王佳琪，魯楠，韓雪，蔡吉飛

（北京印刷學(xué)院，北京 102600）

印刷機(jī)械VOCs廢氣的凈化工藝

王佳琪，魯楠，韓雪，蔡吉飛

（北京印刷學(xué)院，北京 102600）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是一種帶有刺激性氣味，致畸、致癌、致突變作用、易燃易爆并且對(duì)人體健康和生態(tài)系統(tǒng)有很大破壞力的有機(jī)物。VOCs的主要來(lái)源有三種：工業(yè)固定源、汽車尾氣排放源以及日常生活源，目前針對(duì)這三種不同的排放源，我國(guó)提出了相應(yīng)的治理和控制方法。本文針對(duì)工業(yè)固定源中的印刷機(jī)VOCs排放提出了一種處理其排放的揮發(fā)性有機(jī)化合物的工藝流程；闡述了該流程的工作原理及實(shí)施方法；對(duì)比了國(guó)內(nèi)外處理VOCs的政策；證明了該工藝流程比現(xiàn)有的處理方案更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

揮發(fā)性有機(jī)化合物；印刷機(jī)；納米分子篩；催化燃燒

1 背景

揮發(fā)性有機(jī)化合物通常指在常溫常壓下具有高蒸氣壓、易揮發(fā)的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)[1]。一般具有較強(qiáng)的刺激性和毒性，絕大多數(shù)具有惡臭、易燃易爆等特性，因此在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中存在很大的安全隱患。VOCs的來(lái)源有主要有工業(yè)、汽車尾氣以及日常生活。其中，工業(yè)固定源是VOCs的主要排放源。涉及到的工業(yè)行業(yè)眾多，例如石油化工、輪胎制造、醫(yī)藥、食品、日用品等產(chǎn)生VOCs的生產(chǎn)行業(yè)，以及包裝印刷、機(jī)械制造、電子產(chǎn)品制造等以VOCs產(chǎn)品為原料的工業(yè)行業(yè)。本文主要針對(duì)包裝印刷行業(yè)中的VOCs處理，提出了一種工藝流程。

2 VOCs的處理工藝流程

印刷過(guò)程產(chǎn)生的有機(jī)廢氣主要包括：油墨烘干過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)溶劑尾氣和印刷單元周圍溶劑型油墨自然揮發(fā)的廢氣。印刷包裝行業(yè)產(chǎn)生的VOCs排放特征見(jiàn)表1。

目前應(yīng)用在此項(xiàng)工藝上最廣泛的技術(shù)包括活性炭吸附脫附、沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后裂解、焚燒爐直接裂解、紫外光催化氧化等方法[2]。但這些方法各有缺陷，如活性炭不耐濕度不耐高溫(只能低于120℃脫附)，老化極快，每年產(chǎn)生大量固廢[3]；市面上的沸石轉(zhuǎn)輪不耐高溫，脫附后有殘留，且需要一直耗能加熱脫附VOCs；焚燒爐直接處理低濃度大風(fēng)量VOCs廢氣會(huì)消耗大量天然氣；紫外光催化和等離子體的處理效率都較低（約50%）等[4][5]。鑒于此，為了提高凈化效率、降低能耗、節(jié)約成本，結(jié)合蜂窩狀活性炭吸附，催化裂解燃燒、負(fù)壓集氣抽風(fēng)、二次吸附、風(fēng)機(jī)脫附等工藝方法，開(kāi)發(fā)了納米分子篩材料與催化裂解燃燒相結(jié)合的工藝流程，適用于印刷行業(yè)產(chǎn)生的大風(fēng)量、低濃度有機(jī)廢氣處理。其工藝流程見(jiàn)圖1。

整套裝置由VOCs廢氣收集裝置、吸附裝置、催化燃燒裝置、風(fēng)機(jī)以及閥門等部分組成。VOCs廢氣通過(guò)收集裝置進(jìn)入凈化系統(tǒng)后，首先通過(guò)納米分子篩為核心的吸附裝置進(jìn)行吸附；當(dāng)吸附飽和后，觸發(fā)吸附風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，將吸附裝置中濃縮的VOCs氣體引入催化燃燒裝置中，當(dāng)有機(jī)廢氣被氧化成二氧化碳?xì)怏w和水蒸汽時(shí)的濃度超過(guò)2000×10-6m3，此時(shí)濃縮過(guò)后的VOCs氣體足夠維持自燃燒，通過(guò)燃燒所釋放的熱量可以達(dá)到燃燒所需要的溫度[1]，燃燒后的熱廢氣可以提供脫附再生時(shí)所需要的溫度和熱量，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保，廢物再利用的效果；經(jīng)過(guò)燃燒后，觸發(fā)排放風(fēng)機(jī)作用，將低濃度有機(jī)廢氣引入排廢裝置中，排廢裝置一方面可以直接將有機(jī)廢氣排入大氣，另一方面可以引回吸附裝置中，將未處理干凈的有機(jī)廢氣進(jìn)行再次吸附。

