Hướng dẫn chọn kích thước tháp than hoạt tính, số lượng viên than và chu kỳ thay than

1. Tháp than hoạt tính dùng để làm gì?

Tháp than hoạt tính, còn gọi là thiết bị hấp phụ than hoạt tính, được sử dụng để xử lý khí thải chứa VOCs, hơi dung môi và mùi công nghiệp. Khi dòng khí đi qua lớp than, các phân tử ô nhiễm được giữ lại trên bề mặt và trong hệ thống mao quản của than hoạt tính.

Tháp hấp phụ than hoạt tính thường được sử dụng để xử lý:

• Hơi sơn, mùi sơn và dung môi pha sơn.
• Toluen, xylen, benzen.
• Acetone, MEK, IPA, ethyl acetate.
• Mùi keo và mùi mực in.
• Mùi hóa chất trong sản xuất công nghiệp.
• Mùi phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải.
• Các hợp chất hữu cơ bay hơi khác.

Khả năng xử lý của tháp phụ thuộc vào loại hợp chất ô nhiễm, nồng độ đầu vào, lưu lượng khí, nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng than và thời gian tiếp xúc giữa dòng khí với lớp than hoạt tính.

2. Cấu tạo tháp than hoạt tính dạng hộp nằm ngang

Tháp than hoạt tính dạng hộp nằm ngang thường gồm các bộ phận chính sau:

1. Côn hoặc khoang dẫn khí vào.
2. Bộ lọc bụi sơ cấp.
3. Khoang phân phối khí.
4. Các khay than hoạt tính.
5. Khung đỡ khay than.
6. Lưới giữ viên than.
7. Vách hướng dòng và vách ngăn chống khí đi tắt.
8. Khoang thu khí sau xử lý.
9. Cửa khí sạch.
10. Cửa kiểm tra và cửa kéo khay than.
11. Đồng hồ đo chênh áp.
12. Khung và chân đỡ thiết bị.

Thân tháp có thể được chế tạo bằng nhựa PP, PPH, FRP, thép sơn phủ, inox SUS304 hoặc inox SUS316 tùy theo tính chất ăn mòn của khí thải.

Nguyên lý phân phối dòng khí

Khí thải đi vào khoang phân phối ở đầu tháp. Khoang này có nhiệm vụ giảm vận tốc cục bộ và phân phối dòng khí đều đến các khay than hoạt tính.

Đối với thiết kế nhiều khay làm việc song song, tổng lưu lượng khí được chia thành nhiều phần. Mỗi khay than tiếp nhận một phần lưu lượng, sau đó khí sau xử lý được thu lại tại khoang khí sạch.

Thiết kế này mang lại các lợi ích:

• Giảm vận tốc khí qua từng khay than.
• Tăng tổng diện tích tiếp xúc.
• Giảm tổn thất áp suất.
• Hạn chế hiện tượng khí đi tắt.
• Giúp dòng khí phân bố đều trên toàn bộ lượng than.
• Thuận tiện tháo lắp, kiểm tra và thay than.

Nếu cần hiệu suất xử lý cao hơn, có thể bố trí hai cụm khay than nối tiếp. Khi đó, khí đi qua cụm hấp phụ cấp một rồi tiếp tục đi qua cụm hấp phụ cấp hai.

3. Loại than hoạt tính sử dụng

Than hoạt tính tổ ong dạng khối

Loại than sử dụng trong tháp là than hoạt tính tổ ong dạng viên vuông với các thông số tham khảo:

• Kích thước mỗi viên: 100 × 100 × 100 mm.
• Thể tích mỗi viên: 0,001 m³.
• Khối lượng trung bình: khoảng 300 g/viên.
• Khối lượng quy đổi: 0,30 kg/viên.
• Khối lượng thể tích quy đổi: khoảng 300 kg/m³.

Khối lượng thực tế của từng viên có thể thay đổi theo nguyên liệu, độ ẩm, độ rỗng, hàm lượng chất kết dính và tiêu chuẩn của từng nhà sản xuất. Khi thiết kế tải trọng khay than, cần sử dụng khối lượng thực tế ghi trong tài liệu kỹ thuật của lô than.

