吸附濃縮與焚燒技術(shù)處理印刷廢氣工程實(shí)例

金奇超，熊明瑜

（1.浙江省環(huán)境科技有限公司，杭州 311121；2.嘉興市環(huán)境科學(xué)研究所有限公司，浙江 嘉興 314100）

印刷業(yè)是指利用印刷機(jī)械將油墨均勻地涂抹在印版的圖文上，然后在印刷壓力的作用下，將油墨轉(zhuǎn)移到成印物上，一般步驟包括印前、印刷及印后三部分。根據(jù)印版版面的印刷部分和空白部分之間的相對(duì)關(guān)系，印刷類型可大致分為凸版印刷、凹版印刷、孔版印刷及平版印刷等四大類。其中凹版印刷業(yè)是所有分類中VOCs排放量最大的一個(gè)類別。凹版印刷企業(yè)在日常生產(chǎn)時(shí)會(huì)逸散出大量的諸如乙酸乙酯、異丙醇等VOCs廢氣，對(duì)廠區(qū)及周邊大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，對(duì)印刷企業(yè)VOCs廢氣的控制已越來越受到人們的關(guān)注。

上海某印刷包裝有限公司是典型的凹版印刷企業(yè)，共有4條印刷線和3條復(fù)合線。該印刷廠的東面和北面有住宅區(qū)且位于印刷廠主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，四周有其他低污染的工貿(mào)企業(yè)。因此，為了給印刷廠自身廠區(qū)及廠區(qū)周邊創(chuàng)造良好的工作、生活和投資環(huán)境，有必要對(duì)印刷廠產(chǎn)生的VOCs廢氣進(jìn)行綜合治理。治理工程根據(jù)印刷廠的實(shí)際情況，通過污染物排查與分析，核算廢氣產(chǎn)生氣量，選擇廢氣處理工藝路線，設(shè)計(jì)并建設(shè)廢氣處理設(shè)施，確保處理后排放的尾氣可以滿足上海市相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 VOCs來源及成分

凹版印刷企業(yè)的主要VOCs產(chǎn)生點(diǎn)位包括：印刷油墨調(diào)配間和印刷復(fù)合生產(chǎn)線。前者VOCs廢氣屬于無組織產(chǎn)生源，一般從攪拌槽附近逸散，采用整體換風(fēng)的形式進(jìn)行收集；后者印刷線和復(fù)合線上烘箱排氣屬于有組織產(chǎn)生源，采用管道直連排氣風(fēng)機(jī)的形式進(jìn)行收集，墨槽和膠粘劑槽的揮發(fā)氣屬于無組織散發(fā)源，將整體工位進(jìn)行密閉，采用整體換風(fēng)的形式進(jìn)行收集。

不同的凹版印刷企業(yè)產(chǎn)生的廢氣主要成分根據(jù)企業(yè)使用油墨中溶劑成分而有所不同，該印刷廠使用的是無苯油墨，溶劑主要成分為乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、異丙醇和丁酮。

2 常見VOCs廢氣的處理方法

目前常見的VOCs廢氣處理方法有：燃燒法[1]、吸附法[2]、吸收法[3]、化學(xué)氧化法[4]、低溫等離子氧化法[5]、光催化氧化法[6]和生物法[7]等。

當(dāng)前對(duì)于凹版印刷企業(yè)VOCs廢氣處理仍不具備完善的工藝路線，各種處理工藝參差不齊，普遍有使用單一吸收工藝或吸收與等離子/光催化技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)合工藝，但效果一般。

針對(duì)凹版印刷企業(yè)VOCs廢氣風(fēng)量大、濃度低、且污染物大多是非水溶性的特點(diǎn)，提出使用吸附濃縮與燃燒相結(jié)合的工藝，具有一次性投資適中、運(yùn)行費(fèi)用較低、處理效率高、設(shè)施自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以改善印刷廠廢氣治理的現(xiàn)狀。本實(shí)例中使用的技術(shù)為轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-蓄熱式燃燒聯(lián)合工藝，該工藝在涂裝廢氣領(lǐng)域已有較多的研究及應(yīng)用[8、9]，但在印刷包裝業(yè)中仍屬于嘗試階段。

