Пример из практики · Снижение содержания летучих органических соединений
Как специализированный производитель жидкой упаковки, обрабатывающий 60 000 м³/ч отходящих газов печатного станка, достиг эффективности уничтожения летучих органических соединений (ЛОС) >991 ТП3Т и непрерывной 6-летней работы без серьезных поломок — благодаря внедрению трехкамерного регенеративного термического окислителя (РТО) с керамическим теплоаккумулирующим слоем, управлением вентилятором с регулируемой частотой, мониторингом концентрации НПВ и интегрированной системой управления технологическим процессом DCS, адаптированной для изменяющегося состава чернил и условий печати высокоскоростной флексографической печати.
Трехкомнатная квартира в многоквартирном доме (RTO)
95%+ Тепловое восстановление
Флексографическая / Глубокая печать
Вентилятор с регулируемой частотой
01 — Информация об отрасли
Проблема летучих органических соединений в полиграфической промышленности: переменные составы красок, переменная скорость печати и легковоспламеняющиеся смеси растворителей.
Печатная упаковка является важной составляющей глобальных цепочек поставок потребительских товаров. Полиграфическая и упаковочная промышленность использует большие объемы чернил и покрытий на основе растворителей в высокоскоростных процессах печати — флексографической печати для гибкой упаковки, глубокой печати для пищевой упаковки и офсетной печати для коммерческих целей. Во время печати и сразу после нее, на этапе сушки чернил, органические растворители в составе чернил испаряются и должны быть уловлены и обработаны перед выбросом в атмосферу.
Выбросы летучих органических соединений (ЛОС) при печати обладают рядом характеристик, которые отличают их от других источников ЛОС в промышленности и определяют инженерные требования к любой системе очистки:
- Переменная концентрация летучих органических соединений: Состав чернил варьируется в зависимости от печатного задания (разные цвета, разные материалы, разные поставщики чернил). Концентрация летучих органических соединений (ЛОС) в экстракте сушильной печи меняется от задания к заданию и даже внутри одного задания по мере изменения цветовой насыщенности. Система обработки должна надежно справляться с этой изменчивостью, не допуская превышения допустимых концентраций или создания небезопасных условий эксплуатации.
- Воспламеняющиеся смеси растворителей: В качестве растворителей для печати используются сложные эфиры (этилацетат, бутилацетат), кетоны (метилэтилкетон, метилбутилкетон), спирты (изопропанол, этанол) и углеводороды (толуол в некоторых устаревших технологиях). При высоких температурах сушильных печей или в плохо вентилируемых помещениях они образуют взрывоопасные паровоздушные смеси. Контроль нижнего предела взрывоопасности (НПВ) и контроль разбавления являются обязательными требованиями безопасности, а не дополнительными инженерными решениями.
- Высокий объем воздушного потока при низкой концентрации летучих органических соединений: Для обеспечения пожарной безопасности при печати в сушильных печах необходимы большие потоки разбавляющего воздуха для поддержания концентрации паров растворителя значительно ниже нижнего предела взрываемости (НПВ). Это приводит к образованию большого объема воздуха с низкой концентрацией летучих органических соединений (ЛОС), который необходимо очищать. Сочетание большого объема и низкой концентрации делает рекуперацию (конденсацию или адсорбцию) менее привлекательной, чем термическое окисление, для большинства применений в полиграфии.
- Регулируемая скорость потока: При запуске, остановке, смене заданий или изменении скорости печатных станков изменяются как объем воздушного потока, так и концентрация летучих органических соединений (ЛОС). Система обработки должна обеспечивать стабильную работу и соответствие требованиям во всем диапазоне рабочих параметров, включая переходные процессы.
Предприятие, рассматриваемое в данном тематическом исследовании, является специализированным производителем упаковки для жидкостей, выпускающим пластиковые контейнеры, изготовленные методом выдувного формования, тонкопленочные упаковочные изделия и гибкие упаковочные контейнеры. Его производственная база включает 8 американских линий выдувного формования, 5 автоматических печатных линий, 1 американскую линию глубокой печати, 1 линию производства полистироловой пленки (2 потока), 15 линий производства бумажных стаканчиков и 15 линий производства полистирола. Основная продукция включает трехслойные композитные пленки для упаковки жидкостей, пятислойные пленки из поливинилдифторида (ПВДХ), термоусадочные пленки, стаканчики для свежего молока, этикеточную бумагу и лотки из полистирола для упаковки в условиях холодовой цепи, а также конденсаторные трубки. В процессе печати образуется 60 000 м³/ч летучих органических соединений (ЛОС), которые требуют очистки перед сбросом.
02 — Профиль загрязнения
Выбросы отработанных газов при сушке при печати: 4000 мг/Нм³ общего содержания летучих органических соединений, сложная смесь растворителей, низкий порог НПВ.
