某印刷廠有機廢氣治理工程案例分析

關杰，李鋒，郭耀廣，蘇瑞景，王蔣鑌，李英順

(1.上海第二工業(yè)大學 環(huán)境與材料工程學院，上海 201209；2.上海第二工業(yè)大學 資源循環(huán)科學與工程中心，上海 201209；3.上海浦東曙光環(huán)境治理新技術研究中心，上海 201209；4.上海新金橋環(huán)保有限公司，上海 201201)

目前，包裝印刷工藝主要有平版印刷、凸版印刷、凹版印刷、絲網印刷以及數(shù)字印刷等，不同印刷工藝的揮發(fā)性有機物VOCs來源和排放方式基本相同[1-2]。調配油墨過程中溶劑的揮發(fā)、印刷過程中溶劑的揮發(fā)、烘干過程中溶劑的揮發(fā)、復合過程以及清洗過程中均會產生大量的VOCs，據(jù)統(tǒng)計有機溶劑通常占到了油墨總量的 70%～80%[3-4]，其主要成分為醇、酯、醚、酮、芳香烴等有機物[5-7]。這些有機廢氣排放到環(huán)境中會導致大氣中的某些污染因子含量嚴重超標，一方面會給企業(yè)造成巨大的溶劑浪費，另一方面也會造成嚴重的環(huán)境污染，危害人類健康[8]。印刷行業(yè)產生的廢氣中含有一定的顆粒物，具有濃度低、風量大的特點，而且印刷廢氣已經成為大氣中VOCs的主要來源之一[9-11]。針對印刷廢氣這些特點，設計一套既經濟又合理廢氣處理工藝成為當前的一項重要任務。

1 印刷廢氣治理技術

印刷廢氣治理技術主要劃分為分解技術和回收技術兩大類，分解技術就是將有機物徹底分解為二氧化碳和水，主要有直接燃燒、催化燃燒、蓄熱燃燒、生物法、光氧化、光催化等技術[12-16]；回收技術就是通過一定的條件對有機廢氣進行分離回收，主要有吸附、吸收、冷凝、膜分離等技術[17-19]。表1對以上各種技術的應用范圍及特點進行了總結，對于廢氣的來源廣泛、成分復雜、不穩(wěn)定的特點，采用某一種單一技術很難達到處理要求，需要多種技術聯(lián)用。

表1 各種廢氣治理技術應用范圍及特點總結[12-19]

2 工程案例

2.1 項目概況

上海某印刷廠在生產過程中會用到兩臺糊箱機和三臺印刷機，會使用大量的膠水和水性油墨，由此產生大量含細小粉塵顆粒物的VOCs，根據(jù)其原料檢測報告結果分析可知，該印刷廠產生的VOCs成分主要是苯、甲苯、二甲苯等。且該印刷廠擁有自己的污水處理站。

2.2 工藝介紹

該項目主要根據(jù)廢氣的特點，考慮了處理效果、成本等各種因素，主流工藝采用吸收和紫外光解技術，即含有細小粉塵顆粒物的VOCs，經過噴淋洗滌吸收后滿足紫外光解條件，而且定期更換的吸收液可以直接利用該廠的污水處理站進行處理，具體的工藝流程為：噴淋洗滌吸收+紫外光解氧化+水相霧化吸收。該廠印刷廢氣治理的具體工藝流程見圖1。本工藝處理系統(tǒng)主要由噴淋塔、紫外光解氧化裝置、氣霧分離器、霧化吸收裝置、風機、風管、控制系統(tǒng)以及煙囪等組成。

圖1 某印刷廢氣治理工藝流程圖
Fig.1 A process flow chart of printing exhaust treatment

2.3 工藝原理

2.3.1 吸收法 吸收利用的是較難揮發(fā)的溶劑與氣體充分接觸，根據(jù)不同氣體在溶劑中不同溶解度或化學反應特性差異進行分離，從而達到凈化氣體的目的。按吸收原理可以劃分為物理吸收和化學吸收，大多數(shù)情況下，VOCs的吸收是物理吸收。針對不同的廢氣特點，吸收劑的選擇至關重要，主要考慮以下幾個因素：綠色環(huán)保、安全性高、對氣體有較高的可溶性、較低的揮發(fā)性、較低粘度、原料易得且廉價、對吸收設備腐蝕性小等[20]?；瘜W吸收中的吸收劑一般較難選擇，而且價格相對比較昂貴，所以選擇物理吸收。在實際應用中，任何一種吸收劑都不可能達到上面所有要求，只有盡可能選擇合適的吸收劑。水是一種最廉價、綠色環(huán)保、安全性高、易獲取的理想吸收劑[21]。

吸收法主要用來處理大風量、低濃度、高濕度的VOCs，處理效率高達95%～98%[22]，現(xiàn)在該技術相對而言比較成熟，而且工藝比較簡單，設備占地面積比較小，操作起來比較容易，成本比較低廉，具有廣闊的應用前景。

2.3.2 紫外光解法 紫外光解法是一種新興VOCs治理技術，其利用高能紫外線的照射，分子吸收光子而成為激發(fā)態(tài)，當激發(fā)態(tài)分子能量高于化學鍵能時，從而致使化學鍵斷裂而發(fā)生多種光化學反應，一部分VOCs分子直接分解為二氧化碳和水；同時，空氣經過高能紫外線的照射，其中的氧氣和水分子會激發(fā)為臭氧和羥基自由基等強氧化劑，再利用這些強氧化劑對VOCs進行徹底的氧化分解[23-24]。

