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前在我國的包裝塑料基材等印刷過程中大量使用的溶劑型油墨,含有50%～60%的揮發性組分,如果加上調油墨粘度所需的稀釋劑,那么在印品干燥時,揮發性組分的總含量為70%～80%。這些有機溶劑所揮發的氣體,通過呼吸進入人體內,對人體的肝臟和神經系統造成損害;有機化合物排放到大氣中,與氮氧化物反應,發生光化學反應,形成光化學氧化劑而毀壞森林與破壞生態環境。一些國家制定了“勞動衛生法”、“有機溶劑排放法”等一系列法規。我國在各種印刷過程及傳統耗材中存在VOCs排放造成污染問題,例如在包裝印刷廠的主要產品為各種塑料薄膜的印刷制品,在生產中大量使用彩色油墨和有機稀料,油墨用的稀料(溶劑)主要是甲苯、乙酸乙酯、丙酮及少量丁酮。這些溶劑在產品生產過程中變為VOCs廢氣大量排出。因此,對包裝印刷廠生產車間排出的VOCs廢氣必須采取有效的收集方法和凈化工藝進行處理。在我國的工作場所有害因素職業接觸限值和排放標準中,對VOCs廢氣的排放作了嚴格的規定,如表1所示。如果在印刷車間安裝合理的廢氣收集系統和溶劑回收裝置,可以達到降低VOCs揮發量和減少污染的目的;同時可以回收溶劑資源,這點已經被實踐證明。

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國內某包裝印刷廠現有6臺包裝材料印刷機,改造前沒有專門的廢氣收集系統,生產所產生的VOCs氣體全部由車間頂部的自然通風窗以及設在車間外墻上的軸流風機進行車間的全面換氣,廢氣排放的收集方法不合理,造成車間內無組織排放廢氣的外逸,在生產過程中產生的大量有機溶劑廢氣未加集氣罩和排氣管道,直接從印刷機頂(高出地面4m)和四周排放,車間內空氣質量極為惡劣,對廠區周圍的環境也造成了污染,引起周圍居民的不滿,為此,當地環保局要求限期對廢氣進行治理。

對生產過程中有機溶劑消耗量的物料平衡進行分析和估算,同時對原車間內和印刷機排放口的VOCs廢氣取樣檢測結果列于表2。從表2的數據看出,車間內的VOCs廢氣濃度都已超過表1所引用的國家規定標準,其中尤其以甲苯超標嚴重。所以要考慮對印刷過程產生的有機廢氣進行回收和凈化處理。

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2印刷過程VOCs廢氣收集與凈化工藝

2.1廢氣收集與凈化工藝

根據印刷車間在生產時局部通風特點,按照《涂裝作業安全規程2涂漆工藝安全及通風凈化》(GB651421995)和《采暖通風與空氣調節設計規范》(GBJ5001922003)的要求,首先確定印刷機的局部排風系統組成,包括局部排風罩、風管、風機、凈化與回收設備等。設計方案的主要思路為:在系統設備簡單、運行可靠、投資合理的原則下,盡量回收有機溶劑,同時凈化有害氣體。根據車間空間較大、有害氣體排放集中在印刷機上部的實際情況,采用局部排風的方式捕集有害氣體,它具有以較小風量有效控制VOCs廢氣收集效果好和經濟性好等優點。針對該車間廢氣均為VOCs氣體且排放量大的特點,經方案論證,采用活性炭纖維回收大部分有機溶劑。回收凈化工藝流程為:廢氣經集氣罩進入阻火器、廢氣預處理設備,再經過ACF裝置處理后由風機排放,系統工藝流程如下:

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2.1.1風量的確定

主要按照既能夠*大限度地把印刷過程產生的有機廢氣收集到一起,進行集中處理,同時又能夠滿足有關有機廢氣通風對濃度等方面的安全要求,通過計算和核定,6臺印刷機的排氣量按6×10000=60000m3/h為設計風量。