3 廢氣處理工藝原理

轉(zhuǎn)輪吸附-蓄熱式催化燃燒脫附工藝的過程主要分為四個(gè)步驟：1）將低濃度廢氣接入到轉(zhuǎn)輪，利用范德華力將有機(jī)氣體組分吸附在轉(zhuǎn)輪內(nèi)，這一過程在轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)內(nèi)進(jìn)行；2）通過蓄熱式燃燒設(shè)備的加熱，產(chǎn)生熱空氣，將其中部分熱空氣鼓入到轉(zhuǎn)輪的脫附區(qū)，利用熱空氣反吹出該區(qū)域上已吸附的有機(jī)氣體組分，實(shí)現(xiàn)脫附再生；3）脫附氣中含有較多的具有一定熱值的有機(jī)組分，進(jìn)入到蓄熱式燃燒設(shè)備內(nèi)，作為燃料的部分補(bǔ)充，經(jīng)燃燒后產(chǎn)生CO2和H2O，這一步實(shí)現(xiàn)了VOCs廢氣的徹底降解，同時(shí)蓄熱體的存在可大幅利用燃燒熱能；4）通過轉(zhuǎn)輪的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吸附區(qū)-解析區(qū)-冷卻帶三個(gè)區(qū)域的切換，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪吸附-蓄熱式燃燒脫附工藝原理見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)輪吸附-蓄熱式燃燒脫附工藝原理

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 廢氣收集與理論污染排放源強(qiáng)

該印刷廠使用的4條印刷線均為高速自動(dòng)8色印刷機(jī)，3條復(fù)合線均為高溫溶劑型復(fù)合機(jī)，油墨配制車間為獨(dú)立小間，設(shè)置在生產(chǎn)車間的北側(cè)。目前將印刷線和復(fù)合線的烘箱排氣風(fēng)機(jī)出口接入廢氣管道，印刷線的墨槽和復(fù)合線的粘合劑槽所在的操作區(qū)域均安裝了雙側(cè)密閉間，操作口處設(shè)置了空氣幕隔絕。操作區(qū)的密閉間和油墨配制間內(nèi)作整體換風(fēng)，并配有送風(fēng)系統(tǒng)，換風(fēng)量略大于送風(fēng)量。

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，該印刷廠印刷線配備的循環(huán)烘箱單色位排氣量為1000m3/h、單工位墨槽操作區(qū)密閉間換風(fēng)氣量為2000m3/h，單條復(fù)合線配備的循環(huán)烘箱排氣量為800m3/h，膠粘劑槽操作區(qū)密閉間換風(fēng)氣量為2000m3/h，油墨配制車間的換風(fēng)氣量為8000m3/h。由此可以統(tǒng)計(jì)出該印刷廠常溫的低濃度廢氣氣量為7.8萬m3/h、帶溫度的高濃度廢氣氣量為3.44萬m3/h，由于該印刷廠存在滿負(fù)荷生產(chǎn)的情況，同時(shí)設(shè)計(jì)考慮一定余量，故低濃度廢氣設(shè)計(jì)氣量取9萬m3/h、高濃度廢氣氣量（包含轉(zhuǎn)輪脫附氣）取4萬m3/h，廢氣總設(shè)計(jì)氣量取13萬m3/h。

2018年3～8月期間，該印刷廠4條印刷線使用的溶劑量分別為：乙酸乙酯55.4t、乙酸丙酯55t、乙酸丁酯30t、異丙醇3.5t、丁酮7.7t；3條復(fù)合線使用的溶劑量分別為：乙酸乙酯23.3t、乙酸丙酯13.5t、乙酸丁酯7.5t、異丙醇1.2t、丁酮1.3t。

該印刷廠每月生產(chǎn)時(shí)間為固定的28d，每天工作時(shí)間為8h，實(shí)際印刷線平均每天的作業(yè)時(shí)間為5h，復(fù)合線平均每天的作業(yè)時(shí)間為4h。

該印刷廠理論污染排放源強(qiáng)值見表1。

表1 理論污染排放源強(qiáng)值

4.2 處理系統(tǒng)

4.2.1 處理系統(tǒng)設(shè)備組成

根據(jù)廢氣產(chǎn)生的情況進(jìn)行高低濃度分類處理。廢氣處理系統(tǒng)主要由過濾器、轉(zhuǎn)輪吸附設(shè)備、蓄熱式燃燒設(shè)備、管道、風(fēng)機(jī)和電氣自控組成，設(shè)備參數(shù)如下：

