包裝印刷業(yè)VOCs廢氣治理新工藝
——中央集風減風增濃-催化氧化-熱能回用技術研究

梁建偉，姚素杰

（中國電子系統(tǒng)工程第四建設有限公司，河北 石家莊 050700）

VOCs 作為PM2.5的一種前驅體，是形成霧霾的重要成因之一[1]。隨著國家環(huán)保政策的日益嚴峻，存在VOCs 排放的各個行業(yè)均面臨限產或停產的風險，包裝印刷業(yè)是需要被治理的重點行業(yè)之一。面對眼花繚亂的多種治理技術，究竟該如何選擇才能達到既達標排放，又能讓企業(yè)節(jié)約成本的目的，這是環(huán)保公司及需治理的企業(yè)亟待解決的難題。

包裝印刷業(yè)的VOCs 廢氣的治理成為制約其行業(yè)發(fā)展的重要因素。據統(tǒng)計，包裝印刷業(yè)年排放約100 萬t VOCs，在印刷或復合工序生產過程中使用的溶劑型油墨及膠黏劑釋放的VOCs 尤為突出，約占排放總量的70%左右。目前，包裝印刷業(yè)VOCs“應治、能治、該治、必治，標本兼治、全程控制，源頭控制與末端治理雙管齊下、重在源頭”等的治理理念已形成共識[2]。根據包裝印刷業(yè)VOCs 廢氣特有的現況，對市面上出現的各種各樣的治理技術進行簡要的分析，為此行業(yè)廢氣治理起到一定的指導作用。

首先，包裝印刷業(yè)廢氣具有處理風量大的特點，因此前端需要采用減風濃縮裝置。減風濃縮裝置有三類：一是活性炭裝置，二是沸石轉輪裝置[3]，三是中央集風系統(tǒng)。相比活性炭裝置占地面積過大、沸石轉輪裝置投資費用較高而言，采用新型的中央集風減風增濃是比較合適的。

其次，包裝印刷廢氣濃度較低，每標準立方米含量在幾十至幾百毫克。廢氣直接處理裝置分為兩類：一是冷凝裝置，二是燃燒裝置。冷凝裝置[4]適合處理濃度在50g/m3以上的廢氣，因此不適合包裝印刷業(yè)。燃燒裝置，主要有四類：直接燃燒TO、催化燃燒CO、蓄熱式催化燃燒RCO 及高溫蓄熱燃燒RTO。直接燃燒TO 由于體積較大，能耗較高，不宜用在此行業(yè)。對于燃燒裝置中的催化燃燒CO 及蓄熱式催化燃燒RCO、高溫蓄熱燃燒RTO 均適用于包裝印刷業(yè)，在此，選用催化燃燒CO 作為廢氣處理新技術進行研究探討。

最后，對于包裝印刷業(yè)來說，烘箱的輔助加熱費用是運行成本中的較大一項，而風機所消耗的電能費用較小。因此如何降低輔助加熱費用是降低企業(yè)運行成本的關鍵因素。輔助加熱裝置功率的高低是能耗高低的關鍵，功率的影響因素主要包括風量及進、出印刷機系統(tǒng)的溫升。風量是烘箱工藝所必須具備的，是不能隨意降低的，因此設法降低進、排氣的溫升變成為了重點關注的因素。而烘箱所需的溫度也是工藝所必須具備的，隨意降低可能對印刷機油墨的干燥產生影響，因此只能提高進輔助加熱裝置的進口溫度。正常的生產工況，輔助加熱裝置進口溫度即為環(huán)境溫度，若采用烘箱排風的一部分來帶代替進風的一部分，即可提升輔助加熱裝置的進口溫度。在此理論基礎上，將烘箱排放廢氣的熱量合理地供給輔助加熱裝置，從而降低了企業(yè)的能耗；與此同時，企業(yè)排放的廢氣總量也得到了大幅度降低，從而降低了后端VOCs 廢氣處理裝置的一次性投資費用。

綜上所述，“中央集風[5]減風增濃-催化燃燒-熱能回用”（以下簡稱集風減濃熱能回用）技術具有重要意義。此工藝可從前端依靠智能化集風濃縮已大大降低廢氣處理風量，進而在很大程度上解決包裝印刷企業(yè)廢氣治理工藝的生產設備能耗及投資較高的問題。

1 工藝原理及特點

1.1 工藝介紹

圖1是本工藝技術的工藝流程簡圖，工藝采用集風減濃熱能回用裝置處理廢氣，工藝描述如下：新鮮空氣（新風）首先經過濾裝置除去新風中的顆粒物等雜質后進入熱能回用裝置，與催化燃燒裝置排出的高溫煙氣進行間接換熱，使得新風被預熱到一定溫度后進入印刷機各單元，對印刷物品進行熱風吹掃干燥后由各支路排至各印刷機出口支路，各支路廢氣經中央集風系統(tǒng)的管路匯集于集風主管后經引風機增壓，然后根據集風減濃系統(tǒng)的溫度、壓力及濃度儀表控制集風管路的閥門開度，使得合格的廢氣（達到設定濃度的廢氣）進入后續(xù)的催化燃燒裝置，不合格的廢氣繼續(xù)循環(huán)至印刷機進行回用增濃，經催化燃燒裝置的高濃度廢氣被催化氧化后，高溫煙氣經熱能回用裝置和新風換熱回用一部分熱量后再經排氣筒達標排放。

圖1 工藝流程簡圖

1.2 工藝特點介紹

1.2.1 每個烘箱排放廢氣大部分進入中央集風熱能回用系統(tǒng)，車間無組織排放的廢氣也進入熱能回用系統(tǒng)，經過混合升溫后再按需分配至每個烘箱使用。