Lựa chọn kích thước lỗ than tổ ong

Không nên chọn lỗ than quá nhỏ chỉ vì cho rằng hiệu suất sẽ luôn cao hơn. Nếu khí còn chứa nhiều bụi, dầu hoặc sương sơn, các lỗ nhỏ dễ bị bít, làm tăng chênh áp và giảm lưu lượng hút của hệ thống.

Lựa chọn chỉ số Iodine

Lưu ý: Chỉ số Iodine không phải là lượng VOCs mà một kilôgam than chắc chắn có thể hấp phụ. Khả năng hấp phụ thực tế còn phụ thuộc vào loại dung môi, kích thước phân tử, nhiệt độ, độ ẩm và đặc tính hấp phụ của từng loại than.

4. Vì sao phải chọn kích thước tháp theo lưu lượng khí?

Kích thước tháp than hoạt tính phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu sau:

• Vận tốc khí qua lớp than không quá cao.
• Diện tích khay than đủ lớn để phân phối khí đều.
• Thể tích than đủ để hấp phụ tải lượng VOCs phát sinh.
• Tổn thất áp suất không vượt quá khả năng của quạt hút.
• Khay than có kích thước phù hợp để tháo lắp và bảo trì.
• Khung tháp chịu được toàn bộ tải trọng than.

Nếu tháp quá nhỏ, vận tốc khí qua than sẽ tăng, thời gian tiếp xúc giảm và chênh áp tăng. Nếu tháp quá lớn, chi phí chế tạo, lượng vật liệu và diện tích lắp đặt sẽ tăng không cần thiết.

Vì vậy, kích thước tháp không nên chỉ được lựa chọn bằng cách tra lưu lượng khí. Cần tính đồng thời tổng diện tích mặt than, thể tích than, số lượng viên than và tải lượng VOCs cần xử lý.

5. Bước 1 – Xác định lưu lượng khí thiết kế

Ký hiệu:

Q = Lưu lượng khí thải, đơn vị m³/h.

Lưu lượng dùng để tính phải là lưu lượng thực tế đi qua tháp, không chỉ là lưu lượng ghi trên nhãn quạt.

Ví dụ:

Q = 20.000 m³/h

Quy đổi sang m³/s:

q = Q / 3.600

q = 20.000 / 3.600 = 5,56 m³/s

6. Bước 2 – Chọn vận tốc khí qua mặt than

Tổng diện tích dòng khí đi qua các khay than được tính theo công thức:

A = Q / (3.600 × v)

Trong đó:

• A: Tổng diện tích khí đi qua các mặt than, đơn vị m².
• Q: Lưu lượng khí, đơn vị m³/h.
• v: Vận tốc khí qua mặt than, đơn vị m/s.

Với than hoạt tính tổ ong, có thể bắt đầu tính sơ bộ với vận tốc:

v = 0,6 – 1,0 m/s

Giá trị cuối cùng phải được kiểm tra theo kích thước lỗ than, chiều dày lớp than, số tầng hấp phụ, tổn thất áp suất và khả năng của quạt hút.

Ví dụ tính diện tích mặt than

Cho:

• Lưu lượng khí: Q = 20.000 m³/h.
• Chọn vận tốc qua mặt than: v = 0,85 m/s.

A = 20.000 / (3.600 × 0,85) ≈ 6,54 m²

Như vậy, tổng diện tích các mặt than làm việc song song cần đạt khoảng 6,5 m².

Trong thiết kế thực tế có thể chọn tổng diện tích khoảng 6,8 – 7,0 m² để có hệ số dự phòng và giảm vận tốc thực tế qua than.

7. Bước 3 – Chia diện tích thành các khay than hoạt tính

Giả sử bố trí 20 khay than hoạt tính làm việc song song.

Diện tích hữu ích của mỗi khay:

A khay = A / n

Trong đó:

• A: Tổng diện tích mặt than.
• n: Số lượng khay than.

