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活性炭更换周期公式为啥用VOCs进口浓度?为啥用削减浓度不合适?内在的逻辑和原理是什么?

发布时间:2023-06-19人气:1086

我于今年5月3日曾写下《活性炭更换周期到底怎么计算》,简单论证了生态环境部大气环境司与生态环境部环境规划院编著的《挥发性有机物治理实用手册》(第二版)中的活性炭更换周期计算公式的正确性,但还是觉得不透彻,描述的还是有遗漏,今天想更详细,更具体的说一说为啥用VOCs进口浓度更合适,当然,搬运知识,解读知识,难免不妥,如有,望各位随时批评指正。

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1、活性炭的吸附原理及相关术语概念
活性炭的吸附原理,各大书籍介绍的基本都不多,感兴趣的可以搜一艘,下面附两张(下图1和图2)比较通俗易懂的介绍。


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1.1穿透时间

从上文可以看出,活性炭作为吸附剂刚开始对有机废气吸附效率为100%,出口废气的浓度为0,而且活性炭有厚度是一层层吸附的,与废气接触面的一层先吸附,里面一层再开始吸附,吸附波层层推进(看图1中图5-19),一直到活性炭层出口出现了废气,此现象称为穿透,从开始到穿透的时间为穿透时间,由于一旦出现穿透现象后,出口浓度就会急剧上层(看图1中图5-18)。

1.2动活性(平衡保持量)
从图1介绍可知,当活性炭层出口出现了废气,此现象称为穿透,此时单位吸附剂吸附的质量成为动活性,动活性又称为平衡保持量,穿透时,活性炭还有一定的吸附能力,还没有吸附饱和。
从图2介绍可知,动活性(平衡保持量)是指已吸附饱和的吸附剂让同温度的清洁干空气连续6h通过该吸附层后,在吸附层内仍保留的污染气体量。
1.3静活性(平衡吸附量)
从图1,图2 介绍可知,静活性(平衡吸附量)指在一定的温度、压力下污染空气通过一定量的吸附剂时,吸附剂所能吸附的最大气体量。很明显,动活性(平衡保持量)小于静活性(平衡吸附量),同时要求动活性(平衡保持量)不应该小于静活性(平衡吸附量)的75%~80%。

2建个类比模型形象的表达


假设用空容器来盛水用(只能一个个用),该容器容量为10m3,且在8m3上方有三排紧挨的9个小孔,有一水管向容器中放水,进水速度为1m3/h,水位到小孔时每个小孔的排水速度为0.1m3/h(紧邻,忽略压强变化),同时规定,进水管打开放水时,小孔打开;进水管关闭时,小孔关闭。同时要求出水速度不能大于0.8m3/h(水浪费多),容器要及时换新的。


如此一来,便可以用容器的进出水形象的表示活性炭的吸附过程,刚开始时进水全部被容器装下(活性炭开始时吸附效率为100%),随着水位升高,开始漏水时(达到穿透时间),容器中水容积为8m3(活性炭的动活性或平衡保持量),接着继续进水,同时不断通过小孔漏水,容器中水容积为10m3时(活性炭的静活性或平衡吸附量),进水全部溢流出(活性炭的吸附效率为0)。

3、论证

3.1 使用进口浓度的合理性论证

※活性炭在被穿透时更换,还是活性炭吸附饱和时更换?

首先要理解上文两个术语,平衡保持量和平衡吸附量,在穿透时间处,活性炭吸附量为平衡保持量,稳定的被吸附了。而在活性炭饱和后的吸附量为平衡吸附量,是无法稳定保持的。而且,你吸附饱和了再换活性炭,直接导致更换活性炭期间,废气处理效率为0,超标排放。

用类比模型理解,就应该是容器中的水装8m3时(穿透时间),赶紧更换容器,再装水,这样水才不会白白流出。如果等到容器中水10m3时(吸附饱和)才换,第一,容器中水满时,进水全部流出。第二,10m3的水不能稳定存在,还会漏水。

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再看2021年9月生态环境部大气环境司与生态环境部环境规划院编著的《挥发性有机物治理实用手册》(第二版)中的计算公式,

计算公式分母中使用的是S—平衡保持量(动活性),不是平衡吸附量额,也就是说对应类比模型就是容积8m3。

计算公式中分子使用的是进口VOCs浓度,为啥使用进口的,因为在达到平衡保持量前(穿透时间前),吸附效率视为100%,通过类比模型通俗理解为,在水还没有装8m3前,容器是不会漏水的。

      因此,这个公式是相当的合理,这个点,你get到了吗?

3.2使用削减浓度的不合理性论证1



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首先,这个公式分母上S是动态吸附量,也就是动态活性或者说是平衡保持量,这点是与部书籍给出的公式中S(平衡保持量)保持一致的,也就是说江苏省生态环境厅,也是认可在活性炭穿透时是更换活性炭的。

那么接下来的就好理解了,穿透时间之前(类比模型中容器水容量≤8m3),活性炭吸附效率是100%(类比模型中容器不漏水时),那分母上怎么可以使用削减浓度呢?这个点,您认可吗?

3.3使用削减浓度的不合理性论证2

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有人说,继续说江苏省厅的那个公式,如果分母上S采用静活性(平衡吸附量)可以吗?如果假设使用静活性合理,公式可行吗?

第一,分母上S采用静活性(平衡吸附量),本身是不合理,各位可以搜索一下各类数据,分母上S取值是啥?都是取平衡保持量,而不是平衡吸附量,因为采用平衡保持量,活性炭才能将污染物稳定的吸附,而采用平衡吸附量,可能会有部分污染物脱附。用类比模型解释就是,你不能把水装到10m3才换,因为这样进水会白白流出,10m3水也会有部分通过孔流出。

第二,如果采用削减浓度,那么你前提是预估了一个活性炭的去除效率A,好,估算去除效率没问题。但是我们要知道,分母上的S与分子上的去除效率(削减浓度推算)是有关联的,你分母上S采用静活性(平衡吸附量),那么活性炭的去除效率大概就能推算出一个固定值B(根据吸附曲线可推算)。矛盾出来了,①你预估的去除效率A与B很可能不相等,公式直接没法用(类似数学假设论证法)。②你预估的去除效率A正好与B相同,那么这个A基本可以判断不会满足净化效率90%的要求,所以,还是不行。

4、结论

   活性炭更换周期计算公式中用VOCs进口浓度。


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