包裝印刷有機(jī)廢氣處理技術(shù)探究

 

　　引言

 

　　改革開放以來(lái)，我國(guó)包裝印刷業(yè)隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)迅速崛起，中國(guó)逐漸成為繼美國(guó)、日本、歐盟之后的第四大印刷市場(chǎng)。包裝印刷廠的主要產(chǎn)品為各種印刷制品，在生產(chǎn)過(guò)程中大量使用彩色油墨和有機(jī)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(diǎn)揮發(fā)性有機(jī)物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有機(jī)溶劑通常占到了油墨總量的70%～80%，而在印刷產(chǎn)品干燥的過(guò)程中，這部分有機(jī)溶劑會(huì)揮發(fā)到大氣中，產(chǎn)生大量的有機(jī)廢氣(VolatileOrganicCompounds，簡(jiǎn)稱VOCs)。因此，包裝印刷成為我國(guó)VOCs的主要排放源之一。

 

　　VOCs通常是指在常壓下沸點(diǎn)低于260℃或標(biāo)準(zhǔn)狀況下飽和蒸氣壓大于0.13kPa的有機(jī)化合物，這類物質(zhì)種類繁多，多數(shù)具有毒性，且大多數(shù)VOCs都具有回收價(jià)值。因此，VOCs的大量排放不僅會(huì)對(duì)環(huán)境衛(wèi)生和人體健康帶來(lái)極大威脅，還會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)及經(jīng)濟(jì)損失。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)廢氣治理的重點(diǎn)主要放在除塵、脫硫、脫硝上，VOCs治理技術(shù)發(fā)展緩慢。“十二五”規(guī)劃以來(lái)，國(guó)家對(duì)VOCs的治理日益重視，并明確指出“推進(jìn)精細(xì)化工業(yè)有機(jī)廢氣污染治理，加強(qiáng)有機(jī)廢氣回收利用”。因此，如何減少包裝印刷業(yè)VOCs的排放，同時(shí)有效回收這部分有機(jī)溶劑，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏，已經(jīng)成為包裝印刷業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

 

　　1包裝印刷業(yè)VOCs控制技術(shù)概述

 

　　目前，我國(guó)包裝印刷行業(yè)現(xiàn)有的VOCs控制術(shù)大體可分為兩大類:一類是消除法，即通過(guò)破壞性的化學(xué)或生物反應(yīng)，將揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)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(shù)，如光催化法;另一類是回收法，即在一定溫度、壓力下，通過(guò)一定技術(shù)來(lái)分離回收揮發(fā)性有機(jī)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(yīng)用比較廣泛的有機(jī)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(dāng)作燃料，通過(guò)熱反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗投趸?，去除效率可達(dá)95%以上。催化燃燒法是在催化劑的作用下，使有機(jī)廢氣中的碳?xì)浠衔镌跍囟容^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(fù)雜、高濃度的VOCs氣體，具有效率高、處理徹底等優(yōu)點(diǎn)。但若廢氣含有Cl、S、N等元素，采用燃燒法會(huì)產(chǎn)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(duì)VOCs進(jìn)行生物降解的過(guò)程，主要適合于低濃度、大氣量且宜生物降解的有機(jī)廢氣治理。生物法處理有機(jī)廢氣具有設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)便、凈化效率高、不產(chǎn)生二次污染物等優(yōu)點(diǎn)。但生物法對(duì)有機(jī)廢氣的進(jìn)氣濃度和性質(zhì)要求較高，同時(shí)對(duì)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(yīng)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(zhì)。合適的光催化劑能夠在常溫下將VOCs完全氧化成無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)，無(wú)二次污染，適合處理高濃度、氣量大、穩(wěn)定性強(qiáng)的有機(jī)廢氣。目前，光催化法在處理廢水上已經(jīng)得到了一些應(yīng)用，但是由于其存在反應(yīng)速度慢、光子效率低等的缺點(diǎn)，在VOCs治理方面實(shí)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(dá)到凈化作用。吸附法常見(jiàn)于處理低濃度高通量的VOCs廢氣，優(yōu)點(diǎn)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(lián)用，既可防止環(huán)境污染，又能回收有用的物質(zhì)，具有很好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。缺點(diǎn)是處理設(shè)備龐大，流程復(fù)雜，當(dāng)廢氣中含有膠粒物質(zhì)或其他雜質(zhì)時(shí)，吸附劑易失效。在現(xiàn)有的吸附劑中，活性炭性能最好，應(yīng)用最廣，去除效率通常可達(dá)95%以上。

