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行業新聞

軟包印刷車間氣流規劃與無組織排放解決方案

趙桐 西安理工大學


1引言

近年來,大氣污染狀況與空氣質量控制越來越受到國家、社會的重視和廣泛關注。其中,揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds,簡稱為VOCs)的排放與霧霾、酸雨等氣象特征密切相關1。VOCs既是光化學煙霧污染的重要前體物,在光照條件下能與氮氧化物發生光化學反應生成臭氧及其他光化學氧化物,同時也能參與大氣中微細顆粒(PM2.5)的生成,是誘發霧霾天氣的主要因素。印刷業由于使用了大量油墨、清洗劑、稀釋劑、潤版液、粘合劑等富VOCs的原、輔材料,是大氣污染治理上必須面對的產業之一2。2015年8月29日,修訂后的《大氣污染防治法》將VOCs納入防治范圍,為VOCs綜合治理提供了法律依據,將VOCs的污染治理劃分為兩個方面,一是源頭控制,二是排放控制3

源頭控制,主要是推行使用低 VOCs 或無 VOCs 的環保油墨、膠黏劑、清洗劑及潤版液等材料,從工藝起始端開始減少VOCs的含量,達到減排目的。排放控制主要包含過程收集和末端處理兩個環節。過程收集主要通過VOCs揮發、逸散及無組織排放狀況的改善,營造出更復合末端處理設施工作要求的廢氣狀態。過程收集可以采取的手段通常包括:密封原料供應系統,減少VOCs逸散;采取減風增濃技術,優化VOCs 風量濃度;通過生產車間氣流規劃,提高VOCs收集系統的捕集率,減少無組織排放等。

本文面主要針對印刷車間氣流規劃與無組織排放管控方法及策略進行了分析和討論,并以某企業軟包印刷車間布局現狀為例,制定了相應的無組織氣流規劃與排放管控方案,建立了車間無組織氣流擴散數值仿真模型,對管控前后車間內的無組織VOCs氣體濃度進行了比較,對方案的管控效果進行了定量評價。

2 無組織氣流管控方法及策略

車間內無組織氣流管控的基本策略主要是實現印刷車間內的人機分離和冷熱分離。所謂人機分離就是對產生VOCs的區域和人工操作區域進行隔離,將揮發、逸散的無組織VOCs控制在沒有人的封閉區域內,再導入印刷機排風管道,最終與有組織氣流一起進入末端處理設施,如RTO等;而冷熱分離主要是將印刷機回風加熱部分與空調工作區域隔離,阻隔印刷機熱風外溢,減小空調負荷。

以圖1所示印刷車間為例,車間內放置四臺印刷機,兩兩背靠背放置,印刷機操作通道3條,物流通道兩條。對背靠背放置的兩組印刷機分別加裝保溫隔斷,實現產生VOCs的區域和人工操作區域、印刷機加熱部分與空調工作區域的隔離,并通過隔斷內的排風系統和隔斷外的空調系統的控制,在隔斷外通道區域形成+10Pa的正壓區,隔斷里面區域形成-5Pa的負壓區。空調系統方面,如圖2所示,可在車間兩端通道上方和每臺印刷機操作側上方設置空調送風口,在車間兩端通道下方靠墻的地面設置空調回風口;而隔斷內可在印刷機油墨槽下部設置地排風抽氣管,印刷機后部設置無組織氣流抽氣管。考慮空調節能問題,可從車間外部向隔斷里面補充潔凈的新風,該新風進口可設置在印刷機收料部位的隔斷門垂直兩側,并形成對吹氣簾,進一步阻隔VOCs外溢。

3 無組織氣流管控案例

為驗證上述無組織氣流管控方法的實際效果,我們實地調研了某企業軟包印刷車間布局現狀。如圖3所示,該車間面積24.6*24米,590.4m2;車間高度7.7(8.1)米。車間內共布置有①、②、③、④共4臺印刷線,分別為8色,9色,8色和7色,減風增濃后各印刷線排風量依次為5000、9000、3000及3000m3/h。印刷時使用溶劑主要為60%乙酸乙酯、40%正丙酯,溶劑揮發量平均每色組約合2.0kg/h;車間內新風主要由圖3所示的車間大門自由流入,未配備空調系統。經過測量,該車間工作時車間內最大VOCs濃度約為160 ppm v/v,約合188.3mg/m3

