吸附濃縮與焚燒技術處理印刷廢氣工程實例

金奇超，熊明瑜

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

印刷業是指利用印刷機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，將油墨轉移到成印物上，一般步驟包括印前、印刷及印后三部分。根據印版版面的印刷部分和空白部分之間的相對關系，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。其中凹版印刷業是所有分類中VOCs排放量最大的一個類別。凹版印刷企業在日常生產時會逸散出大量的諸如乙酸乙酯、異丙醇等VOCs廢氣，對廠區及周邊大氣環境造成嚴重影響。因此，對印刷企業VOCs廢氣的控制已越來越受到人們的關注。

上海某印刷包裝有限公司是典型的凹版印刷企業，共有4條印刷線和3條復合線。該印刷廠的東面和北面有住宅區且位于印刷廠主導風向的下風向，四周有其他低污染的工貿企業。因此，為了給印刷廠自身廠區及廠區周邊創造良好的工作、生活和投資環境，有必要對印刷廠產生的VOCs廢氣進行綜合治理。治理工程根據印刷廠的實際情況，通過污染物排查與分析，核算廢氣產生氣量，選擇廢氣處理工藝路線，設計并建設廢氣處理設施，確保處理后排放的尾氣可以滿足上海市相關地方標準的要求。

1 VOCs來源及成分

凹版印刷企業的主要VOCs產生點位包括：印刷油墨調配間和印刷復合生產線。前者VOCs廢氣屬于無組織產生源，一般從攪拌槽附近逸散，采用整體換風的形式進行收集；后者印刷線和復合線上烘箱排氣屬于有組織產生源，采用管道直連排氣風機的形式進行收集，墨槽和膠粘劑槽的揮發氣屬于無組織散發源，將整體工位進行密閉，采用整體換風的形式進行收集。

不同的凹版印刷企業產生的廢氣主要成分根據企業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。

當前對于凹版印刷企業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/光催化技術相結合的聯合工藝，但效果一般。

針對凹版印刷企業VOCs廢氣風量大、濃度低、且污染物大多是非水溶性的特點，提出使用吸附濃縮與燃燒相結合的工藝，具有一次性投資適中、運行費用較低、處理效率高、設施自動化程度高等特點，可以改善印刷廠廢氣治理的現狀。本實例中使用的技術為轉輪吸附濃縮-蓄熱式燃燒聯合工藝，該工藝在涂裝廢氣領域已有較多的研究及應用[8、9]，但在印刷包裝業中仍屬于嘗試階段。

3 廢氣處理工藝原理

轉輪吸附-蓄熱式催化燃燒脫附工藝的過程主要分為四個步驟：1）將低濃度廢氣接入到轉輪，利用范德華力將有機氣體組分吸附在轉輪內，這一過程在轉輪的吸附區內進行；2）通過蓄熱式燃燒設備的加熱，產生熱空氣，將其中部分熱空氣鼓入到轉輪的脫附區，利用熱空氣反吹出該區域上已吸附的有機氣體組分，實現脫附再生；3）脫附氣中含有較多的具有一定熱值的有機組分，進入到蓄熱式燃燒設備內，作為燃料的部分補充，經燃燒后產生CO2和H2O，這一步實現了VOCs廢氣的徹底降解，同時蓄熱體的存在可大幅利用燃燒熱能；4）通過轉輪的持續轉動，實現吸附區-解析區-冷卻帶三個區域的切換，使系統實現自動連續運轉。轉輪吸附-蓄熱式燃燒脫附工藝原理見圖1。

圖1 轉輪吸附-蓄熱式燃燒脫附工藝原理

4 工程設計

4.1 廢氣收集與理論污染排放源強

該印刷廠使用的4條印刷線均為高速自動8色印刷機，3條復合線均為高溫溶劑型復合機，油墨配制車間為獨立小間，設置在生產車間的北側。目前將印刷線和復合線的烘箱排氣風機出口接入廢氣管道，印刷線的墨槽和復合線的粘合劑槽所在的操作區域均安裝了雙側密閉間，操作口處設置了空氣幕隔絕。操作區的密閉間和油墨配制間內作整體換風，并配有送風系統，換風量略大于送風量。

經設計計算，該印刷廠印刷線配備的循環烘箱單色位排氣量為1000m3/h、單工位墨槽操作區密閉間換風氣量為2000m3/h，單條復合線配備的循環烘箱排氣量為800m3/h，膠粘劑槽操作區密閉間換風氣量為2000m3/h，油墨配制車間的換風氣量為8000m3/h。由此可以統計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荷生產的情況，同時設計考慮一定余量，故低濃度廢氣設計氣量取9萬m3/h、高濃度廢氣氣量（包含轉輪脫附氣）取4萬m3/h，廢氣總設計氣量取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。

