基于印刷设备的VOCs集气效率分析与研究

路文龙，蔡吉飞

基于印刷设备的VOCs集气效率分析与研究

路文龙，蔡吉飞

（北京印刷学院，北京 102627）

为了缩小印刷设备VOCs集气空间，提高VOCs集气效率，节约企业排废成本。以实验室现有四开双色印刷机为基础建立印刷机的三维模型，利用印刷滚筒等回转部件、墙板之间连接梁等固定连接件，以及两侧墙板上空白地方增加墙板孔作为吸气源头，将机器前后护罩的密封措施加以改进，与两侧墙板之间形成完全密封状态，使VOCs的集气空间完全限制在机器内部。可将此机器的VOCs的集气空间由原来机器上方加罩方式下的18 m3集气空间，限制在2 m3以内，至少可减少无用集气量85%。再扣除机器内部零部件所占用的空间，无用集气空间还可进一步减少。若用该集气技术对印刷机等类似包装印刷设备进行技术改造，则为此所配置的VOCs处理设备功率可大幅度下降。

印刷机；VOCs集气装置；VOCs集气空间

随着国家对各行各业中挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的管控越来越严格，大部分的企业都需要安装VOCs处理装置。目前VOCs处理的成本较高，很多中小型企业（如印刷企业等）都难以承受，部分企业因VOCs治理未达标不得不关门停产。要达到人人参与、全面治理VOCs，目前最有效的办法就是降低VOCs设备的制造和使用成本。

国内外包装印刷行业控制VOCs的方法主要有3个，分别是源头控制、生产过程控制和后处理[1]。源头控制主要指调整油墨等原辅材料，减少有机溶剂的使用，从而从源头上减少VOCs的释放，目前国内在塑料凹印水性墨研究和应用上已经有突破性进展。生产过程控制指通过安装VOCs收集装置收集生产过程中排放的含VOCs的气体，生产过程控制最难的是如何防止或减少无组织排放。后处理是指将收集到的含VOCs的气体无害化处理并排出，这部分是VOCS处理技术的核心，直接关系到排放指标是否达标。

VOCs处理装置主要有3个部分：集气部分、处理部分和排放部分。集气部分是根据生产设备空间所决定的，目前的集气装置大多数是直接安装在机器上面或车间顶棚上，对全车间进行VOCs集气。车间空间越大，所需的功耗就越大。处理部分是技术含量最高的部分，目前有活性炭、光氧化和RTO几种模 式[2-3]，安装成本最低的是第1种，最高的是最后一种。排放部分成本基本上是固定的，现在很多地方的VOCs排放要求一是高度要达到10～15 m以上，二是要加装时时检测装置[4]。新的标准中还对VOCs排气速度提出要求，速度越高，需要的集气动力就越大，成本也随之升高。

降低VOCs成本的其中一条途径是降低后处理的制造成本。就活性炭、光氧化和RTO几种处理方式[5]来说，成本最低的是第1种，但其维护成本很高。第2种是光氧化，其制造成本相对高一些，需要加装很多电气控制系统。第3种RTO的机械和电气成本都相当高，但最大的优点是维护成本比较低。当然也有这几种原理组合式的VOCs处理系统。关于VOCs处理部分的相关技术，国内外已经研究多年了，很多技术已经相当成熟了[6-8]，有些VOCs处理装置已经形成了模块化、专业化生产方式，降低制造成本的空间已经很小了[9-11]。

关于VOCs排气部分的成本也基本上是固定的。活性炭基本上是按公斤收费，光氧化和RTO都是直接排到大气里面，但要在出风口加装检测装置，并与国家或地方相关环保部门检测机构联网。这个检测和通信费用也是相对固定的，引出VOCs排放部分的成本相对来说是固定不变的。除了上面这些成本外，VOCs处理装置还有部分日常维护成本。更换的原材料越频繁，处理系统越复杂，维护的成本就越高。

