Tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính: dung lượng làm việc, vận tốc khí và ba ví dụ

Điểm chính cần nắm

• Tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính không dùng được công thức của tháp hấp thụ, vì than không “rửa” khí mà giữ chất ô nhiễm trên bề mặt cho tới khi hết chỗ.
• Hai đại lượng quyết định kích thước là dung lượng hấp phụ làm việc và vận tốc khí qua tiết diện lớp than; cả hai đều không có trong bất kỳ quy chuẩn nào và phải lấy theo kinh nghiệm thiết kế hoặc thử nghiệm.
• Căn cứ để chọn hấp phụ thay vì hấp thụ nằm ở độ tan trong nước và log Kow: amoniac với log Kow −2,66 đi vào tháp hấp thụ, toluen với log Kow 2,73 và độ tan chỉ 526 mg/L đi vào tháp hấp phụ.
• Ba ví dụ tính dưới đây đi theo đúng thứ tự: xác định lưu lượng thực, tính tải khối lượng, chọn dung lượng làm việc, rồi mới tới chiều cao lớp, thời gian tiếp xúc và trở lực.

Tác giả: Bofandeng · Kiểm duyệt kỹ thuật: Bộ phận Kỹ thuật Xicheng Việt Nam

Tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính khác gì tính toán tháp hấp thụ

Hai thiết bị có tên gần giống nhau và thường bị dùng lẫn, nhưng cách tính hoàn toàn khác nhau. Tháp hấp thụ đưa khí tiếp xúc với dung dịch lỏng; chất ô nhiễm tan vào pha lỏng rồi bị cuốn đi theo dòng dung dịch tuần hoàn. Tháp hấp phụ không có pha lỏng: chất ô nhiễm bám vào bề mặt xốp của than và nằm lại đó. Vì vậy khi tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính, câu hỏi trung tâm không phải là “cần bao nhiêu nước” mà là “bao lâu thì than hết chỗ”.

Sự khác biệt này đổi cả bộ thông số đầu vào. Với tháp hấp thụ, người thiết kế quan tâm tỉ lệ lỏng trên khí, số tầng đệm và nồng độ dung dịch. Với tháp hấp phụ, các đại lượng quyết định là vận tốc khí qua tiết diện lớp than, dung lượng hấp phụ làm việc của vật liệu và thời gian tiếp xúc. Đây cũng là lý do một bản tính sao chép từ tháp hấp thụ sang tháp hấp phụ luôn cho ra thiết bị sai kích thước.

Ba khác biệt cốt lõi: bám bề mặt, không có pha lỏng, và “hết chỗ” theo thời gian

Khác biệt thứ nhất là cơ chế. Hấp phụ là hiện tượng bám dính trên bề mặt, nên hiệu quả tỉ lệ với diện tích bề mặt riêng của vật liệu chứ không tỉ lệ với thể tích dung dịch. Một gam than hoạt tính chất lượng tốt có thể có diện tích bề mặt hàng trăm tới hàng nghìn mét vuông, và chính con số đó quyết định lượng chất ô nhiễm giữ được. Vì vậy chọn than theo giá mà không theo chỉ tiêu bề mặt là sai ngay từ đầu vào.

Khác biệt thứ hai là không có pha lỏng để tái tạo liên tục. Ở tháp hấp thụ, dung dịch bão hòa được xả và thay, còn thiết bị vẫn chạy. Ở tháp hấp phụ, vật liệu đã bão hòa vẫn nằm nguyên trong tháp cho tới khi được thay hoặc tái sinh; trong khoảng thời gian đó hiệu suất giảm dần theo đường cong xuyên phá. Khác biệt thứ ba là tính thời gian: mọi tháp hấp phụ đều có một thời điểm bắt đầu xuyên phá, và thiết kế đúng nghĩa là bảo đảm thời điểm đó rơi vào đúng chu kỳ bảo trì mà chủ cơ sở có thể thực hiện.

Log Kow và độ tan trong nước: căn cứ để chọn hấp phụ thay vì hấp thụ

Chọn giữa hấp thụ và hấp phụ trong tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính thường được quyết định bằng kinh nghiệm. Có một cách chặt chẽ hơn: nhìn vào độ tan trong nước và hệ số phân bố octanol-nước của chất cần xử lý. Theo dữ liệu PubChem cho amoniac, amoniac có độ tan trong nước tới 4,82×10⁵ mg/L và log Kow bằng −2,66, tức là rất ưa nước. Một chất như vậy sẽ bị giữ tốt trong tháp hấp thụ nước hoặc axit, nhưng than hoạt tính giữ rất kém.

Ngược lại, theo dữ liệu PubChem cho toluen, toluen chỉ tan 526 mg/L trong nước và có log Kow bằng 2,73, tức là kỵ nước rõ rệt. Đây là đối tượng tiêu biểu của tháp hấp phụ than hoạt tính. Các chất ở giữa như carbon đisunphua với độ tan 2.160 mg/L và log Kow 1,94 theo dữ liệu PubChem cho carbon đisunphua thường cần cả hai tầng, và thứ tự đặt tầng mới là điều cần tính.

Vì sao không thể dùng công thức tháp hấp thụ cho tháp hấp phụ

Công thức của tháp hấp thụ xuất phát từ cân bằng vật chất giữa pha khí và pha lỏng, với số bậc truyền khối tính từ đường cân bằng. Ở tháp hấp phụ không có pha lỏng, nên toàn bộ khung tính đó không áp dụng được. Việc cần làm thay vào đó là cân bằng khối lượng theo thời gian: mỗi giờ dòng khí mang vào bao nhiêu kilogam chất ô nhiễm, than giữ được bao nhiêu kilogam trên mỗi kilogam vật liệu, và do đó bao lâu thì hết.

Nếu đã quen với cách tính trong bài tính toán thiết kế tháp hấp thụ dành cho tháp hấp thụ, có thể dùng nó cho phần khí động học – tính tiết diện, trở lực và công suất quạt – nhưng không dùng được cho phần dung lượng. Nguyên lý và tiêu chí chọn vật liệu đã được trình bày riêng trong bài xử lý khí thải bằng phương pháp hấp phụ; bài này tập trung vào phần còn thiếu, tức là cách tính ra con số.

