包裝印刷有機廢氣處理技術探究

 

　　引言

 

　　改革開放以來，我國包裝印刷業隨著經濟的增長迅速崛起，中國逐漸成為繼美國、日本、歐盟之后的第四大印刷市場。包裝印刷廠的主要產品為各種印刷制品，在生產過程中大量使用彩色油墨和有機溶劑，油墨所用溶劑主要包括甲苯、二甲苯、丁酮、異丙醇、正丁酯、乙酸乙酯等低沸點揮發性有機物。據統計，有機溶劑通常占到了油墨總量的70%～80%，而在印刷產品干燥的過程中，這部分有機溶劑會揮發到大氣中，產生大量的有機廢氣(VolatileOrganicCompounds，簡稱VOCs)。因此，包裝印刷成為我國VOCs的主要排放源之一。

 

　　VOCs通常是指在常壓下沸點低于260℃或標準狀況下飽和蒸氣壓大于0.13kPa的有機化合物，這類物質種類繁多，多數具有毒性，且大多數VOCs都具有回收價值。因此，VOCs的大量排放不僅會對環境衛生和人體健康帶來極大威脅，還會造成嚴重的資源浪費及經濟損失。長期以來，我國廢氣治理的重點主要放在除塵、脫硫、脫硝上，VOCs治理技術發展緩慢。“十二五”規劃以來，國家對VOCs的治理日益重視，并明確指出“推進精細化工業有機廢氣污染治理，加強有機廢氣回收利用”。因此，如何減少包裝印刷業VOCs的排放，同時有效回收這部分有機溶劑，最終實現經濟效益和環境效益的雙贏，已經成為包裝印刷業的一項重要任務。

 

　　1包裝印刷業VOCs控制技術概述

 

　　目前，我國包裝印刷行業現有的VOCs控制術大體可分為兩大類:一類是消除法，即通過破壞性的化學或生物反應，將揮發性有機物轉化為水和二氧化碳，主要包括燃燒法、生物法等，還包括一些新型的控制技術，如光催化法;另一類是回收法，即在一定溫度、壓力下，通過一定技術來分離回收揮發性有機物，主要包括吸附法、吸收法、冷凝法等。

 

　　1.1消除法

 

　　燃燒法是目前應用比較廣泛的有機廢氣治理方法，主要包括直接燃燒法和催化燃燒法。直接燃燒是將VOCs當作燃料，通過熱反應，將其轉變為水和二氧化碳，去除效率可達95%以上。催化燃燒法是在催化劑的作用下，使有機廢氣中的碳氫化合物在溫度較低的條件下迅速氧化成水和二氧化碳。燃燒法主要適用于成分復雜、高濃度的VOCs氣體，具有效率高、處理徹底等優點。但若廢氣含有Cl、S、N等元素，采用燃燒法會產生HCl、SOx、NOx等有害氣體，造成二次污染。

 

　　生物法是利用微生物的新陳代謝對VOCs進行生物降解的過程，主要適合于低濃度、大氣量且宜生物降解的有機廢氣治理。生物法處理有機廢氣具有設備簡單、運行費用低、操作簡便、凈化效率高、不產生二次污染物等優點。但生物法對有機廢氣的進氣濃度和性質要求較高，同時對生物菌落和填料也提出了較高的要求，因此目前還未得到大量應用。

 

　　光催化是指利用光催化劑(如TiO2)氧化分解吸附在催化劑表面的VOCs物質。合適的光催化劑能夠在常溫下將VOCs完全氧化成無毒無害的物質，無二次污染，適合處理高濃度、氣量大、穩定性強的有機廢氣。目前，光催化法在處理廢水上已經得到了一些應用，但是由于其存在反應速度慢、光子效率低等的缺點，在VOCs治理方面實例卻不多。

 

　　1.2回收法

 

　　吸附法主要是利用固體吸附劑(如硅膠、分子篩、活性炭等)把排放廢氣中的有害組分吸附留在固體表面里，從而達到凈化作用。吸附法常見于處理低濃度高通量的VOCs廢氣，優點是去除率高，凈化徹底，能耗低，工藝成熟。不僅如此，吸附法若與其他處理方法聯用，既可防止環境污染，又能回收有用的物質，具有很好的環境和經濟效益。缺點是處理設備龐大，流程復雜，當廢氣中含有膠粒物質或其他雜質時，吸附劑易失效。在現有的吸附劑中，活性炭性能最好，應用最廣，去除效率通常可達95%以上。

 

　　吸收法主要是采用低揮發或不揮發液體為吸收劑，利用有機廢氣能與其互溶的特點，來吸收廢氣中的有害物質。該方法適用于濃度較高、溫度較低和壓力較大情況下氣相污染物的處理，具有技術成熟，設計及操作經驗豐富，適用性強的優點。但對于有機廢氣，由于其水溶性一般不好，應用不太普遍。另外，該法對吸收劑和吸收設備的要求通常較高，而且吸收劑需要定期更換，過程較復雜，費用較高。

 