通过减少其集气空间来降低VOCs整体处理的成本就变得非常有效。VOCs处理推广困难的原因主要是成本问题。造成现有VOCs处理成本过高的主要原因正是VOCs处理装置的集气效率过低、设备选型过大，导致VOCs设备的制造和使用成本过高。从VOCs生产商的角度，他们所做的只能是改进VOCs的内部处理技术，降低成本。由于VOCs处理装置已经过多年研究，是一个非常成熟的系统，要降低VOCs的制造和使用成本是很困难的，因此要降低VOCs的相关成本最有效的办法就是选用小型VOCs处理装置。VOCs装置大小是根据集气 空间所决定的，因此最直接的办法就是减小集气空间，从而实现小VOCs装置能够满足大工厂的使用要求。

文中主要研究如何提高VOCs处理装置的集气效率，就是要通过将VOCs集气装置与用户使用的生产设备进行集成设计，以最小的集气空间、最低的VOCs设备制造成本，解决VOCs的集气问题，从而减少用户的VOCs设备的制造和使用成本，最终的目的是让家家企业都用得起VOCs处理装置，达到全社会共同参与VOCs治理的根本目的。

1 集气原理设计分析

部分企业直接在车间上方加装集气装置收集VOCs气体[12]，如图1所示，但集气效率和集气成本过高。很多企业为了降低集气成本，用专用的立体形罩子只将机器罩起来，见图2，这样做的优点是将机器产生的VOCs控制在一个小房间内，从而大幅度减少了集气空间，使VOCs的功耗大幅度下降。缺点是内外物流很不方便，很多原材料和半成品随时需要进行内外交换，变相增加了人工成本。同时如果保护不到位，高剂量VOCs对机器操作人员的伤害也比较大。另外一种办法就是在机器上面加装集气罩[13-14]，见图3。集气罩所覆盖的空间与集气罩的高度成正比，因此现场都是尽可能降低机器罩的高度。机器罩的高度如果过低，可能因收集面过小，导致VOCS无组织排放；可能给机器上面的操作带来很多不便；每台机器上面都加装了多个集气罩，占用了很大空间，给其他管线安装带来极大障碍，同时也影响车间美观。有些印刷厂为了降低VOCS处理装置能耗，在集气口安装了LEL等装置对VOCs的含量进行检测[15-17]，根据VOCs的浓度控制VOCs集气功率。对于短版印刷生产的企业，这种方法可以大幅度降低VOCs的功耗，但对长版来说，VOCs集气装置必须24 h工作，这种方法基本无效。

图1 车间上方加装收集装置

图2 加装立体罩子收集VOCs

图3 机器上方加装集气罩收集VOCs

VOCs处理推广困难的原因主要是成本问题。以印刷厂为例，一台四色印刷机的占地空间为10（长）m× 5（宽）m×3（高）m=150 m3；考虑到整个机器的操作空间，至少为14×9×5=630 m3；再考虑到半成品等其他配套生产空间，整个车间空间至少还应再增加3倍，接近2 000 m3；机器上每色组体积（即可能产生VOCs的体积空间）为1×0.5×1=0.5 m3，4个色组为2 m3。采用全车间集气方法，整个工厂全部安装VOCs集气装置，这种集气方法效率极其低下，无效功耗为99.9%，99%以上属于无用集气，造成巨大能源浪费。采用机器全封闭集气方法，集气空间等于箱体的体积，封闭罩的无效功耗为99.68%，至少90%属于无用集气。采用机器上面加装集气罩的方法，这个效率相对前2种效果好一些，但最大问题是VOCS无组织排放。一般来说，集气罩至少要与印刷机顶部保持1 m的距离。由于集气罩的形状多为四边形吸入口或者圆形吸入口，所形成的吸风区域可近似为四棱台或圆台，见图3。以此机器为例，通过计算四棱台的体积为18 m3（四棱台的底边长为3 m、上边长为2 m，高为3 m），四棱台内部机器体积为2 m3，则无效功耗为88.89%，也就是至少85%属于无用集气。如果考虑集气罩吸气时，周边的空气也会随同四棱台内的气体一起进入集气管道，则集气罩的无用集气效率还要大于这个值。

从这些数据分析可以看出，无论现在使用的哪一种集气方式，VOCs的集气效率都明显过低。实际上每色组上内部还有很多零部件，其产生VOCs的空间比上面所说的0.5 m3还要小得多，最多不超过0.1 m3，因此文中研究每色组内部的0.1 m3废气的集气方法，如果能用仅可集气0.1 m3的集气装置直接集气这0.1 m3的废气，则无效功耗可降为0%。