Năm thông số phải tính cho một tháp hấp phụ than hoạt tính

Một bản tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính đủ để chào giá và đủ để chịu trách nhiệm kỹ thuật cần năm nhóm thông số, xếp theo đúng thứ tự nên hỏi khách hàng. Thiếu nhóm thứ ba thì không biết cần bao nhiêu than; thiếu nhóm thứ tư thì khối lượng than tính ra sẽ không dùng được trong thực tế.

Thông số 1 — Lưu lượng thực và vận tốc khí qua tiết diện lớp than

Lưu lượng dùng để tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính là lưu lượng thực tại vị trí đặt thiết bị, không phải lưu lượng quy đổi về điều kiện tiêu chuẩn. Từ lưu lượng thực và vận tốc khí chọn trước, tính được tiết diện ngang của lớp than, rồi ra đường kính tháp. Vận tốc khí qua lớp than là thông số nhạy nhất của cả bản tính: chọn quá thấp thì tháp to và đắt, chọn quá cao thì thời gian tiếp xúc ngắn và trở lực tăng nhanh.

Trong tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính, vận tốc hợp lý cho lớp than cố định thường nằm trong khoảng 0,2 đến 0,5 m/s, tùy nồng độ đầu vào và loại than. Đây là khoảng giá trị theo kinh nghiệm thiết kế, không phải một con số cố định trong tiêu chuẩn, nên với công trình có yêu cầu cam kết hiệu suất, nên xác nhận lại bằng thử nghiệm trên chính loại than sẽ dùng.

Thông số 2 — Nồng độ đầu vào, tải khối lượng và số giờ chạy

Nồng độ đầu vào nhân với lưu lượng thực cho ra tải khối lượng mỗi giờ. Đây là con số trung tâm của toàn bộ bản tính, vì mọi bước sau đều suy ra từ nó. Cần chú ý đơn vị: nồng độ thường đo bằng miligam trên mét khối, còn tải khối lượng cần tính bằng kilogam trên giờ, nên phải đổi đơn vị cẩn thận để tránh sai ba bậc.

Số giờ chạy mỗi ngày và mỗi năm quyết định chu kỳ thay vật liệu. Cùng một tải khối lượng mỗi giờ, một xưởng chạy tám giờ mỗi ngày sẽ có chu kỳ thay than dài gấp ba lần một xưởng chạy hai mươi tư giờ. Vì vậy số giờ chạy không ảnh hưởng tới kích thước tháp nhưng ảnh hưởng trực tiếp tới chi phí vận hành, và cần được ghi rõ trong bản tính.

Thông số 3 — Dung lượng hấp phụ làm việc của than

Đây là thông số hay bị tính sai nhất. Dung lượng cân bằng là lượng chất ô nhiễm tối đa mà than có thể giữ khi đã bão hòa hoàn toàn. Dung lượng làm việc là lượng giữ được trong thực tế trước khi đầu ra bắt đầu vượt ngưỡng. Hai con số này khác nhau, và khoảng cách giữa chúng chính là phần dự trữ để bù cho phân bố không đồng đều của dòng khí, cho độ ẩm và cho dung sai vận hành.

Nguyên tắc an toàn là lấy dung lượng làm việc bằng khoảng một nửa hoặc thấp hơn dung lượng cân bằng, và giảm tiếp nếu dòng khí có độ ẩm cao hoặc nhiệt độ cao. Nếu lấy thẳng dung lượng cân bằng để tính khối lượng than, con số thu được sẽ nhỏ hơn thực tế cần và tháp sẽ xuyên phá sớm hơn kế hoạch. Đây là nguyên nhân phổ biến nhất của tình trạng “tính toán đúng mà ba tháng đã phải thay than”.

Thông số 4 — Nhiệt độ và độ ẩm dòng khí: hai biến phá dung lượng

Hấp phụ vật lý là quá trình tỏa nhiệt, nên nhiệt độ tăng làm giảm lượng chất giữ được trên than. Trong thực tế, khi dòng khí vượt khoảng 40 đến 50 °C, dung lượng làm việc giảm rõ rệt và thời gian thay vật liệu ngắn lại. Với dòng khí nóng hơn, phải có công đoạn làm nguội trước tầng than, và cách làm nguội phải không làm tăng độ ẩm.

Độ ẩm ảnh hưởng mạnh hơn nữa. Hơi nước cạnh tranh vị trí hấp phụ với phân tử chất ô nhiễm, nên khi độ ẩm tương đối vượt khoảng 60 đến 70 %, than giữ được ít chất hữu cơ hơn hẳn. Với dòng khí gần bão hòa hơi nước, việc tách giọt và sấy khô một phần buộc phải đặt trước tầng than, và đây chính là điểm mà thiết kế tháp than hoạt tính khử mùi cần khác biệt so với các ứng dụng khác như đã nêu trong bài tháp than hoạt tính khử mùi.

Thông số 5 — Tầng lọc bụi trước và trở lực toàn lớp

Than hoạt tính không phải thiết bị lọc bụi. Bụi đi vào lớp than sẽ bịt các mao quản và làm tăng trở lực nhanh, đồng thời che mất bề mặt hoạt động. Vì vậy trước tầng than bắt buộc phải có tầng tách bụi và tách giọt. Với dòng có bụi mịn, tầng tách bụi có thể chiếm phần lớn trở lực của cả hệ thống, và cần được tính riêng chứ không gộp vào trở lực lớp than.

Trở lực lớp than tăng theo chiều cao lớp và theo vận tốc khí, và tăng theo thời gian do bụi và do chính chất ô nhiễm đã bị giữ lại. Khi tính công suất quạt, phải lấy trở lực ở trạng thái cuối chu kỳ thay vật liệu chứ không phải trạng thái mới lắp, nếu không quạt sẽ thiếu gió đúng vào giai đoạn hệ thống cần gió nhất.

