摘要：挥发性有机物（简称VOCs）的治理已经势在必行，而包装印刷行业VOCs的排放量占全国总排放量的9%，已成为“十三五”期间全国重点防治行业。本文详细介绍了包装印刷行业VOCs的排放现状以及现有的VOCs治理方法。
关键词：VOCs；包装印刷；治理方法
前言
改革开放以来，我国包装印刷行业随着经济的增长迅速崛起，中国逐渐成为继欧盟、美国、日本之后的第四大印刷市场。包装印刷企业的主要产品为各种印刷制品，在生产过程中大量使用彩色油墨和有机溶剂，油墨所用溶剂主要包括甲苯、二甲苯、丁酮、异丙醇、正丁酯、乙酸乙酯等低沸点挥发性有机物。据统计，有机溶剂通常占到了油墨总量的70%～80%，而在印刷产品干燥的过程中，这部分有机溶剂会挥发到大气中，产生大量的有机废气（Volatile Organic Compounds，简称VOCs）[1]。在2014年，印刷行业的VOCs排放量已超过100万吨。因此，包装印刷行业已然成为我国VOCs的主要排放源之一。我国对包装印刷行业已开始征收VOCs排污费。
VOCs 通常是指在常压下沸点低于260℃或标准状况下饱和蒸气压大于0.13 kPa 的有机化合物[2]，这类物质种类繁多，多数具有毒性[3]，且大多数VOCs 都具有回收价值。因此，VOCs 的大量排放不仅会对环境卫生和人体健康带来极大威胁，还会造成严重的资源浪费及经济损失。长期以来，我国废气治理的重点主要放在除尘、脱硫、脱硝上，VOCs 的治理技术发展缓慢。“十二五”规划以来，国家对VOCs 的治理日益重视，并明确指出“推进精细化工业有机废气污染治理，加强有机废气回收利用”。有权威机构估算，假设VOCs气体密度均为0.8g/L，VOCs在工业园区的潜在治理市场空间，至少将达到400～600亿元。其中，石油炼制行业所占市场空间最大，近200亿元、机械设备制造和印刷市场空间也达到100亿元。截至2015年，VOCs治理市场的已发生空间约为50亿元，主要集中在石油化工业以及印刷行业。到2020年，剩余市场空间约为500亿元，具有相当大的增长潜力。包装印刷业单位产值VOCs排放量非常高。因此，如何减少包装印刷业VOCs 的排放，同时有效回收这部分有机溶剂，最终实现经济效益和环境效益的双赢，已经成为包装印刷业的一项重要任务。
1包装印刷行业VOCs的源头控制
预防性源头控制措施，指通过更换印刷原材料、改进设备、对含VOCs废气收集、改进印刷工艺等方法，从源头控制VOCs废气的产生[4]。
1.1原材料控制
使用通过国家环境标志产品认证的环保型油墨、胶黏剂。例如，推广使用无苯油墨、水性油墨和紫外光固化（UV）油墨等。
无苯油墨是以聚氨醋为主体树脂的油墨，仅含有极少量的苯类溶剂，在油墨干燥后苯类溶剂的残留量可以忽略不计；水性油墨的特点是使用水作为溶剂，对环境污染小，对人体健康影响较小，是一种理想的环保油墨；紫外光固化（UV）油墨，在紫外光的照射下，油墨内含有的高分子树脂之间在光引发剂的作用下发生交联反应，油墨瞬间由液态变成固态，对外排放微量的VOCs[5]。
1.2含VOCs废气收集
对印刷原材料、半成品、成品的摆放环境，合理规划避免相互污染，改善车间的通风环境，以加速残留VOCs的挥发。印刷车间挥发的有机废气需经抽风系统集中抽排，车间应配备通风设备。
1.3设备改进
对于印刷车间废气的产生主要设备进行改进，设备产生的废气经过收集进入活性炭吸附装置后排入大气。
2包装印刷行业VOCs的末端治理
据了解，当前VOCs 的末端处理技术包含两类[6]，第一类是回收法，即采用物理方法将VOCs 回收；第二类是消除法，即通过生化反应将VOCs 氧化分解为无毒或低毒物质的破坏性方法。