为达到“用仅可集气0.1 m3的集气装置直接集气这0.1 m3的废气，则无效功耗可降为0%”的目的，必须从机体内部进行吸风集气，若从外部进行集气，则必会产生机体与机体外集气装置之间的无用集气区域。对印刷设备来说，在保证良好密封性能的条件下，可以充分利用其内部结构达到从内部集气的目的，此时就需要对印刷设备本身结构进行改进设计。具体思路是利用印刷设备内部可能利用的动态与静态部件作为吸风口，通过两侧墙板或其他部位将气流引出，然后集中到机器底座上面的汇流排，最后与VOCs处理装置的集气管道相连接。印刷机上的运动部件有滚筒、水墨辊等相关机构，静止的部件有墙板和拉梁等。除此之外要保证集气空间最小，还必须把印刷机组前后和上面的护罩密封系统进行改进，使VOCs被严格控制在一个极小的区域内，不形成无组织排放。

在设计过程中还要考虑的一个问题是设备操作对VOCs集气的影响。印刷机组的前后和上面的护罩因操作原因需要经常打开和关闭，如果不加处理就会造成VOCs无组织排放。解决这个问题的办法就是在打开这些护罩之前，立即升高集气功率，确保护罩打开之后印刷机组周围立即形成负压空间，从而使VOCs等有害气体不会向印刷机机外的其他外部空间流动。当罩子关闭的时候，VOCs的集气功率再恢复到常态。

1.1 滚筒等回转部件的集气原理分析

印刷设备上的运动部件主要是印刷滚筒（印版滚筒、橡皮滚筒和压印滚筒）、水辊和墨辊等。要使这些零部件部分能够满足作为吸气源头要求，需要根据其结构特点制定不同的改进方案。

1）印刷滚筒。对橡皮滚筒、压印滚筒、印版滚筒3个部件来说，由于输纸方式限制，单张纸胶印机的滚筒表面不能完全利用，见图4。通常将滚筒表面沿圆周方向分为空档部分和工作部分，空档部分用来安装某些机构（如咬纸机构、夹版机构和锁橡皮机构等）。由于滚筒表面凹下去的部分不参与印刷过程，所以可以利用这部分位置径向打孔作为吸风口，然后利用滚筒轴线处所打孔作为轴向递气流的通道，从而可将机器中间的部分VOCs直接吸到外面。

1.滚筒轴头；2.滚筒肩铁；3.滚筒筒身；4.滚筒截面；5.滚筒缺口。

2）水墨辊。对印刷机内部的水辊和墨辊而言，部分水墨辊安装在墙板内侧，轴端与墙板外侧没有联系通道，因而无法使用。还有一部分水墨辊就是串水辊和串墨辊，它们两侧是与墙板外侧样联系的，见图5，因而可通过其墙板内侧部分靠近工作面附近的轴肩上径向打孔作为吸气孔，然后再用轴心作为传递气流通道，将VOCs传到墙板外侧。要将这些运动部件的气流传递出来，必须在这些运动部件的轴头上安装旋转接头。这种接头的特点是内部转子随回转构件转动，外部定子可固定在外侧墙板上。对于串动部件，气动滑环的外部固定不能限制其轴向移动，只能限制其转动，这是设计时要特别注意的。水墨辊的串动量一般为20 mm左右，印版滚筒允许的串动量一般为3 mm左右。

图5 串墨辊和串水辊

1.2 拉梁等连接杆的集气原理分析

为提高机器整体的刚性，一般在两侧墙板之间都安装多根拉梁，见图6。现在这些拉梁都是实心的，只起到固定作用。如果将其改成空间的圆管或矩形方管，则可像滚筒一样，在中间径向打孔，作为VOCs的集气口。这些拉梁的最大优点是结构简单，外面连接时也不需要气动滑环，因而改造成本最低。由于其中心变成空心后，其刚度会随截面积的减少成比例下降，因此在设计时要适当增加这些部件的截面积。当其截面积增大时，可能会对周边部件的布局产生一定影响，设计时要统筹考虑。