2.1 流程物料循環(huán)

整個(gè)工藝流程由PLC進(jìn)行控制，交替實(shí)現(xiàn)吸附、脫附、催化燃燒等過(guò)程。該工藝流程包括以下物料循環(huán)：

1)印刷產(chǎn)生的VOCs氣體經(jīng)廢氣收集裝置進(jìn)入過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的VOCs氣體進(jìn)入吸附裝置，隨后將吸附過(guò)后的純凈氣體由排放風(fēng)機(jī)引入排廢裝置后排入大氣；

2)吸附有VOCs有機(jī)廢氣的納米分子篩通過(guò)脫附風(fēng)機(jī)作用，將有機(jī)廢氣濃縮后送入催化燃燒裝置中進(jìn)行燃燒處理，將有機(jī)物氧化成二氧化碳?xì)怏w和水蒸氣，保證了該流程凈化氣體的可靠性。

2.2 納米分子篩吸附工藝

圖1 VOCs廢氣納米分子篩吸附-催化燃燒-脫附聯(lián)用工藝流程

表1 包裝印刷行業(yè)VOCs排放特征[1,14-19]

吸附裝置的核心部件為許多層不同孔徑大小的納米分子篩，由于VOCs氣體中的成分大小不一，如果單一的使用蜂窩狀活性炭吸附會(huì)致使其余不同孔徑的有機(jī)廢氣不能得以有效吸附，大大降低了凈化效率，如果采用不同孔徑大小的納米分子篩可以有效地防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，此外還增大了吸附面積，設(shè)置的多層結(jié)構(gòu)可以增加吸附容量，延長(zhǎng)吸附飽和期，節(jié)省了清理吸附裝置的人力物力。分子篩的堆疊次序?yàn)椋阂赃M(jìn)氣口開(kāi)始，大孔徑分子篩在前，小孔徑分子篩在后。經(jīng)過(guò)吸附過(guò)后的有機(jī)廢氣如果達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)即可進(jìn)行排放。當(dāng)吸附飽和進(jìn)行脫附時(shí)，離心風(fēng)機(jī)先由小孔徑分子篩到大孔徑分子篩，逐步將分子篩上的有機(jī)廢氣進(jìn)行濃縮，隨后將濃縮過(guò)后的氣體送入催化裝置中。由于脫附過(guò)程極大地清理了分子篩，所以延長(zhǎng)了吸附裝置的使用壽命。

3 設(shè)備配置

采用納米分子篩吸附-催化燃燒裝置聯(lián)合使用的有機(jī)廢氣凈化裝置的關(guān)鍵是吸附裝置和催化燃燒裝置。在裝置兩端都設(shè)有檢測(cè)裝置，以保證吸附、脫附與催化燃燒的交替運(yùn)行。根據(jù)工藝要求，收集裝置的集氣罩內(nèi)廢氣的濃度和溫度不能過(guò)高，以免在管道內(nèi)發(fā)生粘結(jié)。廢氣濃度不得超過(guò)有機(jī)氣體爆炸下限濃度的25%。采用鍍鋅鋼板圓形風(fēng)管，連接收集裝置、風(fēng)機(jī)和凈化聯(lián)用裝置[6]。

3.1 吸附裝置

吸附裝置由左腔室、右腔室和納米分子篩組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 吸附裝置

吸附裝置左側(cè)連接收集裝置，右側(cè)連接排放裝置和脫附裝置。左腔室和右腔室分別裝有兩扇門以便及時(shí)清理沸石分子篩上殘留的雜質(zhì)。有機(jī)廢氣的流動(dòng)方向從左腔室經(jīng)過(guò)許多層不同孔徑大小的分子篩到右腔室。吸附過(guò)后的有機(jī)廢氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后從右腔室經(jīng)排放裝置排入大氣。當(dāng)吸附飽和后開(kāi)始進(jìn)行脫附，脫附時(shí)的風(fēng)向從右腔室到左腔室，有機(jī)廢氣在左腔室被濃縮后經(jīng)檢測(cè)達(dá)到足以維持自燃燒時(shí)送入催化燃燒裝置。該吸附裝置不僅增加了吸附面積，也延長(zhǎng)了吸附-脫附周期，同時(shí)也避免了蜂窩狀活性炭吸附易燃易爆、吸附周期短和吸附效率低等缺陷。