具体方法上，前者包括冷凝法、吸附法、吸收法[7，8]。后者有燃烧法、生物法、膜技术、光催化降解和等离子技术[9，10]。中国工程院院士、中科院安徽光学精密机械研究所所长刘文清表示，这些现有方法，都存在一定的缺陷和不足。尤其是对于大风量、中低浓度VOCs，采用提纯分离方式，由于量大、污染物组分复杂，采用变压或变温吸附方法都需更多能耗。结合包装印刷行业有机废气的特点，单一的处理工艺很难达到有效治理废气的目标。
另外，大部分工业废气中的有机污染物含量，远超出空燃比（指混合气中空气与燃料间的质量比例。一般用每克燃料燃烧时所消耗的空气克数来表示）范围，直接用热力燃烧办法处理也行不通。“多种回收、销毁技术的组合发展，将是VOCs治理技术的发展潮流。”刘文清说。
2.1回收法
吸附法主要是利用固体吸附剂（如硅胶、分子筛、活性炭等）把排放废气中的有害组分吸附留在固体表面里，从而达到净化作用。吸附法常见于处理低浓度高通量的VOCs 废气，优点是去除率高，净化彻底，能耗低，工艺成熟。不仅如此，吸附法若与其他处理方法联用，既可防止环境污染，又能回收有用的物质，具有很好的环境和经济效益。缺点是处理设备庞大，流程复杂，当废气中含有胶粒物质或其他杂质时，吸附剂易失效。在现有的吸附剂中，活性炭性能最好，应用最广，去除效率通常可达95%以上。
吸收法主要是采用低挥发或不挥发液体为吸收剂，利用有机废气能与其互溶的特点，来吸收废气中的有害物质。该方法适用于浓度较高、温度较低和压力较大情况下气相污染物的处理，具有技术成熟，设计及操作经验丰富，适用性强的优点。但对于有机废气，由于其水溶性一般不好，应用不太普遍。另外，该法对吸收剂和吸收设备的要求通常较高，而且吸收剂需要定期更换，过程较复杂，费用较高。
冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一物理性质，采用降低系统温度或提高系统压力的方法，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并从废气中分离出来的过程，具有设备和操作条件简单，回收物质的纯度较高的优点。在生产过程中，冷凝法常常与压缩、吸附、吸收等过程组合应用，来回收有机废气中有用的组分，从而实现资源的重复利用，降低运行成本。
2.2消除法
燃烧法是目前应用比较广泛的有机废气治理方法，主要包括直接燃烧法和催化燃烧法。直接燃烧是将VOCs 当作燃料，通过热反应，将其转变为水和二氧化碳，去除效率可达95% 以上。催化燃烧法是在催化剂的作用下，使有机废气中的碳氢化合物在温度较低的条件下迅速氧化成水和二氧化碳。燃烧法主要适用于成分复杂、高浓度的VOCs 气体，具有效率高、处理彻底等优点。但若废气含有Cl、S、N 等元素，采用燃烧法会产生HCl、SOx、NOx等有害气体，造成二次污染。
生物法是利用微生物的新陈代谢对VOCs 进行生物降解的过程，主要适合于低浓度、大气量且宜生物降解的有机废气治理。生物法处理有机废气具有设备简单、运行费用低、操作简便、净化效率高、不产生二次污染物等优点。但生物法对有机废气的进气浓度和性质要求较高，同时对生物菌落和填料也提出了较高的要求，因此目前还未得到大量应用。
光催化是指利用光催化剂（如TiO2）氧化分解吸附在催化剂表面的VOCs 物质。合适的光催化剂能够在常温下将VOCs 完全氧化成无毒无害的物质，无二次污染，适合处理高浓度、气量大、稳定性强的有机废气。目前，光催化法在处理废水上已经得到了一些应用，但是由于其存在反应速度慢、光子效率低等的缺点，在VOCs 治理方面实例却不多。