 

　　吸收法主要是采用低揮發(fā)或不揮發(fā)液體為吸收劑，利用有機(jī)廢氣能與其互溶的特點(diǎn)，來(lái)吸收廢氣中的有害物質(zhì)。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(shù)成熟，設(shè)計(jì)及操作經(jīng)驗(yàn)豐富，適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于有機(jī)廢氣，由于其水溶性一般不好，應(yīng)用不太普遍。另外，該法對(duì)吸收劑和吸收設(shè)備的要求通常較高，而且吸收劑需要定期更換，過(guò)程較復(fù)雜，費(fèi)用較高。

 

　　冷凝法是利用物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一物理性質(zhì)，采用降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力的方法，使處于蒸汽狀態(tài)的污染物冷凝并從廢氣中分離出來(lái)的過(guò)程，具有設(shè)備和操作條件簡(jiǎn)單，回收物質(zhì)的純度較高的優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，冷凝法常常與壓縮、吸附、吸收等過(guò)程組合應(yīng)用，來(lái)回收有機(jī)廢氣中有用的組分，從而實(shí)現(xiàn)資源的重復(fù)利用，降低運(yùn)行成本。

 

　　上述兩類方法中，回收法能夠在污染控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，是一種更具有開發(fā)潛力的技術(shù)方法。然而，任何一種VOCs回收處理技術(shù)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(duì)于高濃度廢氣的處理卻可能存在熱效應(yīng)高、吸附劑堵塞或二次污染等問(wèn)題;而冷凝法則更適宜于處理高濃度VOCs，對(duì)于低濃度廢氣的處理效果較差、設(shè)備成本較高。因此，為最大程度地實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的VOCs處理目的，需開發(fā)廢氣處理的集成工藝，將不同的VOCs回收處理技術(shù)通過(guò)一定的方法組合起來(lái)，使之優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、各盡其用，以實(shí)現(xiàn)低成本和高成效的雙贏。

 

　　2包裝印刷業(yè)VOCs組合處理工藝實(shí)例

 

　　上海某油墨印刷廠采用“蜂窩吸附-熱風(fēng)脫附-冷凍回收”的組合工藝，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的VOCs進(jìn)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(jī)溶劑氣體、熱風(fēng)脫附解析溶劑氣體的工藝將有機(jī)物分離濃縮出來(lái)加以冷凝回收，從而實(shí)現(xiàn)空氣凈化和廢棄物循環(huán)利用的目的。下面以該工藝為實(shí)例對(duì)VOCs組合處理工藝進(jìn)行分析探討。

 

　　2.1廢氣狀況及排放要求

 

　　該印刷廠有機(jī)廢氣排放現(xiàn)狀及GB16297—1996《大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(新建擴(kuò)改項(xiàng)目)要求如表1。
 

 

　　2.2工藝選擇

 

　　該VOCs組合工藝可分為3個(gè)控制階段，即“吸附-脫附-回收”3個(gè)過(guò)程。

 

　　2.2.1吸附工藝

 

　　對(duì)于VOCs的吸附過(guò)程，活性炭吸附工藝已經(jīng)較為成熟，其凈化效率通?？蛇_(dá)90%以上。此外，活性炭的總使用壽命一般可達(dá)4年以上，且使用成本很低，具有很大的優(yōu)勢(shì)。活性炭的形式主要有顆?；钚蕴?、蜂窩活性炭、纖維活性炭3種。顆?；钚蕴孔枇Υ?，能耗高，而且脫附時(shí)間長(zhǎng);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(diǎn)，但其價(jià)格十分昂貴，設(shè)備投資很高;而蜂窩活性炭具有比表面積大，微孔發(fā)達(dá)，吸附容量高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低濃度有機(jī)廢氣(1000mg/m3以內(nèi))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(yōu)點(diǎn)，特別適合于含有少量煙塵的有機(jī)廢氣處理。因此，本文所述工藝的吸附階段選用蜂窩結(jié)構(gòu)的活性炭，通過(guò)具有大表面的蜂窩對(duì)有機(jī)廢氣的接觸吸附而起到對(duì)VOCs的凈化作用。

 

　　2.2.2脫附工藝

 

