活性炭吸附設(shè)備流場分析優(yōu)化與應(yīng)用

林滔

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司 福建龍巖 364000）

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，能源利用與工業(yè)活動高度活躍，導(dǎo)致大量污染物排放于大氣中，而揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是典型污染物之一，對人體健康、局部空氣質(zhì)量、區(qū)域性大氣復(fù)合污染有著重要的影響［1］。目前，針對VOCs 的處理技術(shù)，主要有冷凝法、吸附法、膜分離法、燃燒法、生物法等，而活性炭吸附法作為當(dāng)前成熟的工藝，具有較好的VOCs 吸附性能，適用于中低濃度、高通量的VOCs廢氣治理，具有去除效率高、能耗低、易于推廣的特點［2］。然而，在VOCs 治理工程中的活性炭吸附設(shè)備內(nèi)部，流場分布不均影響吸附劑有效接觸面積及穿透曲線，直接影響VOCs 的吸附效率。為此，有必要針對VOCs 廢氣治理設(shè)備內(nèi)部的流場進行研究。

現(xiàn)有針對吸附設(shè)備的流場研究分析，主要集中在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣體分布裝置對設(shè)備內(nèi)部流場的影響。在設(shè)備結(jié)構(gòu)方面，徐攀等［3］研究了在吸附和解吸2 種工況下吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸附性能之間的影響關(guān)系，并獲得可用于指導(dǎo)設(shè)計制造的擬合關(guān)聯(lián)式。芮道哲等［4］對分層并聯(lián)的徑向流吸附器床層中流體流場進行數(shù)值模擬計算分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)方式的吸附器內(nèi)部流場均布性提高80%。在氣體分布裝置方面，田津津等［5］對變壓吸附系統(tǒng)進行研究，發(fā)現(xiàn)分布器結(jié)構(gòu)是影響氣體分配效果的主要因素。劉義鑫等［6］利用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件研究分析了原氣體分布器、改進型氣體分布器及多孔板對吸附器內(nèi)部流場的影響程度，發(fā)現(xiàn)氣體分布器與孔板相結(jié)合的方式，吸附截面上氣體分布最均勻，并通過試驗獲得極好的一致性。王浩宇等［7］利用CFD 方法對軸流吸附器內(nèi)部氣體流動特性進行分析，得出軸向吸附器配合擋板與孔板的方式可使吸附器內(nèi)部流場明顯改善。

從上述文獻可以看出針對單個吸附設(shè)備的內(nèi)部流場優(yōu)化分析具有部分研究，但針對整體吸附設(shè)備工藝系統(tǒng)的流場研究分析，卻少有翔實報道。作為大風(fēng)量、低濃度VOCs 廢氣治理主流工藝，“活性炭吸脫附+催化氧化”工藝一般設(shè)計有多個并聯(lián)吸附設(shè)備［8］，應(yīng)用于實際治理工程的吸附系統(tǒng)設(shè)備往往是根據(jù)經(jīng)驗或者已有的模式進行設(shè)計制造的，鮮有相關(guān)的流場理論指導(dǎo)。本文以現(xiàn)有VOCs 廢氣治理設(shè)備為研究對象，采用CFD方法對活性炭吸附設(shè)備進行流場分析并提出改進措施，為吸附設(shè)備整體工藝系統(tǒng)的流場優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

1 項目概況與問題

某企業(yè)為有組織噴漆（油性漆）廢氣處理配備1 套廢氣治理設(shè)備，處理風(fēng)量為10 萬m3/h，采用“活性炭吸附濃縮+催化燃燒”治理工藝，即廢氣經(jīng)前處理過濾漆霧等粉塵顆粒后再經(jīng)過活性炭吸附箱吸附VOCs 組分，最后經(jīng)煙囪排放。運行模式為6 吸/5 吸1 脫，非甲烷總烴（NMHC）排放要求≤70 mg/m3。