图6 印刷机拉梁

1.3 墙板部位的集气原理分析

印刷机墙板内部通常安装了很多零部件，如水墨辊摆架、推动墨辊摆动的气缸、水墨辊压力调整机构等。除了这些部件，能用的空间就不多了，见图7。尽管如此，这些少许的空白空间还是可以利用起来，在这些部位打孔，从墙板外侧向内侧安装吸气接头，将内部的VOCs通过墙板孔向外吸出。一般印刷机的墙板都是经过严格理论设计的，如果开孔，一定要考虑对周边零部件和自身刚度、强度的影响，因此在原有的机器上进行墙板打孔原则上是不行的。在新设计的机器上，将开孔对墙板刚度和强度的影响一并考虑进去，重新设计墙板的相关结构，保证墙板原来的力学性能不受影响，这种结构才是切实可行的。

图7 印刷墙板上的空白空间

1.4 护罩的密封原理分析

护罩与墙板之间形成密封是确保VOCs气体不向外泄漏的关键所在。由于这些护罩在操作时还需要打开，为防止VOCs气体无组织排放，必须使机器内部形成一定的负压空间。良好的密封性可以减轻负压空间形成所需的吸风功率，从而降低吸风设备所需能耗。

1）密封护罩设计。对机体保护罩来说，两侧的墙板已起到左右侧密封作用。不过墙板上的工艺孔等也会形成一定的VOCs泄漏。如果这些工艺孔可以改成吸风口，则直接外接气管即可；如果不允许再改成集气口，则要应尽可能封死。除非特别需要外，对于一些维修用的工艺孔，可采用活动密封装置。需要的时候打开，不需要的时候封上。除了墙板可以作为两侧的护罩外，关键要重新设计前后和上面护罩。目前机器上护罩与两侧墙板之间的空隙都较大，另外在护罩上面还开有长条孔，可起到散热的作用。如果从VOCs集气的角度看，这些空隙都需要封死或者几乎达到不漏气的地步。不过这些护罩由于经常需要打开或关闭，因而其转动部位最容易形成新的泄漏，所以转动部位要考虑柔性密封措施。

2）补充气流设计。由于VOCs集气装置不断向外吸气，内部还需要不断地补充气体，但同时还要防止灰尘等杂质进入水墨路里面或到滚筒表面上，因此除了有气流补充通道外，还要加装过滤装置。一般情况下，如果气流向上流动，那么补充的气流就从下面进入，这时就需要在下面适当部位安装过滤装置。另外还可通过控制集气功率来防止灰尘从下面向上面流动。

1.5 集气效率计算分析

假定印刷色组部分实现了完全封闭，则可根据封闭空间的容积减去滚筒、水墨辊、拉梁等零部件体积，得到VOCs所在的空间体积，此数据可以作为VOCs设备造型的依据。事实上这部分空间里面还有一些属于无效空间，可以进一步压缩。如在不影响操作的情况下，再增加一些固定的可移动的横梁等，从而既能起到压缩无效空间，又能起到增加吸气通道的作用。通过这些改进设计，VOCs的集气容积逐步向零靠近，集气效率接近100%。

1.6 小结

VOCs集气效率提高主要是减少无效空间，因而压缩无效空间是印刷色组绿色设计要考虑的第一要素，因此要尽可能将机器护罩贴近机器的零部件表面，同时尽可能多地增加吸气口，从而使产生的VOCs能够顺利地进入VOCs收集通道，然后再将这些通道汇集到主通道上，最后将其与VOCs集气通道相连。鉴于设计时要考虑到VOCs集气要求，印刷色组内部的一些对原有构件可能要重新设计或它们的安装位置要重新调整，这些因素要在整体设计时一并考虑。

2 集气装置结构设计分析

鉴于印刷色组设计时要考虑到VOCs的集气问题，因而很多零部件的结构、位置等都要重新设计。新设计的印刷色组既能够满足正常的印刷操作要求，同时又能够满足VOCs的集气效率要求。

2.1 滚筒等回转部件的结构设计分析

2）串墨辊的结构改进设计。如图9所示，在串墨辊现端靠近工作面部分附近拓径向打孔。由于此处打孔可能对串墨辊的刚度和强度造成较大的影响，因此建议孔打得要尽可能小一些。除非必要，此处的孔也可以不打或者只打一个即可。轴向的孔也要适当控制，否则会影响到串墨辊轴承所占用的墙板空间，给墙板设计带来较大的困难。