　　冷凝法是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一物理性質，采用降低系統溫度或提高系統壓力的方法，使處于蒸汽狀態的污染物冷凝并從廢氣中分離出來的過程，具有設備和操作條件簡單，回收物質的純度較高的優點。在生產過程中，冷凝法常常與壓縮、吸附、吸收等過程組合應用，來回收有機廢氣中有用的組分，從而實現資源的重復利用，降低運行成本。

 

　　上述兩類方法中，回收法能夠在污染控制的同時實現資源的循環利用，是一種更具有開發潛力的技術方法。然而，任何一種VOCs回收處理技術本身都各有利弊，使用條件也有較大差異。例如，吸附法處理低濃度VOCs效果雖好，但是對于高濃度廢氣的處理卻可能存在熱效應高、吸附劑堵塞或二次污染等問題;而冷凝法則更適宜于處理高濃度VOCs，對于低濃度廢氣的處理效果較差、設備成本較高。因此，為最大程度地實現低成本、高效率的VOCs處理目的，需開發廢氣處理的集成工藝，將不同的VOCs回收處理技術通過一定的方法組合起來，使之優勢互補、各盡其用，以實現低成本和高成效的雙贏。

 

　　2包裝印刷業VOCs組合處理工藝實例

 

　　上海某油墨印刷廠采用“蜂窩吸附-熱風脫附-冷凍回收”的組合工藝，對生產過程中產生的VOCs進行集中收集、集中處理、集中回收，取得了低本高效的處理效果。該工藝采用吸附截留有機溶劑氣體、熱風脫附解析溶劑氣體的工藝將有機物分離濃縮出來加以冷凝回收，從而實現空氣凈化和廢棄物循環利用的目的。下面以該工藝為實例對VOCs組合處理工藝進行分析探討。

 

　　2.1廢氣狀況及排放要求

 

　　該印刷廠有機廢氣排放現狀及GB16297—1996《大氣污染綜合排放標準》中的二級排放標準(新建擴改項目)要求如表1。
 

 

　　2.2工藝選擇

 

　　該VOCs組合工藝可分為3個控制階段，即“吸附-脫附-回收”3個過程。

 

　　2.2.1吸附工藝

 

　　對于VOCs的吸附過程，活性炭吸附工藝已經較為成熟，其凈化效率通常可達90%以上。此外，活性炭的總使用壽命一般可達4年以上，且使用成本很低，具有很大的優勢。活性炭的形式主要有顆粒活性炭、蜂窩活性炭、纖維活性炭3種。顆粒活性炭阻力大，能耗高，而且脫附時間長;纖維活性炭具有吸附容量大，吸附與脫附速度快的突出特點，但其價格十分昂貴，設備投資很高;而蜂窩活性炭具有比表面積大，微孔發達，吸附容量高，使用壽命長等優點，被廣泛應用于低濃度有機廢氣(1000mg/m3以內)的吸附工程。另外，由于蜂窩活性炭具有孔隙率高，不易堵塞的優點，特別適合于含有少量煙塵的有機廢氣處理。因此，本文所述工藝的吸附階段選用蜂窩結構的活性炭，通過具有大表面的蜂窩對有機廢氣的接觸吸附而起到對VOCs的凈化作用。

 

　　2.2.2脫附工藝

 

　　有機溶劑的再生(脫附)主要有蒸汽再生與熱風再生兩種。熱風再生工藝是近幾年來發展起來的一種新型的活性炭再生工藝，它是利用熱風將活性炭所吸附的有機污染物從活性炭內脫附出來，形成高濃度的有機廢氣(一般濃度可以達到10g/m3左右)，再通過冷凍機組將高濃度有機廢氣中沸點較高的有機物冷凝下來。然后，冷凝后的廢氣經過換熱器和蒸汽加熱器加熱到130℃后再次進入吸附器內循環利用。這樣，即達到再生蜂窩活性炭的目的，同時又將有機溶劑進行了有效地回收利用，一舉兩得。

 

　　2.2.3回收工藝

 

　　有機溶劑的回收是將經熱風脫附得到高濃度的有機廢氣通過某種工藝手段，使得有機物從空氣中分離出來加以回收利用。根據印刷廠油墨廢氣中有機溶劑的物理性質，該印刷廠采用冷凝回收技術，即通過將脫附的氣體冷卻到低于有機物的露點溫度，從而使有機物冷凝成液滴后從氣體中分離出來。本組合工藝將冷凝系統置于吸附階段之外，即用即開，有效發揮了冷凝法處理高濃度VOCs穩定、高效的優勢，又避免了純冷凝技術引起的成本及操作費高的問題。

 

　　2.3工藝流程及說明

 

　　本工藝的具體工藝流程如圖1所示。為了進行連續操作，設計了兩個峰窩活性炭吸附床，其中一個執行吸附功能時，另一個則進行脫附再生，兩臺吸附器通過切換閥門自動轉換功能。其工作過程為:首先，集中有機廢氣送往其中一臺活性炭吸附器1，在常溫下進行吸附凈化，廢氣中的有機污染物被活性炭吸附截留，潔凈氣體由吸附風機2排放到大氣中去。當活性炭吸附器吸附飽和后，進入熱風脫附再生階段。同時，通過切換閥門將有機廢氣切換到另外一個活性炭吸附器內繼續進行吸附。
 

