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(dòng)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(jī)物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是典型污染物之一,對(duì)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(duì)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(diǎn)[2]。然而,在VOCs 治理工程中的活性炭吸附設(shè)備內(nèi)部,流場(chǎng)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(duì)VOCs 廢氣治理設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行研究。
現(xiàn)有針對(duì)吸附設(shè)備的流場(chǎng)研究分析,主要集中在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣體分布裝置對(duì)設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)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(jì)制造的擬合關(guān)聯(lián)式。芮道哲等[4]對(duì)分層并聯(lián)的徑向流吸附器床層中流體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)方式的吸附器內(nèi)部流場(chǎng)均布性提高80%。在氣體分布裝置方面,田津津等[5]對(duì)變壓吸附系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件研究分析了原氣體分布器、改進(jìn)型氣體分布器及多孔板對(duì)吸附器內(nèi)部流場(chǎng)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(guò)試驗(yàn)獲得極好的一致性。王浩宇等[7]利用CFD 方法對(duì)軸流吸附器內(nèi)部氣體流動(dòng)特性進(jìn)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(chǎng)明顯改善。
從上述文獻(xiàn)可以看出針對(duì)單個(gè)吸附設(shè)備的內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化分析具有部分研究,但針對(duì)整體吸附設(shè)備工藝系統(tǒng)的流場(chǎng)研究分析,卻少有翔實(shí)報(bào)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(jì)有多個(gè)并聯(lián)吸附設(shè)備[8],應(yīng)用于實(shí)際治理工程的吸附系統(tǒng)設(shè)備往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者已有的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的,鮮有相關(guān)的流場(chǎng)理論指導(dǎo)。本文以現(xiàn)有VOCs 廢氣治理設(shè)備為研究對(duì)象,采用CFD方法對(duì)活性炭吸附設(shè)備進(jìn)行流場(chǎng)分析并提出改進(jìn)措施,為吸附設(shè)備整體工藝系統(tǒng)的流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。
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(wàn)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(guò)濾漆霧等粉塵顆粒后再經(jīng)過(guò)活性炭吸附箱吸附VOCs 組分,最后經(jīng)煙囪排放。運(yùn)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,在確?;钚蕴拷孛媪魉?、裝填量、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(wú)法高效吸附廢氣中的有機(jī)組分,需對(duì)設(shè)備進(jìn)行流場(chǎng)分析。
為貼近實(shí)際工況,以煙氣入口及吸附箱后接煙道出口為界,按照實(shí)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(jì)算模型。每個(gè)吸附箱內(nèi)部設(shè)置分布孔板及吸附劑,見(jiàn)圖1。
圖1 幾何模型
(1)速度入口條件,實(shí)際計(jì)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(kāi)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。
按照原吸附設(shè)備結(jié)構(gòu)建立的幾何模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)模擬,系統(tǒng)設(shè)備速度云圖見(jiàn)圖2,分析統(tǒng)計(jì)吸附設(shè)備內(nèi)各碳箱流量、偏差及截面氣速分布,見(jiàn)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(jìn)活性炭吸附箱頂部后,直沖進(jìn)入風(fēng)管尾部,進(jìn)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(guò)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(jì),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(duì)于單個(gè)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(diǎn),存在較為嚴(yán)重的邊流效應(yīng)。這樣,過(guò)高氣速形成射流,導(dǎo)致VOCs 分子向活性炭表面?zhèn)髻|(zhì)時(shí)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(shí)間不均,部分區(qū)域活性炭過(guò)早穿透失效,失去吸附作用,由此造成出口超排問(wèn)題。
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(wèn)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(xiàng)目,不宜大肆改造,可通過(guò)內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)流裝置或者修改分布孔板方式,來(lái)改善設(shè)備的氣流分布。
從各吸附箱流量分布不均來(lái)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(lái)完善氣流均布。參照以往類似項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)備,經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(shì),使截面氣流分布不均,因此喇叭型分布孔板各面開(kāi)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(kāi)孔率也需區(qū)別設(shè)置,經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化嘗試,獲得較合適的各孔板開(kāi)孔率參數(shù)設(shè)置,見(jiàn)圖4。
圖3 彎頭局部增設(shè)導(dǎo)流
圖4 孔板開(kāi)孔參數(shù)
改進(jìn)后,再次模擬內(nèi)部流場(chǎng),設(shè)備吸附截面速度云圖見(jiàn)圖5,各碳箱流量、偏差及截面氣速分布,見(jiàn)表2??梢钥闯?,進(jìn)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(jìn)入各個(gè)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(duì)均方根差均在0.2 以內(nèi),氣速相對(duì)集中,>1.2 m/s 的氣流所占面積有較大下降。因此,對(duì)于設(shè)備的改進(jìn)效果是良好的。
表2 改進(jìn)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(jìn)設(shè)備吸附截面速度云圖
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,該吸附設(shè)備存在5 吸1 脫運(yùn)行模式,即其中5 個(gè)吸附箱同時(shí)吸附VOCs 廢氣,另1 個(gè)吸附箱處于解吸或者備用狀態(tài),因此,需關(guān)閉其中1 個(gè)吸附箱進(jìn)行模擬。明顯地,各吸附箱左右對(duì)稱,僅關(guān)閉左側(cè)吸附箱進(jìn)行模擬,結(jié)果見(jiàn)表3、圖6 所示。可以看出,關(guān)閉左1、左2、左3 任一吸附箱后,流量偏差相對(duì)較低,平均氣速均<1.2 m/s,且氣速相對(duì)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(duì)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(shí)的模擬結(jié)果
圖6 左1、左2、左3 關(guān)閉時(shí)速度云圖
原設(shè)備經(jīng)工程改進(jìn)后,噴漆線恢復(fù)生產(chǎn)。在確?;钚蕴烤行г偕螅O(jiān)測(cè)該噴漆線有機(jī)廢氣濃度與改造前工況相似的初始噴漆時(shí)段,對(duì)比改造前后的廢氣處理效果,見(jiàn)圖7??梢钥闯觯陂_(kāi)始噴漆后的270 min 內(nèi),改進(jìn)前后入口有機(jī)廢氣濃度上升趨勢(shì)及水平基本一致。對(duì)比出口濃度,改進(jìn)前設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間后,部分活性炭材料穿透,出口濃度急劇上升。而改進(jìn)后設(shè)備出口濃度緩慢上升,始終低于排放限值。說(shuō)明對(duì)于設(shè)備的流場(chǎng)優(yōu)化改造是合適的。
圖7 設(shè)備改造前后進(jìn)出口非甲烷總烴濃度對(duì)比
對(duì)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(guò)大及內(nèi)部流場(chǎng)均布不一的問(wèn)題,是吸附設(shè)備凈化率低的原因之一??赏ㄟ^(guò)CFD 方法,在各碳箱入口處設(shè)置開(kāi)孔不均的導(dǎo)流裝置,針對(duì)全吸或者多吸一脫的運(yùn)行模式,調(diào)整碳箱之間的流量偏差及內(nèi)部流場(chǎng),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(duì)于VOCs 廢氣的凈化率。本文研究的多吸附箱吸附設(shè)備流場(chǎng)優(yōu)化,對(duì)于該工藝設(shè)備后續(xù)的選型設(shè)計(jì)具有一定參考意義。