包装印刷行业挥发性有机物控制技术评估与筛选

发布时间：2022-04-20

　　摘要: 挥发性有机物( volatile organic compounds，VOCs) 是造成我国城市大气污染的主要因素之一，包括包装印刷行业活动等在内的工业源是 VOCs 污染的重要来源. 工业源的治理技术众多，如何选择合适的治理技术是面临的主要问题. 本文在包装印刷行业 VOCs 排放特点及现有治理技术的研究基础上，针对包装印刷行业中典型的复合膜干复工艺 VOCs 排放与治理，以层次分析法为模型，构建该行业 VOCs 控制技术评估体系，对包装印刷行业现有治理技术进行综合评估，筛选出最佳可行控制技术，为包装印刷行业 VOCs 减排控制提供了技术支持. 结果表明，包括吸附回收和热力焚烧在内的 7 种技术，其技术优先顺序为: 碳纤维吸脱附 > 颗粒炭吸脱附 > 直接燃烧 > 蓄热燃烧 > 催化燃烧 > 转轮浓缩燃烧 > 活性炭浓缩燃烧，其中碳纤维吸脱附技术综合评估权重较高，为最优控制技术.

　　关键词: 包装印刷; 挥发性有机物; 排放控制; 层次分析法; 技术评估

　　挥 发 性 有 机 物 ( volatile organic compounds， VOCs) 是 指 在 20℃ 条件下蒸气压大于或等于 0. 01 kPa，或者特定适用条件下具有相应挥发性的全部有机化合物的统称[1]. VOCs 不仅对大气环境造成影响[2 ～ 4]，还对人体健康产生潜在的危害[5 ～ 7]，与二氧化硫，氮氧化物和颗粒物一起被列为重要的大气污染防控物[8].

　　目前，VOCs 的防控有多种途径，利用治理技术对源排放的 VOCs 进行直接处理是最为直接和有效的手段之一，也是我国目前 VOCs 治理工作的重点之一. VOCs 治理技术整体而言可以分为回收技术和销毁技术，前者包括活性炭吸脱附、溶剂吸收、冷凝法等回收技术，后者包括燃烧法、等离子体、生物法，以及吸附浓缩-燃烧等组合技术. 每个技术都有自己的特点，应用对象和应用范围不尽相同，而 VOCs 工业源众多，排放特点也截然不同，这就为技术的选择带来了一定的困难. 以往的技术选择和推荐多偏重于技术治理设备的经济成本等因素，选择缺乏科学性和综合性，导致相当一部分治理效果并不理想.

　　为正确选择治理技术，从而有效控制行业 VOCs 排放，有必要针对具体行业，进行现有治理技术的包括技术、经济和环境影响在内的综合评估，推荐行业最佳可行技术. 包装印刷行业是目前挥发性有机污染物 VOCs 排放的重要来源，本研究将以包装印刷行业为例，建立技术评估指标体系，以层次分析法为数学模型分析包装印刷行业治理技术实际减排效果，进行现有治理技术综合评估，以期为包装印刷行业 VOCs 减排控制提供技术支持.

　　1 材料与方法

　　1. 1 评估方法

　　层次分析法( analytic hierarchy process，AHP) 是美国运筹学家 Saaty 教授于 70 年代初期提出，在安全科学、环境科学等领域得到了广泛应用[9]. 层次分析法将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备选方案的顺序分解为不同的层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再通过加权和的方法递阶归并各备择方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案. 其基本步骤主要包括[10]: ①建立包括目标层、准则层、方案层这 3 个层次的层次结构模型. ②构造比对矩阵. ③计算单排序权向量并做一致性检验. ④计算结果输出. 根据总排序权向量表示的结果进行决策.

　　1. 2 评估技术路线

　　由于行业 VOCs 排放情况不同，现有的 VOCs 治理技术也具有一定的适用范围和局限性. 因此，必须根据行业 VOCs 污染排放特征和具体污染物理化性质，来对技术进行初步的筛选，然后再收集相关技术在行业的具体应用参数和利用层次模型进行综合分析，根据得分高低来推荐相应的治理技术，其流程包括以下主要步骤.

