包装印刷有机废气处理技术探究

 

　　引言

 

　　改革开放以来，我国包装印刷业随着经济的增长迅速崛起，中国逐渐成为继美国、日本、欧盟之后的第四大印刷市场。包装印刷厂的主要产品为各种印刷制品，在生产过程中大量使用彩色油墨和有机溶剂，油墨所用溶剂主要包括甲苯、二甲苯、丁酮、异丙醇、正丁酯、乙酸乙酯等低沸点挥发性有机物。据统计，有机溶剂通常占到了油墨总量的70%～80%，而在印刷产品干燥的过程中，这部分有机溶剂会挥发到大气中，产生大量的有机废气(VolatileOrganicCompounds，简称VOCs)。因此，包装印刷成为我国VOCs的主要排放源之一。

 

　　VOCs通常是指在常压下沸点低于260℃或标准状况下饱和蒸气压大于0.13kPa的有机化合物，这类物质种类繁多，多数具有毒性，且大多数VOCs都具有回收价值。因此，VOCs的大量排放不仅会对环境卫生和人体健康带来极大威胁，还会造成严重的资源浪费及经济损失。长期以来，我国废气治理的重点主要放在除尘、脱硫、脱硝上，VOCs治理技术发展缓慢。“十二五”规划以来，国家对VOCs的治理日益重视，并明确指出“推进精细化工业有机废气污染治理，加强有机废气回收利用”。因此，如何减少包装印刷业VOCs的排放，同时有效回收这部分有机溶剂，最终实现经济效益和环境效益的双赢，已经成为包装印刷业的一项重要任务。

 

　　1包装印刷业VOCs控制技术概述

 

　　目前，我国包装印刷行业现有的VOCs控制术大体可分为两大类:一类是消除法，即通过破坏性的化学或生物反应，将挥发性有机物转化为水和二氧化碳，主要包括燃烧法、生物法等，还包括一些新型的控制技术，如光催化法;另一类是回收法，即在一定温度、压力下，通过一定技术来分离回收挥发性有机物，主要包括吸附法、吸收法、冷凝法等。

 

　　1.1消除法

 

　　燃烧法是目前应用比较广泛的有机废气治理方法，主要包括直接燃烧法和催化燃烧法。直接燃烧是将VOCs当作燃料，通过热反应，将其转变为水和二氧化碳，去除效率可达95%以上。催化燃烧法是在催化剂的作用下，使有机废气中的碳氢化合物在温度较低的条件下迅速氧化成水和二氧化碳。燃烧法主要适用于成分复杂、高浓度的VOCs气体，具有效率高、处理彻底等优点。但若废气含有Cl、S、N等元素，采用燃烧法会产生HCl、SOx、NOx等有害气体，造成二次污染。

 

　　生物法是利用微生物的新陈代谢对VOCs进行生物降解的过程，主要适合于低浓度、大气量且宜生物降解的有机废气治理。生物法处理有机废气具有设备简单、运行费用低、操作简便、净化效率高、不产生二次污染物等优点。但生物法对有机废气的进气浓度和性质要求较高，同时对生物菌落和填料也提出了较高的要求，因此目前还未得到大量应用。

 

　　光催化是指利用光催化剂(如TiO2)氧化分解吸附在催化剂表面的VOCs物质。合适的光催化剂能够在常温下将VOCs完全氧化成无毒无害的物质，无二次污染，适合处理高浓度、气量大、稳定性强的有机废气。目前，光催化法在处理废水上已经得到了一些应用，但是由于其存在反应速度慢、光子效率低等的缺点，在VOCs治理方面实例却不多。

 

　　1.2回收法

 

　　吸附法主要是利用固体吸附剂(如硅胶、分子筛、活性炭等)把排放废气中的有害组分吸附留在固体表面里，从而达到净化作用。吸附法常见于处理低浓度高通量的VOCs废气，优点是去除率高，净化彻底，能耗低，工艺成熟。不仅如此，吸附法若与其他处理方法联用，既可防止环境污染，又能回收有用的物质，具有很好的环境和经济效益。缺点是处理设备庞大，流程复杂，当废气中含有胶粒物质或其他杂质时，吸附剂易失效。在现有的吸附剂中，活性炭性能最好，应用最广，去除效率通常可达95%以上。

 

　　吸收法主要是采用低挥发或不挥发液体为吸收剂，利用有机废气能与其互溶的特点，来吸收废气中的有害物质。该方法适用于浓度较高、温度较低和压力较大情况下气相污染物的处理，具有技术成熟，设计及操作经验丰富，适用性强的优点。但对于有机废气，由于其水溶性一般不好，应用不太普遍。另外，该法对吸收剂和吸收设备的要求通常较高，而且吸收剂需要定期更换，过程较复杂，费用较高。

 