Сточные воды печатных машин собираются со скоростью 60 000 м³/ч (в стандартных условиях) со всех действующих печатных линий. Стандартный объем составляет 60 000 Нм³/ч; объем в промышленном процессе — 68 786 Нм³/ч. Газ выходит из сушильных печей при температуре приблизительно 40 °C. Содержание кислорода составляет 211 ТТ3Т (фактическое), что подтверждает, что это, по сути, атмосферный воздух с примесью паров растворителя.
Профиль летучих органических соединений (ЛОС) представляет собой сложную смесь, отражающую разнообразие печатных красок, используемых в различных типах печатных машин и при выполнении различных печатных работ. Общее содержание неметановых ЛОС (НМСО) составляет приблизительно 4000 мг/Нм³ при максимальном покрытии краской (пиковая концентрация). Концентрации отдельных регулируемых соединений и их предельные значения на выходе в соответствии с применимым отраслевым стандартом для загрязняющих веществ в воздухе полиграфической промышленности составляют: бензол ≤1 мг/Нм³; толуол ≤3 мг/Нм³; ксилол ≤12 мг/Нм³; общее содержание неметановых углеводородов (НМСО) ≤50 мг/Нм³. Фактические концентрации ЛОС на выходе после обработки составляют: бензол 0,1 мг/Нм³; толуол 2 мг/Нм³; ксилол 6 мг/Нм³; NMHC 18 мг/Нм³ — все показатели существенно ниже соответствующих пределов, что отражает эффективность разрушения ЛОС трехслойной установки RTO (>99%).
В соответствии с директивой ЕС о выбросах растворителей и постановлением Нидерландов о деятельности (рамки директивы о выбросах растворителей, теперь включенные в главу V директивы ЕС 2010/75/ЕС), полиграфический сектор регулируется как деятельность по нанесению поверхностных покрытий, при этом предельные значения выбросов летучих органических соединений (ЛОС) установлены на уровне 20 мг/Нм³ общего углеродного эквивалента для большинства видов полиграфической продукции, а более низкие пределы применяются в случаях присутствия опасных растворителей (хлорированных соединений, бензола). Выброс неметановых углеводородов (НМУ) в размере 18 мг/Нм³, достигнутый на данной установке, ниже предела ЕС в 20 мг/Нм³.
| Параметр | Начальная концентрация | Реальный магазин | Ограничение ЕС IED / Нидерландов |
|---|---|---|---|
| Общее содержание летучих органических соединений (НМУС) | ≤4000 мг/Нм³ (пиковое значение) | 18 мг/Нм³ | СВУ 2010/75/ЕС ≤20 мг/Нм³ |
| Бензол | Присутствует (зависит от типа чернил) | 0,1 мг/Нм³ | СВУ ≤1 мг/Нм³ |
| Толуол | Подарок | 2 мг/Нм³ | СВУ ≤3 мг/Нм³ |
| Ксилен | Подарок | 6 мг/Нм³ | СВУ ≤12 мг/Нм³ |
| Стандартный объем потока | 60 000 Нм³/ч | — | — |
| Объем промышленного процесса | 68 786 Нм³/ч при 40 °C | — | — |
| Температура отходящих газов при сборе | ≤100°C (максимальная расчетная температура на входе RTO) | — | — |
| содержание O₂ | 21% (окружающий воздух с парами растворителя) | — | — |
Требования безопасности LEL: Концентрация отходящих газов при сушке печати должна постоянно поддерживаться ниже 251 ТТ3Т от НПВ (нижнего предела взрываемости) по всей системе воздуховодов от печи до RTO. Система управления концентрацией ЛОС (датчики НПВ + частотно-регулируемое управление скоростью вентилятора) поддерживает концентрацию в безопасном рабочем диапазоне. Концентрация на входе в RTO также контролируется для предотвращения сгорания почти стехиометрической смеси растворителя и воздуха в керамическом слое RTO перед камерой сгорания, что может привести к неконтролируемому выделению тепла и повреждению оборудования.
03 — Технология и принцип работы РТО
Как трехкамерная система RTO обеспечивает снижение содержания летучих органических соединений более чем на 991 тонну/3 тонны при одновременном извлечении более 951 тонны/3 тонны тепла сгорания
Регенеративное термическое окисление (РТО) — это технология, предпочтительная для крупномасштабных применений в печати с использованием летучих органических соединений (ЛОС) низкой и средней концентрации. РТО окисляет ЛОС до CO₂ и H₂O при температурах выше 760 °C.