3.2 催化燃燒裝置

催化燃燒裝置由外殼、內(nèi)腔以及兩者間的混凝土填充物、24KW電加熱棒和二次吸附裝置組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 催化燃燒裝置

該催化燃燒裝置將一定濃度的有機(jī)廢氣燃燒氧化成二氧化碳?xì)怏w和水蒸汽，中間布有二次吸附裝置，可以將沒(méi)有徹底燃燒的有機(jī)廢氣進(jìn)行二次吸附，其結(jié)構(gòu)和組織與吸附裝置中的納米分子篩一致，保證了廢氣處理的凈化度。由于濃度較高，有機(jī)廢氣基本可以維持自燃燒，所以該催化燃燒裝置較為節(jié)省能源，無(wú)二次污染。利用燃燒產(chǎn)生的余熱還可以對(duì)吸附裝置進(jìn)行脫附再生，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

3.3 輔助設(shè)備

為了維持燃燒，通常在吸附裝置和催化燃燒裝置間連接一個(gè)補(bǔ)新風(fēng)閥。進(jìn)、排風(fēng)管道上設(shè)有三通閥，以便在吸附裝置出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)放空使用。控制柜外部信號(hào)通過(guò)安全柵連接，系統(tǒng)接地，保證設(shè)備能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 控制系統(tǒng)

整套設(shè)備采用PLC為核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可靠性高，安全性好。管道中的檢測(cè)裝置與傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對(duì)吸附裝置的飽和狀態(tài)、氣體凈化程度、催化燃燒裝置的燃燒狀態(tài)以及管道內(nèi)氣體的溫度實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制。操控者可以隨時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

納米分子篩吸附-催化燃燒裝置聯(lián)用的工藝流程結(jié)合了納米分子篩、脫附裝置、催化燃燒裝置實(shí)現(xiàn)了凈化效率高，無(wú)二次污染等節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。吸附裝置吸附面積大、效率高、使用周期長(zhǎng)，省去了部分人工更換的勞力。可根據(jù)不同的使用情況進(jìn)行配置，靈活性大；催化燃燒裝置可以維持有機(jī)廢氣的自燃燒，降低了燃燒所需的外部熱量，并且可以進(jìn)行二次吸附，提高了凈化的效率。所以，整套設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、綠色環(huán)保以及降低成本等的發(fā)展理念，有利于推進(jìn)我國(guó)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的進(jìn)程。

[1] 王海林,張國(guó)寧,聶磊,王宇飛,郝鄭平. 我國(guó)工業(yè)VOCs減排控制與管理對(duì)策研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2011, (12):3462-3468.

[2] 王鐵宇，李奇鋒，呂永龍. 我國(guó)VOCs的排放特征及控制對(duì)策研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2013, (12):4756-4763.

[3] 李婕，羌寧. 揮發(fā)性有機(jī)物(VOC_S)活性炭吸附回收技術(shù)綜述[J]. 四川環(huán)境，2007，(06)：101-105+111.

[4] 郭海俠. 工業(yè)有機(jī)廢氣治理措施前后VOCs成份特征變化的實(shí)測(cè)研究[D].華南理工大學(xué)，2013.

[5] 高宗江,李成,鄭君瑜,郭海俠. 工業(yè)源VOCs治理技術(shù)效果實(shí)測(cè)評(píng)估[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2015, (06):994-1000.

[6] 蘇建華,羅衛(wèi)平,王筱虹,劉暉. 活性炭纖維凈化印刷過(guò)程產(chǎn)生的VOCs廢氣[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2006, (11):117-120.

Application for Purification of VOCs in Printing Mechanism

WANG Jia-qi, LU Nan, HAN Xue, CAI Ji-fei

Volatile organic compounds (VOCs) are a kind of organic compounds which have a pungent odor, the teratogenic, carcinogenic, mutagenic, flammable, explosive effect and highly destructive to human health and ecosystems.There are three main sources of VOCs: Industrial stationary sources, vehicle exhaust emissions and sources of daily life.At present, the corresponding control methods are proposed for these three different emission sources.In this paper, a process for treating volatile organic compounds (VOCs) emitted from the printer's VOCs emissions from industrial stationary sources is proposed.In this paper the working principle and implementation method of the process are described. The policy of dealing with VOCs at home and abroad is compared.And finally,the paper has demonstrates that the process is more economical and environmentally friendly than the existing treatment.

volatile organic compounds; printing mechanism; nano molecular sieve; atalyticcombustion

TB803

A

1400 (2017) 06-0052-04

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.06.004

科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)-提升計(jì)劃項(xiàng)目-折疊紙盒的可變信息編碼與質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化（市級(jí)）（TJSHG201510015011）

王佳琪（1994-），女，山西人，北京印刷學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，郵箱：979465013@qq.com。