2.2 拉梁等连接杆的结构设计分析

拉梁的结构及改进方式见图10，其改进设计相对比较方便。拉梁上面的集气孔可根据需要横向排列，孔的大小也可根据需要而定。由于拉梁对墙板结构稳定性起到重要作用，所以对其进行结构设计时要采用有限元分析，确保其上面不存在薄弱环节，具体操作时，可以根据内部通孔大小判断对其总体刚度产生的影响，拉梁周围相对空间较多，可采取加粗拉梁的方式保证其支撑强度不受影响。机器上的拉梁较多，有的是圆形的，有的是矩形的，有的可能还是其他形状的。不同的拉梁改进设计所考虑的因素也可能有所差别，这个是在设计时要注意的。由于拉梁固定不动，所以其与外部的气动接头设计也非常简单，两端面攻螺纹孔即可。

图8 印刷滚筒结构设计

图9 串墨辊结构设计

图10 拉梁结构设计

2.3 墙板空白部位的结构设计分析

由于要减小VOCs无效集气空间，因而墙板上的空白部位其实也是非常少的。如果从墙板内侧看，几乎没有可以利用的空间。由于墙板上的部分空白空间被零部件挡住，要使其吸气通道畅通，就需要在前面的零部件上开孔。如水墨辊摆架将墙板上部分空白空间遮住了，假定能在摆架上打一个孔，则相当于墙板上该部位是空白的。采用此技术，可以在墙板上找到很多这样的位置打孔。由于墙板上的孔较多，再增加孔可能会影响到墙板的结构稳定性，所以墙板上尽量少增加孔。如果必须要增加孔，新的孔必须与其他孔保持足够的距离。在可能的情况下，尽量减少墙板上的数量。另外墙板上孔的密度尽可能均匀分布，不宜过分集中，这样有利于提高集气速度。墙板上的气路联结孔设计较简单，直接在上面开螺纹孔，将带螺纹的接头直接装上即可。

2.4 护罩的密封结构设计分析

护罩的改进设计见图11。除了取消原护罩上面的散热孔外，还需要将其上下和左右适当加宽，让其各侧边与墙板或横梁搭接在一起，但由于在印刷色组墙板内侧上还有一些常用的调节装置，这些装置需要在不打开护罩的前提下调节，因此这些部位护罩设计要特别注意，使其与调节装置之间的缝隙尽可能小，只要不影响调节机构转动即可。对于需要摆动的部件，可采取柔性连接装置，使其在摆动件许可工作的空间范围内可任意移动而不漏气。另外由于在护罩打开时要保证内部仍然处于原来的负压状态，需要考虑在印刷色组内部安装压力或位置检测装置。只要有护罩打开或负压升高，则必须即刻启动集气功率，加大集气量。

2.5 内部气路与外部气路接口设计分析

对于滚筒等回转部件，无法在轴端直接安装固定气管进行集气，必须加装气动滑环等元器件，对不同的回转部件和不同的气动滑环，需要不同的安装固定方式。

1）对印刷滚筒来说，选择小型单路气滑环，外形及安装方式见图12。在印刷滚筒轴端的齿轮盘上安装图示垫片，并按照示意图安装，再将气滑环进气端的气管插入印刷滚筒轴的中心通孔中，即可完成气滑环转子端安装。在对固定端安装时，要使放置于墙板上的固定件“脚”尽可能小，保证符合墙板狭小空白区域空间要求，并在此情况下保证牢固性和可靠性。

图11 护罩改进设计

图12 印刷滚筒外部气路接口

2）对串墨辊来说，由于其在轴向往复移动，移动的最大距离在20 mm左右，应选择无需固定定子端的小型气动旋转接头即可。

3）对拉梁和新增集气横梁来说，无需加装滑环过渡，直接加装管路即可。

2.6 外接气路选择与规划

1）印刷色组内部气流汇总结构设计。转动部件、固定拉梁、墙板上的集气孔最后都要与外侧集气通道连接在一起，但在此之前要相对集中。如附近的2个先连到一起，然后再与其他的集气通道连在一起，最后在墙板的一侧形成一个主集气管道，与机器底座上的集气管道连成在一起。考虑到集气效率问题，选用硬质管路，其变形量小，管内气流阻力小。

