印刷行业VOCs排放特征与控制对策研究<br/>——以广东省某印刷企业为例

印刷行业VOCs排放特征与控制对策研究
——以广东省某印刷企业为例

2021-12-20程义君黄俊霖吴家浩

再生资源与循环经济 2021年11期

程义君，黄俊霖，吴家浩

（深圳中环博宏环境技术有限公司，广东深圳 518000）

印刷行业是推动我国文化传播和国民经济增长的重要产业部门，也是我国工业源挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）排放的重要贡献源[1]。2018年，我国印刷行业VOCs 排放量约1.39×106t，相比2010年增加46.4%，占全国VOCs 总排放量的11%[2，3]。VOCs 是O3形成的关键前体物，遇NOx 并经阳光照射氧化后可生成O3，在合适的气象条件下能形成光化学烟雾，进而降低大气能见度水平，并危害人体呼吸道健康[4，5]。2019年6月，生态环境部发布《重点行业挥发性有机物综合治理方案》（以下简称《方案》），《方案》明确提出包装印刷行业将是工业源VOCs 综合整治的重点。因此，控制印刷行业VOCs 排放已成为我国大气O3污染治理的重要抓手[6]。广东省作为我国工业生产大省，是工业产品重要的生产和出口基地，为包装印刷行业的发展奠定了坚实基础。“十三五”期间，广东省生态环境厅将VOCs 纳入大气污染物的总量控制指标，并积极推进包含印刷等重点行业的综合整治，表明印刷行业VOCs 排放管控已成为当地遏制O3污染趋势和打赢蓝天保卫战的关键举措。

为了解印刷行业目前的VOCs 排放特征与管控现状，笔者选取广东某沿海城市作为研究区域，调研印刷行业在产的典型代表企业，重点分析印刷行业原辅料使用现状、生产车间和末端设施的VOCs 排放特征，汇总VOCs 排放管控目前存在的主要问题，并从源头控制、过程管控、末端治理等全过程为印刷行业VOCs 无组织排放控制提供对策建议，以期为“十四五”时期提升该行业VOCs 治理水平提供科学指导和经验借鉴。

1 印刷行业产排污环节与原辅料使用概况

1.1 工艺流程与VOCs 产排环节

印刷生产一般包含印前、印刷和印后加工等3 个工艺过程。印前是指制版、金属制罐的涂布或成罐等工序；印刷是指油墨调配和输送、在机上光、烘干、橡皮布清洗、墨路清洗等工序；印后则指装订、表面装饰、包装成型等工序，其中装订工序包含精装、胶装、骑马订装，表面装饰工序包含覆膜、上光、烫箔、模切，包装成型工序涵盖胶黏剂、光油的调配和输送、复合、烘干、糊盒、制袋、装裱、裁切等。

印刷行业属典型的溶剂使用VOCs 排放源，VOCs排放源于油墨、胶黏剂、稀释剂、清洗剂、润版液、光油等溶剂的使用过程。印刷工艺流程中VOCs 主要产生于含VOCs 原辅材料（油墨、胶黏剂、光油等）的调配和输送，印刷、润版、烘干、清洗等工序及原辅材料贮存、危险废物贮存。其中，出版物、纸包装等的平版印刷工艺VOCs 主要来自于润版和清洗工序，塑料包装的凹版印刷工艺VOCs 主要来自于印刷和复合工序。

1.2 原辅料使用概况

为了解研究区印刷行业涉VOCs 原辅料的使用现状，笔者基于全国第二次污染源普查数据，筛选VOCs排放量大于3 t/a 的大型印刷企业作为研究对象。2020年8月详细调查2 家典型印刷企业代表的原辅料类型、原辅料主要成分及VOCs 含量、原辅料年度使用量及使用环节，各项数据记录如表1所示。

表1 大型印刷企业原辅料使用情况

从原辅料使用类型来看，虽然两家企业所使用的油墨基本已采用VOCs 含量低于1%的大豆油墨、水性油墨和UV 油墨进行替代，但未完全实现低挥发性源头替代。调配、润版、清洗等工艺环节均使用高含量VOCs 物料，稀释剂、润版液、清洗剂的VOCs 比例几乎为100%。不同种类的涉VOCs 原辅料使用比例分别是润版液（48.34%）>稀释剂（28.18%）>光油（15.67%）>溶剂油墨（2.28%）>胶黏剂（0.39%）。从涉VOCs 原辅料的用量差异来看，企业β（117.22 t/a）明显高于企业α（10.43 t/a），且企业β 投入生产的VOCs 质量以及VOCs年度排放量分别是企业α 的14.6 倍和6.3 倍。因此，高挥发性原辅料使用量大的企业应列入区域印刷行业VOCs 减排的首要控制对象。

