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某印刷车间VOC废气处理系统设计

浏览:57 发表时间:2020-07-15 14:03:29

某印刷车间VOC废气处理系统设计

北京金合置地房地产开发有限公司

戴书健

北京华创朗润环境科技有限公司

韩志军

摘要 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。

关键词 印刷车间 挥发性有机化合物(VOC) 排放标准 三级净化 净化效率

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48 630 m2,建筑高度60 m,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33.1 m×24.0 m×9.3 m(长×宽×高),净面积为794.4 m2,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50 m。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98 000 m3/h,换气次数为13.3 h-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49 000 m3/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60 m。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4 900~24 500 m3/h之间,总排风量为9 800~49 000 m3/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

2.1 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[1]。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]

2.2 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(780 mm×540 mm),原材料年使用量、有害气体挥发比例[3]、有害气体年挥发量、有害气体挥发速率(按一年365 d,印刷机每天累计工作时间8 h计算)、有害气体初始浓度如表1所示。

表1 有害气体参数

原材料年使用量/(t/a)有害气体挥发比例/%有害气体年挥发量/(t/a)有害气体挥发速率/(kg/h)有害气体初始质量浓度/(mg/m3)油墨963028.809.861 006.43润版液16203.201.10111.83清洗剂12172.040.7071.29总计12434.0411.661 189.55

2.3 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DB 11/1201—2015《印刷业挥发性有机物排放标准》,排气筒高度不低于15 m,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

Ι时段Ⅱ时段苯0.50.5甲苯与二甲苯合计1510非甲烷总烃(NMHC)5030

按DB 11/1201—2015《印刷业挥发性有机物排放标准》Ⅱ时段NMHC限值30 mg/m3的要求,总净化效率ηz≥97.48%((1 189.55 mg/m3-30 mg/m3)÷1 189.55 mg/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1 500 mg/m3以内。

表3 设计净化效率和排放浓度

处理前质量浓度/(mg/m3)排放标准/(mg/m3)设计总净化效率/%排放质量浓度/(mg/m3)非甲烷总烃1 189.55309823.79苯0.5≤0.5甲苯与二甲苯合计10≤10

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(gas zero 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[4]。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49 000 m3/h(2套,见图1),第二级设计VOC气体净化效率η2=60%。

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(2 500 mm×600 mm),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%。

表4 SOT废气净化机参数

型号SOTs-Ⅲ-49K处理风量/(m3/h)49 000总功率/kW25主体尺寸/mm2 000×1 800×2 000(长×宽×高)风口尺寸/mm1 000×800(宽×高)电源交流,380×(1±5%)V,50 Hz

排气筒VOC气体设计总净化效率ηsz=[1-(1-η1)(1-η2)(1-η3)]=98%。

4 三级净化工艺特点

4.1 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1 050 mm×750 mm,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)。

4.2 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。

4.3 第三级

4.3.1 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)。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。

图2 流化床浓缩反应器FBCR工作原理

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。

4.3.2 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1 000 m3/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。

表5 国内外常用的反应器

固定床转轮流化床结构形式多层型双罐或多罐旋转轮流化反应器占地面积占地面积大,多个罐可根据工况设计占地面积小,规格是特定的占地面积小,尺寸和外形是灵活的、可调的工作方式间歇工作,吸附饱和后必须停下来进行脱附连续工作连续工作工作模式吸附、脱附在同一个反应器逆向完成,即吸附和脱附不能同时进行脱附区、冷却区和吸附区是设定的,随着轮子的旋转交替进行吸附室和脱附室独立,可同时进行,互不干扰脱附方法热蒸汽或热空气,升温脱附热蒸汽或热空气微波或红外升温+变压脱附组合脱附时间吸附∶脱附=2∶1短,同步短,同步脱附能耗非常高高低脱附气量气量大为初始气量的1/15~1/10仅为初始气量的1%~2%燃烧装置配大气量燃烧炉配中气量燃烧炉配小气量燃烧炉

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60 m)。

表6 检测报告

标干废气量/(m3/h)排放质量浓度/(mg/m3)排放速率/(kg/h)净化效率/%苯28 652<1.5×10-330甲苯28 652<1.5×10-30.5二甲苯28 652<1.5×10-310非甲烷总烃28 6520.560.01695.7

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。


更多废气处理设备工艺资讯: 广东催化燃烧


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