系統(tǒng)設(shè)備在實際生產(chǎn)過程中，在確?；钚蕴拷孛媪魉佟⒀b填量、入口濃度、廢氣溫度等參數(shù)合適的情況下，仍有排放超標(biāo)現(xiàn)象，可能是設(shè)備內(nèi)氣流分布不均導(dǎo)致吸附材料無法高效吸附廢氣中的有機組分，需對設(shè)備進行流場分析。

2 幾何模型與邊界條件

2.1 幾何模型

為貼近實際工況，以煙氣入口及吸附箱后接煙道出口為界，按照實際比例建立包含預(yù)處理設(shè)備、活性炭吸附箱、部分風(fēng)管在內(nèi)的計算模型。每個吸附箱內(nèi)部設(shè)置分布孔板及吸附劑，見圖1。

圖1 幾何模型

2.2 邊界條件

（1）速度入口條件，實際計算流速11.574 m/s，初始溫度298 K。

（2）壓力出口條件，設(shè)定出口壓力101 325 Pa。

（3）內(nèi)部孔板多孔跳躍邊界條件，根據(jù)相應(yīng)開孔率及厚度確定參數(shù)。

（4）壁面及導(dǎo)流板采用非滲透性和非滑移固體壁面條件。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 原設(shè)備

按照原吸附設(shè)備結(jié)構(gòu)建立的幾何模型基礎(chǔ)上，進行了內(nèi)部流場模擬，系統(tǒng)設(shè)備速度云圖見圖2，分析統(tǒng)計吸附設(shè)備內(nèi)各碳箱流量、偏差及截面氣速分布，見表1 所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)備各碳箱的流量、流量偏差及截面流速分布

圖2 原設(shè)備速度云圖

可以看出，氣流從預(yù)處理設(shè)備流進活性炭吸附箱頂部后，直沖進入風(fēng)管尾部，進入吸附箱的氣流流量從前往后呈現(xiàn)由少變多的規(guī)律，且流量偏差較大，大于±5%。通過復(fù)核吸附箱截面尺寸及廢氣處理量，截面氣速按照1.1 m/s 設(shè)計，臨近蜂窩活性炭上限流速1.2 m/s［9］。應(yīng)盡量減少流量偏差，才能保證吸附箱截面流速處于合理范圍。

對于單個吸附箱，吸附截面四周氣速較大，高者為2.49 m/s，吸附截面中心氣速較小，低者為0.35 m/s，呈現(xiàn)四周氣速高、中心氣速低的特點，存在較為嚴(yán)重的邊流效應(yīng)。這樣，過高氣速形成射流，導(dǎo)致VOCs 分子向活性炭表面?zhèn)髻|(zhì)時間減少，影響吸附效果。另外，氣速分布極度不均，引起截面活性炭穿透時間不均，部分區(qū)域活性炭過早穿透失效，失去吸附作用，由此造成出口超排問題。

3.2 改進措施

從模擬結(jié)果看出，主要存在各吸附箱流量偏差較大且吸附箱內(nèi)部氣流分布不均的問題。應(yīng)當(dāng)使氣速盡量低于1.2 m/s 且氣速分布集中且均勻，以此獲得較好的廢氣凈化率。由于吸附設(shè)備為已建工程項目，不宜大肆改造，可通過內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)流裝置或者修改分布孔板方式，來改善設(shè)備的氣流分布。

從各吸附箱流量分布不均來看，這和系統(tǒng)設(shè)備本身氣流結(jié)構(gòu)、風(fēng)管內(nèi)導(dǎo)流缺失及各吸附箱內(nèi)分布孔板型式有關(guān)，而吸附箱內(nèi)部氣流分布不均，與吸附箱本身結(jié)構(gòu)，喇叭型入口角度尺寸、分布孔板型式有關(guān)。因此，可在煙氣入口處彎頭局部增設(shè)導(dǎo)流，并將各吸附箱入口處原平板型分布孔板重置優(yōu)化為喇叭型分布孔板，來完善氣流均布。參照以往類似項目結(jié)構(gòu)設(shè)備，經(jīng)過不斷優(yōu)化嘗試，獲得彎頭局部導(dǎo)流板合適位置及轉(zhuǎn)彎半徑等參數(shù)，見圖3。由于吸附箱內(nèi)的氣流邊流效應(yīng)，且較多氣流均有涌向四周的趨勢，使截面氣流分布不均，因此喇叭型分布孔板各面開孔率需區(qū)別設(shè)置，且煙氣方向吸附箱流量偏差現(xiàn)象，不同吸附箱分布孔板開孔率也需區(qū)別設(shè)置，經(jīng)過不斷優(yōu)化嘗試，獲得較合適的各孔板開孔率參數(shù)設(shè)置，見圖4。

