印刷車間VOCs仿真分析及工藝優化

李娜，齊元勝，楊思佳，王曉華，郭蓉，朱瑞，張熠彪

（北京印刷學院，北京 102600）

印刷行業是我國文化產業的支柱，同時印刷生產過程中使用有機溶劑類原輔材料排放的揮發性有機物對環境空氣質量有重要的影響，因此對于我國VOCs的排放治理方面，研究分析并提出有效的治理方案是必須要重視的。

為了貫徹執行《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國大氣污染物防治法》《印刷業揮發性有機物排放標準》《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》《工業企業噪聲控制設計規范》《工業廢氣吸附凈化裝置》《有機廢氣凈化裝置安全技術規定》《揮發性有機物無組織排放控制標準》等設計依據及排放標準，為了改進環境污染，響應國家有關政策以及減少對大氣環境的污染，因而研究分析典型印刷企業VOCs分布及治理技術方案是不可或缺的。

1 概述

隨著環保政策越來越苛刻，現有的設備僅能滿足環保的要求，考慮到深度治理到達更好的效果，建議整改將印刷車間做密封為獨立空間，做密閉工作環境，這樣可以有效的縮小廢氣收集面積，更好的收集廢氣不會有廢氣外溢，滿足收集效率100%的要求。

由于污染物的分類比較繁多，現就其一種氣態有機物的污染情況而言，分析其需考慮到環境條件、車間污染排放量的多少及排放速度的影響。目前我國采用的治理方法也是多種多樣的，常用單一方法比如：活性炭吸附法、冷凝法、催化燃燒法等。當然，處理費用、處理效果等問題也是在印刷車間VOCs治理方面也是需要考慮的，以達到經濟化、合理化避免二次污染的效果。

經有關資料顯示，針對印刷車間中的設備排放的濃度會有標準的規定值。大多數印刷企業的正常運行離不開排放濃度限制的參考，以避免超排量的出現及環境污染程度的加深。

其印刷車間常見排放種類濃度限值具體如表1 所示。

表1 印刷業排放濃度限值（單位：mg/m3）Table1 Emission concentration limits for printing industry (unit: mg/m3)

2 廢氣處理

包裝印刷行業作為VOCs治理目標的五大重點行業之一，一直面臨著前所未有的環保壓力。進一步針對其印刷行業產生的廢氣的分析處理制定相適應的治理方案，從而達到節能減排、循環增效的效果以促進印刷行業綠色穩定發展。

與此同時，定量分析VOCs的排放特征，結合其排放情況進行模擬，模擬調研的印刷企業車間設備的污染物擴散情況，基于Solidworks軟件建立車間、通風口及設備等模型，后運用Ansys軟件對VOCs排放情況進行仿真及后處理分析，使得車間附近一定區域的近地面無VOCs模擬擴散濃度，減少污染物對印刷工人的健康影響。

針對車間廢氣處理的問題，為了提供一個車間員工舒適安逸的工作環境，減少車間運作所產生的廢氣對于環境造成的污染，對車間排氣量參數進行檢測從而對車間的管道收集、集氣罩收集等方面是不可缺 少的。

2.1 管道收集

由于印刷廢氣極易揮發，單獨采用集氣罩收集效果不理想。設計收集方式為局部集氣罩收集+整體換風收集，且每臺印刷機上方裝收集罩。每個集氣罩配備一臺小功率軸流風機配備止回閥，在印刷時揮發氣體被迅速吸走，不易外溢。同時從節能降耗考慮降低主風機的功率，然后匯總到主管道統一進入治理設備。這樣既保證廢氣能夠全部收集，又滿足車間內苯系物、非甲烷總烴的濃度要求。

主管道設計風速12～14m/s；支管道設計風速6～9m/s。管道采用0.8～1.0mm優質板加工而成，設計集氣罩加收集管道的方式。收集管道安裝在印刷車間天花板下，收集口位于印刷設備的正上方，收集口均勻分布在印刷設備上方。印刷生產過程中產生的廢氣受到車間外新風氣流擾動被推向車間上方，凈化系統的收集口收集到廢氣輸送到凈化設備。