Ví dụ tính 1 — tháp hấp phụ cho xưởng phun sơn, 8.000 m³/h

Đề bài

Một xưởng phun sơn có bốn buồng phun, mỗi buồng hút 2.000 m³/h, tổng lưu lượng 8.000 m³/h. Khí thải ở 35 °C, độ ẩm tương đối 60 %, chứa hơi dung môi với tổng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi tính theo TVOC là 300 mg/Nm³, thành phần chính là toluen và xylen. Xưởng chạy 8 giờ mỗi ngày và khoảng 300 ngày mỗi năm. Cơ sở nằm trong vùng hạn chế phát thải nên áp dụng Cột B của QCVN 19:2024/BTNMT. Yêu cầu là tính kích thước tháp hấp phụ than hoạt tính để nồng độ đầu ra không vượt ngưỡng.

Bước 1 — Lưu lượng thực, tiết diện và vận tốc khí

Đổi lưu lượng sang mét khối trên giây: 8.000 chia 3.600 được 2,22 m³/s. Chọn vận tốc khí qua tiết diện lớp than là 0,5 m/s, một giá trị trong khoảng thường dùng cho hấp phụ dung môi. Tiết diện ngang cần thiết bằng lưu lượng chia vận tốc: 2,22 chia 0,5 được 4,44 m². Với tháp tròn, đường kính bằng căn bậc hai của bốn lần tiết diện chia số pi, tức khoảng 2,38 m.

Đường kính 2,38 m là kích thước lớn nhưng vẫn nằm trong khả năng chế tạo bằng nhựa PP gia cường. Nếu muốn giảm đường kính, có thể tăng vận tốc lên 0,7 m/s, nhưng khi đó trở lực tăng và thời gian tiếp xúc giảm; đây là đánh đổi sẽ được phân tích ở mục sau.

Bước 2 — Tải VOC theo giờ và theo năm

Tải khối lượng mỗi giờ bằng lưu lượng nhân nồng độ: 300 mg/m³ nhân 8.000 m³/h được 2.400.000 mg/h, tức 2,4 kg mỗi giờ. Chạy 8 giờ mỗi ngày, xưởng thải 19,2 kg VOC mỗi ngày. Với 300 ngày mỗi năm, tổng tải khoảng 5.760 kg mỗi năm.

Con số 2,4 kg mỗi giờ là mức trung bình. Trong buồng phun, nồng độ dung môi thay đổi theo nhịp làm việc của thợ và theo loại sơn đang dùng, nên nồng độ đỉnh có thể cao hơn giá trị trung bình vài lần trong thời gian ngắn. Vì lớp than phía trước chịu đỉnh trước tiên, nên khi chọn dung lượng làm việc cần thiên về phía an toàn.

Bước 3 — Khối lượng than theo dung lượng làm việc

Với toluen trên than hoạt tính ở nồng độ vài trăm miligam trên mét khối, dung lượng cân bằng có thể lên tới vài chục phần trăm khối lượng than. Nhưng như đã nêu ở thông số 3, không được dùng thẳng giá trị này. Lấy dung lượng làm việc bằng 12 % khối lượng than – một giá trị điển hình theo kinh nghiệm thiết kế, đã trừ dự trữ cho phân bố khí không đều và cho sai số vận hành – khối lượng than cần cho một tháng làm việc được tính như sau.

Một tháng làm việc khoảng 25 ngày, tương đương 200 giờ. Tải VOC trong tháng là 2,4 kg/h nhân 200 giờ, được 480 kg. Chia cho dung lượng làm việc 0,12 được 4.000 kg than, tức khoảng 4 tấn cho mỗi tháng. Đây là con số quan trọng nhất của bài tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính, và nó chi phối cả kích thước tháp lẫn chi phí vận hành.

Bước 4 — Chiều cao lớp, thời gian tiếp xúc và trở lực

Chuyển khối lượng than thành thể tích: với khối lượng riêng đổ đống khoảng 0,45 tấn trên mét khối, 4 tấn than chiếm khoảng 8,9 m³. Chia cho tiết diện 4,44 m² được chiều cao lớp than khoảng 2,0 m. Đây là chiều cao tính theo dung lượng, và là chiều cao quyết định kích thước thân tháp.

Kiểm tra lại điều kiện tiếp xúc: với vận tốc 0,5 m/s và chiều cao lớp 2,0 m, thời gian khí đi qua lớp than là 4 giây, cao hơn nhiều mức tối thiểu khoảng 1 giây thường dùng cho hấp phụ dung môi. Như vậy trong trường hợp này dung lượng là yếu tố khống chế, không phải thời gian tiếp xúc. Nếu làm ngược lại – chọn chiều cao lớp chỉ để đủ thời gian tiếp xúc – sẽ ra một lớp than mỏng chỉ vài chục xăng-timét và tháp sẽ xuyên phá sau vài ngày.

Trở lực lớp than ở vận tốc này vào khoảng 1.000 Pa cho mỗi mét chiều cao, nên lớp 2,0 m gây khoảng 2.000 Pa. Cộng thêm tầng tách bụi và tách giọt phía trước khoảng 800 Pa, đường ống và chụp hút khoảng 600 Pa, tổng trở lực hệ thống khoảng 3.400 Pa ở trạng thái lớp than còn mới. Khi tính quạt, lấy thêm dự phòng cho trạng thái cuối chu kỳ, khi lớp than đã bám bẩn.

Bước 5 — Kết luận và chu kỳ thay than

Cấu hình cho xưởng này là một tháp đường kính khoảng 2,4 m, chiều cao lớp than 2,0 m, khối lượng than khoảng 4 tấn, vận tốc khí 0,5 m/s và trở lực tổng khoảng 3.400 Pa. Với tổng trở lực này, công suất quạt tính được khoảng 11,6 kW ở trục, nên chọn động cơ 15 kW.

Điểm cần nói rõ với chủ cơ sở là chi phí vận hành. Với tải 2,4 kg VOC mỗi giờ và chạy theo ca, lượng than phải thay mỗi tháng là khoảng 4 tấn, kèm theo chi phí xử lý lượng than đã hấp phụ dung môi như chất thải nguy hại. Ở mức tải này, nếu xưởng chạy nhiều ca hoặc chạy liên tục, phương án thay vật liệu định kỳ sẽ nhanh chóng trở nên đắt hơn cả phần đầu tư ban đầu, và nên cân nhắc tái sinh than hoặc dùng thiết bị cô đặc kết hợp đốt. Nội dung này sẽ được phân tích ở ví dụ tính 3.