2）与外接气路联结。所有底座上的集气管道相对集中在一起，与VOCs处理装置前端的管道连在一起。这样就将VOCs处理装置与机器上的各个部位集气装置全面打通。

2.7 小结

印刷色组内部结构复杂，给集气结构改进设计带来较大的困难。特注意零部件尺寸变动时，因为印刷色组里面的水墨路排列、外形尺寸都是经过多年实践或严谨的科学计算得到的，这些尺寸一旦变动可能会对印刷色组的工作质量带来破坏性影响。所以在没有经过大量实验数据的情况下，这些结构尺寸尽量不宜改动。另外在结构改进设计时，还要充分考虑安全问题的影响，VOCs集气效率提高时，要避免机器的安全系数下降，确保操作人员和机器本身的安全。

3 结语

对VOCS集气装置与机器护罩集成在一起的方法进行了分析研究。主要采取了以下一系列措施。

1）在印刷机内部的转动件、固定件、墙板上的空白部位上增加吸嘴，作为吸气源头取代传统的机器上面加装的吸气罩。不仅减少了VOC集气装置所占用的空间，还可保持机器外观形状不变。文中通过对集气接头的结构及动静转换方法分析，为VOCS集气装置设计提供了一种思路。

2）通过改进机器上的前后活动护罩的密封措施，使之与机器两侧墙板形成密封状态，从而使机器工作过程中产生的VOCs完全限制在这个空间内，既减少了VOCS的集气量，又减少了VOCS无组织排放的可能性。鉴于有时需要打开护罩进行操作，这时可通过提升吸气装置的功率，让其瞬间增大吸气量，从而防止VOCS向外扩散。

由于此技术要对机器内部做部分改动，因此部分零部件要重新设计。改进的目的主要是利用回转件的轴心和墙板上空白地方增加集气孔，占用空间很小。对轴类件，几乎不需要重新进行刚度设计，对拉梁等部件适当增加截面积即可。总之就实验用的印刷机而言，基本上不需要做太大的改动。对确实可能影响到刚度和强度的结构改进，可通过更换高性能材料来解决。

由于印刷机械结构复杂，每进行一步改进涉及到的因素都较多，因此每步改进都要慎重而行，要进行大量的科学实验，确保改进后的机器安全稳定，性能保持不变。对印刷色组进行密封后，可将空调产生的恒温气流直接送入到机组内部，既保证了补充气体的清洁度，又保证了印刷油墨的工作温度。由于前后护罩形成的密闭空间很小，印刷机工作温度控制所需要的功耗也很小，因此这种结构改进既有利于保证印刷质量，又降低了能耗。

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Analysis and Research on Efficiency of VOCs Gas Collection Based on Printing Equipment

LU Wen-long, CAI Ji-fei

(Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102627, China)

The work aims to reduce the VOCs gas collection space of printing equipment, improve the efficiency of VOCs gas collection, and save the cost of enterprise waste discharge. Based on the existing four open two-color printing presses in laboratory, a three-dimensional model of the printing press was built with rotary parts such as the printing roller, fixed fittings, connection between the wall and beams, and the blank place on both sides of the wall to increase the wallboard hole as inspiration source. The seal measures before and after shield machine were improved to form a sealed state with wall plates on both sides. The VOCs air collection space was completely limited in the machine. The VOCs air collection space of the machine can be limited to 2 cubic meters from the 18 cubic meters under the cover mode above the original machine, which can reduce the useless air collection volume by more than 85% at least. After deducting the space occupied by the internal parts of the machine, the useless gas collecting space can be further reduced. If the gas collecting technology is used to carry out technical transformation on the printing press and other similar packaging printing equipment, the power of the VOCs processing equipment configured for this purpose can be greatly reduced.

printing press; volatile organic compounds gas collecting device; volatile organic compounds gas collection space

TS803.6

A

1001-3563(2022)07-0209-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.07.027

2021-06-02

北京市科技重大专项（Z191100009119002）；北京市教委面上项目（KM201810015007）

路文龙（1997—），男，北京印刷学院硕士生，主攻印刷机械创新设计。

蔡吉飞（1964—），男，博士，北京印刷学院教授，主要研究方向为印刷机械创新设计。

责任编辑：曾钰婵