2.1.2集氣罩的形式

該印刷車間為單層工業建筑,廠房下玄高度為10m,車間內有6臺印刷機,印刷機的尺寸為1315×317×4m(高);根據印刷時產生的VOCs氣體的危險度和所需要的風量,工藝上要求集氣罩內廢氣溫度和濃度不能過高,以免管道內發生粘結,所以需保證一定的通風量,同時,廢氣濃度不能超過有機氣體爆炸下限濃度的25%。集氣罩為低懸半密閉罩,采用鍍鋅鋼板制作,罩口尺寸為1315m×411m。選擇了負壓上排式局部集氣罩,考慮到有害氣體的擴散方向是向上和四周的特點,對不影響生產的敞開部位進行密閉,確定集氣罩吸風口到廢氣產生部位的距離在1m左右,對VOCs氣體的捕集點適宜的風速取0.5～1m/s;每臺印刷機設置一個單獨的局部集氣罩,通過支風管匯集到排氣干管上,這樣可以做到對印刷機排氣的*有效收集,也改進了印刷機的局部集氣罩的形式和收集方式,降低空氣在印刷機烘干裝置中的速度,減少空氣用量,減少溶劑消耗。排氣收集系統的合理設計,并可節省能源30%～50%。

2.1.3廢氣處理

為了降低VOCs的揮發量,對溶劑含量高并且油墨用量大的印刷機,應該考慮印刷過程中對溶劑產品的在線回收利用,我們采用活性炭纖維回收凈化裝置對廢氣進行處理。

2.1.4主管道設計

根據車間的實際情況,局部排氣主管道設置在距地面6.1m處(管底標高),將處理VOCs氣體的ACF吸附回收設備布置在車間外面。

2.1.5風管管徑和風速

根據采暖通風設計規范,用流速調節平衡的方法,按照管內的風速和排風量,計算確定各臺印刷機吸入側的支、干管的管徑,然后計算從集氣罩到ACF凈化設備出口的空氣壓力損失,按照要求選擇合理的風機和凈化設備。設置2臺(1用1備)防爆型風機輸送廢氣,風管采用圓形風管,連接集氣罩和風機以及ACF裝置。風管用鍍鋅鋼板制作,風機前管徑為1.5m,后管徑為1.4m,主干風管內風速為10m/s。

2.1.6ACF吸附裝置設計

6臺印刷機的排風量都一樣,總排氣量大,必須選用適合處理大風量VOCs廢氣的工藝和設備。據資料報道,采用ACF作為吸附劑,能夠快速吸附和脫附,適合用于大風量VOCs廢氣治理。本項廢氣治理工程采用ACF有機廢氣回收凈化裝置,選用同一型號的10套ACF凈化裝置進行組合。運行時先用6臺吸附器進行吸附操作,另3臺進行脫附再生操作,1臺干燥備用。使用一定時間(30～60min)后,將6臺吸附器和3臺脫附器,1臺干燥備用的吸附器切換,這樣依次進行吸附、脫附的反復輪換操作。正常情況下,保持6臺吸附器進行吸附操作,3臺吸附器進行脫附操作,溶劑回收設備與脫附操作同步運行,采用目前的通用PLC程序進行控制。

2.1.7吸附條件的確定

ACF吸附回收的關鍵是控制吸附床的溫度、氣體流速和床層高度,一般床層溫度越低則回收凈化程度越高。我們結合該項目具體的工程情況,同時考慮到工業裝置與小試的差異,我們選擇了吸附床的溫度35℃左右,吸附床層高度為150mm,對VOCs氣體的去除率控制在80%左右,進行ACF的吸附裝置設計。

2.1.8阻火器與預處理設備設計

ACF裝置入口前設阻火器、風量自動控制及指示、濃度自動控制及指示以及報警裝置。阻火器是利用傳熱和器壁效應熄滅火焰、防止回火的設備,按結構型式分為金屬網型、波紋型、多孔板型、填充型和水封型等。本方案中設計為金屬網型,材料采用直徑為1mm的70目的鋼絲網10～20層放置。