Ví dụ tính 2 — xử lý mùi cho xưởng chế biến thủy sản, 5.000 m³/h

Đề bài

Một xưởng chế biến thủy sản có hệ thống hút mùi tại khu sơ chế và khu chứa phụ phẩm, lưu lượng 5.000 m³/h, nhiệt độ 30 °C, độ ẩm tương đối 95 %, chứa các hợp chất gây mùi dạng amin và amoniac với nồng độ quy đổi khoảng 5 mg/Nm³. Xưởng chạy 10 giờ mỗi ngày. Chủ cơ sở đề nghị lắp một tháp than hoạt tính vì cho rằng than khử mùi tốt.

Bước 1 — Vì sao phải tách ẩm và tách giọt trước lớp than

Đây là trường hợp điển hình của việc phương án đề nghị ban đầu không phù hợp với bản chất dòng khí. Dòng khí có độ ẩm tương đối 95 %, gần bão hòa hơi nước. Ở điều kiện này, hơi nước chiếm phần lớn vị trí hấp phụ trên bề mặt than, và dung lượng làm việc của than với các chất gây mùi giảm mạnh so với tính toán trên giấy.

Thêm vào đó, chất gây mùi chính ở đây là amoniac và các amin. Theo dữ liệu PubChem đã dẫn ở trên, amoniac có log Kow −2,66 và tan trong nước tới 4,82×10⁵ mg/L. Đây là chất ưa nước mạnh, và than hoạt tính thông thường giữ nó rất kém. Nói cách khác, kể cả khi bỏ qua vấn đề độ ẩm, than vẫn không phải là tầng xử lý đúng cho chất ô nhiễm chính của dòng khí này.

Bước 2 — Tải mùi và cấu hình đúng

Tải chất gây mùi quy đổi mỗi giờ là 5 mg/m³ nhân 5.000 m³/h, được 25.000 mg/h, tức 0,025 kg/h. Chạy 10 giờ mỗi ngày, tải khoảng 0,25 kg mỗi ngày. Đây là tải nhỏ, và nếu là chất hữu cơ kỵ nước thì một tầng than nhỏ đã đủ. Nhưng vì đây là amoniac và amin, cấu hình đúng phải bắt đầu bằng tầng hấp thụ ướt.

Cấu hình đề xuất gồm ba bước: thứ nhất là tháp hấp thụ nước hoặc dung dịch axit loãng để giữ amoniac và amin, vì đây là các chất tan tốt trong nước và dễ bị giữ bởi dung dịch axit; thứ hai là thiết bị tách giọt để loại nước cuốn theo; thứ ba, nếu vẫn còn thành phần hữu cơ gây mùi, mới đặt một tầng than hoạt tính nhỏ làm nhiệm vụ đánh bóng. Tầng than ở đây là tầng phụ, không phải tầng chính.

Bước 3 — Kết luận

Kết luận cho ví dụ này là không nên lắp tháp hấp phụ than hoạt tính làm tầng xử lý duy nhất. Với dòng khí ẩm gần bão hòa và chất ô nhiễm chính là amoniac, phương án đúng là hấp thụ ướt kèm tách giọt, có thể thêm tầng than đánh bóng phía sau nếu cần. Nếu vẫn đặt than làm tầng chính, thời gian thay vật liệu sẽ rất ngắn và chi phí vận hành sẽ cao hơn nhiều lần so với phương án đúng.

Ví dụ tính 3 — hai bể song song, tái sinh tại chỗ, 12.000 m³/h

Đề bài

Một nhà máy sản xuất màng nhựa có dây chuyền tráng phủ dùng dung môi mạnh, lưu lượng hút 12.000 m³/h, chạy liên tục ba ca, tương đương 8.760 giờ mỗi năm. Nồng độ TVOC đầu vào 800 mg/Nm³. Chủ cơ sở muốn đánh giá hai phương án: thay than định kỳ và tái sinh than tại chỗ.

Bước 1 — Vì sao một bể không đủ khi phải chạy liên tục

Tải VOC mỗi giờ là 800 mg/m³ nhân 12.000 m³/h, được 9.600.000 mg/h, tức 9,6 kg mỗi giờ. Mỗi ngày tải khoảng 230 kg, mỗi năm khoảng 84 tấn. Với dung lượng làm việc 12 %, khối lượng than cần cho một năm lên tới khoảng 700 tấn – một con số cho thấy ngay rằng phương án thay vật liệu định kỳ là không khả thi về mặt chi phí và cả về mặt xử lý chất thải.

Về mặt vận hành, hệ thống chạy liên tục không thể dừng để thay than. Cần tối thiểu hai bể để một bể làm việc trong khi bể kia được thay hoặc tái sinh. Đây là lý do cấu hình bắt buộc ở mức tải này là hai bể song song, mỗi bể nhận khoảng 6.000 m³/h, luân phiên theo chu kỳ.

Bước 2 — Chia tải và tính lại khối lượng than

Với hai bể, mỗi bể nhận 6.000 m³/h, tương đương 4,8 kg VOC mỗi giờ. Nếu chọn chu kỳ mỗi bể làm việc 24 giờ rồi chuyển sang tái sinh, mỗi bể phải giữ 4,8 nhân 24 bằng 115 kg VOC mỗi chu kỳ. Với dung lượng làm việc 12 %, mỗi bể cần khoảng 960 kg than. Đây là khối lượng khả thi cho một bể có hệ thống tái sinh tại chỗ.

Với mỗi bể 6.000 m³/h và vận tốc 0,5 m/s, tiết diện mỗi bể là 3,33 m², đường kính khoảng 2,06 m. Với 960 kg than tương đương 2,13 m³ thể tích, chiều cao lớp khoảng 0,64 m. Cần kiểm tra lại thời gian tiếp xúc: 0,64 chia 0,5 được 1,3 giây, vẫn nằm trong mức chấp nhận được.

Bước 3 — So sánh kinh tế: thay vật liệu định kỳ và tái sinh tại chỗ

Hai phương án khác nhau ở chỗ tiền được tiêu vào đâu. Phương án thay vật liệu định kỳ có chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn nhưng chi phí vận hành tỉ lệ thuận với tải VOC, và mỗi lần thay phát sinh một lượng than đã hấp phụ dung môi phải xử lý như chất thải nguy hại. Phương án tái sinh tại chỗ có chi phí đầu tư cao hơn vì phải thêm hệ thống gia nhiệt, cấp hơi hoặc khí trơ, và thiết bị thu hồi, nhưng chi phí vận hành trên mỗi kilogam VOC thấp hơn nhiều.