　　冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一物理性质，采用降低系统温度或提高系统压力的方法，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并从废气中分离出来的过程，具有设备和操作条件简单，回收物质的纯度较高的优点。在生产过程中，冷凝法常常与压缩、吸附、吸收等过程组合应用，来回收有机废气中有用的组分，从而实现资源的重复利用，降低运行成本。

 

　　上述两类方法中，回收法能够在污染控制的同时实现资源的循环利用，是一种更具有开发潜力的技术方法。然而，任何一种VOCs回收处理技术本身都各有利弊，使用条件也有较大差异。例如，吸附法处理低浓度VOCs效果虽好，但是对于高浓度废气的处理却可能存在热效应高、吸附剂堵塞或二次污染等问题;而冷凝法则更适宜于处理高浓度VOCs，对于低浓度废气的处理效果较差、设备成本较高。因此，为最大程度地实现低成本、高效率的VOCs处理目的，需开发废气处理的集成工艺，将不同的VOCs回收处理技术通过一定的方法组合起来，使之优势互补、各尽其用，以实现低成本和高成效的双赢。

 

　　2包装印刷业VOCs组合处理工艺实例

 

　　上海某油墨印刷厂采用“蜂窝吸附-热风脱附-冷冻回收”的组合工艺，对生产过程中产生的VOCs进行集中收集、集中处理、集中回收，取得了低本高效的处理效果。该工艺采用吸附截留有机溶剂气体、热风脱附解析溶剂气体的工艺将有机物分离浓缩出来加以冷凝回收，从而实现空气净化和废弃物循环利用的目的。下面以该工艺为实例对VOCs组合处理工艺进行分析探讨。

 

　　2.1废气状况及排放要求

 

　　该印刷厂有机废气排放现状及GB16297—1996《大气污染综合排放标准》中的二级排放标准(新建扩改项目)要求如表1。
 

 

　　2.2工艺选择

 

　　该VOCs组合工艺可分为3个控制阶段，即“吸附-脱附-回收”3个过程。

 

　　2.2.1吸附工艺

 

　　对于VOCs的吸附过程，活性炭吸附工艺已经较为成熟，其净化效率通常可达90%以上。此外，活性炭的总使用寿命一般可达4年以上，且使用成本很低，具有很大的优势。活性炭的形式主要有颗粒活性炭、蜂窝活性炭、纤维活性炭3种。颗粒活性炭阻力大，能耗高，而且脱附时间长;纤维活性炭具有吸附容量大，吸附与脱附速度快的突出特点，但其价格十分昂贵，设备投资很高;而蜂窝活性炭具有比表面积大，微孔发达，吸附容量高，使用寿命长等优点，被广泛应用于低浓度有机废气(1000mg/m3以内)的吸附工程。另外，由于蜂窝活性炭具有孔隙率高，不易堵塞的优点，特别适合于含有少量烟尘的有机废气处理。因此，本文所述工艺的吸附阶段选用蜂窝结构的活性炭，通过具有大表面的蜂窝对有机废气的接触吸附而起到对VOCs的净化作用。

 

　　2.2.2脱附工艺

 

　　有机溶剂的再生(脱附)主要有蒸汽再生与热风再生两种。热风再生工艺是近几年来发展起来的一种新型的活性炭再生工艺，它是利用热风将活性炭所吸附的有机污染物从活性炭内脱附出来，形成高浓度的有机废气(一般浓度可以达到10g/m3左右)，再通过冷冻机组将高浓度有机废气中沸点较高的有机物冷凝下来。然后，冷凝后的废气经过换热器和蒸汽加热器加热到130℃后再次进入吸附器内循环利用。这样，即达到再生蜂窝活性炭的目的，同时又将有机溶剂进行了有效地回收利用，一举两得。

 

　　2.2.3回收工艺

 

　　有机溶剂的回收是将经热风脱附得到高浓度的有机废气通过某种工艺手段，使得有机物从空气中分离出来加以回收利用。根据印刷厂油墨废气中有机溶剂的物理性质，该印刷厂采用冷凝回收技术，即通过将脱附的气体冷却到低于有机物的露点温度，从而使有机物冷凝成液滴后从气体中分离出来。本组合工艺将冷凝系统置于吸附阶段之外，即用即开，有效发挥了冷凝法处理高浓度VOCs稳定、高效的优势，又避免了纯冷凝技术引起的成本及操作费高的问题。

 

　　2.3工艺流程及说明

 

　　本工艺的具体工艺流程如图1所示。为了进行连续操作，设计了两个峰窝活性炭吸附床，其中一个执行吸附功能时，另一个则进行脱附再生，两台吸附器通过切换阀门自动转换功能。其工作过程为:首先，集中有机废气送往其中一台活性炭吸附器1，在常温下进行吸附净化，废气中的有机污染物被活性炭吸附截留，洁净气体由吸附风机2排放到大气中去。当活性炭吸附器吸附饱和后，进入热风脱附再生阶段。同时，通过切换阀门将有机废气切换到另外一个活性炭吸附器内继续进行吸附。
 

