活性炭纤维净化印刷过程产生的VOCs废气

前沿导读

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印刷工业是近20年来国际上技术进步最快的产业之一,目前已经进入了数字印刷的新时代。伴随印刷工业的发展以及环保法规的不断完善,给印刷工业的发展带来了巨大挑战和机遇,其中包括研制各种新的符合环境保护的印刷耗材,对原有的工艺进行改造,包括原料的改进和干燥方式的改进等等。另外,对于印刷过程中产生的VOCs废气的收集与净化也是非常重要的。对此也不能仅仅停留在生产工艺所引起的废气污染的治理,还必须从节约能源、减少废气排放、废气中溶剂的回收利用和处理等各个细节上全面考虑。本研究将以我们对印刷机生产过程产生的VOCs气体的收集与净化,讨论对印刷废气的治理和回收利用。

目前在我国的包装塑料基材等印刷过程中大量使用的溶剂型油墨,含有50%～60%的挥发性组分,如果加上调油墨粘度所需的稀释剂,那么在印品干燥时,挥发性组分的总含量为70%～80%。这些有机溶剂所挥发的气体,通过呼吸进入人体内,对人体的肝脏和神经系统造成损害;有机化合物排放到大气中,与氮氧化物反应,发生光化学反应,形成光化学氧化剂而毁坏森林与破坏生态环境。一些国家制定了“劳动卫生法”、“有机溶剂排放法”等一系列法规。我国在各种印刷过程及传统耗材中存在VOCs排放造成污染问题,例如在包装印刷厂的主要产品为各种塑料薄膜的印刷制品,在生产中大量使用彩色油墨和有机稀料,油墨用的稀料(溶剂)主要是甲苯、乙酸乙酯、丙酮及少量丁酮。这些溶剂在产品生产过程中变为VOCs废气大量排出。因此,对包装印刷厂生产车间排出的VOCs废气必须采取有效的收集方法和净化工艺进行处理。在我国的工作场所有害因素职业接触限值和排放标准中,对VOCs废气的排放作了严格的规定,如表1所示。如果在印刷车间安装合理的废气收集系统和溶剂回收装置,可以达到降低VOCs挥发量和减少污染的目的;同时可以回收溶剂资源,这点已经被实践证明。

国内某包装印刷厂现有6台包装材料印刷机,改造前没有专门的废气收集系统,生产所产生的VOCs气体全部由车间顶部的自然通风窗以及设在车间外墙上的轴流风机进行车间的全面换气,废气排放的收集方法不合理,造成车间内无组织排放废气的外逸,在生产过程中产生的大量有机溶剂废气未加集气罩和排气管道,直接从印刷机顶(高出地面4m)和四周排放,车间内空气质量极为恶劣,对厂区周围的环境也造成了污染,引起周围居民的不满,为此,当地环保局要求限期对废气进行治理。

对生产过程中有机溶剂消耗量的物料平衡进行分析和估算,同时对原车间内和印刷机排放口的VOCs废气取样检测结果列于表2。从表2的数据看出,车间内的VOCs废气浓度都已超过表1所引用的国家规定标准,其中尤其以甲苯超标严重。所以要考虑对印刷过程产生的有机废气进行回收和净化处理。

2.1废气收集与净化工艺

根据印刷车间在生产时局部通风特点,按照《涂装作业安全规程2涂漆工艺安全及通风净化》(GB651421995)和《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJ5001922003)的要求,首先确定印刷机的局部排风系统组成,包括局部排风罩、风管、风机、净化与回收设备等。设计方案的主要思路为:在系统设备简单、运行可靠、投资合理的原则下,尽量回收有机溶剂,同时净化有害气体。根据车间空间较大、有害气体排放集中在印刷机上部的实际情况,采用局部排风的方式捕集有害气体,它具有以较小风量有效控制VOCs废气收集效果好和经济性好等优点。针对该车间废气均为VOCs气体且排放量大的特点,经方案论证,采用活性炭纤维回收大部分有机溶剂。回收净化工艺流程为:废气经集气罩进入阻火器、废气预处理设备,再经过ACF装置处理后由风机排放,系统工艺流程如下:

2.1.1风量的确定

主要按照既能够最大限度地把印刷过程产生的有机废气收集到一起,进行集中处理,同时又能够满足有关有机废气通风对浓度等方面的安全要求,通过计算和核定,6台印刷机的排气量按6×10000=60000m3/h为设计风量。

2.1.2集气罩的形式

该印刷车间为单层工业建筑,厂房下玄高度为10m,车间内有6台印刷机,印刷机的尺寸为1315×317×4m(高);根据印刷时产生的VOCs气体的危险度和所需要的风量,工艺上要求集气罩内废气温度和浓度不能过高,以免管道内发生粘结,所以需保证一定的通风量,同时,废气浓度不能超过有机气体爆炸下限浓度的25%。集气罩为低悬半密闭罩,采用镀锌钢板制作,罩口尺寸为1315m×411m。选择了负压上排式局部集气罩,考虑到有害气体的扩散方向是向上和四周的特点,对不影响生产的敞开部位进行密闭,确定集气罩吸风口到废气产生部位的距离在1m左右,对VOCs气体的捕集点适宜的风速取0.5～1m/s;每台印刷机设置一个单独的局部集气罩,通过支风管汇集到排气干管上,这样可以做到对印刷机排气的最有效收集,也改进了印刷机的局部集气罩的形式和收集方式,降低空气在印刷机烘干装置中的速度,减少空气用量,减少溶剂消耗。排气收集系统的合理设计,并可节省能源30%～50%。