 

　　在脫附階段，有機廢氣經過板式換熱器3和蒸發器4，由脫附風機5送入到蒸汽加熱器6，由蒸汽間接加熱到脫附所需溫度130℃(即所謂“熱風”)，熱風進入活性炭吸附器內加熱活性炭，活性炭被加熱到一定溫度時，吸附在活性炭內的有機污染物從活性炭內脫離出來并形成高濃度有機廢氣。脫附出來的高溫高濃度有機廢氣(熱風)與冷凍后的有機廢氣(冷風)在板式換熱器3內進行熱交換，“熱風”溫度從130℃降到30℃左右，而“冷風”則由-30℃左右升溫到70℃左右，30℃左右的“熱風”再進入蒸發器4內冷卻降溫到-30℃左右，此時，廢氣中的有機溶劑逐步冷凝形成液滴排出回收，高濃度有機廢氣中的有機物濃度也隨之下降。此外，該股“冷風”再經過換熱器，與“熱風”進行熱交換，充分循環利用“熱風”的能源，同時“熱風”降溫也充分利用了“冷風”的冷源。升溫到70℃左右的“冷風”再由脫附風機5送入蒸汽加熱器6，由蒸汽間接加熱升溫至130℃左右(熱風)，進入吸附器1脫附再生，完成了整個循環。

 

　　當脫附再生完畢后，活性炭吸附器的吸附活性得以恢復，重新進入有機廢氣的吸附工作。在實際運行過程中蒸汽加熱器6和冷凍系統只是在脫附啟動階段時需要全負荷使用，當活性炭加熱到設定的溫度后，由于設置了板式換熱器，蒸汽加熱器和冷凍系統均不需要全負荷運行。這樣就可以達到能源充分利用，盡可能降低活性炭脫附再生的成本。蒸汽加熱器和冷凍系統的開啟與關閉均是根據自動溫控系統自動控制。

 

　　2.4吸附器的設計

 

　　為獲得理想的吸附和脫附效率，設計要求吸附器內升溫速度快，空氣殘余量小，脫附循環氣體濃度提升快。根據廢氣排放狀況，設計每臺吸附器蜂窩活性炭充裝量為7.2m3，為了減少有機廢氣通過的阻力，通過長度為0.8m，安裝緊湊，吸附器內部剩余空間小，使熱風脫附時溫度、有機溶劑濃度都能快速提升。

 

　　2.5冷凝回收工藝設計

 

　　為達到較高的冷凝回收率，除提升脫附氣體濃縮比外，應選取較低的冷凝溫度，以降低有機溶劑飽和蒸汽分壓，提高回收率。本工藝控制冷凝溫度-25～-30℃，可回收混合溶劑≥90%。為減少工程投資、減少占地面積、降低運行成本，本設計冷凝工藝選用風冷機組。

 

　　2.6成本及效益分析

 

　　2.6.1運行成本及經濟效益

 

　　本工藝用電負荷及每年的電費如表2所示。除電費以外，消耗蒸汽費0.6萬元/a，工人工資福利費4.8萬元/a，活性炭約10萬元/a，設備維修費約5萬元/a，合計運行費用為51.7萬元。同時，根據測算，每年可回收有機溶劑約200t，按照每噸0.6萬元計算，則每年可產生的直接經濟效益為120萬元，扣除運行費，每年可凈回收經濟效益68.3萬元。因此，該有機廢氣組合處理工藝不僅極大程度地消除了印刷廠VOCs帶來的環境污染問題，并且實現了資源的回收利用，取得了間接的經濟效益。

 

　　2.6.2環境效益與社會效益

 

　　本工程除了有機溶劑回收所產生的間接經濟效益以外，其效益主要體現在社會效益和環境效益。一方面，有機廢氣處理設備系統的建設，可以有效解決油墨印刷機日常運行過程中所產生的有機廢氣污染問題，確保處理后的尾氣排放滿足環保部門對有機廢氣排放的要求;另一方面，處理后排放的氣體質量的提高和環境的改善，有利于提高工廠及工廠周邊環境的環境質量，有利于保障職工及周邊居民的身心健康。

 

　　3結論與展望

 

　　在對包裝印刷業VOCs的控制上，溶劑回收和重復利用已經得到了越來越多人的共識。單一的VOCs回收處理技術由于其本身適用條件的限制往往無法達到VOCs的控制要求，而本文提出的“蜂窩吸附-熱風脫附-冷凝回收”處理印刷廠有機廢氣的工藝路線，流程簡單，操作方便，即能滿足印刷廠有機廢氣的達標排放，同時還能實現有機廢氣的二次回收利用，兼具良好的環境效益與經濟效益。在我國包裝印刷業蓬勃發展的背景下，VOCs污染防治將是一項持久艱巨的任務。未來的包裝印刷業VOCs處理應一方面加快對新興處理工藝的基礎研究，以期盡快得到工業應用，另外，更要加快對VOCs組合處理工藝的技術開發，以同時滿足高處理效率和低經濟成本的處理要求。