软包印刷车间气流规划与无组织排放解决方案
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软包印刷车间气流规划与无组织排放解决方案

赵桐 西安理工大学


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既是光化学烟雾污染的重要前体物,在光照条件下能与氮氧化物发生光化学反应生成臭氧及其他光化学氧化物,同时也能参与大气中微细颗粒(PM2.5)的生成,是诱发雾霾天气的主要因素。印刷业由于使用了大量油墨、清洗剂、稀释剂、润版液、粘合剂等富VOCs的原、辅材料,是大气污染治理上必须面对的产业之一2。2015年8月29日,修订后的《大气污染防治法》将VOCs纳入防治范围,为VOCs综合治理提供了法律依据,将VOCs的污染治理划分为两个方面,一是源头控制,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、逸散及无组织排放状况的改善,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,减少无组织排放等。

本文面主要针对印刷车间气流规划与无组织排放管控方法及策略进行了分析和讨论,并以某企业软包印刷车间布局现状为例,制定了相应的无组织气流规划与排放管控方案,建立了车间无组织气流扩散数值仿真模型,对管控前后车间内的无组织VOCs气体浓度进行了比较,对方案的管控效果进行了定量评价。

2 无组织气流管控方法及策略

车间内无组织气流管控的基本策略主要是实现印刷车间内的人机分离和冷热分离。所谓人机分离就是对产生VOCs的区域和人工操作区域进行隔离,将挥发、逸散的无组织VOCs控制在没有人的封闭区域内,再导入印刷机排风管道,最终与有组织气流一起进入末端处理设施,如RTO等;而冷热分离主要是将印刷机回风加热部分与空调工作区域隔离,阻隔印刷机热风外溢,减小空调负荷。

以图1所示印刷车间为例,车间内放置四台印刷机,两两背靠背放置,印刷机操作通道3条,物流通道两条。对背靠背放置的两组印刷机分别加装保温隔断,实现产生VOCs的区域和人工操作区域、印刷机加热部分与空调工作区域的隔离,并通过隔断内的排风系统和隔断外的空调系统的控制,在隔断外通道区域形成+10Pa的正压区,隔断里面区域形成-5Pa的负压区。空调系统方面,如图2所示,可在车间两端通道上方和每台印刷机操作侧上方设置空调送风口,在车间两端通道下方靠墙的地面设置空调回风口;而隔断内可在印刷机油墨槽下部设置地排风抽气管,印刷机后部设置无组织气流抽气管。考虑空调节能问题,可从车间外部向隔断里面补充洁净的新风,该新风进口可设置在印刷机收料部位的隔断门垂直两侧,并形成对吹气帘,进一步阻隔VOCs外溢。

3 无组织气流管控案例

为验证上述无组织气流管控方法的实际效果,我们实地调研了某企业软包印刷车间布局现状。如图3所示,该车间面积24.6*24米,590.4m2;车间高度7.7(8.1)米。车间内共布置有①、②、③、④共4台印刷线,分别为8色,9色,8色和7色,减风增浓后各印刷线排风量依次为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

通过对该车间布局现状的分析,我们制定了相应的无组织气流规划与排放管控方案,并分别建立了车间无组织气流管控前、后的厂房结构模型。如图4(b)所示,将每条印刷线单独进行保温隔断,隔离印刷机与人工操作区域,阻隔VOCs外溢,减少车间溶剂味道。同时,考虑到企业改造成本,未增加空调系统和印刷机收料部位隔断门处的新风补充系统。车间内的新风仍全部由车间大门自由流入。同时,为补偿印刷线隔断后增加的隔断内排风压力损耗,保证印刷机排风量,在隔断区域上部开设了通风口。VOCs扩散数值仿真模型中各色组的溶剂挥发量和各印刷线排风量均按照车间实际工况设置,挥发源和排风口如图4所示。


4 无组VOCs散模拟与分析

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输运与扩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无组织VOCs扩散情况进行了数值模拟和分析4-5。如图5所示,为比较隔断前后车间内不同区域的VOCs浓度,分别截取了z=1.2m(手持VOCs测量仪高度)、y=4.5m(③-④号线中间区域)、y=9.8m(②-③号线中间区域)、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,隔断后车间内的无组织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)。

为实现对方案管控效果的定量评价,表1提取了隔断前后车间内各区域VOCs浓度及压差结果。如表1所示,对每条印刷线单独进行隔断后,人工操作区域最大VOCS浓度由隔断前的238.97mg/m3降低到隔断后的57.66mg/m3,达到了对车间内无组织气流的管控效果。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,进一步提高无组织气流的管控效果。

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浓度及压差变化

5 总结

隔断前后车间内无组织VOCs气流扩散的数值仿真结果表明,车间气流规划与无组织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、逸散的无组织VOCs控制在没有人的封闭区域内,达到了对车间内无组织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。

参考文献

【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扩散模型及数值研究[D]. 北京化工大学, 2000.

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








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