　　有機(jī)溶劑的再生(脫附)主要有蒸汽再生與熱風(fēng)再生兩種。熱風(fēng)再生工藝是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的活性炭再生工藝，它是利用熱風(fēng)將活性炭所吸附的有機(jī)污染物從活性炭?jī)?nèi)脫附出來(lái)，形成高濃度的有機(jī)廢氣(一般濃度可以達(dá)到10g/m3左右)，再通過(guò)冷凍機(jī)組將高濃度有機(jī)廢氣中沸點(diǎn)較高的有機(jī)物冷凝下來(lái)。然后，冷凝后的廢氣經(jīng)過(guò)換熱器和蒸汽加熱器加熱到130℃后再次進(jìn)入吸附器內(nèi)循環(huán)利用。這樣，即達(dá)到再生蜂窩活性炭的目的，同時(shí)又將有機(jī)溶劑進(jìn)行了有效地回收利用，一舉兩得。

 

　　2.2.3回收工藝

 

　　有機(jī)溶劑的回收是將經(jīng)熱風(fēng)脫附得到高濃度的有機(jī)廢氣通過(guò)某種工藝手段，使得有機(jī)物從空氣中分離出來(lái)加以回收利用。根據(jù)印刷廠油墨廢氣中有機(jī)溶劑的物理性質(zhì)，該印刷廠采用冷凝回收技術(shù)，即通過(guò)將脫附的氣體冷卻到低于有機(jī)物的露點(diǎn)溫度，從而使有機(jī)物冷凝成液滴后從氣體中分離出來(lái)。本組合工藝將冷凝系統(tǒng)置于吸附階段之外，即用即開，有效發(fā)揮了冷凝法處理高濃度VOCs穩(wěn)定、高效的優(yōu)勢(shì)，又避免了純冷凝技術(shù)引起的成本及操作費(fèi)高的問(wèn)題。

 

　　2.3工藝流程及說(shuō)明

 

　　本工藝的具體工藝流程如圖1所示。為了進(jìn)行連續(xù)操作，設(shè)計(jì)了兩個(gè)峰窩活性炭吸附床，其中一個(gè)執(zhí)行吸附功能時(shí)，另一個(gè)則進(jìn)行脫附再生，兩臺(tái)吸附器通過(guò)切換閥門自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。其工作過(guò)程為:首先，集中有機(jī)廢氣送往其中一臺(tái)活性炭吸附器1，在常溫下進(jìn)行吸附凈化，廢氣中的有機(jī)污染物被活性炭吸附截留，潔凈氣體由吸附風(fēng)機(jī)2排放到大氣中去。當(dāng)活性炭吸附器吸附飽和后，進(jìn)入熱風(fēng)脫附再生階段。同時(shí)，通過(guò)切換閥門將有機(jī)廢氣切換到另外一個(gè)活性炭吸附器內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行吸附。
 

 

　　在脫附階段，有機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)板式換熱器3和蒸發(fā)器4，由脫附風(fēng)機(jī)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(fēng)”)，熱風(fēng)進(jìn)入活性炭吸附器內(nèi)加熱活性炭，活性炭被加熱到一定溫度時(shí)，吸附在活性炭?jī)?nèi)的有機(jī)污染物從活性炭?jī)?nèi)脫離出來(lái)并形成高濃度有機(jī)廢氣。脫附出來(lái)的高溫高濃度有機(jī)廢氣(熱風(fēng))與冷凍后的有機(jī)廢氣(冷風(fēng))在板式換熱器3內(nèi)進(jìn)行熱交換，“熱風(fēng)”溫度從130℃降到30℃左右，而“冷風(fēng)”則由-30℃左右升溫到70℃左右，30℃左右的“熱風(fēng)”再進(jìn)入蒸發(fā)器4內(nèi)冷卻降溫到-30℃左右，此時(shí)，廢氣中的有機(jī)溶劑逐步冷凝形成液滴排出回收，高濃度有機(jī)廢氣中的有機(jī)物濃度也隨之下降。此外，該股“冷風(fēng)”再經(jīng)過(guò)換熱器，與“熱風(fēng)”進(jìn)行熱交換，充分循環(huán)利用“熱風(fēng)”的能源，同時(shí)“熱風(fēng)”降溫也充分利用了“冷風(fēng)”的冷源。升溫到70℃左右的“冷風(fēng)”再由脫附風(fēng)機(jī)5送入蒸汽加熱器6，由蒸汽間接加熱升溫至130℃左右(熱風(fēng))，進(jìn)入吸附器1脫附再生，完成了整個(gè)循環(huán)。

 