　　( 1) 获取行业排放背景资料 通过资料、文献调研或实地多次检测，获得包括排放环节、排放参数、排放浓度、污染组成等参数，调研并确认现有所有可用的治理技术.

　　( 2) 技术初选与剔除 根据污染排放特征参数如风量、温度和污染物理化性质和技术适用对象、范围，进行初步判断，剔除不可行技术.

　　( 3) 剩余技术综合分析评估 利用层次因子法构建评估模型，建立权重评估机制，依技术、经济、环境三方面进行评估.

　　( 4) 最佳可行技术选择 根据得分( 权重) 高低，结合实际情况，来决定行业最佳实用技术.

　　2 结果与分析

　　2. 1 行业 VOCs 排放背景综合研究

　　2. 1. 1 行业 VOCs 排放特征

　　目前全国包装印刷企业为 4. 3 万余家，占印刷企业总数 40% ～ 45% ，工业生产总值超1 500亿元，占全国印刷工业总值的 33% 左右，是整个印刷行业中比重最大、发展最快的一个部门. 其中纸类印刷约占 40% ，塑料印刷 30% ，金属印刷 25% . 其他类包装印刷约 5% . 企业主要分布在华东、华南、西南和大连、武汉等地区. 由于水性油墨色彩和光泽度等不如溶剂型油墨，因此大多数企业仍使用高 VOCs 含量的溶剂型油墨，仅有少数企业使用了低 VOCs 含量的水溶性和 UV 油墨. 不同印刷工艺/方式所使用的油墨和排放的 VOCs 如表 1 所示.

　　2. 1. 2 排放节点

　　以最为常见的塑料软包装印刷行业为例. 塑料包装印刷泛指以塑料为基材的特种印刷工艺，工艺过程包括制板、吹塑、预处理、印刷、复合、分切、热封、制袋等过程. 塑料包装印刷生产工艺如图1 所示.

　　印刷、烘干以及印后加工( 复合) 工序是产生 VOCs 的重要环节，印刷过程中使用的油墨含有有机溶剂，同时，使用的润版液也常用有机溶剂作为添加剂. 塑料薄膜印刷后，使用黏合剂复合的过程中，由于黏合剂使用了稀释剂( 常用乙酸乙酯) ，会在复合 和烘干过程中有VOCs排放. 其主要污染物是苯类化合物( 苯、甲苯、二甲苯) ，酮类化合物( 丙酮、异丙酮、甲乙酮) ，醇类化合物( 异丙醇、丁醇) 和脂类化合物( 一般为乙酸乙酯) 等.

　　2. 1. 3 治理技术发展调查研究

　　目前国内外的处理技术主要包括回收和降解技术[11，12]. 常见的回收技术主要有吸附[13 ～ 15]、冷凝及 膜 分 离 等[16，17]. 常见的销毁技术主 要有燃烧[18 ～ 20]、等离子体[21]、光催化降解[22]和生物降解等[23，24].

　　2. 2 技术评估

　　根据技术评估路线，本部分将给出包装印刷行业排放量显著的复合膜干复工艺的 VOCs 治理最佳可行技术筛选评估过程.

　　( 1) 复合膜干复工艺排放与治理背景，排放特性如表 2 所示.

　　由于排放废气中主要成分为乙酸乙酯，还含有少量的醇类，苯系物和酮类含量更低，并且在所有检测点检测时都能检到，怀疑其来自附近的其它污染源. 因此，排放废气近似认为是乙酸乙酯.

　　目前用于干复机废气治理的现有 VOCs 治理技术主要有: 水洗、冷凝、颗粒炭吸脱附回收、碳纤维吸脱附回收、活性炭浓缩燃烧、分子筛转轮浓缩燃烧、直接燃烧、蓄热燃烧、催化燃烧、生物滤池、生物滴滤塔、低温等离子体. 在此需要说明的是引风稀释和不采取任何措施不考虑作为治理技术.

