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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

近年来,大气污染状况与空气质量控制越来越受到国家、社会的重视和广泛关注。其中,挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,简称为VOCs)的排放与雾霾、酸雨等气象特征密切相关1。VOCs既是光化學煙霧汙染的重要前體物,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,是大氣汙染治理上必須面對的産業之一2。2015年8月29日,修訂後的《大氣汙染防治法》將VOCs納入防治範圍,爲VOCs綜合治理提供了法律依據,將VOCs的汙染治理劃分爲兩個方面,一是源頭控制,二是排放控制3

源头控制,主要是推行使用低 VOCs 或无 VOCs 的环保油墨、胶黏剂、清洗剂及润版液等材料,从工艺起始端开始减少VOCs的含量,达到减排目的。排放控制主要包含过程收集和末端处理两个环节。过程收集主要通过VOCs挥发、逸散及無組織排放状况的改善,营造出更复合末端处理设施工作要求的废气状态。过程收集可以采取的手段通常包括:密封原料供应系统,减少VOCs逸散;采取减风增浓技术,优化VOCs 风量浓度;通过生产车间气流规划,提高VOCs收集系统的捕集率,减少無組織排放等。

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,並以某企業軟包印刷車間布局現狀爲例,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,對管控前後車間內的無組織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産生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所示印刷車間爲例,車間內放置四台印刷機,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,實現産生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,並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,隔斷裏面區域形成-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台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牆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,印刷機後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裏面補充潔淨的新風,該新風進口可設置在印刷機收料部位的隔斷門垂直兩側,並形成對吹氣簾,進一步阻隔VOCs外溢。

3 無組織氣流管控案例

爲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台印刷線,分別爲8色,9色,8色和7色,減風增濃後各印刷線排風量依次爲5000、9000、3000及3000m3/h。印刷时使用溶剂主要为60%乙酸乙酯、40%正丙酯,溶剂挥发量平均每色组约合2.0kg/h;车间内新风主要由图3所示的车间大门自由流入,未配备空调系统。经过测量,该车间工作时车间内最大VOCs浓度约为160 ppm v/v,约合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,並分別建立了車間無組織氣流管控前、後的廠房結構模型。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,爲補償印刷線隔斷後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

基于上述车间结构模型,采用计算流体力学(CFD)仿真方法建立了能比较准确反映实际VOCs输运与擴散过程的三维数学模型,采用浮力修正的k-ε湍流模型和SIMPLE算法对隔断前后车间内無組織VOCs擴散情况进行了数值模拟和分析4-5。如圖5所示,爲比較隔斷前後車間內不同區域的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号线中间区域)四个平面的VOCs浓度分布情况进行了比较。比较结果如图6,7所示,与隔断前相比,隔断后车间内的無組織VOCs大部分被限制在了封闭隔断区域内,人工操作区域的VOCs浓度有显著降低。但也应该注意到的是,增加的隔断一定程度上减弱了车间内的空气流通性,造成车间内涡流增多,形成了局部流动死区,VOCs浓度相对较高(图7标注区域)。

爲實現對方案管控效果的定量評價,表1提取了隔斷前後車間內各區域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後,人工操作區域最大VOCS濃度由隔斷前的238.97mg/m3降低到隔斷後的57.66mg/m3,达到了对车间内無組織气流的管控效果。另外,在隔断区域上部开设通风口后,相同排风量条件下车间进、排风口压差无明显变化,避免了区域隔断后压力损耗的升高。后期可通过加装空调系统改善车间内流动均匀性,消除流动死区,进一步提高無組織气流的管控效果。

图7 VOCs浓度分布情况(由上至下依次为y=4.5m、y=9.8m、y=18.8m)

表1 隔断前后车间内各区域VOCS濃度及壓差變化

5 總結

隔断前后车间内無組織VOCs气流擴散的数值仿真结果表明,车间气流规划与無組織排放管控措施有效的减少了人工操作区域的VOCs浓度,将挥发、逸散的無組織VOCs控制在没有人的封闭区域内,达到了对车间内無組織VOCs排放的控制要求,是一种有效的VOCs排放过程控制手段。另外,这种方法在实际应用中,还能够根据企业车间布局特点,设计适合具体情况的管控方案,获得经济、有效的治理效果。

參考文獻

【1】杨峥雄. 印刷包装有机溶剂VOC处理方案探讨[J]. 广东包装, 2009:57-57.

【2】 庄飞, 崔晓萌, 曹仁祥. 印刷原辅材料及其污染物排放控制方法与可行性初探[J]. 印刷质量与标准化, 2015(1):8-12.

【3】王潇潇. 印刷行业VOC治理的简介与思考[J]. 广东印刷, 2017(5).

【4】胡世明. 气体释放源的三维瞬态重气擴散模型及数值研究[D]. 北京化工大学, 2000.

【5】刘晓倩. 基于CFD的丝网印刷工位毒物擴散模拟研究[D]. 首都经济贸易大学, 2016.








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