2 印刷行业VOCs 排放特征

2.1 低效收集处理产生较高排放量

基于原辅料台账和产污环节实测数据的研究结果显示，使用溶剂型油墨、胶黏剂、光油的印刷工艺VOCs 产污浓度为100~5 000 mg/m3；尤其是烘干工序，VOCs 产污浓度是清洗、调配、上光、印刷的数十倍[7]，表明VOCs 含量高的原辅料在使用过程中遇热极易产生无组织逸散。为强化VOCs 的无组织排放控制，由生态环境部发布的《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822—2019）规定，VOCs 质量占比大于等于10%的含VOCs 产品在使用过程应保证VOCs 的密闭收集，即生产过程的无组织VOCs 需经管道密闭收集运输至末端处理设施，避免产生无组织逸散。现场调研发现，研究区两家印刷企业虽配置了废气收集设施，但距集气罩覆盖下方操作台面最远处的风速低于0.3 m/s，不满足GB 37822—2019 关于VOCs 废气收集系统集气罩的设置要求；且印刷车间未完全密闭，多个出入口处于敞开状态，不满足负压收集条件。根据北京市生态环境局发布的《挥发性有机物排污费征收细则》可知，VOCs 在非密闭空间区域内无组织排放但通过抽风设施排入处理设施，且采用外部集气罩作为废气收集系统的，其车间VOCs 收集效率为60%[8]。因此，本次调研企业的VOCs 实际收集效率低于60%，并存在明显的无组织排放现象。

废气收集效率和末端处理效率过低将可能造成溶剂使用型企业VOCs 排放量升高，进而增强区域在弱高压、副高压、台风外围等不利气象条件下的O3污染程度。从固定源排放口监测数据来看，企业α、企业β 的TVOCs 平均浓度水平分别为1.92 mg/m3、4.43 mg/m3，远低于《印刷行业挥发性有机物排放标准》（DB 44/815—2010）Ⅱ时段规定的最高允许排放浓度（120 mg/m3）；从末端处理现状来看，研究区印刷行业采用UV 光解+活性炭的末端工艺对VOCs 的平均去除率仅为25.2%，据此可推算出企业α、企业β 进入末端处理设施前的TVOCs 平均浓度也仅分别为2.57 mg/m3、5.92 mg/m3，同样满足（DB 44/815—2010）的排放要求。从末端设施运维状态来看，企业β 未按设计方案启用UV 光解设施，末端工艺对车间污染物无削减作用，且进入末端设施前的VOCs 浓度可能比推算结果要更低。而造成进入末端设施前的VOCs 浓度偏低主要原因在于使用大风量风机收集车间废气，工艺过程产生的VOCs 经大量空气混合稀释后导致末端设施的进气浓度大幅度减小。

因此，印刷行业的VOCs 排放管控不仅要重视低挥发性源头替代，还要强化生产及储存过程的无组织收集效率，同时要适当采取“减风增浓”措施，并结合高效处理工艺以提高末端处理效率，确保能稳定削减VOCs 的总量排放。

2.2 OVOCs 成为优先控制污染物

为确定研究区印刷行业VOCs 排放源成分谱，2020年8月针对上述2 家大型印刷企业固定源排放口采集了气袋样品和DNPH 样品，并根据《环境空气挥发性有机物的测定罐采样气相色谱-质谱法》（HJ 759—2015）和《环境空气醛、酮类化合物的测定高效液相色谱法》（HJ 683—2014）分别对气袋样品和DNPH样品进行VOCs 组分和OVOCs 组分分析，测试分析结果如图1所示。

从图1可知，乙醛、戊醛、己醛、甲醛、丙醛、二氯甲烷这6 种VOCs 是研究区印刷行业固定排放源的主要排放组分，合计共占TVOCs 的83.26%。尤其是乙醛和戊醛，质量浓度占比均超过15%。除甲苯、正戊烷、丁烯醛及上述6 种污染物外，其余组分占比之和不足4%。由于企业α 和企业β 所使用的润版液、清洗剂、光油含有烷烃、苯类等碳氢化合物，而UV 光解易产生醛类等不完全氧化的副产物[9]，从而导致废气排放口OVOCs 组分占比较高。