1.2.2 每個烘箱排放廢氣的小部分經過混合后通過引風機及過濾器后引入催化燃燒裝置，借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度下發(fā)生無焰氧化反應，最終分解為CO2和H2O，在達到凈化廢氣的同時放出大量的熱。

1.2.3 催化氧化后的中高溫煙氣，進入中央集風熱能回用系統(tǒng)，和溫度較低的廢氣間接換熱后進入排氣筒達標排放。

1.3 設備主要特點

1.3.1 安全性能高

常壓、中溫、無焰燃燒決定了該系統(tǒng)安全性能優(yōu)于其他環(huán)保處理設備。

1.3.2 凈化效率高

由于不采用實時切換的閥門，因此減小了系統(tǒng)的廢氣泄漏率，系統(tǒng)整體凈化效率較高，可達99.5%以上。

1.3.3 設備投資低

在環(huán)保處理設備當中，風量的大小是影響設備投資費用的關鍵因素。該系統(tǒng)通過設計合理的集風管路、閥門、濃度監(jiān)測儀表、溫度監(jiān)測儀表、壓力監(jiān)測儀表等，根據印刷機排風量及廢氣濃度的波動，自動實時地調整各管路閥門的開度，使得系統(tǒng)排放風量很低，因此廢氣處理設備規(guī)模較小，節(jié)省設備投資。

1.3.4 運行費用較低

采用了高性能的換熱裝置，以及合理的管路布局，系統(tǒng)熱量利用率極高，雖增加了一些風機的電力消耗和管路費用，但和原有生產設備相比，大幅度地降低了系統(tǒng)的輔助加熱費用，整體上來說，大大降低了系統(tǒng)的能耗。

1.3.5 維護費用低

系統(tǒng)無常規(guī)廢氣處理設備的碳吸附材料及蓄熱材料，而這些材料的更換費用是比較昂貴的，因此本系統(tǒng)降低了更換維護費用，僅需要更換過濾材料和少量催化燃燒裝置的催化劑即可。

1.3.6 設備投資回收期短

由于可大幅度地降低原有生產設備的輔助加熱費用，因此采用本裝置后，大概2～3年即可收回全部的環(huán)保設備投資。而常規(guī)設備不僅設備有折舊，還有電能及維護費用的支出。

1.3.7 安裝簡便，可擴充性強

由于采用模塊化設置，因此易組裝，可通過增減模塊數量來適應不同色組的印刷機，可擴充性較強，設備制作及現場安裝周期短。

2 工程案例及經濟性分析

2.1 工程案例

天津某印刷企業(yè)的廢氣預處理總量為40 000 Nm3/h，濃度約700 mg/Nm3，經中央集風系統(tǒng)減風增濃后，設計處理風量為7 000 Nm3/h，濃度為4.0 g/Nm（3根據規(guī)范標準要求，廢氣的體積濃度應不高于其爆炸下限的25%）。對于高濃度廢氣，催化氧化裝置的凈化效率可達99.5%以上，因此廢氣的排放濃度（NMHC）可低于30 mg/Nm3，滿足天津市地方標準《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機物排放控制標準》DB 12/524—2020 的要求。此系統(tǒng)集風減風增濃80%以上，大大地減小了廢氣處理風量，進而可降低企業(yè)的環(huán)保設備投資。

2.2 經濟性分析

廢氣量為40 000 Nm3/h 的印刷機的上排風風機功率為11 kW，下排風風機的功率為7.5 kW。利用中央集風系統(tǒng)的主風機代替印刷機原有上下排風風機，節(jié)省的電力能耗為18.5 kW，節(jié)省電費：18.5×80%×0.85 元/kW·h×8 000 h/年=10 萬元/年。處理量為40 000 Nm3/h 的集風減濃裝置，廢氣溫升約為12 ℃，節(jié)省電費：40 000 Nm3/h×1.2 kg/Nm3×1.005 kJ/（kg℃）×12 ℃/3 600×80%×0.85 元/kW·h×8 000 h/年×0.7=62 萬元/年。整套集風減濃裝置的折舊及運行維護費用約約為21 萬元，則處理量為40 000 Nm3/h 的集風減濃裝置可產生利潤為10+62-21=51 萬元/年。

2.3 費用對比

表1是集風減濃熱能回用技術和常規(guī)技術的費用對比表，從表1可以看出，兩種裝置的年折舊及運行維護費用相差不大，雖然集風減濃熱能回用技術一次性投資比常規(guī)裝置高40%左右，但是常規(guī)裝置不產生“利潤”，而集風減濃熱能回用技術的廢氣處理裝置除去折舊和維護費用后，還能帶來51 萬元的利潤，僅需要2年即可收回廢氣裝置的投資，經濟效益顯著。

表1 費用對比表

3 結論

“中央集風減風增濃-催化燃燒-熱能回用”技術是一種新型VOCs 廢氣處理技術。該技術不僅為包裝印刷業(yè)廢氣的處理提供了一種新的工藝路線，同時也降低了廢氣處理設備規(guī)模、設備投資和設備占地面積，在尾氣達標排放的同時，節(jié)約企業(yè)投資及設備運行維護成本。最后，也可對該技術做出進一步更新與演變，比如可以把催化燃燒裝置變?yōu)樾顭崾綗崃Ψ倩癄t（RTO）或熱力式催化氧化爐（RCO），以期更好地應用于處理規(guī)模更大的印刷包裝企業(yè)。