 

　　在脱附阶段，有机废气经过板式换热器3和蒸发器4，由脱附风机5送入到蒸汽加热器6，由蒸汽间接加热到脱附所需温度130℃(即所谓“热风”)，热风进入活性炭吸附器内加热活性炭，活性炭被加热到一定温度时，吸附在活性炭内的有机污染物从活性炭内脱离出来并形成高浓度有机废气。脱附出来的高温高浓度有机废气(热风)与冷冻后的有机废气(冷风)在板式换热器3内进行热交换，“热风”温度从130℃降到30℃左右，而“冷风”则由-30℃左右升温到70℃左右，30℃左右的“热风”再进入蒸发器4内冷却降温到-30℃左右，此时，废气中的有机溶剂逐步冷凝形成液滴排出回收，高浓度有机废气中的有机物浓度也随之下降。此外，该股“冷风”再经过换热器，与“热风”进行热交换，充分循环利用“热风”的能源，同时“热风”降温也充分利用了“冷风”的冷源。升温到70℃左右的“冷风”再由脱附风机5送入蒸汽加热器6，由蒸汽间接加热升温至130℃左右(热风)，进入吸附器1脱附再生，完成了整个循环。

 

　　当脱附再生完毕后，活性炭吸附器的吸附活性得以恢复，重新进入有机废气的吸附工作。在实际运行过程中蒸汽加热器6和冷冻系统只是在脱附启动阶段时需要全负荷使用，当活性炭加热到设定的温度后，由于设置了板式换热器，蒸汽加热器和冷冻系统均不需要全负荷运行。这样就可以达到能源充分利用，尽可能降低活性炭脱附再生的成本。蒸汽加热器和冷冻系统的开启与关闭均是根据自动温控系统自动控制。

 

　　2.4吸附器的设计

 

　　为获得理想的吸附和脱附效率，设计要求吸附器内升温速度快，空气残余量小，脱附循环气体浓度提升快。根据废气排放状况，设计每台吸附器蜂窝活性炭充装量为7.2m3，为了减少有机废气通过的阻力，通过长度为0.8m，安装紧凑，吸附器内部剩余空间小，使热风脱附时温度、有机溶剂浓度都能快速提升。

 

　　2.5冷凝回收工艺设计

 

　　为达到较高的冷凝回收率，除提升脱附气体浓缩比外，应选取较低的冷凝温度，以降低有机溶剂饱和蒸汽分压，提高回收率。本工艺控制冷凝温度-25～-30℃，可回收混合溶剂≥90%。为减少工程投资、减少占地面积、降低运行成本，本设计冷凝工艺选用风冷机组。

 

　　2.6成本及效益分析

 

　　2.6.1运行成本及经济效益

 

　　本工艺用电负荷及每年的电费如表2所示。除电费以外，消耗蒸汽费0.6万元/a，工人工资福利费4.8万元/a，活性炭约10万元/a，设备维修费约5万元/a，合计运行费用为51.7万元。同时，根据测算，每年可回收有机溶剂约200t，按照每吨0.6万元计算，则每年可产生的直接经济效益为120万元，扣除运行费，每年可净回收经济效益68.3万元。因此，该有机废气组合处理工艺不仅极大程度地消除了印刷厂VOCs带来的环境污染问题，并且实现了资源的回收利用，取得了间接的经济效益。

 

　　2.6.2环境效益与社会效益

 

　　本工程除了有机溶剂回收所产生的间接经济效益以外，其效益主要体现在社会效益和环境效益。一方面，有机废气处理设备系统的建设，可以有效解决油墨印刷机日常运行过程中所产生的有机废气污染问题，确保处理后的尾气排放满足环保部门对有机废气排放的要求;另一方面，处理后排放的气体质量的提高和环境的改善，有利于提高工厂及工厂周边环境的环境质量，有利于保障职工及周边居民的身心健康。

 

　　3结论与展望

 

　　在对包装印刷业VOCs的控制上，溶剂回收和重复利用已经得到了越来越多人的共识。单一的VOCs回收处理技术由于其本身适用条件的限制往往无法达到VOCs的控制要求，而本文提出的“蜂窝吸附-热风脱附-冷凝回收”处理印刷厂有机废气的工艺路线，流程简单，操作方便，即能满足印刷厂有机废气的达标排放，同时还能实现有机废气的二次回收利用，兼具良好的环境效益与经济效益。在我国包装印刷业蓬勃发展的背景下，VOCs污染防治将是一项持久艰巨的任务。未来的包装印刷业VOCs处理应一方面加快对新兴处理工艺的基础研究，以期尽快得到工业应用，另外，更要加快对VOCs组合处理工艺的技术开发，以同时满足高处理效率和低经济成本的处理要求。