摘要： 挥发性有机物(VOCs)具有来源广泛、成分复杂、不稳定的特点.因此,依据净化效率高、投资和运行成本低廉的原则,通过多种技术优化集成,可实现VOCs达标排放.介绍了VOCs治理技术的应用范围及优缺点.以上海某印刷厂为例,其主要废气成分为苯、甲苯、二甲苯,针对其含尘特点,设计了一套"喷淋洗涤吸收+紫外光解氧化+水相雾化吸收"组合工艺,经调试运行,该厂的有机废气处理后远低于上海市地方标准《印刷业大气污染物排放标准》(DB 31/872—2015)中规定限值。
目前,包装印刷工艺主要有平版印刷、凸版印刷、凹版印刷、丝网印刷以及数字印刷等,不同印刷工艺的挥发性有机物VOCs来源和排放方式基本相同 。调配油墨过程中溶剂的挥发、印刷过程中溶剂的挥发、烘干过程中溶剂的挥发、复合过程以及清洗过程中均会产生大量的VOCs,据统计有机溶剂通常占到了油墨总量的70% ~ 80% ,其主要成分为醇、酯、醚、酮、芳香烃等有机物。这些有机废气排放到环境中会导致大气中的某些污染因子含量严重超标,一方面会给企业造成巨大的溶剂浪费,另一方面也会造成严重的环境污染,危害人类健康。印刷行业产生的废气中含有一定的颗粒物,具有浓度低、风量大的特点,而且印刷废气已经成为大气中VOCs的主要来源之一 。针对印刷废气这些特点,设计一套既经济又合理废气处理工艺成为当前的一项重要任务。
1 印刷废气治理技术
印刷废气治理技术主要划分为分解技术和回收技术两大类,分解技术就是将有机物彻底分解为二氧化碳和水,主要有直接燃烧、催化燃烧、蓄热燃烧、生物法、光氧化、光催化等技术] ;回收技术就是通过一定的条件对有机废气进行分离回收,主要有吸附、吸收、冷凝、膜分离等技术 。表1 对以上各种技术的应用范围及特点进行了总结,对于废气的来源广泛、成分复杂、不稳定的特点,采用某一种单一技术很难达到处理要求,需要多种技术联用。
2 工程案例
2.1 项目概况
上海某印刷厂在生产过程中会用到两台糊箱机和三台印刷机,会使用大量的胶水和水性油墨,由此产生大量含细小粉尘颗粒物的VOCs,根据其原料检测报告结果分析可知,该印刷厂产生的VOCs 成分主要是苯、甲苯、二甲苯等。且该印刷厂拥有自己的污水处理站。
2.2 工艺介绍
该项目主要根据废气的特点,考虑了处理效果、成本等各种因素,主流工艺采用吸收和紫外光解技术,即含有细小粉尘颗粒物的VOCs,经过喷淋洗涤吸收后满足紫外光解条件,而且定期更换的吸收液可以直接利用该厂的污水处理站进行处理,具体的工艺流程为:喷淋洗涤吸收+ 紫外光解氧化+ 水相雾化吸收。该厂印刷废气治理的具体工艺流程见图1。本工艺处理系统主要由喷淋塔、紫外光解氧化装置、气雾分离器、雾化吸收装置、风机、风管、控制系统以及烟囱等组成。
2.3 工艺原理
2.3.1 吸收法 吸收利用的是较难挥发的溶剂与气体充分接触,根据不同气体在溶剂中不同溶解度或化学反应特性差异进行分离,从而达到净化气体的目的。按吸收原理可以划分为物理吸收和化学吸收,大多数情况下,VOCs 的吸收是物理吸收。针对不同的废气特点,吸收剂的选择至关重要,主要考虑以下几个因素:绿色环保、安全性高、对气体有较高的可溶性、较低的挥发性、较低粘度、原料易得且廉价、对吸收设备腐蚀性小等。化学吸收中的吸收剂一般较难选择,而且价格相对比较昂贵,所以选择物理吸收。在实际应用中,任何一种吸收剂都不可能达到上面所有要求,只有尽可能选择合适的吸收剂。水是一种最廉价、绿色环保、安全性高、易获取的理想吸收剂 。
吸收法主要用来处理大风量、低浓度、高湿度的VOCs处理效率高达95% ~98% ,现在该技术相对而言比较成熟,而且工艺比较简单,设备占地面积比较小,操作起来比较容易,成本比较低廉,具有广阔的应用前景。
2.3.2 紫外光解法 紫外光解法是一种新兴VOCs治理技术,其利用高能紫外线的照射,分子吸收光子而成为激发态,当激发态分子能量高于化学键能时,从而致使化学键断裂而发生多种光化学反应,一部分VOCs分子直接分解为二氧化碳和水;同时,空气经过高能紫外线的照射,其中的氧气和水分子会激发为臭氧和羟基自由基等强氧化剂,再利用这些强氧化剂对VOCs进行彻底的氧化分解。