2.2 集氣罩收集

經有關資料顯示，印刷車間常出現的缺陷有：車間設備排放氣體不集中，對其排放氣體的收集達不到有效的效果。對于此現象，利用印刷機熱氣上升原理將VOCs廢氣源頭加裝集風罩，進行廢氣收集，收集率為≥70%。

首先在每臺印刷機上方裝收集罩，每集氣罩配備一臺小功率軸流風機配備止回閥以加大廢氣收集效率同時防止串風，使收集率＞90%以上。由于支管道與主管道加裝順風彎頭減少阻力，管道風機協助主風機通風，使主管中廢氣流通順暢，之后通向主機，進行凈化處理。之后處理合格的空氣將從末端的主風機通入煙囪，高空排放。如圖1所示。

圖1 廢氣收集罩三維圖Fig.1 Three-dimensional view of the exhaust gas collection cover

收集口為電動風口閥，不僅能夠實現自動化控制，達到高效節能的效果。通過控制風口背面的電動密閉閥的部分開啟，半開，全開，關閉等來實現氣流平衡。均勻分配通風管道中氣流，自動且智能的控制每個房間或區域的通風，均勻收集廢氣。

根據集氣罩的面積配置的軸流風機風量，同時兼顧車間體積計算換風次數3～4次；考慮印刷設備增加、夏季氣體膨脹、管道風量損失以及冬季暖氣的熱量使用綜合計算而成，風量按照35000m3/h計算合理（預留10%的余量設計）。集氣罩示意圖如圖2。

圖2 集氣罩示意圖Fig.2 Schematic diagram of the gas collection hood

通過Ansys的Fluid Flow，將車間設備工作過程中釋放出來的VOCs擴散模擬設置為進風口1。其進風速度設置為0.05m/s，溫度為40℃；設置車間四側窗戶為進風口2，其主要介質為空氣，進風速度為0.04m/s，溫度為20℃；設置車間頂部集氣罩為出風口，其基本大氣壓為0Pa。

結合圖3可看出左側溫度較高，考慮其設備排放的濃度多及其上方對應的集氣罩風機口數目較少的影響，分析其擴散情況原因，此狀態是由于左側窗戶距離02印刷機較近，其工作狀態下釋放出的氣體較多、溫度較高的因素。

圖3 計算域內溫度擴散分布圖Fig.3 Calculate the intra-domain temperature diffusion distribution

進一步后處理對其速度擴散分布進行分析，圖4在出風口的風機口附近的速度由于集氣罩的設計因素，相比較其他位置的速度較快一些，因此是具有一定合理性的。

圖4 速度擴散分布圖Fig.4 Velocity diffusion distribution

綜上，結合VOCs排放情況進行定量分析，模擬假設其印刷企業車間設備的污染物擴散情況，基于Solidworks軟件建立車間、通風口及設備等模型，后運用Ansys軟件從溫度和速度兩方面對VOCs排放情況進行仿真及后處理分析，進一步針對其包裝印刷行業產生的廢氣分析處理并制定相適應的治理方案達到節能減排、循環增效的效果，對促進印刷行業綠色穩定發展有一定的指導意義。

3 工藝優化

目前我國對于VOCs的治理方案在大多數情況下常采用的是單一的方法，非組合治理。這樣不僅會比較片面，當然每一種單一的治理都會有其不可代替的優勢。本文結合印刷車間常用單一治理法的優點，分析各法存在的缺陷對印刷車間VOCs的治理方案進一步優化，以滿足排放要求及環境安全的有效治理。

為了保證凈化效果及排放要求的達標，本文針對印刷車間VOCs的治理采用的優化方案是吸附——脫附催化燃燒一體化治理方案。

為了避免微小顆粒物對活性炭的影響，首先考慮到粉塵顆粒的去除，需要利用粉塵過濾器中將其進行過濾以有效減少粉塵量；然后將上一步粉塵過濾后的氣體進一步與活性炭充分接觸。

利用有機廢氣凈化原理，對于活性炭的使用，蜂窩活性炭具有性能穩定、耐腐蝕、耐高速氣流影響等優點，因而選擇蜂窩狀的活性炭吸附，對氣體深度凈化。原始排放濃度越高，則效率越大，反之亦然，從而提高吸附效率，達到排放要求。