A khay = 6,54 / 20 ≈ 0,327 m²

Có thể chọn kích thước hữu ích của mỗi khay:

600 × 550 mm = 0,33 m²

Tổng diện tích của 20 khay:

20 × 0,33 = 6,60 m²

Vận tốc khí thực tế:

v thực tế = 20.000 / (3.600 × 6,60) ≈ 0,84 m/s

Giá trị này gần với vận tốc thiết kế 0,85 m/s.

Tại sao chọn 20 khay than?

Lưu lượng 20.000 m³/h không bắt buộc phải sử dụng đúng 20 khay. Số khay được lựa chọn dựa trên:

• Tổng diện tích mặt than cần thiết.
• Kích thước khay có thể chế tạo.
• Khả năng kéo khay ra khỏi thân tháp.
• Tải trọng than trên mỗi khay.
• Không gian lắp đặt thiết bị.
• Phương án phân phối khí bên trong tháp.

Có thể sử dụng 16 khay lớn hơn, 20 khay trung bình hoặc 24 khay nhỏ hơn, miễn là tổng diện tích mặt than, thể tích than, phân phối khí và khả năng bảo trì đều đáp ứng yêu cầu.

8. Bước 4 – Chọn chiều dày lớp than

Viên than có chiều dày 100 mm nên chiều dày lớp than được chọn theo bội số của 100 mm:

• 100 mm: 1 lớp viên than.
• 200 mm: 2 lớp viên than.
• 300 mm: 3 lớp viên than.
• 400 mm: 4 lớp viên than.

Giá trị tham khảo:

Không nên tăng chiều dày lớp than quá lớn trong một khay vì sẽ làm tăng tổn thất áp suất. Khi cần sử dụng nhiều than hơn, nên tăng số lượng khay, tăng diện tích khay hoặc chia thành hai cụm hấp phụ.

9. Bước 5 – Tính số lượng viên than hoạt tính

Cách 1: Tính theo thể tích than

Thể tích than được tính theo công thức:

V than = A × H

Trong đó:

• V than: Tổng thể tích than hoạt tính, đơn vị m³.
• A: Tổng diện tích mặt than, đơn vị m².
• H: Chiều dày lớp than, đơn vị m.

Một viên than 100 × 100 × 100 mm có thể tích:

V viên = 0,1 × 0,1 × 0,1 = 0,001 m³

Số viên than:

N = V than / 0,001

Có thể viết gọn:

N = 1.000 × V than

Ví dụ tính cho tháp 20.000 m³/h

Cho:

• Tổng diện tích mặt than: A = 6,60 m².
• Chiều dày lớp than: H = 0,20 m.

Thể tích than:

V than = 6,60 × 0,20 = 1,32 m³

Số viên than:

N = 1,32 / 0,001 = 1.320 viên

Khối lượng than:

M = 1.320 × 0,30 = 396 kg

Khi đặt hàng nên cộng thêm khoảng 3 – 5% để dự phòng viên bị vỡ hoặc hư hỏng trong quá trình vận chuyển và lắp đặt.

Số lượng đặt hàng tham khảo:

Khoảng 1.360 – 1.390 viên

Cách 2: Tính trực tiếp theo kích thước khay

Mỗi viên than chiếm diện tích mặt bằng:

100 × 100 mm

Giả sử một khay có kích thước hữu ích 600 × 500 mm:

• Số viên theo chiều dài: 600 / 100 = 6 viên.
• Số viên theo chiều rộng: 500 / 100 = 5 viên.
• Số viên trong một lớp: 6 × 5 = 30 viên.

Nếu lớp than dày 200 mm, tương đương hai lớp viên:

Số viên mỗi khay = 30 × 2 = 60 viên

Nếu toàn tháp có 22 khay:

Số viên toàn tháp = 60 × 22 = 1.320 viên

Khối lượng than:

M = 1.320 × 0,30 = 396 kg

Lưu ý khi tính kích thước khay

Kích thước hữu ích của khay nên là bội số của 100 mm để hạn chế phải cắt viên than. Khi tính số viên phải trừ phần diện tích bị chiếm bởi:

• Chiều dày thành khay.
• Vách chia ô.
• Lưới giữ than.
• Gioăng làm kín.
• Khe lắp đặt.