通過對該車間布局現狀的分析,我們制定了相應的無組織氣流規劃與排放管控方案,并分別建立了車間無組織氣流管控前、后的廠房結構模型。如圖4(b)所示,將每條印刷線單獨進行保溫隔斷,隔離印刷機與人工操作區域,阻隔VOCs外溢,減少車間溶劑味道。同時,考慮到企業改造成本,未增加空調系統和印刷機收料部位隔斷門處的新風補充系統。車間內的新風仍全部由車間大門自由流入。同時,為補償印刷線隔斷后增加的隔斷內排風壓力損耗,保證印刷機排風量,在隔斷區域上部開設了通風口。VOCs擴散數值仿真模型中各色組的溶劑揮發量和各印刷線排風量均按照車間實際工況設置,揮發源和排風口如圖4所示。


4 無組VOCs散模擬與分析

基于上述車間結構模型,采用計算流體力學(CFD)仿真方法建立了能比較準確反映實際VOCs輸運與擴散過程的三維數學模型,采用浮力修正的k-ε湍流模型和SIMPLE算法對隔斷前后車間內無組織VOCs擴散情況進行了數值模擬和分析4-5。如圖5所示,為比較隔斷前后車間內不同區域的VOCs濃度,分別截取了z=1.2m(手持VOCs測量儀高度)、y=4.5m(③-④號線中間區域)、y=9.8m(②-③號線中間區域)、y=18.8m(①-②號線中間區域)四個平面的VOCs濃度分布情況進行了比較。比較結果如圖6,7所示,與隔斷前相比,隔斷后車間內的無組織VOCs大部分被限制在了封閉隔斷區域內,人工操作區域的VOCs濃度有顯著降低。但也應該注意到的是,增加的隔斷一定程度上減弱了車間內的空氣流通性,造成車間內渦流增多,形成了局部流動死區,VOCs濃度相對較高(圖7標注區域)。

為實現對方案管控效果的定量評價,表1提取了隔斷前后車間內各區域VOCs濃度及壓差結果。如表1所示,對每條印刷線單獨進行隔斷后,人工操作區域最大VOCS濃度由隔斷前的238.97mg/m3降低到隔斷后的57.66mg/m3,達到了對車間內無組織氣流的管控效果。另外,在隔斷區域上部開設通風口后,相同排風量條件下車間進、排風口壓差無明顯變化,避免了區域隔斷后壓力損耗的升高。后期可通過加裝空調系統改善車間內流動均勻性,消除流動死區,進一步提高無組織氣流的管控效果。

圖7 VOCs濃度分布情況(由上至下依次為y=4.5m、y=9.8m、y=18.8m)

表1 隔斷前后車間內各區域VOCS濃度及壓差變化

5 總結

隔斷前后車間內無組織VOCs氣流擴散的數值仿真結果表明,車間氣流規劃與無組織排放管控措施有效的減少了人工操作區域的VOCs濃度,將揮發、逸散的無組織VOCs控制在沒有人的封閉區域內,達到了對車間內無組織VOCs排放的控制要求,是一種有效的VOCs排放過程控制手段。另外,這種方法在實際應用中,還能夠根據企業車間布局特點,設計適合具體情況的管控方案,獲得經濟、有效的治理效果。

參考文獻

【1】楊崢雄. 印刷包裝有機溶劑VOC處理方案探討[J]. 廣東包裝, 2009:57-57.

【2】 莊飛, 崔曉萌, 曹仁祥. 印刷原輔材料及其污染物排放控制方法與可行性初探[J]. 印刷質量與標準化, 2015(1):8-12.

【3】王瀟瀟. 印刷行業VOC治理的簡介與思考[J]. 廣東印刷, 2017(5).

【4】胡世明. 氣體釋放源的三維瞬態重氣擴散模型及數值研究[D]. 北京化工大學, 2000.

【5】劉曉倩. 基于CFD的絲網印刷工位毒物擴散模擬研究[D]. 首都經濟貿易大學, 2016.








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