當吸附達到飽和程度時，需對活性炭進行脫附再生，后進行催化燃燒生成無害氣體，比如二氧化碳、水及部分熱量。在催化劑作用下起燃，催化燃燒過程中的凈化效率可達97%以上，燃燒后生成二氧化碳和水并釋放出大量熱量。其大致工藝流程圖如圖5所示。

圖5 工藝流程圖Fig.5 Process flow diagram

為了保證系統安全運行，因此采用PLC程序對整個處理系統進行控制，脫附進氣脫附出氣、加熱室和催化燃燒室都有熱電偶進行測量。

催化脫附控制方式采用自動、手動兩種。自動控制具有自動啟動、運行、停機及連鎖自我診斷功能；手動控制用于裝置調試及維修。在集中控制室及就地控制柜均能對裝置進行控制。就地控制柜有集中控制端口，具備與集中控制室連接的功能，能輸送啟動、運行、停機、故障等信號；設指示燈顯示設備的運行狀態；能分別顯示裝置進出口的壓力。

當測量到脫附進氣溫度超過設定上限值時，補冷風機、補冷閥門和排空閥門會自動開啟，補冷風機將外界常溫的空氣吸進活性炭床，對活性炭床進行降溫，同時通過排空閥進行泄壓，以此來將脫附進氣降到設定上限值以下。假如脫附進氣繼續升溫，控制系統將會發出報警信號，提醒現場工作人員對補冷風機和補冷閥門進行檢查，查看補冷風機或補冷閥門是否存在故障，降低安全隱患。

當測量到脫附出氣溫度超過設定上限值時，控制系統將會發出報警信號，提醒現場工作人員注意。當測量到脫附出氣溫度超過設定上限值時+10℃時，加熱室將停止加熱、停止系統風機，補冷風機、補冷閥門、稀釋風機、稀釋閥門和排空閥門將全部自動開啟，將脫附出氣降溫到設定上限值以下。

當測量到加熱室溫度超過設定上限值時（溫度設定上限值一般為280℃～300℃），加熱器將停止加熱。

當測量到催化燃燒室溫度超過設定上限值時（溫度設定上限值一般為350℃），報警；上升到400℃，稀釋風機和稀釋閥門將開啟，將脫附出來的高濃度廢氣進行稀釋，通過降低燃燒放出來的熱量來降低燃燒室的溫度；上升到450℃，加熱室將停止加熱、停止系統風機，補冷風機、補冷閥門、稀釋風機、稀釋閥門和排空閥門將全部自動開啟，進行降溫冷卻。

上述提到的各項控制亦是為了確保有機廢氣處理系統在安全狀態下運行吸附和脫附。

在處理催化燃燒的過程中，加熱裝置首先被激活進入內循環，使氣體達到燃燒反應的溫度。當熱水氣源達到有機物的沸點時，此時有機物會偏離活性炭，在催化劑床的作用下分解成二氧化碳和水。同時，能量釋放在吸收床中，當加熱機完全停止工作時，催化劑燃燒室中的有機廢氣保持自然點火，再生廢氣，循環，直到有機物和活性炭內部完全分離，接著催化劑室分解，再生活性炭，催化出有機物。

如果溫度未達到反應溫度，加熱系統可以通過全燃和自動節能控制系統進行補償。這樣，廢氣的有效去除率將達到97%以上，符合國家排放標準。

4 結束語

VOCs治理技術種類繁多，使用條件和范圍都不盡相同，單一的治理技術很難有效的對印刷車間VOCs的有關治理達到一定的效果。因此，利用組合治理，結合單一技術的各個優勢，采用兩種或多種技術的組合工藝對印刷車間VOCs治理進一步優化，達到有效治理的效果。

本文為了確保有機廢氣處理系統在安全狀態下運行吸附和脫附，采用吸附脫附+催化燃燒組合工藝，整個系統實現了凈化、脫附過程封閉循環，不僅可以滿足排放要求，同時可以降低處理成本。進一步達到節能減排、循環增效的效果，對促進包裝印刷行業綠色穩定發展有一定的指導意義。