Điểm chuyển đổi giữa hai phương án phụ thuộc tải VOC mỗi năm và giá xử lý chất thải. Quy tắc thực dụng là nếu khối lượng than phải thay vượt vài tấn mỗi tháng một cách liên tục, phương án tái sinh gần như chắc chắn kinh tế hơn; còn nếu hệ thống chỉ chạy theo ca với tải thấp, thay vật liệu định kỳ lại đơn giản và rẻ hơn. Với ví dụ này, tải 84 tấn VOC mỗi năm và yêu cầu chạy liên tục đưa bài toán về phía tái sinh, hoặc về phía thiết bị cô đặc kết hợp đốt nếu không cần thu hồi dung môi.

So sánh năm thông số giữa ba trường hợp

Bảng dưới tổng hợp năm nhóm thông số của ba ví dụ tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính, cho thấy cùng là tháp hấp phụ than hoạt tính nhưng tỉ lệ giữa các thông số thay đổi rất nhiều theo loại dòng khí.

Thông số	Ví dụ 1 — xưởng phun sơn	Ví dụ 2 — mùi thủy sản	Ví dụ 3 — tráng phủ dung môi
Lưu lượng thiết kế	8.000 m³/h, 8 h/ngày, 300 ngày/năm	5.000 m³/h, 10 h/ngày	12.000 m³/h chia hai bể, chạy liên tục 8.760 h/năm
Vận tốc khí chọn	0,5 m/s, tiết diện 4,44 m², đường kính 2,38 m	Không đặt than làm tầng chính	0,5 m/s mỗi bể, đường kính khoảng 2,06 m
Tải chất ô nhiễm	2,4 kg/h, tương đương 5.760 kg/năm	0,025 kg/h, tương đương 0,25 kg/ngày	9,6 kg/h, tương đương 84 tấn/năm
Khối lượng than	4 tấn mỗi tháng, lớp cao 2,0 m	Tầng đánh bóng nhỏ, đặt sau hấp thụ ướt	960 kg mỗi bể, lớp cao 0,64 m, chu kỳ 24 giờ
Nhiệt độ và độ ẩm	35 °C, độ ẩm 60 %, dùng than trực tiếp được	30 °C, độ ẩm 95 %, phải tách ẩm và tách giọt	Không nêu yêu cầu làm nguội, nhưng phải bù ẩm nếu có

Quan hệ giữa khối lượng than, thời gian tiếp xúc và trở lực

Ba đại lượng này ràng buộc lẫn nhau, và trong tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính, hiểu quan hệ giữa chúng là điều kiện để tránh thiết kế lệch. Tăng chiều cao lớp than làm tăng thời gian tiếp xúc, tăng khối lượng dự trữ và do đó kéo dài chu kỳ thay vật liệu – nhưng đồng thời làm tăng trở lực và tăng công suất quạt. Giảm chiều cao lớp làm nhẹ trở lực nhưng rút ngắn chu kỳ và có thể làm thời gian tiếp xúc xuống dưới mức cần thiết.

Ba đại lượng đánh đổi lẫn nhau

Với một lưu lượng và một loại than cho trước, khối lượng than quyết định chu kỳ làm việc, còn chiều cao lớp quyết định thời gian tiếp xúc. Hai đại lượng này liên hệ với nhau qua tiết diện: cùng một khối lượng than, tiết diện càng lớn thì chiều cao lớp càng thấp. Vì tiết diện lại do vận tốc khí quyết định, nên chọn vận tốc khí là chọn luôn hình dạng tháp.

Vì sao không thể tăng chiều cao lớp vô hạn

Chiều cao lớp càng lớn thì trở lực càng lớn theo tỉ lệ gần như tuyến tính, kéo theo công suất quạt và tiếng ồn tăng, đồng thời làm tăng nguy cơ dòng khí phân bố không đều và tạo vùng chết ở phần dưới lớp than. Ngoài một ngưỡng chiều cao nào đó, phần than ở đáy gần như không tham gia hấp phụ vì khí đã bão hòa chất ô nhiễm trước khi tới đó. Vì vậy các thiết bị lớn thường chia thành nhiều bể song song thay vì làm một bể thật cao.

Điểm làm việc hợp lý

Quy tắc thực dụng là chọn vận tốc khí trước, tính tiết diện, rồi chọn chiều cao lớp theo chiều cao nào lớn hơn giữa yêu cầu về thời gian tiếp xúc và yêu cầu về khối lượng dự trữ. Như ví dụ tính 1 đã cho thấy, trong nhiều trường hợp dung lượng khống chế chứ không phải thời gian tiếp xúc. Bảng dưới tóm tắt chiều biến thiên của ba đại lượng.

Thay đổi	Khối lượng than giữ được	Thời gian tiếp xúc	Trở lực
Tăng vận tốc khí	Giảm (cùng tiết diện thì ít than hơn)	Giảm	Tăng mạnh
Tăng chiều cao lớp than	Tăng	Tăng	Tăng gần tuyến tính
Tăng tiết diện, giữ khối lượng than	Không đổi	Giảm	Giảm
Tăng độ ẩm dòng khí	Giảm rõ rệt	Không đổi	Tăng nhẹ
Tăng nhiệt độ dòng khí	Giảm	Không đổi	Không đổi

Quy tắc thiết kế có dẫn nguồn về dung lượng, nhiệt độ và độ ẩm

Phần này tập hợp những dữ liệu đã được kiểm chứng bằng nguồn, để dùng làm đầu vào cho tính toán thay vì dựa vào kinh nghiệm truyền miệng. Những con số không có nguồn sẽ được ghi rõ là giá trị điển hình.