圖3 彎頭局部增設(shè)導(dǎo)流

圖4 孔板開孔參數(shù)

3.3 改進設(shè)備

改進后，再次模擬內(nèi)部流場，設(shè)備吸附截面速度云圖見圖5，各碳箱流量、偏差及截面氣速分布，見表2。可以看出，進入吸附箱的氣流依然呈現(xiàn)由少變多的現(xiàn)象，但流量偏差已經(jīng)縮小至±1.5%以內(nèi)，在氣流進入各個吸附箱后，截面平均氣速已基本接近。氣流在吸附箱內(nèi)依然有輕微的邊流效應(yīng)，但氣流的均布性已獲得較大改善，相對均方根差均在0.2 以內(nèi)，氣速相對集中，＞1.2 m/s 的氣流所占面積有較大下降。因此，對于設(shè)備的改進效果是良好的。

表2 改進設(shè)備各吸附箱的流量、流量偏差及截面流速分布

圖5 改進設(shè)備吸附截面速度云圖

在實際生產(chǎn)過程中，該吸附設(shè)備存在5 吸1 脫運行模式，即其中5 個吸附箱同時吸附VOCs 廢氣，另1 個吸附箱處于解吸或者備用狀態(tài)，因此，需關(guān)閉其中1 個吸附箱進行模擬。明顯地，各吸附箱左右對稱，僅關(guān)閉左側(cè)吸附箱進行模擬，結(jié)果見表3、圖6 所示?？梢钥闯觯P(guān)閉左1、左2、左3 任一吸附箱后，流量偏差相對較低，平均氣速均<1.2 m/s，且氣速相對均方根均<0.2，從速度云圖看，＞1.2 m/s 的氣流所占面積占幅小，氣速相對集中?？梢哉J(rèn)為氣流均布良好。

表3 關(guān)閉左1、左2、左3 時的模擬結(jié)果

圖6 左1、左2、左3 關(guān)閉時速度云圖

4 改進前后設(shè)備運行

原設(shè)備經(jīng)工程改進后，噴漆線恢復(fù)生產(chǎn)。在確保活性炭均有效再生后，監(jiān)測該噴漆線有機廢氣濃度與改造前工況相似的初始噴漆時段，對比改造前后的廢氣處理效果，見圖7?？梢钥闯?，在開始噴漆后的270 min 內(nèi)，改進前后入口有機廢氣濃度上升趨勢及水平基本一致。對比出口濃度，改進前設(shè)備在運行一段時間后，部分活性炭材料穿透，出口濃度急劇上升。而改進后設(shè)備出口濃度緩慢上升，始終低于排放限值。說明對于設(shè)備的流場優(yōu)化改造是合適的。

圖7 設(shè)備改造前后進出口非甲烷總烴濃度對比

5 結(jié)語

對于多吸附箱并聯(lián)組成的VOCs 吸附設(shè)備，各碳箱流量偏差過大及內(nèi)部流場均布不一的問題，是吸附設(shè)備凈化率低的原因之一?？赏ㄟ^CFD 方法，在各碳箱入口處設(shè)置開孔不均的導(dǎo)流裝置，針對全吸或者多吸一脫的運行模式，調(diào)整碳箱之間的流量偏差及內(nèi)部流場，最終使吸附截面氣速均布且氣速<1.2 m/s，提升吸附設(shè)備對于VOCs 廢氣的凈化率。本文研究的多吸附箱吸附設(shè)備流場優(yōu)化，對于該工藝設(shè)備后續(xù)的選型設(shè)計具有一定參考意義。