印刷机械VOCs废气的净化工艺

王佳琪，鲁楠，韩雪，蔡吉飞

（北京印刷学院，北京 102600）

印刷机械VOCs废气的净化工艺

王佳琪，鲁楠，韩雪，蔡吉飞

（北京印刷学院，北京 102600）

挥发性有机化合物（VOCs）是一种带有刺激性气味，致畸、致癌、致突变作用、易燃易爆并且对人体健康和生态系统有很大破坏力的有机物。VOCs的主要来源有三种：工业固定源、汽车尾气排放源以及日常生活源，目前针对这三种不同的排放源，我国提出了相应的治理和控制方法。本文针对工业固定源中的印刷机VOCs排放提出了一种处理其排放的挥发性有机化合物的工艺流程；阐述了该流程的工作原理及实施方法；对比了国内外处理VOCs的政策；证明了该工艺流程比现有的处理方案更加经济、环保。

挥发性有机化合物；印刷机；纳米分子筛；催化燃烧

1 背景

挥发性有机化合物通常指在常温常压下具有高蒸气压、易挥发的有机化学物质[1]。一般具有较强的刺激性和毒性，绝大多数具有恶臭、易燃易爆等特性，因此在生产和运输过程中存在很大的安全隐患。VOCs的来源有主要有工业、汽车尾气以及日常生活。其中，工业固定源是VOCs的主要排放源。涉及到的工业行业众多，例如石油化工、轮胎制造、医药、食品、日用品等产生VOCs的生产行业，以及包装印刷、机械制造、电子产品制造等以VOCs产品为原料的工业行业。本文主要针对包装印刷行业中的VOCs处理，提出了一种工艺流程。

2 VOCs的处理工艺流程

印刷过程产生的有机废气主要包括：油墨烘干过程中产生的有机溶剂尾气和印刷单元周围溶剂型油墨自然挥发的废气。印刷包装行业产生的VOCs排放特征见表1。

目前应用在此项工艺上最广泛的技术包括活性炭吸附脱附、沸石转轮浓缩后裂解、焚烧炉直接裂解、紫外光催化氧化等方法[2]。但这些方法各有缺陷，如活性炭不耐湿度不耐高温(只能低于120℃脱附)，老化极快，每年产生大量固废[3]；市面上的沸石转轮不耐高温，脱附后有残留，且需要一直耗能加热脱附VOCs；焚烧炉直接处理低浓度大风量VOCs废气会消耗大量天然气；紫外光催化和等离子体的处理效率都较低（约50%）等[4][5]。鉴于此，为了提高净化效率、降低能耗、节约成本，结合蜂窝状活性炭吸附，催化裂解燃烧、负压集气抽风、二次吸附、风机脱附等工艺方法，开发了纳米分子筛材料与催化裂解燃烧相结合的工艺流程，适用于印刷行业产生的大风量、低浓度有机废气处理。其工艺流程见图1。

整套装置由VOCs废气收集装置、吸附装置、催化燃烧装置、风机以及阀门等部分组成。VOCs废气通过收集装置进入净化系统后，首先通过纳米分子筛为核心的吸附装置进行吸附；当吸附饱和后，触发吸附风机开始工作，将吸附装置中浓缩的VOCs气体引入催化燃烧装置中，当有机废气被氧化成二氧化碳气体和水蒸汽时的浓度超过2000×10-6m3，此时浓缩过后的VOCs气体足够维持自燃烧，通过燃烧所释放的热量可以达到燃烧所需要的温度[1]，燃烧后的热废气可以提供脱附再生时所需要的温度和热量，达到了节能环保，废物再利用的效果；经过燃烧后，触发排放风机作用，将低浓度有机废气引入排废装置中，排废装置一方面可以直接将有机废气排入大气，另一方面可以引回吸附装置中，将未处理干净的有机废气进行再次吸附。

2.1 流程物料循环

整个工艺流程由PLC进行控制，交替实现吸附、脱附、催化燃烧等过程。该工艺流程包括以下物料循环：

1)印刷产生的VOCs气体经废气收集装置进入过滤器，经过过滤后的VOCs气体进入吸附装置，随后将吸附过后的纯净气体由排放风机引入排废装置后排入大气；

2)吸附有VOCs有机废气的纳米分子筛通过脱附风机作用，将有机废气浓缩后送入催化燃烧装置中进行燃烧处理，将有机物氧化成二氧化碳气体和水蒸气，保证了该流程净化气体的可靠性。

2.2 纳米分子筛吸附工艺

图1 VOCs废气纳米分子筛吸附-催化燃烧-脱附联用工艺流程

表1 包装印刷行业VOCs排放特征[1,14-19]