Về ngưỡng phát thải áp dụng cho đầu ra. Với hệ thống hấp phụ xử lý dung môi, chỉ tiêu đối chiếu thường là tổng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi tính theo TVOC, quy định tại thông số số 9 của QCVN 19:2024/BTNMT, Bảng 1, gồm sáu cấu tử Benzen, Toluen, Etylbenzen, Xylen, Etyl Axetat và Butyl Axetat. Thiết bị sơn và phủ bề mặt – nhóm áp dụng cho buồng phun sơn – chịu giới hạn 50 mg/Nm³ ở Cột A, 80 mg/Nm³ ở Cột B và 100 mg/Nm³ ở Cột C; các thiết bị xả thải khác chịu giới hạn 80, 120 và 150 mg/Nm³.

Về cơ sở chọn hấp phụ thay vì hấp thụ. Độ tan trong nước và log Kow là hai chỉ tiêu phân loại đáng tin cậy. Theo dữ liệu PubChem cho amoniac, amoniac có log Kow bằng −2,66 và độ tan 4,82×10⁵ mg/L, thuộc nhóm ưa nước mạnh và phù hợp với hấp thụ. Theo dữ liệu PubChem cho toluen, toluen có log Kow bằng 2,73 và độ tan chỉ 526 mg/L, thuộc nhóm kỵ nước và phù hợp với hấp phụ. Carbon đisunphua ở giữa hai nhóm với log Kow 1,94 và độ tan 2.160 mg/L theo dữ liệu PubChem cho carbon đisunphua.

Về các chất dễ bị bỏ sót. Hydro sunphua có độ tan 3.980 mg/L và hằng số Henry 0,0098 atm·m³/mol ở 25 °C theo dữ liệu PubChem cho hydro sunphua; giá trị Henry tương đối cao nghĩa là chất này có xu hướng thoát khỏi pha lỏng, nên khi xử lý bằng hấp thụ cần kiểm soát pH để giữ nó lại. Metyl mercaptan có nhiệt độ sôi chỉ 5,95 °C và ngưỡng mùi thấp tới 2×10⁻⁷ ppm theo dữ liệu PubChem cho metyl mercaptan, nghĩa là chỉ một lượng rất nhỏ cũng đủ gây mùi cảm nhận được dù nồng độ đã đạt ngưỡng quy định.

Về những gì không có nguồn. Dung lượng hấp phụ làm việc, vận tốc khí, thời gian tiếp xúc, trở lực riêng của lớp than, chỉ số iod và diện tích bề mặt riêng của than đều không có giá trị chuẩn bắt buộc trong tiêu chuẩn Việt Nam. Các con số dùng trong bài là giá trị điển hình theo kinh nghiệm thiết kế, và với công trình có cam kết hiệu suất thì phải xác nhận bằng đường đẳng nhiệt hấp phụ của đúng loại than sẽ dùng hoặc bằng thử nghiệm trên mô hình thu nhỏ.

Công suất quạt — khép vòng trở lực lớp than

Công suất quạt trong tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính được tính từ lưu lượng thực và tổng trở lực. Trở lực tổng gồm bốn phần: tầng tách bụi và tách giọt phía trước, lớp than, đường ống và chụp hút, và các thiết bị phụ như van gió và đầu đo. Với tháp hấp phụ than hoạt tính, phần trở lực của lớp than là phần tăng theo thời gian, nên phải lấy giá trị ở cuối chu kỳ chứ không phải lúc mới lắp.

Một sai sót hay gặp là tính trở lực lớp than theo trạng thái vật liệu mới rồi cộng thêm một hệ số nhỏ. Trên thực tế, trở lực của lớp than có thể tăng đáng kể khi bụi bám và khi lớp vật liệu phía trước đã hấp phụ nhiều chất. Cách làm an toàn là tính trở lực ở hai trạng thái – đầu chu kỳ và cuối chu kỳ – rồi chọn quạt theo trạng thái cuối, đồng thời dùng biến tần để không phải chạy quạt ở công suất tối đa suốt chu kỳ.

Công suất bơm không đáng kể trong tháp hấp phụ vì không có dòng dung dịch tuần hoàn, nhưng nếu thiết bị có hệ thống tái sinh bằng hơi nước thì công suất lò hơi và bơm ngưng lại là hạng mục cần tính riêng. Tương tự cách khép vòng trở lực đã trình bày trong bài tính toán thiết kế tháp hấp thụ, nên lập bảng trở lực theo từng hạng mục thay vì lấy một trị số tổng theo kinh nghiệm.

Mỗi câu hỏi thiết kế được trả lời ở bài nào

Cụm bài về xử lý khí thải được chia theo từng câu hỏi thiết kế. Bảng dưới giúp đi thẳng tới bài cần đọc.

Câu hỏi thiết kế	Bài cần đọc
Tổng quan về các loại tháp xử lý khí thải	Tháp xử lý khí thải là gì
Cách tính tháp hấp thụ và các công thức kèm theo	Tính toán thiết kế tháp hấp thụ
Nguyên lý hấp phụ, vật liệu và tiêu chí chọn	Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp phụ
Cấu tạo và thông số chế tạo tháp hấp phụ than hoạt tính	Tháp hấp phụ than hoạt tính
Cấu tạo tháp than hoạt tính khử mùi và cách chọn	Tháp than hoạt tính khử mùi
Pha dung dịch xút cho tầng hấp thụ đặt trước	Tháp hấp thụ NaOH
Xử lý mùi bằng lọc sinh học thay cho than	Xử lý khí thải bằng phương pháp sinh học
Chọn giữa hấp phụ và thiêu đốt	Xử lý khí thải bằng phương pháp thiêu đốt
Xử lý hơi dung môi và chọn công nghệ theo độ phân cực	Xử lý hơi dung môi
Xử lý mùi ở cơ sở tái chế nhựa	Xử lý mùi nhựa tái chế
Xử lý khí thải nhà máy cao su – trường hợp dòng ẩm và amoniac	Xử lý khí thải nhà máy cao su

Chọn than, chọn vỏ tháp và các hạng mục chi phí

Than gáo dừa, than than đá và than gỗ

Ba loại than hoạt tính phổ biến khác nhau ở nguồn nguyên liệu, cấu trúc lỗ xốp và độ cứng. Than gáo dừa có cấu trúc vi lỗ nhiều, độ cứng cao và ít bụi, phù hợp với xử lý khí và với các ứng dụng cần đổi mới vật liệu nhiều lần. Than than đá có dải lỗ rộng hơn, phù hợp với phân tử lớn và với nước thải. Than gỗ rẻ hơn nhưng độ cứng thấp, dễ sinh bụi và thường không phù hợp cho lớp than cố định trong dòng khí liên tục.