Характерной особенностью регенеративного термического окисления (в отличие от прямого термического окисления) является керамический теплоаккумулирующий слой, который улавливает тепло высокотемпературных продуктов сгорания и передает его поступающему охлажденному сырому газу. Эта внутренняя рекуперация тепла обеспечивает тепловую эффективность >951 ТТ3Т — это означает, что в стационарном режиме работы после предварительного нагрева керамического слоя до рабочей температуры необходимо дополнительно подавать в качестве топлива лишь <51 ТТ3Т теплоты сгорания.
Трехсекционная логика переключения RTO
Трехкамерный (трехслойный) реактор на термическом носителе циклически переключается между тремя режимами работы (A, B, C) в заданной по времени последовательности. В каждом цикле T:
- Один из слоев получает поступающий сырой газ («входной» режим): холодный воздух, насыщенный летучими органическими соединениями, поступает через предварительно нагретый керамический слой, нагревается и достигает температуры окисления, прежде чем попасть в камеру сгорания.
- Один из слоев отводит тепло в отходящий обработанный газ (режим «выход»): горячий чистый продукт сгорания из камеры сгорания проходит через охлажденный слой, нагревая его для следующего цикла, в то время как газ охлаждается до температуры на выходе из дымовой трубы.
- Один из слоев находится в режиме продувки («продувка»): небольшой объем чистого обработанного газа направляется через слой, который только что находился в режиме подачи, удаляя любые остаточные летучие органические соединения, которые могли бы попасть на выход, не пройдя через камеру сгорания.
Трехслойная конструкция исключает выброс летучих органических соединений (ЛОС) при переключении клапанов, который происходил бы в двухслойном окислительно-восстановительном реакторе, поскольку третий слой служит камерой продувки. Эта непрерывная продувка необходима для достижения эффективности уничтожения ЛОС >991 ТТ3Т во всех рабочих условиях, в том числе во время переключения клапанов.
Таблица последовательности переключения клапанов
| Период | Кровать А | Кровать B | Кровать С |
|---|---|---|---|
| Т (первый) | Вход | Выход | Удалять |
| 2Т (секунда) | Выход | Удалять | Вход |
| 3Т (третий) | Удалять | Вход | Выход |
Цикл непрерывно повторяется. Продувочный слой использует небольшой объем чистого обработанного газа для удаления остаточных летучих органических соединений (ЛОС) из слоя перед переходом в выходной режим, предотвращая прорыв ЛОС при переключении клапана.
04 — Технические характеристики системы
Параметры конструкции и технические особенности трехслойной RTO-печатной машины для приложений печати с переменной загрузкой.
Система RTO была разработана с учетом пяти специфических требований полиграфической промышленности: (1) возможность регулирования частоты вращения вентилятора для регулировки расхода и концентрации; (2) мониторинг НПВ с обратной связью по концентрации; (3) возможность мониторинга высоких температур и расхода; (4) простой и надежный механизм переключения золотникового клапана (а не поворотного клапана, который требует более частого обслуживания); (5) конструкция с низким уровнем отказов для полиграфической промышленности, чувствительной к рентабельности, где время простоя системы обработки напрямую влияет на объем производства.
Параметры выбора
| Параметр | Спецификация |
|---|---|
| Скорость потока обработки | 60 000 м³/ч |
| Температура ЛОС на входе | ≤100°C |
| эффективность уничтожения ЛОС | >99% |
| эффективность рекуперации тепла | >95% |
| Время пребывания в камере сгорания | >1,2 с |
| Температура окисления | >760°C |
| Тепловая мощность камеры сгорания | 2,1 миллиона ккал/ч |
| Природный газ (холодный запуск, 3 ч) | 240 м³/ч (P: 0,03–0,06 МПа) |
| Природный газ (работа в режиме холостого хода) | 130 м³/ч |
| Расход природного газа при холодном пуске | 650 м³ на один холодный пуск |
| Падение давления в системе | <3000 Па |
| вес оборудования | 127 т |
| Площадь размещения оборудования | 23 м × 6,5 м |
Установленная мощность
| Элемент | Спецификация |
|---|---|
| главный вентилятор RTO | 160 кВт (с регулируемой частотой) |
| Фанат «Чистки» | 15 кВт |
| Электрические компоненты управления | 2 кВт |
| Общая установленная мощность | 177 кВт (при 220 В/380 В, 50 Гц) |
| Газовая горелка | 240 м³/ч (P: 0,03–0,05 МПа) |
| Сжатый воздух (пневматические клапаны) | 50 м³/ч (≥0,6 МПа) |
| Фактическое потребление электроэнергии | 142,4 кВт при 114 ч (эквивалент 0,8 юаня/кВт·ч) |
05 — Принципы проектирования
Четыре инженерных принципа, определяющих проектирование RTO в полиграфической промышленности
- ✓