（1）過濾器。最大處理風(fēng)量為10萬m3/h，尺寸4m×3.2m×3m，內(nèi)置三段過濾棉，從進(jìn)口到出口分別為初效過濾、初效過濾和中效過濾。該設(shè)備的主要用途是去除車間換風(fēng)可能吸入的粉塵顆粒物。

（2）轉(zhuǎn)輪吸附設(shè)備。最大處理風(fēng)量為10萬m3/h，帶殼尺寸為2m×4.2m×4.35m，轉(zhuǎn)輪直徑為3.8m，厚度為0.4m，轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)，周邊傳送，帶減速機(jī)。

（3）蓄熱式燃燒設(shè)備。最大處理風(fēng)量為4萬m3/h，尺寸為13m×5m×8m，三室結(jié)構(gòu)，殼體主材為Q235，內(nèi)壁鋪設(shè)硅酸鋁保溫材料，蜂窩陶瓷蓄熱體約36m3，燃燒系統(tǒng)包括100萬大卡燃燒器，1︰30比例調(diào)節(jié)閥、UV火焰探測器、高壓點(diǎn)火變壓器和3kW助燃風(fēng)機(jī)，補(bǔ)燃燃料使用天然氣。

（4）管道。管道采用Q235材質(zhì)，蓄熱式燃燒器與轉(zhuǎn)輪吸附器之間的脫附管道，以及烘箱排風(fēng)風(fēng)機(jī)至蓄熱式燃燒設(shè)備之間的管道均需做好保溫，保溫選用聚氨酯發(fā)泡材料。

（5）風(fēng)機(jī)。除燃燒系統(tǒng)中的助燃風(fēng)機(jī)外，整套處理系統(tǒng)還包含4臺(tái)風(fēng)機(jī)，分別為轉(zhuǎn)輪吸附主風(fēng)機(jī)（風(fēng)量Q=11萬m3/h，風(fēng)壓P=1.6kPa，功率N=75kW）、蓄熱式燃燒排風(fēng)風(fēng)機(jī)（風(fēng)量Q=4.2萬m3/h，風(fēng)壓P=2.6kPa，功率N=55kW）、聯(lián)合脫附熱風(fēng)機(jī)（風(fēng)量Q=1.2萬m3/h，風(fēng)壓P=1.5kPa，功率N=5.5kW）和冷卻風(fēng)機(jī)（風(fēng)量Q=1.1萬m3/h，風(fēng)壓P=1.0kPa，功率N=4kW）。

（6）電氣自控。廢氣處理設(shè)備使用大量的氣動(dòng)閥、電磁閥，與溫度計(jì)、壓差計(jì)、氧含量計(jì)連鎖，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，所有操作通過PLC系統(tǒng)反饋到操作屏上。

該印刷廠廢氣處理工藝流程見圖2。

圖2 廢氣處理工藝流程

4.2.2 處理系統(tǒng)作業(yè)流程

（1）調(diào)配間換風(fēng)廢氣、印刷線操作區(qū)換風(fēng)廢氣和復(fù)合線操作區(qū)換風(fēng)廢氣合并后進(jìn)入三級(jí)過濾設(shè)備，去除可能存在的雜質(zhì)顆粒物，然后進(jìn)入到轉(zhuǎn)輪吸附設(shè)備完成廢氣的吸附凈化，處理后該部分廢氣經(jīng)排氣筒排放。

（2）蓄熱式燃燒設(shè)備空爐啟動(dòng)，此時(shí)消耗天然氣，待燃燒室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)的820℃時(shí)，開啟印刷線烘箱廢氣和復(fù)合線烘箱廢氣的管道閥門，同時(shí)緩慢關(guān)閉蓄熱式燃燒設(shè)備的空氣補(bǔ)入閥，此時(shí)天然氣消耗量降低，比例調(diào)節(jié)閥根據(jù)爐膛溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)天然氣補(bǔ)入量，直至為0，即實(shí)現(xiàn)無氣自燃。經(jīng)燃燒處理后絕大多數(shù)尾氣經(jīng)排氣筒排放，少部分尾氣與爐膛內(nèi)部分經(jīng)燃燒但未經(jīng)蓄熱體換熱的高溫氣混合后，混合氣溫度約150℃，通過脫附風(fēng)機(jī)鼓入到轉(zhuǎn)輪吸附設(shè)備的解析區(qū)，實(shí)現(xiàn)高溫脫附。脫附氣中含有廢氣中的有機(jī)組分，進(jìn)入到蓄熱式燃燒設(shè)備的進(jìn)口，與高濃度廢氣混合，一并進(jìn)行燃燒處理。

