活性炭吸附設備流場分析優化與應用

林滔

（福建龍凈環保股份有限公司 福建龍巖 364000）

隨著城市化和工業化的快速發展，能源利用與工業活動高度活躍，導致大量污染物排放于大氣中，而揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是典型污染物之一，對人體健康、局部空氣質量、區域性大氣復合污染有著重要的影響［1］。目前，針對VOCs 的處理技術，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備內部，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 廢氣治理設備內部的流場進行研究。

現有針對吸附設備的流場研究分析，主要集中在內部結構、氣體分布裝置對設備內部流場的影響。在設備結構方面，徐攀等［3］研究了在吸附和解吸2 種工況下吸附器內部結構參數與吸附性能之間的影響關系，并獲得可用于指導設計制造的擬合關聯式。芮道哲等［4］對分層并聯的徑向流吸附器床層中流體流場進行數值模擬計算分析，發現該結構方式的吸附器內部流場均布性提高80%。在氣體分布裝置方面，田津津等［5］對變壓吸附系統進行研究，發現分布器結構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（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部流場的影響程度，發現氣體分布器與孔板相結合的方式，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部流場明顯改善。

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

1 項目概況與問題

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

系統設備在實際生產過程中，在確?；钚蕴拷孛媪魉?、裝填量、入口濃度、廢氣溫度等參數合適的情況下，仍有排放超標現象，可能是設備內氣流分布不均導致吸附材料無法高效吸附廢氣中的有機組分，需對設備進行流場分析。

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處理設備、活性炭吸附箱、部分風管在內的計算模型。每個吸附箱內部設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，設定出口壓力101 325 Pa。

（3）內部孔板多孔跳躍邊界條件，根據相應開孔率及厚度確定參數。

（4）壁面及導流板采用非滲透性和非滑移固體壁面條件。

3 模擬結果及分析

3.1 原設備

按照原吸附設備結構建立的幾何模型基礎上，進行了內部流場模擬，系統設備速度云圖見圖2，分析統計吸附設備內各碳箱流量、偏差及截面氣速分布，見表1 所示。

表1 系統設備各碳箱的流量、流量偏差及截面流速分布

圖2 原設備速度云圖

可以看出，氣流從預處理設備流進活性炭吸附箱頂部后，直沖進入風管尾部，進入吸附箱的氣流流量從前往后呈現由少變多的規律，且流量偏差較大，大于±5%。通過復核吸附箱截面尺寸及廢氣處理量，截面氣速按照1.1 m/s 設計，臨近蜂窩活性炭上限流速1.2 m/s［9］。應盡量減少流量偏差，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，呈現四周氣速高、中心氣速低的特點，存在較為嚴重的邊流效應。這樣，過高氣速形成射流，導致VOCs 分子向活性炭表面傳質時間減少，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

從模擬結果看出，主要存在各吸附箱流量偏差較大且吸附箱內部氣流分布不均的問題。應當使氣速盡量低于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。由于吸附設備為已建工程項目，不宜大肆改造，可通過內部增設導流裝置或者修改分布孔板方式，來改善設備的氣流分布。

從各吸附箱流量分布不均來看，這和系統設備本身氣流結構、風管內導流缺失及各吸附箱內分布孔板型式有關，而吸附箱內部氣流分布不均，與吸附箱本身結構，喇叭型入口角度尺寸、分布孔板型式有關。因此，可在煙氣入口處彎頭局部增設導流，并將各吸附箱入口處原平板型分布孔板重置優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構設備，經過不斷優化嘗試，獲得彎頭局部導流板合適位置及轉彎半徑等參數，見圖3。由于吸附箱內的氣流邊流效應，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別設置，且煙氣方向吸附箱流量偏差現象，不同吸附箱分布孔板開孔率也需區別設置，經過不斷優化嘗試，獲得較合適的各孔板開孔率參數設置，見圖4。

圖3 彎頭局部增設導流

圖4 孔板開孔參數

3.3 改進設備

改進后，再次模擬內部流場，設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?？梢钥闯?，進入吸附箱的氣流依然呈現由少變多的現象，但流量偏差已經縮小至±1.5%以內，在氣流進入各個吸附箱后，截面平均氣速已基本接近。氣流在吸附箱內依然有輕微的邊流效應，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，氣速相對集中，＞1.2 m/s 的氣流所占面積有較大下降。因此，對于設備的改進效果是良好的。

表2 改進設備各吸附箱的流量、流量偏差及截面流速分布

圖5 改進設備吸附截面速度云圖

在實際生產過程中，該吸附設備存在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，因此，需關閉其中1 個吸附箱進行模擬。明顯地，各吸附箱左右對稱，僅關閉左側吸附箱進行模擬，結果見表3、圖6 所示?？梢钥闯?，關閉左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為氣流均布良好。

表3 關閉左1、左2、左3 時的模擬結果

圖6 左1、左2、左3 關閉時速度云圖

4 改進前后設備運行

原設備經工程改進后，噴漆線恢復生產。在確?；钚蕴烤行г偕?，監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，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。而改進后設備出口濃度緩慢上升，始終低于排放限值。說明對于設備的流場優化改造是合適的。

圖7 設備改造前后進出口非甲烷總烴濃度對比

5 結語

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