根据波长,紫外线可以划分为4 个波段:①UVA波段,即长波黑斑效应紫外线,波长320 ~ 400 nm;②UVB波段,即中波红斑效应紫外线,波长275~320nm;③UVC波段,即短波灭菌紫外线,波长200~275nm;④UVD 波段,即真空紫外线,波长100~200 nm 。VOCs处理中利用的是UVD波段的紫外线激发出的臭氧和羟基自由基,其能断开大部分化学键,即能够降解大多数VOCs。
与传统VOCs治理技术相比,紫外光解法具有无可比拟的优点,其可以在常温常压下,不需要特定的加热、加湿处理,就能够断开大部分的化学键,而且反应过程快速高效、安全性高、成本低廉,其在VOCs治理行业占据重要地位 。
2.4 工艺特点
2.4.1 印刷废气收集系统 五台设备的污染点源以及有VOCs挥发处均采用软帘进行围合,在其上方设置集气罩进行收集,各集气罩收集的印刷废气统一接入主管道,主管道最终接入废气处理系统。
2.4.2 印刷废气处理系统 收集后的印刷废气进
入喷淋塔,喷淋塔采用旋流板塔,在旋流板塔径向进风管内设有第一级喷淋区,印刷废气在第一级喷淋区与吸收剂充分接触,然后气流由旋流塔的中下部均匀上升,进入第二级高密度洗涤喷淋区,在废气均匀穿过气液分布核心区域时,其表面的水膜会产生大量的液沫,为印刷废气和循环水提供了巨大的接触面积,达到高效去除印刷废气中颗粒物和部分水溶性有机物的目的。在此过程中,循环水需要定期排入该厂污水处理站进行更换。废气经过塔顶的除雾脱水装置和后端的气雾分离器,可以大大降低洗涤后印刷废气的湿度,而且还可以保证后续紫外光解对气体湿度的要求。
喷淋洗涤后的印刷废气经过两重气雾分离之后,印刷废气中的颗粒物和部分可溶性有机气体都得到去除,印刷废气的浓度和湿度均达到紫外光解的处理条件。印刷废气进入紫外光解装置中,在185 nm 波长紫外光照射下,激发产生臭氧和羟基自由基等强氧化性基团,利用这些强氧化性基团对印刷废气中的苯、甲苯、二甲苯等有机物气体进行氧化,使其氧化分解为二氧化碳和水。
经过紫外光解处理后的印刷废气中会有少量水溶性小分子生成及臭氧残留,经过后续的高效雾化吸收装置可以将这些水溶性小分子和残留臭氧吸收,而且在此过程中产生的吸收液可以进入喷淋阶段的循环池中,供喷淋塔洗涤使用。经过高效雾化吸收的印刷废气基本得到完全净化,但印刷废气的湿度比较大,再次经过气雾分离器,会使印刷废气的含水率大大降低,最后通过烟囱达标排放。
2.5 运行结果
项目经过调试正常运行后,对进出口的非甲烷总烃指标进行检测,检测数据由第三方检测机构提供,处理前后印刷废气中非甲烷总烃浓度见表2。除此之外,还对出口的苯、甲苯、二甲苯指标进行了检测,主要挥发性有机物监测值见表3,其出口的印刷废气污染因子浓度低于上海市地方标准《印刷业大气污染物排放标准》(DB 31/872—2015)中的限值。
由表2、表3非甲烷总烃和主要挥发性有机物监测值可知,该套“喷淋洗涤吸收+ 紫外光解氧化+ 水相雾化吸收” 印刷废气处理系统对非甲烷总烃的去除效率为93.97%以上,对苯、甲苯、二甲苯几乎可以完全去除,对颗粒物的去除也满足排放标准。总之,针对该印刷厂废气成分及特点,设计的这套处理组合工艺可以实现该印刷厂有机废气的达标排放。
3 结论
(1)该套“喷淋洗涤吸收+ 紫外光解氧化+ 水相雾化吸收” 废气处理系统的喷淋洗涤工艺对印刷废气进行初步净化处理,使其满足紫外光解降解废气的条件,可以更高效地降解废气,最后经过气相雾化吸收工艺,废气可以得到彻底净化,而且在气相雾化吸收工艺中产生的吸收液可以进入循环水池供给喷淋洗涤工艺的运行,循环水池中的吸收液可以定期排入该印刷厂自有的污水处理站进行更新,3 个阶段的处理工艺相辅相成,可以对印刷废气进行彻底降解。
(2)该套废气处理系统不需要昂贵的药品,仅需使用廉价易得的水资源作为吸收液,而且整套工艺流程简单、风阻小、无大功率装置、耗电量小,极大降低了设备投资和运行费用。
(3)该套废气处理系统适用于大风量、低浓度的有机废气,对于污染物种类相同的其他行业废气的治理具有可复制的参考价值。