图1 印刷行业固定排放源VOCs 组分特征

从物种类别来看，2 家企业固定源VOCs 排放都是以OVOCs 所占比例最高，企业α 和企业β 的OVOCs 所占比例均超过80%。除OVOCs 外，因原辅料VOCs 种类含量及末端处理效率的差异，企业α 的烷烯烃类和芳香烃类占比分别达到或接近8%，卤代烃类仅1.14%；而企业β 的卤代烃类和烷烯烃类占比则分别有8.53%、4.05%，芳香烃类不足1%，如图2所示。谢轶嵩等[10]研究南京市印刷行业VOCs 排放特征发现，无论是平板印刷、凹版印刷亦或是凸版印刷工艺，其排放的VOCs 均以OVOCs 为主，占比介于36.01%~57.75%；王红利等[11]也证实包装印刷源排放的VOCs以OVOCs 贡献最大，占比可达85%；实际上主要是受水性原料替代和末端治理设施等控制政策的影响[12]。由于OVOCs 具备极高的光化学反应活性，可与大气对流层的OH·自由基及O3分子反应生成兼具极性和吸附性的二次气溶胶，并影响着大气能见度和辐射平衡[13]。因此，从排放角度考虑，研究区印刷行业VOCs治理应优先控制OVOCs。

图2 印刷行业固定排放源VOCs 物种类别与占比

3 印刷行业VOCs 排放控制对策

3.1 源头控制

在源头控制上，地方生态环境主管部门一方面可联合安全生产监督管理部门，对采购及使用涉VOCs原辅料的企业进行备案管理和重点监管；另一方面可组织专家或确定典型标杆企业对印刷行业开展低挥发性原辅料替代可行性的技术攻关，全面掌握该行业现有涉VOCs 工序采用低挥发性原辅料的技术可行性及经济可行性，进一步开展原辅料替代。此外，印刷行业协会还可通过积极推进四大通用工序（涂料、油墨、胶粘剂及清洗剂使用）低VOCs 替代示范项目，并以此为抓手，树立行业先进典型，推动VOCs 污染治理模式从“底线约束”向“先进带动”持续转变，实现VOCs 治理的“创新驱动”。

3.2 过程控制

在过程控制上，应遵循“应收尽收、分质收集”的原则，科学设计废气收集系统，将无组织排放转变为有组织排放进行控制，具体工艺过程的无组织排放控制应综合考虑以下4 个方面：一是使用溶剂型油墨的凹版、柔版印刷机宜采用封闭刮刀，或通过安装盖板、改变墨槽开口形状等减少供墨系统敞开液面，从而减少VOCs 的逸散；二是控制印刷单元（主要是供墨系统）环境温度，防止高温造成溶剂逸散速度增加，避免送风或吸风口正对墨盘，造成溶剂逸散速度增加；三是提高烘箱的密闭性，减少因烘箱漏风造成的无组织排放，并控制烘箱送、排风量，使烘箱内部保持微负压；四是优化印刷机清洗方式，墨槽、印版、墨桶等清洗应在密闭装置或密闭空间内进行，产生的废气应收集处理。清洗完成后，沾染有油墨或清洗剂的废抹布等应放入密闭容器，防止VOCs 逸散。

3.3 末端治理

在末端治理上，针对印刷行业单一低效的末端治理设施或组合工艺，从管理有效性来看，地方生态环境主管部门和环保产业协会应根据企业VOCs 治理设施的实际建设情况和运行效果来建设VOCs 治理设施单位库，减少企业的环保低效投资，规范VOCs 治理设施服务单位。从技术可行性来看，若生产车间收集的废气中非甲烷总烃初始排放速率≥3 kg/h，末端应配置废气处理设施，处理效率应大于80%。为降低OVOCs和TVOCs 排放量，对于中低浓度的溶剂型印刷工艺VOCs 治理可采用“旋转式分子筛吸附浓缩+RTO（Regenerative Thermal Oxidizer，蓄热式热氧化）”或“活性炭吸附/旋转式分子筛吸附浓缩+CO（Catalytic Oxidation，催化燃烧）”工艺，从而实现末端VOCs 的高效净化。