活性炭吸附设备流场分析优化与应用

林滔

（福建龙净环保股份有限公司 福建龙岩 364000）

随着城市化和工业化的快速发展，能源利用与工业活动高度活跃，导致大量污染物排放于大气中，而挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是典型污染物之一，对人体健康、局部空气质量、区域性大气复合污染有着重要的影响［1］。目前，针对VOCs 的处理技术，主要有冷凝法、吸附法、膜分离法、燃烧法、生物法等，而活性炭吸附法作为当前成熟的工艺，具有较好的VOCs 吸附性能，适用于中低浓度、高通量的VOCs废气治理，具有去除效率高、能耗低、易于推广的特点［2］。然而，在VOCs 治理工程中的活性炭吸附设备内部，流场分布不均影响吸附剂有效接触面积及穿透曲线，直接影响VOCs 的吸附效率。为此，有必要针对VOCs 废气治理设备内部的流场进行研究。

现有针对吸附设备的流场研究分析，主要集中在内部结构、气体分布装置对设备内部流场的影响。在设备结构方面，徐攀等［3］研究了在吸附和解吸2 种工况下吸附器内部结构参数与吸附性能之间的影响关系，并获得可用于指导设计制造的拟合关联式。芮道哲等［4］对分层并联的径向流吸附器床层中流体流场进行数值模拟计算分析，发现该结构方式的吸附器内部流场均布性提高80%。在气体分布装置方面，田津津等［5］对变压吸附系统进行研究，发现分布器结构是影响气体分配效果的主要因素。刘义鑫等［6］利用计算流体动力学（CFD）软件研究分析了原气体分布器、改进型气体分布器及多孔板对吸附器内部流场的影响程度，发现气体分布器与孔板相结合的方式，吸附截面上气体分布最均匀，并通过试验获得极好的一致性。王浩宇等［7］利用CFD 方法对轴流吸附器内部气体流动特性进行分析，得出轴向吸附器配合挡板与孔板的方式可使吸附器内部流场明显改善。

从上述文献可以看出针对单个吸附设备的内部流场优化分析具有部分研究，但针对整体吸附设备工艺系统的流场研究分析，却少有翔实报道。作为大风量、低浓度VOCs 废气治理主流工艺，“活性炭吸脱附+催化氧化”工艺一般设计有多个并联吸附设备［8］，应用于实际治理工程的吸附系统设备往往是根据经验或者已有的模式进行设计制造的，鲜有相关的流场理论指导。本文以现有VOCs 废气治理设备为研究对象，采用CFD方法对活性炭吸附设备进行流场分析并提出改进措施，为吸附设备整体工艺系统的流场优化设计提供一定的参考依据。

1 项目概况与问题

某企业为有组织喷漆（油性漆）废气处理配备1 套废气治理设备，处理风量为10 万m3/h，采用“活性炭吸附浓缩+催化燃烧”治理工艺，即废气经前处理过滤漆雾等粉尘颗粒后再经过活性炭吸附箱吸附VOCs 组分，最后经烟囱排放。运行模式为6 吸/5 吸1 脱，非甲烷总烃（NMHC）排放要求≤70 mg/m3。

系统设备在实际生产过程中，在确保活性炭截面流速、装填量、入口浓度、废气温度等参数合适的情况下，仍有排放超标现象，可能是设备内气流分布不均导致吸附材料无法高效吸附废气中的有机组分，需对设备进行流场分析。

2 几何模型与边界条件

2.1 几何模型

为贴近实际工况，以烟气入口及吸附箱后接烟道出口为界，按照实际比例建立包含预处理设备、活性炭吸附箱、部分风管在内的计算模型。每个吸附箱内部设置分布孔板及吸附剂，见图1。

图1 几何模型

2.2 边界条件

（1）速度入口条件，实际计算流速11.574 m/s，初始温度298 K。

（2）压力出口条件，设定出口压力101 325 Pa。

（3）内部孔板多孔跳跃边界条件，根据相应开孔率及厚度确定参数。

（4）壁面及导流板采用非渗透性和非滑移固体壁面条件。

3 模拟结果及分析

3.1 原设备

按照原吸附设备结构建立的几何模型基础上，进行了内部流场模拟，系统设备速度云图见图2，分析统计吸附设备内各碳箱流量、偏差及截面气速分布，见表1 所示。

表1 系统设备各碳箱的流量、流量偏差及截面流速分布

图2 原设备速度云图

可以看出，气流从预处理设备流进活性炭吸附箱顶部后，直冲进入风管尾部，进入吸附箱的气流流量从前往后呈现由少变多的规律，且流量偏差较大，大于±5%。通过复核吸附箱截面尺寸及废气处理量，截面气速按照1.1 m/s 设计，临近蜂窝活性炭上限流速1.2 m/s［9］。应尽量减少流量偏差，才能保证吸附箱截面流速处于合理范围。