Chỉ số iod và diện tích bề mặt: cách đọc chỉ tiêu than

Chỉ số iod là chỉ tiêu gián tiếp đánh giá lượng vi lỗ và thường được dùng làm căn cứ so sánh giữa các lô than. Diện tích bề mặt riêng đo bằng phương pháp BET là chỉ tiêu trực tiếp hơn nhưng ít được ghi trong báo giá. Khi mua than, nên yêu cầu nhà cung cấp cung cấp cả hai chỉ tiêu cùng đường kính hạt, vì ba chỉ tiêu này cùng quyết định hiệu quả và trở lực.

Loại than	Đặc điểm	Phù hợp với
Than gáo dừa	Nhiều vi lỗ, độ cứng cao, ít bụi	Xử lý khí, dung môi, mùi
Than than đá	Dải lỗ rộng, độ cứng trung bình	Phân tử lớn, xử lý nước
Than gỗ	Rẻ, độ cứng thấp, sinh bụi	Ứng dụng tạm, ít dùng cho lớp cố định

Vỏ tháp PP và các hạng mục chi phí

Vỏ tháp thường làm bằng nhựa PP nguyên sinh cho dòng khí dưới 60 °C, vì vừa chống ăn mòn vừa nhẹ và dễ chế tạo. Khay đỡ và lưới phân phối nên làm bằng inox để không bị ăn mòn và không sinh gỉ theo thời gian. Chi phí của một hệ thống hấp phụ chia thành hai phần rất khác nhau về tính chất: phần đầu tư một lần và phần vận hành theo chu kỳ thay vật liệu.

Nhóm chi phí	Thành phần chính	Đặc điểm
Đầu tư thiết bị	Vỏ tháp, khay đỡ, đường ống, quạt, cửa nạp tháo than	Phụ thuộc lưu lượng và đường kính tháp
Đầu tư hệ thống phụ	Tầng tách bụi, tách giọt, tủ điện, biến tần, sàn thao tác	Thường bị bỏ sót khi lập dự toán
Vật liệu hấp phụ	Than hoạt tính thay theo chu kỳ	Tỉ lệ thuận với tải chất ô nhiễm
Xử lý vật liệu thải	Than đã hấp phụ dung môi, xử lý như chất thải nguy hại	Khoản dễ bị bỏ qua nhất khi chào giá
Điện năng	Quạt chính và quạt phụ	Tỉ lệ với trở lực và số giờ chạy
Bảo trì	Thay túi lọc, kiểm tra lớp than, hiệu chuẩn đầu đo	Theo chu kỳ vận hành

Năm sai lầm khi tính và vận hành tháp hấp phụ

Sai lầm 1 — Lấy dung lượng cân bằng làm dung lượng làm việc

Trong tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính, đây là sai lầm phổ biến nhất và cũng tốn kém nhất. Dùng dung lượng cân bằng cho ra khối lượng than nhỏ hơn thực tế cần, tháp xuyên phá sớm, và khi đó chủ cơ sở thường đổ lỗi cho chất lượng than thay vì cho bản tính. Nguyên tắc là lấy dung lượng làm việc bằng khoảng một nửa hoặc thấp hơn dung lượng cân bằng, và giảm tiếp khi dòng khí ẩm hoặc nóng.

Sai lầm 2 — Bỏ tầng lọc bụi và tách giọt trước lớp than

Than hoạt tính không lọc bụi. Bụi và giọt lỏng đi vào lớp than sẽ bịt mao quản, làm tăng trở lực và làm giảm tuổi thọ vật liệu. Hệ quả thường thấy là quạt thiếu gió sau vài tuần và lớp than phải thay sớm hơn kế hoạch, dù nồng độ chất ô nhiễm chưa tới ngưỡng xuyên phá.

Sai lầm 3 — Tính theo lưu lượng tiêu chuẩn thay vì lưu lượng thực

Tiết diện tháp và trở lực phải tính theo lưu lượng thực tại nhiệt độ và độ ẩm làm việc. Dùng lưu lượng quy đổi về điều kiện tiêu chuẩn để chọn quạt sẽ cho ra quạt thiếu gió ngay từ khi đưa vào vận hành, đặc biệt với dòng khí nóng.

Sai lầm 4 — Chọn than theo giá mà không so chỉ số iod và đường kính hạt

Hai lô than cùng tên gọi có thể khác nhau rõ rệt về dung lượng và độ sinh bụi. Mua theo giá thấp thường dẫn tới chu kỳ thay ngắn hơn, và tổng chi phí theo năm lại cao hơn. Nên đưa chỉ số iod, diện tích bề mặt và đường kính hạt vào tiêu chí mua hàng.

Sai lầm 5 — Không đặt lối lấy mẫu và điểm kiểm tra xuyên phá

Không có điểm lấy mẫu trước và sau lớp than thì không thể biết thời điểm xuyên phá, và cũng không thể chứng minh hiệu quả khi cơ quan chức năng kiểm tra. Cần bố trí cửa lấy mẫu ở đầu vào và đầu ra, cùng vị trí đo trở lực để theo dõi diễn biến theo thời gian.

Tiêu chí chọn than hoạt tính, ảnh hưởng của độ ẩm tới dung lượng và nguy cơ cháy lớp than được trình bày trong bài than hoạt tính xử lý khí thải.

Cách ghép tháp than vào đủ sáu khối của một hệ thống — thu gom, tiền xử lý, quạt, tháp hấp phụ, ống khói và quan trắc — cùng ba ví dụ tính toán và cách đối chiếu QCVN 19:2024 được trình bày trong bài hệ thống xử lý khí thải bằng than hoạt tính.

Câu hỏi thường gặp

Làm sao tính được lượng than hoạt tính cần dùng?

Cách tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính gồm bốn bước: đổi lưu lượng ra mét khối trên giờ hoặc trên giây, nhân với nồng độ để ra tải khối lượng mỗi giờ, chọn dung lượng làm việc của than, rồi chia tải trong chu kỳ mong muốn cho dung lượng làm việc đó. Kết quả là khối lượng than cần cho một chu kỳ, từ đó suy ra thể tích và chiều cao lớp.

