印刷车间VOC废气处理系统设计

简要介绍了经济日报社印刷车间的工程概况与通风系统，计算了生产过程中产生的VOC废气的排放量，并根据排放标准计算了总净化效率。设计了三级净化系统对VOC废气进行处理，并详细介绍了其特点。总结了该工程的不足之处。

1工程介绍

1.1工程概况

经济日报社新建的印务中心及综合办公楼(A座)，建筑总面积48630m²，建筑高度60m，地下3层，地上15层;报纸及刊物印刷车间设在地下2层和地下1层通高空间，印刷车间尺寸为33.1m×24.0m×9.3m(长×宽×高)，净面积为794.4m2，装有4台大型进口印刷机。

建筑主体毗邻市内交通次干线，距离地铁4号线陶然亭站D口仅50m。为降低噪声、减少对周围居民的环境影响，将印刷车间全部设在地下空间。

1.2通风系统

根据空调冷负荷计算，印刷车间总送风量为98000m3/h，换气次数为13.3h^-1。设计2台一次回风全空气式空调处理机组，每套空调系统风量为49000m3/h。2套系统共配备12个平送风口、12个下送风口、12个侧回风口(不包括控制间和操作间风口)，采用中部送风、上部回风的气流组织形式。

 

印刷车间产生的挥发性有机化合物(VOC)废气通过屋顶排放口(排气筒)集中排放，排气筒高度相对室外自然地坪高60m。为充分利用过渡季和冬季室外新风，每套空调系统配备1台变风量排风机，排风量控制在4900～24500m3/h之间，总排风量为9800～49000m3/h。部分回风经过处理后循环使用。空气处理系统流程图见图1。

图1空气处理系统流程图

2印刷车间污染物及排放量

（1）VOC气体及来源

世界卫生组织对总挥发性有机化合物(TVOC)的定义为：熔点低于室温而沸点在50～260℃之间的挥发性有机化合物的总称。

VOC的主要成分有：烃类、卤代烃、氧烃和氮烃，包括：苯系物、有机氯化物、氟利昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等。印刷车间的VOC气体主要来源于印刷过程中油墨和溶剂(清洗剂、润版液等)，主要成分为：苯、甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、丁醇等，不仅对人体健康造成损害，对环境也造成很大危害。同时该车间还存在少量粉尘、纸屑和水气，因此控制的主要污染为粉尘和VOC有机溶剂挥发物，主要控制指标为非甲烷总烃(NMHC)。

（2）VOC气体排放量

根据使用方提供的数据，印刷车间建成投产后，年印刷量约5.5亿张对开标准报纸(780mm×540mm)，原材料年使用量、有害气体挥发比例、有害气体年挥发量、有害气体挥发速率(按一年365d，印刷机每天累计工作时间8h计算)、有害气体初始浓度如表1所示。

表1有害气体参数

 

（3）VOC气体排放标准及设计总净化效率

2015年7月1日起执行更为严格的北京市地方标准DB11/1201—2015《印刷业挥发性有机物排放标准》，排气筒高度不低于15m，挥发性有机物排放浓度限值见表2。2016年12月31日之前为表2中Ⅰ时段，之后为Ⅱ时段。

表2挥发性有机物排放浓度限值mg/m3

按DB11/1201—2015《印刷业挥发性有机物排放标准》Ⅱ时段NMHC限值30mg/m3的要求，总净化效率ηz≥97.48%((1189.55mg/m3-30mg/m3)÷1189.55mg/m3);按排气筒出口净化要求对VOC废气进行处理，设计总净化效率ηsz≥98%(见表3)，计算处理前最大质量浓度可控制在1500mg/m3以内。

表3设计净化效率和排放浓度

 

 

3. 三级废气处理方式

该项目主要是印刷VOC废气净化，通过整体换气的原则利用空调系统将废气收集。

 

考虑到印刷废气排放源分散、空调换气次数大、VOC浓度低的特点，对空调回风口、总回风段和屋顶排气筒排风进行净化，采用三级净化方式对VOC废气进行处理，达到零排放(gaszero emission，GZE)或近零排放。

第一级，回风口粗效净化。主要目的是针对印刷车间产生的少量纸屑、粉尘进行粗效过滤，故第一级VOC气体净化效率η₁=0%。

第二级，回风系统净化。考虑到空气循环的需要，部分排风作为回风使用，因车间废气含有VOC气体，故需要经过净化后再作为回风，否则车间浓度会越来越高，对工人的身体健康产生危害。

考虑报纸印刷产生的VOC废气浓度不高，但作为循环气需要进行净化处理，因此二级净化设计采用协同氧化技术(synergism oxidation technologies，SOT)废气净化机(参数见表4)进行处理，设计风量为49000m3/h(2套，见图1)，第二级设计VOC气体净化效率η₂=60%。

表4SOT废气净化机参数

第三级，建筑屋顶排气筒外排口排放达标净化。整个系统唯一外排口为屋顶设置的风口(2500mm×600mm)，此排放口为最重要的环保监控点，需要进行彻底净化，保证排放达标。