对于单个吸附箱，吸附截面四周气速较大，高者为2.49 m/s，吸附截面中心气速较小，低者为0.35 m/s，呈现四周气速高、中心气速低的特点，存在较为严重的边流效应。这样，过高气速形成射流，导致VOCs 分子向活性炭表面传质时间减少，影响吸附效果。另外，气速分布极度不均，引起截面活性炭穿透时间不均，部分区域活性炭过早穿透失效，失去吸附作用，由此造成出口超排问题。

3.2 改进措施

从模拟结果看出，主要存在各吸附箱流量偏差较大且吸附箱内部气流分布不均的问题。应当使气速尽量低于1.2 m/s 且气速分布集中且均匀，以此获得较好的废气净化率。由于吸附设备为已建工程项目，不宜大肆改造，可通过内部增设导流装置或者修改分布孔板方式，来改善设备的气流分布。

从各吸附箱流量分布不均来看，这和系统设备本身气流结构、风管内导流缺失及各吸附箱内分布孔板型式有关，而吸附箱内部气流分布不均，与吸附箱本身结构，喇叭型入口角度尺寸、分布孔板型式有关。因此，可在烟气入口处弯头局部增设导流，并将各吸附箱入口处原平板型分布孔板重置优化为喇叭型分布孔板，来完善气流均布。参照以往类似项目结构设备，经过不断优化尝试，获得弯头局部导流板合适位置及转弯半径等参数，见图3。由于吸附箱内的气流边流效应，且较多气流均有涌向四周的趋势，使截面气流分布不均，因此喇叭型分布孔板各面开孔率需区别设置，且烟气方向吸附箱流量偏差现象，不同吸附箱分布孔板开孔率也需区别设置，经过不断优化尝试，获得较合适的各孔板开孔率参数设置，见图4。

图3 弯头局部增设导流

图4 孔板开孔参数

3.3 改进设备

改进后，再次模拟内部流场，设备吸附截面速度云图见图5，各碳箱流量、偏差及截面气速分布，见表2。可以看出，进入吸附箱的气流依然呈现由少变多的现象，但流量偏差已经缩小至±1.5%以内，在气流进入各个吸附箱后，截面平均气速已基本接近。气流在吸附箱内依然有轻微的边流效应，但气流的均布性已获得较大改善，相对均方根差均在0.2 以内，气速相对集中，＞1.2 m/s 的气流所占面积有较大下降。因此，对于设备的改进效果是良好的。

表2 改进设备各吸附箱的流量、流量偏差及截面流速分布

图5 改进设备吸附截面速度云图

在实际生产过程中，该吸附设备存在5 吸1 脱运行模式，即其中5 个吸附箱同时吸附VOCs 废气，另1 个吸附箱处于解吸或者备用状态，因此，需关闭其中1 个吸附箱进行模拟。明显地，各吸附箱左右对称，仅关闭左侧吸附箱进行模拟，结果见表3、图6 所示。可以看出，关闭左1、左2、左3 任一吸附箱后，流量偏差相对较低，平均气速均<1.2 m/s，且气速相对均方根均<0.2，从速度云图看，＞1.2 m/s 的气流所占面积占幅小，气速相对集中。可以认为气流均布良好。

表3 关闭左1、左2、左3 时的模拟结果

图6 左1、左2、左3 关闭时速度云图

4 改进前后设备运行

原设备经工程改进后，喷漆线恢复生产。在确保活性炭均有效再生后，监测该喷漆线有机废气浓度与改造前工况相似的初始喷漆时段，对比改造前后的废气处理效果，见图7。可以看出，在开始喷漆后的270 min 内，改进前后入口有机废气浓度上升趋势及水平基本一致。对比出口浓度，改进前设备在运行一段时间后，部分活性炭材料穿透，出口浓度急剧上升。而改进后设备出口浓度缓慢上升，始终低于排放限值。说明对于设备的流场优化改造是合适的。

图7 设备改造前后进出口非甲烷总烃浓度对比

5 结语

对于多吸附箱并联组成的VOCs 吸附设备，各碳箱流量偏差过大及内部流场均布不一的问题，是吸附设备净化率低的原因之一。可通过CFD 方法，在各碳箱入口处设置开孔不均的导流装置，针对全吸或者多吸一脱的运行模式，调整碳箱之间的流量偏差及内部流场，最终使吸附截面气速均布且气速<1.2 m/s，提升吸附设备对于VOCs 废气的净化率。本文研究的多吸附箱吸附设备流场优化，对于该工艺设备后续的选型设计具有一定参考意义。