該印刷廠每月生產時間為固定的28d，每天工作時間為8h，實際印刷線平均每天的作業時間為5h，復合線平均每天的作業時間為4h。

該印刷廠理論污染排放源強值見表1。

表1 理論污染排放源強值

4.2 處理系統

4.2.1 處理系統設備組成

根據廢氣產生的情況進行高低濃度分類處理。廢氣處理系統主要由過濾器、轉輪吸附設備、蓄熱式燃燒設備、管道、風機和電氣自控組成，設備參數如下：

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

（2）轉輪吸附設備。最大處理風量為10萬m3/h，帶殼尺寸為2m×4.2m×4.35m，轉輪直徑為3.8m，厚度為0.4m，轉鼓式結構，周邊傳送，帶減速機。

（3）蓄熱式燃燒設備。最大處理風量為4萬m3/h，尺寸為13m×5m×8m，三室結構，殼體主材為Q235，內壁鋪設硅酸鋁保溫材料，蜂窩陶瓷蓄熱體約36m3，燃燒系統包括100萬大卡燃燒器，1︰30比例調節閥、UV火焰探測器、高壓點火變壓器和3kW助燃風機，補燃燃料使用天然氣。

（4）管道。管道采用Q235材質，蓄熱式燃燒器與轉輪吸附器之間的脫附管道，以及烘箱排風風機至蓄熱式燃燒設備之間的管道均需做好保溫，保溫選用聚氨酯發泡材料。

（5）風機。除燃燒系統中的助燃風機外，整套處理系統還包含4臺風機，分別為轉輪吸附主風機（風量Q=11萬m3/h，風壓P=1.6kPa，功率N=75kW）、蓄熱式燃燒排風風機（風量Q=4.2萬m3/h，風壓P=2.6kPa，功率N=55kW）、聯合脫附熱風機（風量Q=1.2萬m3/h，風壓P=1.5kPa，功率N=5.5kW）和冷卻風機（風量Q=1.1萬m3/h，風壓P=1.0kPa，功率N=4kW）。

（6）電氣自控。廢氣處理設備使用大量的氣動閥、電磁閥，與溫度計、壓差計、氧含量計連鎖，實現系統自動運行，所有操作通過PLC系統反饋到操作屏上。

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 處理系統作業流程

（1）調配間換風廢氣、印刷線操作區換風廢氣和復合線操作區換風廢氣合并后進入三級過濾設備，去除可能存在的雜質顆粒物，然后進入到轉輪吸附設備完成廢氣的吸附凈化，處理后該部分廢氣經排氣筒排放。

（2）蓄熱式燃燒設備空爐啟動，此時消耗天然氣，待燃燒室內溫度達到設計的820℃時，開啟印刷線烘箱廢氣和復合線烘箱廢氣的管道閥門，同時緩慢關閉蓄熱式燃燒設備的空氣補入閥，此時天然氣消耗量降低，比例調節閥根據爐膛溫度自動調節天然氣補入量，直至為0，即實現無氣自燃。經燃燒處理后絕大多數尾氣經排氣筒排放，少部分尾氣與爐膛內部分經燃燒但未經蓄熱體換熱的高溫氣混合后，混合氣溫度約150℃，通過脫附風機鼓入到轉輪吸附設備的解析區，實現高溫脫附。脫附氣中含有廢氣中的有機組分，進入到蓄熱式燃燒設備的進口，與高濃度廢氣混合，一并進行燃燒處理。

4.3 項目投資

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

4.4 運行費用

廢氣處理設施的運行費用包括電費、耗材費、天然氣費和維護費四部分。其中：

（1）電費來自5臺風機和1臺減速機，轉輪吸附主風機裝機功率為75kW、蓄熱式燃燒主風機裝機功率為55kW、脫附熱風機裝機功率為5.5kW、冷卻風機裝機功率為4kW、助燃風機裝機功率為3kW、減速機裝機功率為2.2kW，日運行時間分別為8h、9h、6h、3h、2h和8h，運行效率統一按80%計，單位電價按1元/（kW·h），每天產生電費為930.88元。

（2）耗材費來自更換的過濾棉，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個月更換，一次更換費用為2萬元。

（3）天然氣費來自蓄熱式燃燒設備預熱時的消耗，每天消耗量為60m3，單位天然氣價格按3.3元/m3計，每天產生天然氣費為198元。

（4）維護費來自電磁閥的更換和系統本身需要的日常維護，如轉輪密封設施的定期更換、溫度計的定期更換等，由于存在不可預見性，該費用按每年進行折算，即平均每年的維護費約為3萬元。

該印刷廠年最大運行時間為280天，滿負荷運轉時廢氣處理設施的年運行費用為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，經調試后可穩定運行，11月委托第三方監測機構對工程的綜合排氣筒進行監測，監測期間4條印刷線和3條復合線均滿負荷生產，配料間未進行配料作業，監測分三次進行，監測值經平均計算后的匯總情況見表2。從監測結果可看出，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值均達到上海市地方標準要求。

表2 轉輪吸附-蓄熱式燃燒脫附系統對凹版印刷廢氣的凈化效果

6 結語

凹版印刷廢氣處理按高低濃度進行分類收集處理，低濃度廢氣采用轉輪吸附工藝處理，高濃度廢氣與轉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，設備一次性投入為487.5萬元，占總項目投入的86%，設備滿負荷運轉時，年運行費用為36.6萬元，其中主要為電費，占總運行費用的71%。

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

為持續保持現有設施使用成果，需要企業加強對設施的日常維護與保養，做好日常監測工作，同時積極推進低VOCs含量原輔材料替代或生產工藝改進，從源頭減少VOCs的產生。