Không được sử dụng kích thước phủ bì của khay để tính trực tiếp số viên than.

10. Bảng quy đổi số viên và khối lượng than

11. Bảng lựa chọn sơ bộ theo lưu lượng khí

Bảng dưới đây được xây dựng theo các giả thiết sơ bộ:

• Vận tốc qua tổng diện tích mặt than khoảng 0,87 m/s.
• Chiều dày lớp than 200 mm.
• Viên than kích thước 100 × 100 × 100 mm.
• Khối lượng trung bình khoảng 0,30 kg/viên.

Lưu ý: Bảng trên chỉ dùng để lựa chọn model sơ bộ. Hai hệ thống có cùng lưu lượng nhưng nồng độ VOCs khác nhau có thể cần lượng than và chu kỳ thay than rất khác nhau.

12. Kiểm tra thời gian tiếp xúc với than

Thời gian tiếp xúc biểu kiến được tính theo công thức:

EBCT = V than / (Q / 3.600)

Trong đó:

• EBCT: Thời gian tiếp xúc biểu kiến, đơn vị giây.
• V than: Tổng thể tích than, đơn vị m³.
• Q: Lưu lượng khí, đơn vị m³/h.

Ví dụ

• Thể tích than: V than = 1,536 m³.
• Lưu lượng khí: Q = 24.000 m³/h.

EBCT = 1,536 / (24.000 / 3.600) ≈ 0,23 giây

Giá trị này phù hợp hơn với hệ thống xử lý mùi hoặc VOCs có tải lượng tương đối thấp. Nếu xử lý VOCs khó hấp phụ, nồng độ cao hoặc yêu cầu chu kỳ thay than dài, cần tăng thể tích than, giảm vận tốc hoặc bố trí thêm cấp hấp phụ.

13. Cách tính chu kỳ thay than hoạt tính

Chu kỳ thay than phải được tính theo khối lượng chất ô nhiễm thực tế mà than giữ lại, không nên chỉ quy định cố định theo số tháng.

Bước 1: Tính lượng VOCs được giữ lại mỗi giờ

G = (C đầu vào − C đầu ra) × Q × 10⁻⁶

Trong đó:

• G: Lượng VOCs được hấp phụ, đơn vị kg/h.
• C đầu vào: Nồng độ VOCs trước tháp, đơn vị mg/m³.
• C đầu ra: Nồng độ VOCs sau xử lý, đơn vị mg/m³.
• Q: Lưu lượng khí, đơn vị m³/h.

Nếu chỉ biết hiệu suất xử lý:

C đầu vào − C đầu ra = C đầu vào × hiệu suất xử lý

Bước 2: Tính lượng VOCs được giữ lại mỗi ngày

G ngày = (C đầu vào − C đầu ra) × Q × h × 10⁻⁶

Trong đó h là số giờ vận hành mỗi ngày.

Bước 3: Tính khả năng hấp phụ sử dụng được của than

M VOC = M than × S

Trong đó:

• M than: Tổng khối lượng than hoạt tính, đơn vị kg.
• S: Khả năng hấp phụ làm việc, đơn vị kg VOC/kg than.

Trong thiết kế sơ bộ có thể tạm sử dụng:

S = 0,05 – 0,10

Tương đương khả năng hấp phụ làm việc khoảng 5 – 10% khối lượng than.

Không nên mặc định tất cả các loại VOCs đều đạt mức 10%. Giá trị thực tế cần dựa trên loại chất ô nhiễm, dữ liệu của nhà sản xuất than hoặc kết quả thử nghiệm.