　　當(dāng)脫附再生完畢后，活性炭吸附器的吸附活性得以恢復(fù)，重新進(jìn)入有機(jī)廢氣的吸附工作。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中蒸汽加熱器6和冷凍系統(tǒng)只是在脫附啟動(dòng)階段時(shí)需要全負(fù)荷使用，當(dāng)活性炭加熱到設(shè)定的溫度后，由于設(shè)置了板式換熱器，蒸汽加熱器和冷凍系統(tǒng)均不需要全負(fù)荷運(yùn)行。這樣就可以達(dá)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(tǒng)的開啟與關(guān)閉均是根據(jù)自動(dòng)溫控系統(tǒng)自動(dòng)控制。

 

　　2.4吸附器的設(shè)計(jì)

 

　　為獲得理想的吸附和脫附效率，設(shè)計(jì)要求吸附器內(nèi)升溫速度快，空氣殘余量小，脫附循環(huán)氣體濃度提升快。根據(jù)廢氣排放狀況，設(shè)計(jì)每臺(tái)吸附器蜂窩活性炭充裝量為7.2m3，為了減少有機(jī)廢氣通過(guò)的阻力，通過(guò)長(zhǎng)度為0.8m，安裝緊湊，吸附器內(nèi)部剩余空間小，使熱風(fēng)脫附時(shí)溫度、有機(jī)溶劑濃度都能快速提升。

 

　　2.5冷凝回收工藝設(shè)計(jì)

 

　　為達(dá)到較高的冷凝回收率，除提升脫附氣體濃縮比外，應(yīng)選取較低的冷凝溫度，以降低有機(jī)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(yùn)行成本，本設(shè)計(jì)冷凝工藝選用風(fēng)冷機(jī)組。

 

　　2.6成本及效益分析

 

　　2.6.1運(yùn)行成本及經(jīng)濟(jì)效益

 

　　本工藝用電負(fù)荷及每年的電費(fèi)如表2所示。除電費(fèi)以外，消耗蒸汽費(fèi)0.6萬(wàn)元/a，工人工資福利費(fèi)4.8萬(wàn)元/a，活性炭約10萬(wàn)元/a，設(shè)備維修費(fèi)約5萬(wàn)元/a，合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用為51.7萬(wàn)元。同時(shí)，根據(jù)測(cè)算，每年可回收有機(jī)溶劑約200t，按照每噸0.6萬(wàn)元計(jì)算，則每年可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為120萬(wàn)元，扣除運(yùn)行費(fèi)，每年可凈回收經(jīng)濟(jì)效益68.3萬(wàn)元。因此，該有機(jī)廢氣組合處理工藝不僅極大程度地消除了印刷廠VOCs帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了資源的回收利用，取得了間接的經(jīng)濟(jì)效益。

 

　　2.6.2環(huán)境效益與社會(huì)效益

 

　　本工程除了有機(jī)溶劑回收所產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)效益以外，其效益主要體現(xiàn)在社會(huì)效益和環(huán)境效益。一方面，有機(jī)廢氣處理設(shè)備系統(tǒng)的建設(shè)，可以有效解決油墨印刷機(jī)日常運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的有機(jī)廢氣污染問(wèn)題，確保處理后的尾氣排放滿足環(huán)保部門對(duì)有機(jī)廢氣排放的要求;另一方面，處理后排放的氣體質(zhì)量的提高和環(huán)境的改善，有利于提高工廠及工廠周邊環(huán)境的環(huán)境質(zhì)量，有利于保障職工及周邊居民的身心健康。

 

　　3結(jié)論與展望

 

　　在對(duì)包裝印刷業(yè)VOCs的控制上，溶劑回收和重復(fù)利用已經(jīng)得到了越來(lái)越多人的共識(shí)。單一的VOCs回收處理技術(shù)由于其本身適用條件的限制往往無(wú)法達(dá)到VOCs的控制要求，而本文提出的“蜂窩吸附-熱風(fēng)脫附-冷凝回收”處理印刷廠有機(jī)廢氣的工藝路線，流程簡(jiǎn)單，操作方便，即能滿足印刷廠有機(jī)廢氣的達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣的二次回收利用，兼具良好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。在我國(guó)包裝印刷業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，VOCs污染防治將是一項(xiàng)持久艱巨的任務(wù)。未來(lái)的包裝印刷業(yè)VOCs處理應(yīng)一方面加快對(duì)新興處理工藝的基礎(chǔ)研究，以期盡快得到工業(yè)應(yīng)用，另外，更要加快對(duì)VOCs組合處理工藝的技術(shù)開發(fā)，以同時(shí)滿足高處理效率和低經(jīng)濟(jì)成本的處理要求。