活性炭纤维净化印刷过程产生VOCs废气.doc

活性炭纤维净化印刷过程产生的VOCs废气（此文并非本人所写，只为积分上传）摘要本文介绍了应用局部排气的方法，收集印刷过程的VOCs废气，应用活性炭纤维(ACF)吸附脱附有机废气回收净化装置，进行印刷厂挥发性有机化合物(VOCs)废气的回收与治理，详细描述了印刷车间VOCs 废气的收集与处理工艺过程及其效果。测试结果表明，应用此工艺和设备可以有效地进行印刷过程大风量的VOCs废气的回收和治理。Abstract In the paper, not only the method of using local ventilation for the VOCs emission collection from the printing process is being introduced, but also the discussion of adopting activated carbon fibers (ACF) absorption device for recovery and treatment of VOCs waste gas from printing plants is also given. Detail illustration is given for both the collection and treatment process of VOCs in printing workshop, also the treatment efficiency of VOCs is discussed. Testing results showed that the ACF process and device is effective for the recovery and treatment of large flow of VOCs from printing workshop. Keywords printing process; VOCs; ACF; absorption; desorption; solvents recovery; waste gas treatment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1。本文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。1 印刷过程产生的VOCs污染物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23。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。表1 印刷车间有机废气的接触限值及排放浓度标准Table 1 The limited value and emissions standard of VOCs in printing workshop有机物名称接触限值mg/m3现有污染源新污染源车间最高容许浓度时间加权平均浓度短时接触浓度排放浓度mg/m3排放速率kg/h排放浓度mg/m3排放速率kg/h乙酸乙酯甲苯丁酮丙酮-2005030030030010060045015060150150126.1121212040120120105.21010注: 工作场所有害因素职业接触限值(GBZ2-2002) ; 大气污染物综合排放标准GB16297-1996 (排气筒高度15m、二级标准)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,车间内空气品质极为恶劣，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。表2 有机溶剂消耗的物料平衡与改造前VOCs气体浓度测定值Table 2 Matter balance of solvent consumption and VOCs concentration determination value before process modification项目数量备注车间溶剂消耗量(t/d)146台印刷机的日总耗量，主要是甲苯、乙酸乙酯、丁酮、丙酮按物料衡算挥发量(t/d)10 没有进行溶剂回收，造成资源浪费车间有害气体浓度(mg/m3)甲苯430乙酸乙酯700丁酮-因丁酮用量太少,未检出丙酮-因丙酮用量太少,未检出车间排放口有害气体浓度(mg/m3)甲苯950乙酸乙酯651丁酮-因丁酮用量太少,未检出丙酮-因丙酮用量太少,未检出2 印刷过程VOCs废气收集与净化工艺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涂漆工艺安全及通风净化(GB6514-1995)，采暖通风与空气调节设计规范(GBJ50019-2003)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457。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 蒸汽供给设备（供脱附） 印刷机VOC废气集气罩阻火器ACF吸附装置风机净化气体排放 回收VOC溶剂2.1.1 风量的确定主要按照既能够最大限度的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610000=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13.53.74.0m(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13.5m4.1m。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0.5-1.0m/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来对废气进行处理。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。2.1.6 ACF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2 ，采用ACF作为吸附剂3，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(3060min)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2346。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、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。表3 印刷车间排气净化用ACF装置的系统操作参数Table 3 The operation parameters of ACF absorber in printing workshop序号项目名称操作参数指标1处理废气量(m3/h)600002ACF吸附床吸附温度()353ACF吸附床脱附温度()1004ACF比表面积(m2/g)80012005ACF制品（毡）强度(公斤/米)56pH值6.57ACF堆积密度(g/cm3)0.040.068ACF孔径分布20A以下，占83.9%；2040A，占6.1%；40100A，占6.2%；100A以上，占3.8%9ACF吸苯量(w%)306011有机溶剂回收率(%)70-80左右(许多文献在90%以上，均是小试结果)12运行周期(吸附/解吸)(min)60（脱附吸附均在常压下进行）13单位面积重(g/m2)15050014ACF吸附床空气阻力(Pa)气体线速度为0.2m/s，床层150mm厚，压降300015蒸汽解吸耗量(kg)解吸1kg有机溶剂需蒸汽量4kg2.3 ACF装置的脱附再生脱附是在0.1MPa饱和蒸汽的驱动下，使ACF吸附器内的VOC溶剂被脱附下来3 。先把进入ACF设备废气气流断开，然后把蒸汽引入待脱附的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。由于是蒸汽脱附，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1000-9000ppm，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。表4 印刷车间排放气体的VOCs回收与浓度测定值Table 4 Concentration and solvents recovery determination value of VOCs from printing workshop项目数量备注车间溶剂消耗量(t/d)146台印刷机的日总耗量，主要是甲苯、乙酸乙脂、丁酮、丙酮按物料衡算挥发量(t/d)10每天回收的有机溶剂(t/d)6.3回收溶剂全部回用生产中ACF装置进口有害气体浓度(mg/m3)甲苯3610平均值乙酸乙酯1940平均值丁酮-因用量太少,未检出丙酮-因用量太少,未测出ACF装置出口有害气体浓度(mg/m3)甲苯578平均值，净化效率为84%乙酸乙酯465平均值，净化效率为76%丁酮-因用量太少, 未检出丙酮-因用量太少, 未检出本项目总体上看，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