Bước 4: Tính chu kỳ thay than

T = (M than × S) / [(C đầu vào − C đầu ra) × 10⁻⁶ × Q × h]

Trong đó:

• T: Chu kỳ thay than, đơn vị ngày.
• M than: Tổng khối lượng than, đơn vị kg.
• S: Khả năng hấp phụ làm việc, đơn vị kg VOC/kg than.
• C đầu vào − C đầu ra: Nồng độ VOCs cần loại bỏ, đơn vị mg/m³.
• Q: Lưu lượng khí, đơn vị m³/h.
• h: Thời gian vận hành, đơn vị giờ/ngày.

14. Ví dụ tính chu kỳ thay than

Giả sử hệ thống có các thông số:

• Lưu lượng khí: Q = 24.000 m³/h.
• Số lượng than: 1.536 viên.
• Khối lượng mỗi viên: 0,30 kg.
• Nồng độ VOCs đầu vào: 10 mg/m³.
• Hiệu suất xử lý yêu cầu: 90%.
• Thời gian vận hành: 8 giờ/ngày.
• Khả năng hấp phụ làm việc: S = 8% = 0,08.

Tổng khối lượng than:

M than = 1.536 × 0,30 = 460,8 kg

Nồng độ VOCs cần loại bỏ:

ΔC = 10 × 90% = 9 mg/m³

Khả năng giữ VOCs của toàn bộ lượng than:

M VOC = 460,8 × 0,08 = 36,864 kg

Lượng VOCs được giữ lại mỗi ngày:

G ngày = 9 × 24.000 × 8 × 10⁻⁶ = 1,728 kg/ngày

Chu kỳ thay than lý thuyết:

T = 36,864 / 1,728 ≈ 21,3 ngày

Để có hệ số an toàn, có thể chỉ sử dụng khoảng 70 – 80% chu kỳ lý thuyết:

Chu kỳ vận hành đề xuất khoảng 15 – 17 ngày

Kết quả này cho thấy ngay cả khi nồng độ VOCs chỉ khoảng 10 mg/m³, lưu lượng khí lớn vẫn tạo ra tải lượng ô nhiễm đáng kể. Vì vậy, không thể khẳng định chung rằng mọi hệ thống đều thay than sau 6 tháng hoặc 12 tháng.

15. Khi nào không nên sử dụng tháp than dùng một lần?

Nếu tính toán cho thấy chu kỳ thay than chỉ kéo dài vài ngày hoặc vài tuần, phương án sử dụng than một lần có thể không còn kinh tế.

Khi tải lượng VOCs cao, nên cân nhắc các giải pháp:

• Hệ thống hấp phụ hai tháp có hoàn nguyên.
• Hoàn nguyên than bằng hơi nước hoặc khí nóng.
• Rotor zeolite cô đặc VOCs.
• Thiêu đốt xúc tác.
• Thiêu đốt tái sinh RTO.
• Hệ thống thu hồi dung môi.
• Kết hợp thiết bị tiền xử lý để giảm tải VOCs trước tháp than.

16. Cách xác định thời điểm thay than trong thực tế

Không nên chỉ thay than theo lịch cố định. Cần kết hợp theo dõi các thông số sau:

• Nồng độ VOCs tại đầu vào và đầu ra.
• Hiệu suất xử lý thực tế.
• Mùi tại cửa khí sau xử lý.
• Chênh áp qua các khay than.
• Số giờ vận hành tích lũy.
• Tải lượng VOCs tích lũy.
• Tình trạng bụi, dầu và độ ẩm của than.

Các dấu hiệu cần thay than gồm:

• Nồng độ VOCs đầu ra tăng dần.
• Hiệu suất xử lý thấp hơn yêu cầu.
• Xuất hiện mùi sau tháp.
• Than bị ẩm, bám dầu hoặc bít bụi.
• Chênh áp qua khay than tăng bất thường.
• Than đã đạt tải lượng hấp phụ tính toán.

17. Các điều kiện cần kiểm soát trước tháp than

Bụi và sương sơn

Cần lắp bộ lọc bụi hoặc thiết bị tách sương trước tháp than. Bụi, dầu và sương sơn có thể bít lỗ than, che phủ bề mặt hấp phụ và làm tăng chênh áp.