Bao lâu phải thay than hoạt tính?

Chu kỳ thay phụ thuộc tải khối lượng và khối lượng than đã nạp. Với ví dụ tính 1 trong bài, tải 2,4 kg mỗi giờ và 4 tấn than cho chu kỳ khoảng một tháng làm việc theo ca. Với hệ thống chạy liên tục, chu kỳ ngắn hơn nhiều và thường phải chuyển sang tái sinh tại chỗ.

Vận tốc khí qua lớp than bao nhiêu là hợp lý?

Khoảng 0,2 đến 0,5 m/s cho lớp than cố định là giá trị điển hình theo kinh nghiệm thiết kế. Vận tốc thấp làm tháp to và đắt; vận tốc cao làm thời gian tiếp xúc ngắn và trở lực tăng nhanh. Đây không phải giá trị cố định trong tiêu chuẩn nên cần xác nhận bằng thử nghiệm với công trình có cam kết hiệu suất.

Than hoạt tính hấp phụ được những chất nào?

Than giữ tốt các chất hữu cơ kỵ nước như dung môi, hydrocarbon và nhiều hợp chất gây mùi. Than giữ kém các chất rất ưa nước như amoniac, và giữ kém các chất có phân tử quá lớn hoặc quá phân cực. Căn cứ để đánh giá là độ tan trong nước và log Kow của chất cần xử lý.

Độ ẩm và nhiệt độ ảnh hưởng thế nào?

Cả hai đều làm giảm dung lượng làm việc. Nhiệt độ cao làm giảm lượng chất giữ được trên bề mặt; hơi nước cạnh tranh vị trí hấp phụ nên độ ẩm tương đối trên khoảng 60 đến 70 % làm giảm rõ rệt lượng chất hữu cơ mà than giữ được. Với dòng khí ẩm cao, phải tách giọt và sấy khô một phần trước tầng than.

Có thể tái sinh than hoạt tính tại chỗ không?

Có, và đó là lựa chọn gần như bắt buộc khi tải chất ô nhiễm lớn và hệ thống phải chạy liên tục. Tái sinh tại chỗ cần hệ thống gia nhiệt và cấp hơi nước hoặc khí trơ, cộng thêm hệ thống thu hồi hoặc xử lý dòng khí thoát ra trong quá trình tái sinh. Chi phí đầu tư cao hơn nhưng chi phí vận hành trên mỗi kilogam chất ô nhiễm lại thấp hơn nhiều so với thay vật liệu.

Kết luận

Tính toán tháp hấp phụ than hoạt tính xoay quanh hai đại lượng không có trong bất kỳ quy chuẩn nào: dung lượng hấp phụ làm việc và vận tốc khí qua tiết diện lớp than. Dung lượng cân bằng không dùng trực tiếp được, vì phải để lại dự trữ để bù cho phân bố khí không đều, cho độ ẩm và cho dung sai vận hành. Bỏ qua phần dự trữ này là nguyên nhân phổ biến nhất khiến tháp xuyên phá sớm hơn kế hoạch.

Căn cứ để quyết định nên dùng hấp phụ hay hấp thụ nằm ở độ tan trong nước và log Kow của chất cần xử lý. Chất ưa nước mạnh như amoniac thuộc về tháp hấp thụ; chất kỵ nước như toluen thuộc về tháp hấp phụ; chất ở giữa thường cần cả hai tầng và thứ tự đặt tầng mới là điều phải tính. Với chỉ tiêu đầu ra, mốc đối chiếu phổ biến là TVOC theo QCVN 19:2024/BTNMT, trong đó nhóm thiết bị sơn và phủ bề mặt chịu giới hạn chặt hơn nhóm xả thải khác.

Cách làm an toàn là bám đúng thứ tự: xác định chất ô nhiễm chính và cơ chế xử lý phù hợp, đổi lưu lượng ra giá trị thực, tính tải khối lượng, chọn dung lượng làm việc có dự trữ, rồi mới tới chiều cao lớp, thời gian tiếp xúc và trở lực. Ba ví dụ trong bài cho thấy cùng là tháp hấp phụ nhưng tỉ lệ giữa các thông số thay đổi rất nhiều theo loại dòng khí – từ một tháp đường kính 2,4 m cho xưởng phun sơn tới hai bể luân phiên cho dây chuyền tráng phủ chạy liên tục.

Nguồn tham khảo

1. QCVN 19:2024/BTNMT — Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp (toàn văn, Bảng 1 thể khí). Nguồn cho giới hạn TVOC của nhóm thiết bị sơn và phủ bề mặt (50/80/100 mg/Nm³) và của nhóm thiết bị xả thải khác (80/120/150 mg/Nm³).
2. PubChem CID 1140 — Toluene. Nguồn cho độ tan 526 mg/L, log Kow 2,73, nhiệt độ sôi 110,6 °C và áp suất hơi 28,4 mmHg.
3. PubChem CID 222 — Ammonia. Nguồn cho độ tan 4,82×10⁵ mg/L và log Kow −2,66.
4. PubChem CID 402 — Hydrogen sulfide. Nguồn cho độ tan 3.980 mg/L và hằng số Henry 0,0098 atm·m³/mol ở 25 °C.
5. PubChem CID 878 — Methanethiol. Nguồn cho nhiệt độ sôi 5,95 °C và ngưỡng mùi thấp 2×10⁻⁷ ppm.
6. PubChem CID 6348 — Carbon disulfide. Nguồn cho độ tan 2.160 mg/L, log Kow 1,94 và nhiệt độ sôi 46,2 °C.

Ghi chú về phạm vi số liệu: dung lượng hấp phụ làm việc, vận tốc khí qua lớp than, thời gian tiếp xúc, trở lực riêng của lớp than, chỉ số iod và diện tích bề mặt riêng dùng trong bài là giá trị điển hình theo kinh nghiệm thiết kế, dùng để minh họa cách tính. Giá trị áp dụng cho một công trình cụ thể phải được xác định lại bằng đường đẳng nhiệt hấp phụ của đúng loại than sẽ dùng hoặc bằng thử nghiệm mô hình.