tụ. Một hệ thống làm sạch hiệu quả bằng chất xúc tác phù hợp là cần thiết.