4.3 項(xiàng)目投資

該印刷廠廢氣處理的總投資為565.3萬元，其中車間內(nèi)廢氣收集管路與密閉間的改造費(fèi)用約77.8萬元，處理系統(tǒng)的費(fèi)用約487.5萬元。

4.4 運(yùn)行費(fèi)用

廢氣處理設(shè)施的運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、耗材費(fèi)、天然氣費(fèi)和維護(hù)費(fèi)四部分。其中：

（1）電費(fèi)來自5臺(tái)風(fēng)機(jī)和1臺(tái)減速機(jī)，轉(zhuǎn)輪吸附主風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為75kW、蓄熱式燃燒主風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為55kW、脫附熱風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為5.5kW、冷卻風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為4kW、助燃風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為3kW、減速機(jī)裝機(jī)功率為2.2kW，日運(yùn)行時(shí)間分別為8h、9h、6h、3h、2h和8h，運(yùn)行效率統(tǒng)一按80%計(jì)，單位電價(jià)按1元/（kW·h），每天產(chǎn)生電費(fèi)為930.88元。

（2）耗材費(fèi)來自更換的過濾棉，由于該印刷廠車間整體較為潔凈，過濾棉更換周期可延長至6個(gè)月更換，一次更換費(fèi)用為2萬元。

（3）天然氣費(fèi)來自蓄熱式燃燒設(shè)備預(yù)熱時(shí)的消耗，每天消耗量為60m3，單位天然氣價(jià)格按3.3元/m3計(jì)，每天產(chǎn)生天然氣費(fèi)為198元。

（4）維護(hù)費(fèi)來自電磁閥的更換和系統(tǒng)本身需要的日常維護(hù)，如轉(zhuǎn)輪密封設(shè)施的定期更換、溫度計(jì)的定期更換等，由于存在不可預(yù)見性，該費(fèi)用按每年進(jìn)行折算，即平均每年的維護(hù)費(fèi)約為3萬元。

該印刷廠年最大運(yùn)行時(shí)間為280天，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)廢氣處理設(shè)施的年運(yùn)行費(fèi)用為36.6萬元。

5 廢氣處理成效

該印刷廠于2018年9月完成VOCs廢氣處理工程的建設(shè)，經(jīng)調(diào)試后可穩(wěn)定運(yùn)行，11月委托第三方監(jiān)測機(jī)構(gòu)對(duì)工程的綜合排氣筒進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測期間4條印刷線和3條復(fù)合線均滿負(fù)荷生產(chǎn)，配料間未進(jìn)行配料作業(yè)，監(jiān)測分三次進(jìn)行，監(jiān)測值經(jīng)平均計(jì)算后的匯總情況見表2。從監(jiān)測結(jié)果可看出，廢氣中各污染組分的凈化效率均超過98%，尾氣排放濃度與排放量數(shù)值均達(dá)到上海市地方標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 轉(zhuǎn)輪吸附-蓄熱式燃燒脫附系統(tǒng)對(duì)凹版印刷廢氣的凈化效果

6 結(jié)語

凹版印刷廢氣處理按高低濃度進(jìn)行分類收集處理，低濃度廢氣采用轉(zhuǎn)輪吸附工藝處理，高濃度廢氣與轉(zhuǎn)輪脫附廢氣合并后采用蓄熱式燃燒工藝處理，有效解決混合印刷廢氣處理難題，設(shè)備一次性投入為487.5萬元，占總項(xiàng)目投入的86%，設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，年運(yùn)行費(fèi)用為36.6萬元，其中主要為電費(fèi)，占總運(yùn)行費(fèi)用的71%。

廢氣處理設(shè)施綜合去除率達(dá)98%以上，投入使用后，該印刷廠廢氣污染排放得到大幅削減，周邊環(huán)境明顯得到改善，因臭氣的投訴率為0。

為持續(xù)保持現(xiàn)有設(shè)施使用成果，需要企業(yè)加強(qiáng)對(duì)設(shè)施的日常維護(hù)與保養(yǎng)，做好日常監(jiān)測工作，同時(shí)積極推進(jìn)低VOCs含量原輔材料替代或生產(chǎn)工藝改進(jìn)，從源頭減少VOCs的產(chǎn)生。