因此设计“流化床浓缩反应器(fluid bed concentrator reactor，FBCR)+蓄热催化燃烧器(regenerative catalytic oxidizer，RCO)”的工艺流程进行废气净化(见图1)，排放标准设计为零排放或近零排放，第三级设计VOC气体净化效率η₃=95%。

4.三级净化工艺特点

（1）第一级

在12个回风口增加自制过滤层，直接安装到回风口上，尺寸为1050mm×750mm，过滤材料选择高效天然过滤材质，具有可降解、无二次污染及可再生的特点，有两方面的作用：一是对大颗粒污染物有很好的阻挡过滤效果;二是对后级净化设备起保护作用，过滤层容尘量大，使用寿命长(可用热空气吹脱)。

（2）第二级

SOT是一种复合氧化技术，在等离子体和高能光子的共同作用下，设备内部发生等离子体裂解反应、高能紫外线(VUV)光解反应、臭氧高级氧化反应、光催化氧化反应，其作用远远大于单一的反应手段，同时这些反应之间还有相互促进和互为转化的效应。

 

在这个过程中，等离子体、光量子、臭氧、羟基、催化剂等共同发生作用，协同分解的结果是有效降解VOC气体中的大分子有机物质，经过一系列复杂的氧化还原反应后，最终生成小分子无害无机物CO2和H2O等。

（3）第三级

A.流化床浓缩反应器FBCR

FBCR是吸附浓缩+脱附一体化的有机废气净化装置，利用了沙漏原理实现介质完全靠重力的作用自动在反应器内流动;吸附室和脱附室紧密相连，当介质在吸附室完成吸附后随即流化到脱附室进行解析，VOC脱出后完成再生，马上又恢复了吸附活性和能力。该工艺的一个显著特点是吸附介质是流动的，反应器在不同的流化段吸附、脱附同时进行;第二个特点是解析方式的改变，即变介质的间隔性、统一再生为即时性、分散再生，使解析气流量小、均衡、平稳;第三个特点是采用升温和变压组合技术进行解析再生，脱附速度快，脱附效率高。正常情况下，多数介质处于吸附状态即工作态，而吸附一定量VOC后的介质随着流化床运动进入脱附室后随即进入解析状态即脱附态，整个吸附介质处于吸附、脱附循环往复状态。

废气通过吸附反应器时VOC成分被吸附截留，洁净尾气达标排放;截留下来的VOC气体通过脱附后由后处理单元净化处理，实现对废气的彻底净化。即时脱附功能的实现保证了介质始终保持高活性状态，使整个净化系统可以反复循环使用，实现了吸附介质的利用价值最大化(见图2)。

 

 

图2流化床浓缩反应器FBCR工作原理

有机废气在反应器内完成吸附、脱附整个过程，实时再生保证了系统连续循环运转，净化后的废气达标排放。截留下来的浓缩VOC气体可通过燃烧完全氧化分解，实现零排放;或进行二次处理，配合冷凝工艺可实现溶剂回收。

FBCR系统最大的优势是实现吸附室和脱附室分离，即不必停下来脱附而影响系统排风;又可根据排放气体的VOC浓度灵活掌握脱附周期和时间间隔;间歇式脱附模式保证了最低的运行费用，减轻了用户的经济负担。国内外常用的反应器见表5。

表5国内外常用的反应器

 

B.蓄热催化燃烧器RCO

该项目配备1台蓄热催化燃烧器，燃烧炉总处理风量设计为1000m3/h。结合蓄热燃烧和催化燃烧，在炉腔内形成400～420℃的高温，可将脱附解析的高浓度VOC气体彻底分解(见图3)，而不会产生NOx(雾霾主要成分之一)等二次污染物。

 

图3蓄热催化燃烧器RCO工作原理

5结论

印刷车间自2016年5月投入运行，在3台印刷机(1台尚未安装)非全负荷工作状态下，印刷车间产生的VOC废气通过三级处理，实现了达标排放(检测报告见表6，采样点为废气总排放口，排放高度为60m)。表6检测报告该项目总体建筑设计开始于2012年5月，随着新标准的实施，在原有空调通风方案基础上进行优化改建，故存在一些不足之处。

1)在空调机房安装二级净化设备SOT废气净化机，面积偏小，且与空调机组回风口位置不对应，空调回风静压箱重新开孔，风道增加了较多不必要的弯头，带来漏风量、风阻增加和维修空间过于狭窄的问题。

 

2)印刷车间内送、排风道截面较大，风道安装时喷淋管、消火栓管、强电弱电管线等已全部施工完毕，不易寻找风道合理路由，对车间整体布局造成严重影响。

3)三级净化处理设备放置在屋面，因体积较大、质量较大，摆放位置受到很大制约，风道加长、风阻增加，影响建筑屋面(上人屋面)的使用和美观。目前对印刷车间的气流组织存在一些争议，认为应该将空调通风系统和有害空气处理系统分别设置，充分利用室外新风，以减少有害空气处理量，降低能耗。该项目因空间小，改造和探索并存，难以实现上述目标。