吸附装置的核心部件为许多层不同孔径大小的纳米分子筛，由于VOCs气体中的成分大小不一，如果单一的使用蜂窝状活性炭吸附会致使其余不同孔径的有机废气不能得以有效吸附，大大降低了净化效率，如果采用不同孔径大小的纳米分子筛可以有效地防止这一现象的发生，此外还增大了吸附面积，设置的多层结构可以增加吸附容量，延长吸附饱和期，节省了清理吸附装置的人力物力。分子筛的堆叠次序为：以进气口开始，大孔径分子筛在前，小孔径分子筛在后。经过吸附过后的有机废气如果达到了排放标准即可进行排放。当吸附饱和进行脱附时，离心风机先由小孔径分子筛到大孔径分子筛，逐步将分子筛上的有机废气进行浓缩，随后将浓缩过后的气体送入催化装置中。由于脱附过程极大地清理了分子筛，所以延长了吸附装置的使用寿命。

3 设备配置

采用纳米分子筛吸附-催化燃烧装置联合使用的有机废气净化装置的关键是吸附装置和催化燃烧装置。在装置两端都设有检测装置，以保证吸附、脱附与催化燃烧的交替运行。根据工艺要求，收集装置的集气罩内废气的浓度和温度不能过高，以免在管道内发生粘结。废气浓度不得超过有机气体爆炸下限浓度的25%。采用镀锌钢板圆形风管，连接收集装置、风机和净化联用装置[6]。

3.1 吸附装置

吸附装置由左腔室、右腔室和纳米分子筛组成，其结构如图2所示。

图2 吸附装置

吸附装置左侧连接收集装置，右侧连接排放装置和脱附装置。左腔室和右腔室分别装有两扇门以便及时清理沸石分子筛上残留的杂质。有机废气的流动方向从左腔室经过许多层不同孔径大小的分子筛到右腔室。吸附过后的有机废气达到排放标准后从右腔室经排放装置排入大气。当吸附饱和后开始进行脱附，脱附时的风向从右腔室到左腔室，有机废气在左腔室被浓缩后经检测达到足以维持自燃烧时送入催化燃烧装置。该吸附装置不仅增加了吸附面积，也延长了吸附-脱附周期，同时也避免了蜂窝状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 催化燃烧装置

催化燃烧装置由外壳、内腔以及两者间的混凝土填充物、24KW电加热棒和二次吸附装置组成，其结构如图3所示。

图3 催化燃烧装置

该催化燃烧装置将一定浓度的有机废气燃烧氧化成二氧化碳气体和水蒸汽，中间布有二次吸附装置，可以将没有彻底燃烧的有机废气进行二次吸附，其结构和组织与吸附装置中的纳米分子筛一致，保证了废气处理的净化度。由于浓度较高，有机废气基本可以维持自燃烧，所以该催化燃烧装置较为节省能源，无二次污染。利用燃烧产生的余热还可以对吸附装置进行脱附再生，达到了节能减排的目的。

3.3 辅助设备

为了维持燃烧，通常在吸附装置和催化燃烧装置间连接一个补新风阀。进、排风管道上设有三通阀，以便在吸附装置出现问题时放空使用。控制柜外部信号通过安全栅连接，系统接地，保证设备能够安全运转。

3.4 控制系统

整套设备采用PLC为核心的自动化控制系统，可靠性高，安全性好。管道中的检测装置与传感器能够实时监测设备内的运转情况，对吸附装置的饱和状态、气体净化程度、催化燃烧装置的燃烧状态以及管道内气体的温度实现监测与控制。操控者可以随时了解设备的运行状态。

4 结论

纳米分子筛吸附-催化燃烧装置联用的工艺流程结合了纳米分子筛、脱附装置、催化燃烧装置实现了净化效率高，无二次污染等节能环保的目标。吸附装置吸附面积大、效率高、使用周期长，省去了部分人工更换的劳力。可根据不同的使用情况进行配置，灵活性大；催化燃烧装置可以维持有机废气的自燃烧，降低了燃烧所需的外部热量，并且可以进行二次吸附，提高了净化的效率。所以，整套设备在运行过程中实现了节能减排、绿色环保以及降低成本等的发展理念，有利于推进我国建设环境友好型社会的进程。

[1] 王海林,张国宁,聂磊,王宇飞,郝郑平. 我国工业VOCs减排控制与管理对策研究[J]. 环境科学, 2011, (12):3462-3468.

[2] 王铁宇，李奇锋，吕永龙. 我国VOCs的排放特征及控制对策研究[J]. 环境科学, 2013, (12):4756-4763.

[3] 李婕，羌宁. 挥发性有机物(VOC_S)活性炭吸附回收技术综述[J]. 四川环境，2007，(06)：101-105+111.

[4] 郭海侠. 工业有机废气治理措施前后VOCs成份特征变化的实测研究[D].华南理工大学，2013.

[5] 高宗江,李成,郑君瑜,郭海侠. 工业源VOCs治理技术效果实测评估[J]. 环境科学研究, 2015, (06):994-1000.

[6] 苏建华,罗卫平,王筱虹,刘晖. 活性炭纤维净化印刷过程产生的VOCs废气[J]. 环境污染治理技术与设备, 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

科技创新服务能力建设-提升计划项目-折叠纸盒的可变信息编码与质量检测系统产业化（市级）（TJSHG201510015011）

王佳琪（1994-），女，山西人，北京印刷学院在读硕士研究生，研究方向机械数字化设计技术，邮箱：979465013@qq.com。