　　( 2) 技术的初步筛选与剔除

　　对不能满足干复工艺条件下废气治理的技术，进行初步的筛选与剔除，结果如表 3 所示.

　　因此，在对治理技术进行剔除后，去掉因为污染物本身物化性质和排放浓度、风量而不太合适的技术外，剩下的技术基本上是吸附回收技术、热力焚化技术和两者的组合技术.

　　( 3) 利用 AHP 数学模型进行剩余技术的综合分析评价

　　根据 AHP 分析法计算步骤，根据已有的 VOCs 技术评估指标体系，首先构造 AHP 评价所需的层次结构模型，结果如图 2 所示.

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　　借助于 1 ～ 9 标度参考专家赋值结果[25]，并结合数据收集对已有的评价指标构造判断矩阵. 为了 确定合理的权重值，需对每个判断矩阵进行一致性检验，下面以准则层( 一级指标: 技术层、经济层和环境影响，分别标记为 B1、B2、B3 ) 为例来说明构造判断矩阵( 表 4) .

　　经过计算，求得最大特征根 λmax = 3. 064 9，相应的特征向量 W = ( 0. 279 0，0. 649 1，0. 071 9) ，其中 3 个分量即为准则层 B 中3 个元素 B1、B2、B3 的权重值.

　　查找随机一致性指标 Ri，当 n = 3 时，Ri = 0. 58，则一致性比率 Cr = Ci /Ri = 0. 055 < 0. 1，由此可得该矩阵具有满意一致性，W 中的权重值可以应用.

　　同理，对其他各层次因素依其重要性构造判断矩阵，并检验其一致性，最终确定其权值. 经计算，技术综合评价层次结构模型中具体指标对目标层的权重见表 5.

　　3 讨论

　　由表 6 可知，包括吸附回收和热力焚烧在内的 7 种具体技术，根据综合评价结果，其权重优先顺序为: 碳纤维吸脱附 > 颗粒炭吸脱附 > 直接燃烧 > 蓄热燃烧 > 催化燃烧 > 转轮浓缩燃烧 > 活性炭浓缩燃烧. 碳纤维吸脱附技术由于碳纤维具有比表面积大 ( 1 300 ～ 1 500 m2 ·g - 1 ) 、资源回收效率高、污染轻等优点，综合评估权重较高，为最优控制技术，但由于碳纤维价格昂贵，以及运行阻力等因素，导致其一次投资和运行维护成本较高，因此，企业在预算资金不足的情况下，可考虑次优技术———颗粒炭吸脱附，其具有一次投资和运行成本较低等优点，但其存在一定的污染，需注意预防运行过程中可能的安全隐患. 对于浓缩燃烧技术来说，虽然其在理论上可以应用于干复工艺废气治理，但由于该污染排放属于中等浓度排放，并且具有较高的回收价值，而浓缩燃烧技术主要针对的是低浓度、无回收价值的废气处理，并且成本较高，因此在干复工艺排放废气治理技术评估中得分最为靠后. 此外，从各指标得分权重值可以看出，如果说只考虑污染物的去除，直接燃烧虽然其能耗最高，但综合考虑各方面因素，最为可行，颗粒炭吸脱附反而最差，研究分析表明技术评估可从各个因素出发考虑，并根据侧重点不同，而推荐不同的治理技术.

　　4 结论

　　本研究利用 AHP 层次分析模型，结合现有资料，对包装印刷行业挥发性有机物的排放治理技术进行了包括技术、经济和环境方面的综合评估分析，并根据评估结果，推断出活性碳纤维作为最佳实用技术. 从实际应用角度出发，此结论较为合理.因此，在建立综合评估指标体系的基础上，结合技术资料收集和 AHP 模型，可为行业挥发性有机物的治理技术筛选提供有力的科学支撑.——论文作者：王海林1，2 ，王俊慧1 ，祝春蕾3 ，聂磊2 ，郝郑平1*

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