2.1.3废气处理

为了降低VOCs的挥发量,对溶剂含量高并且油墨用量大的印刷机,应该考虑印刷过程中对溶剂产品的在线回收利用,我们采用活性炭纤维回收净化装置对废气进行处理。

2.1.4主管道设计

根据车间的实际情况,局部排气主管道设置在距地面6.1m处(管底标高),将处理VOCs气体的ACF吸附回收设备布置在车间外面。

2.1.5风管管径和风速

根据采暖通风设计规范,用流速调节平衡的方法,按照管内的风速和排风量,计算确定各台印刷机吸入侧的支、干管的管径,然后计算从集气罩到ACF净化设备出口的空气压力损失,按照要求选择合理的风机和净化设备。设置2台(1用1备)防爆型风机输送废气,风管采用圆形风管,连接集气罩和风机以及ACF装置。风管用镀锌钢板制作,风机前管径为1.5m,后管径为1.4m,主干风管内风速为10m/s。

2.1.6ACF吸附装置设计

6台印刷机的排风量都一样,总排气量大,必须选用适合处理大风量VOCs废气的工艺和设备。据资料报道,采用ACF作为吸附剂,能够快速吸附和脱附,适合用于大风量VOCs废气治理。本项废气治理工程采用ACF有机废气回收净化装置,选用同一型号的10套ACF净化装置进行组合。运行时先用6台吸附器进行吸附操作,另3台进行脱附再生操作,1台干燥备用。使用一定时间(30～60min)后,将6台吸附器和3台脱附器,1台干燥备用的吸附器切换,这样依次进行吸附、脱附的反复轮换操作。正常情况下,保持6台吸附器进行吸附操作,3台吸附器进行脱附操作,溶剂回收设备与脱附操作同步运行,采用目前的通用PLC程序进行控制。

2.1.7吸附条件的确定

ACF吸附回收的关键是控制吸附床的温度、气体流速和床层高度,一般床层温度越低则回收净化程度越高。我们结合该项目具体的工程情况,同时考虑到工业装置与小试的差异,我们选择了吸附床的温度35℃左右,吸附床层高度为150mm,对VOCs气体的去除率控制在80%左右,进行ACF的吸附装置设计。

2.1.8阻火器与预处理设备设计

ACF装置入口前设阻火器、风量自动控制及指示、浓度自动控制及指示以及报警装置。阻火器是利用传热和器壁效应熄灭火焰、防止回火的设备,按结构型式分为金属网型、波纹型、多孔板型、填充型和水封型等。本方案中设计为金属网型,材料采用直径为1mm的70目的钢丝网10～20层放置。

2.2系统操作参数

在本项VOCs废气治理中,因甲苯的排放浓度最高,并且国家排放标准对其要求相对也更严格,因此首先应重点考虑对甲苯的治理。使用的ACF装置的系统设计和运行控制均按照表3参数进行。

2.3ACF装置的脱附再生

脱附是在0.1MPa饱和蒸气的驱动下,使ACF吸附器内的VOC溶剂被脱附下来。先把进入ACF设备废气气流断开,然后把蒸气引入待脱附的ACF吸附器,使吸附的有机物从吸附剂(ACF)上脱附下来,而被净化消除。由于是蒸气脱附,ACF吸附器内的温度会很快达到脱附的设计温度100℃,使吸附的有机物逐渐被迅速均匀地脱附释放出来,并且和凝结水一起进入溶剂回收系统,回收的溶剂含水率在1000～9000mg/L,可回用于生产,节约资源。

2.4回收治理效果

所用的10套ACF净化装置从2005年开始正式投入运行,表4是净化系统在使用了3个多月以后的检测结果。由表4的测试结果看出,ACF有机废气净化处理系统对甲苯的净化率达到84%,对乙酸乙酯的净化率达到76%,废气治理取得了较好效果。自从对废气治理后,周围的居民反映没有以前强烈了,特别是可以回收大量的VOCs溶剂,既节约了资源,又减少了对大气环境的污染。

本项目总体上看,基本达到了设计要求,由于一期工程投资有限,目前还没有满足国家排放标准的要求,有待二期工程完善后,进一步处理剩余部分废气。另外,从表4可知,按物料统计衡算VOCs的挥发量为10t/d,而目前可以回收的量为6.3t/d,还有3.7t溶剂继续挥发,主要原因是生产中溶剂的供给、调制和搬运等过程的无组织排放造成的。

印刷厂排放的VOCs废气的收集和治理,采用了负压局部集气和ACF有机废气净化装置的处理系统。经实际使用证明,收集系统和ACF有机废气净化处理系统对VOCs废气的治理效果达到了预期设计要求,但还不能够满足国家规定的二级排放标准要求,可在二期工程中进一步完善。通过实际应用和操作运行表明,在对吸附了有机废气的ACF吸器的脱附再生过程中,充分地利用了ACF吸附和脱附速度快的性能,采用这种方式治理包装印刷厂VOCs废气能达到较高的净化效率、安全节能,而且能够回收有机溶剂用于再生产,这对资源节约有广泛的意义。

来源：环境工程学报