Độ ẩm

Độ ẩm cao có thể cạnh tranh vị trí hấp phụ với VOCs và làm giảm khả năng làm việc của nhiều loại than. Với dòng khí có độ ẩm cao, cần xem xét tách ẩm hoặc lựa chọn loại than chuyên dụng.

Nhiệt độ

Nhiệt độ khí cao thường làm giảm khả năng hấp phụ vật lý. Cần kiểm soát nhiệt độ dòng khí trước khi đi vào tháp than.

An toàn cháy nổ

Than hoạt tính đã hấp phụ dung môi có nguy cơ phát nhiệt và cháy. Thiết kế hệ thống cần xem xét:

• Nhiệt độ khí đầu vào.
• Nồng độ dung môi so với giới hạn cháy nổ.
• Tiếp địa chống tĩnh điện.
• Cảm biến nhiệt độ.
• Cửa kiểm tra.
• Phương án phòng cháy và chữa cháy.
• Quy trình thu gom, lưu giữ và xử lý than đã qua sử dụng.

18. Tóm tắt quy trình chọn kích thước tháp than hoạt tính

1. Xác định lưu lượng khí Q.
2. Xác định loại VOCs, nồng độ đầu vào và nồng độ đầu ra yêu cầu.
3. Chọn vận tốc khí qua mặt than.
4. Tính tổng diện tích mặt than theo công thức A = Q / (3.600 × v).
5. Chọn số lượng và kích thước khay than hoạt tính.
6. Chọn chiều dày lớp than 100, 200 hoặc 300 mm.
7. Tính thể tích than theo công thức V = A × H.
8. Tính số viên than theo công thức N = 1.000 × V.
9. Tính khối lượng than theo công thức M = 0,30 × N.
10. Tính chu kỳ thay than theo tải lượng VOCs thực tế.
11. Kiểm tra tổn thất áp suất, tải trọng khay và khả năng của quạt hút.
12. Bố trí cửa bảo trì và phương án tháo khay than thuận tiện.

Kích thước tháp chỉ được xem là hợp lý khi đồng thời đáp ứng các yêu cầu về vận tốc dòng khí, diện tích khay than, thể tích than, tải lượng VOCs, tổn thất áp suất, tải trọng kết cấu, khả năng bảo trì và chu kỳ thay than mong muốn.

⭐Đơn Vị Nào Cung Cấp Lắp Đặt và Tư Vấn Cách Tính Toán Tháp Hấp Phụ Than Hoạt Tính Trong Xử Lý Khí Thải Uy Tin và Nhiều Kinh Nghiệm:

Công ty TNHH Sản Xuất Thương Mại Kỹ Thuật Tân Đại Phong là đơn vị uy tín cung cấp dịch vụ lắp đặt và tư vấn về Cách Tính Toán Tháp Hấp Phụ Than Hoạt Tính Trong Xử Lý Khí Thải.

Với địa chỉ nhà máy sản xuất tại Hà Nội, Nam Định và Bình Dương, chúng tôi cam kết mang đến sản phẩm chất lượng và dịch vụ tận tình đến từng khách hàng.

Thông tin liên hệ:

• Nhà máy Sản Xuất Tại Hà Nội: Đường 72, Thôn An Hạ, Xã An Thượng, Huyện Hoài Đức, TP Hà Nội
• Nhà máy Sản Xuất tại Nam Định: Xã Nghĩa Lâm, Huyện Nghĩa Hưng, Tỉnh Nam Định
• Nhà máy Sản Xuất tại Bình Dương: DX 07, khu phố Vĩnh An, phường Tân Vĩnh Hiệp, thị xã Tân Uyên, Tỉnh Bình Dương
• Tel: 02436.474.888
• Hotline: 0977.54.8888 – 0981.474.888 (Mr Thiệp)
• Hotline Hà Nội: 0922.747.888 (Ms Yến)
• Hotline Bình Dương: 0911.474.888 (Mr Thuý)
• Mail: tandaiphong.jsc@gmail.com
• Website: tandaiphong.com.vn – tandaiphong.vn