根據(jù)波長，紫外線可以劃分為4個波段：①UVA波段，即長波黑斑效應紫外線，波長320～400 nm；②UVB波段，即中波紅斑效應紫外線，波長275～320 nm；③UVC波段，即短波滅菌紫外線，波長200～275 nm；④UVD波段，即真空紫外線，波長100～200 nm[25]。VOCs處理中利用的是UVD波段的紫外線激發(fā)出的臭氧和羥基自由基，其能斷開大部分化學鍵，即能夠降解大多數(shù)VOCs[26]。

與傳統(tǒng)VOCs治理技術相比，紫外光解法具有無可比擬的優(yōu)點，其可以在常溫常壓下，不需要特定的加熱、加濕處理，就能夠斷開大部分的化學鍵，而且反應過程快速高效、安全性高、成本低廉，其在VOCs治理行業(yè)占據(jù)重要地位[26]。

2.4 工藝特點

2.4.1 印刷廢氣收集系統(tǒng) 五臺設備的污染點源以及有VOCs揮發(fā)處均采用軟簾進行圍合，在其上方設置集氣罩進行收集，各集氣罩收集的印刷廢氣統(tǒng)一接入主管道，主管道最終接入廢氣處理系統(tǒng)。

2.4.2 印刷廢氣處理系統(tǒng) 收集后的印刷廢氣進入噴淋塔，噴淋塔采用旋流板塔，在旋流板塔徑向進風管內設有第一級噴淋區(qū)，印刷廢氣在第一級噴淋區(qū)與吸收劑充分接觸，然后氣流由旋流塔的中下部均勻上升，進入第二級高密度洗滌噴淋區(qū)，在廢氣均勻穿過氣液分布核心區(qū)域時，其表面的水膜會產生大量的液沫，為印刷廢氣和循環(huán)水提供了巨大的接觸面積，達到高效去除印刷廢氣中顆粒物和部分水溶性有機物的目的。在此過程中，循環(huán)水需要定期排入該廠污水處理站進行更換。廢氣經過塔頂?shù)某F脫水裝置和后端的氣霧分離器，可以大大降低洗滌后印刷廢氣的濕度，而且還可以保證后續(xù)紫外光解對氣體濕度的要求。

噴淋洗滌后的印刷廢氣經過兩重氣霧分離之后，印刷廢氣中的顆粒物和部分可溶性有機氣體都得到去除，印刷廢氣的濃度和濕度均達到紫外光解的處理條件。印刷廢氣進入紫外光解裝置中，在185 nm波長紫外光照射下，激發(fā)產生臭氧和羥基自由基等強氧化性基團，利用這些強氧化性基團對印刷廢氣中的苯、甲苯、二甲苯等有機物氣體進行氧化，使其氧化分解為二氧化碳和水。

經過紫外光解處理后的印刷廢氣中會有少量水溶性小分子生成及臭氧殘留，經過后續(xù)的高效霧化吸收裝置可以將這些水溶性小分子和殘留臭氧吸收，而且在此過程中產生的吸收液可以進入噴淋階段的循環(huán)池中，供噴淋塔洗滌使用。經過高效霧化吸收的印刷廢氣基本得到完全凈化，但印刷廢氣的濕度比較大，再次經過氣霧分離器，會使印刷廢氣的含水率大大降低，最后通過煙囪達標排放。

2.5 運行結果

項目經過調試正常運行后，對進出口的非甲烷總烴指標進行檢測，檢測數(shù)據(jù)由第三方檢測機構提供，處理前后印刷廢氣中非甲烷總烴濃度見表2。除此之外，還對出口的苯、甲苯、二甲苯指標進行了檢測，主要揮發(fā)性有機物監(jiān)測值見表3，其出口的印刷廢氣污染因子濃度低于上海市地方標準《印刷業(yè)大氣污染物排放標準》(DB 31/872—2015)中的限值。

表2 非甲烷總烴監(jiān)測值

表3 主要揮發(fā)性有機物監(jiān)測值

由表2、表3非甲烷總烴和主要揮發(fā)性有機物監(jiān)測值可知，該套“噴淋洗滌吸收+紫外光解氧化+水相霧化吸收” 印刷廢氣處理系統(tǒng)對非甲烷總烴的去除效率為93.97%以上，對苯、甲苯、二甲苯幾乎可以完全去除，對顆粒物的去除也滿足排放標準?？傊?，針對該印刷廠廢氣成分及特點，設計的這套處理組合工藝可以實現(xiàn)該印刷廠有機廢氣的達標排放。

3 結論

(1)該套“噴淋洗滌吸收+紫外光解氧化+水相霧化吸收” 廢氣處理系統(tǒng)的噴淋洗滌工藝對印刷廢氣進行初步凈化處理，使其滿足紫外光解降解廢氣的條件，可以更高效地降解廢氣，最后經過氣相霧化吸收工藝，廢氣可以得到徹底凈化，而且在氣相霧化吸收工藝中產生的吸收液可以進入循環(huán)水池供給噴淋洗滌工藝的運行，循環(huán)水池中的吸收液可以定期排入該印刷廠自有的污水處理站進行更新，3個階段的處理工藝相輔相成，可以對印刷廢氣進行徹底降解。

(2)該套廢氣處理系統(tǒng)不需要昂貴的藥品，僅需使用廉價易得的水資源作為吸收液，而且整套工藝流程簡單、風阻小、無大功率裝置、耗電量小，極大降低了設備投資和運行費用。

(3)該套廢氣處理系統(tǒng)適用于大風量、低濃度的有機廢氣，對于污染物種類相同的其他行業(yè)廢氣的治理具有可復制的參考價值。