上述两类方法中，回收法能够在污染控制的同时实现资源的循环利用，是一种更具有开发潜力的技术方法。然而，任何一种VOCs 回收处理技术本身都各有利弊，使用条件也有较大差异。例如，吸附法处理低浓度VOCs 效果虽好，但是对于高浓度废气的处理却可能存在热效应高、吸附剂堵塞或二次污染等问题：而冷凝法则更适宜于处理高浓度VOCs，对于低浓度废气的处理效果较差、设备成本较高。因此，为最大程度地实现低成本、高效率的VOCs 处理目的，需开发废气处理的集成工艺，将不同的VOCs 回收处理技术通过一定的方法组合起来，使之优势互补、各尽其用，以实现低成本和高成效的双赢。
3 包装印刷行业VOCs治理工程实例
根据国家环境保护部2016年12月12日发布的《国家先进污染防治技术目录（VOCs防治领域）》公告，技术目录第9条推广的防治技术，针对包装印刷行业特点，西安昱昌环境科技有限公司设计研发了旋翼式RTO。整个RTO设备将蓄热层分为12份，其中5份进VOC废气预热，相对应5份出净化气体回收热量，有一份为吹扫通道，另一份死区，通过分配阀体的旋转，不停切换进出风通道。图1-1为根据旋转翼旋转的蓄热层变化原理图，图1-2为旋翼式RTO工艺流程图。
特点：1、占地面积小；2、具有很高的热效率（达到95%以上）；3、低操作成本；4、VOCs 的分解效率99.5%以上；5、可低浓度高流量的处理废气；6、能够安全、连续运行无冲击。
结论：旋翼式RTO废气处理量大，处理VOCs成分相对复杂，处理效率高。
图1-1根据旋转翼旋转的蓄热层变化
图1-2 旋翼式RTO工艺流程图
4 昱昌RTO的VOCs技术路线
影响VOCs去除率的主要因素是 “三T”，即氧化温度（Temperature）、停留时间（Time）及混合程度（Turbulence）。影响热效率的因素是：气流速度、蓄热介质、蓄热介质体积和几何结构等。当RTO设备还没达到处理状态或停运时，废气可暂时通过旁通进入烟囱排放。为了环保节能，在RTO尾部可设置换热器，进行余热利用。
相对比目前市面上三种蓄热式氧化设备，其中旋转翼RTO具有以下特点：
1）净化效率高，净化效率可达99%以上，这是评价废气处理设备环保与否最重要的技术指标；
2）换热效率高达95%以上。内部采用高效先进的换热系统-蓄热陶瓷，热损失小。换热效率的高低直接影响热能的利用率高低，带来的直接影响是效率越高，天然气耗费越低，成本也就越低；
3）系统设备结构紧凑，相同要求下，旋转翼RTO占地面小，为客户节约厂区空间。采用先进的旋转分配阀技术，简化了相关结构，使得系统操作维修简单，操作费用低。
4）当废气浓度达到一定浓度时，系统可实现自供热运行，只需在开机时将炉体加热到800℃，就可以停止供应天然气，废气燃烧放出的热量足够弥补损失掉的热量，从而实现系统“自供热”运行。
对RTO系统设计来讲，其优化设计目标是提高VOC去除率和热利用效率。昱昌本着为客户生产高质量、安全性高、占地小、结构操作简单的设备，以及尽量降低客户使用过程中经营成本以及维修成本的心态，选择了旋转翼氧化设备RTO作为公司主要产品，来服务各行各业的客户。
同时，为适应各行业有机废气处理环境，昱昌在旋转翼RTO基础上做了一系列的改进以及适配，以多组合式处理方式达到给行业废气处理要求。
结论
包装印刷行业已成为我国VOCs污染治理重点行业，根据包装印刷行业VOCs废气的复杂特性，选择旋转式RTO能够达到高效节能的治理效果，净化效率达到99%以上，热效率达到95%以上，治理产物为CO2和H2O，不会对外界造成二次污染，完全能够符合国家或地方的VOCs排放标准。
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论文作者:王沛1,左磊1,彭聪2,任玲辉2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/7
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