Регулировка частоты вращения вентилятора необходима, а не является необязательной функцией для печатных приложений: Печатные станки выделяют летучие органические соединения (ЛОС) с различной скоростью потока и концентрацией в зависимости от скорости печати, площади печати, цвета краски и переходов между заданиями. Вентилятор термического охладителя с фиксированной скоростью, настроенный на максимальный поток, будет работать с избыточной скоростью потока в периоды неполного производства, что приведет к потере энергии вентилятора и снижению температуры газа на входе в термический охладитель (уменьшению доступного предварительного нагрева перед камерой сгорания и увеличению расхода дополнительного топлива). Частотно-регулируемый привод (ЧРП) на основном вентиляторе термического охладителя мощностью 160 кВт позволяет системе подстраивать фактический объем газа под каждый режим работы, поддерживая температуру в камере сгорания и время пребывания в пределах заданных параметров во всем диапазоне нагрузок, минимизируя при этом потребление энергии вентилятором. - ✓
Контроль уровня НПВ в коллекторе сбора отходящих газов является обязательным требованием безопасности: Общая концентрация летучих органических соединений (ЛОС) на выходе из сушильной печи должна постоянно поддерживаться ниже 251 ТТ3Т от НПВ. Коллектор сбора отходящих газов оборудован датчиками концентрации НПВ, датчиками температуры и приборами для измерения концентрации в режиме реального времени (сигнализация о высокой температуре, новая система регулировки концентрации дымовых газов вентилятором в режиме реального времени). Система DCS автоматически реагирует на изменения концентрации НПВ, регулируя скорость вращения вентилятора для разбавления собранного газа, когда концентрация приближается к безопасному порогу. Без такого активного управления концентрацией изменение скорости печати или степени покрытия чернилами может создать легковоспламеняющуюся смесь в воздуховодах до того, как оператор это заметит. - ✓
Простая конструкция переключателя с золотниковым клапаном обеспечивает надежность в течение шестилетнего периода эксплуатации: Система обработки должна работать с высокой периодичностью, поскольку печатные станки работают непрерывно, а обработка летучими органическими соединениями является обязательным требованием законодательства для обеспечения непрерывного производства. Поэтому выбор конструкции клапана RTO является критически важным решением в области обеспечения надежности. Вместо поворотного клапана выбран клапан с золотниковым затвором (грибовидным клапаном), поскольку: клапаны с золотниковым затвором имеют более простой механизм уплотнения с меньшим количеством движущихся частей; их легче обслуживать и заменять без длительных остановок; и они обеспечивают простой и надежный механизм переключения клапанов, который минимизирует частоту отказов. Шестилетняя непрерывная работа без серьезных поломок, задокументированная в сводке опыта, частично является результатом именно такого выбора конструкции клапана. - ✓
Возможность использования отработанного тепла в периоды работы с высокой концентрацией парниковых газов значительно снижает годовые эксплуатационные расходы: При средних и высоких концентрациях летучих органических соединений (где экзотермическое тепло от окисления летучих органических соединений вносит значительный вклад в поддержание температуры в камере сгорания) установка RTO работает в «автотермическом» режиме: сгорание летучих органических соединений обеспечивает достаточное количество тепла для поддержания рабочей температуры керамических слоев при минимальном или нулевом потреблении дополнительного природного газа. В периоды высоких концентраций установка RTO может работать с потреблением дополнительного природного газа, приближающимся к нулю, и может генерировать избыточное тепло, которое может быть отведено в виде пара, горячего воздуха или горячей воды для отопления помещений или технологического тепла. Баланс между затратами на дополнительное топливо и потенциальным доходом от отработанного тепла является важным экономическим аспектом эксплуатации систем RTO в полиграфической промышленности.
06 — Результаты эксплуатации и компоновка оборудования
Подтвержденные характеристики: удаление летучих органических соединений на уровне 99,51 TP3T, содержание неметановых углеводородов в сети 20 мг/Нм³, 6 лет без серьезных неисправностей.
После ввода в эксплуатацию и стабилизации, онлайн-мониторы системы непрерывного мониторинга выбросов (CEMS) стабильно показывают концентрацию летучих органических соединений (ЛОС) на уровне 20 мг/Нм³ или ниже, что соответствует требованиям местного экологического разрешения в 40 мг/Нм³ и обеспечивает классификацию выбросов предприятия как B. Ежегодное снижение концентрации ЛОС оценивается в 1 719,361 тонн в год. Система работает в течение 6 лет подряд без серьезных поломок, ежедневное техническое обслуживание ограничивается простой проверкой состояния клапанов, а данные онлайн-мониторинга постоянно соответствуют требованиям разрешения.
Годовые эксплуатационные расходы при 7200 часах работы: электроэнергия при фактической мощности 142,4 кВт (0,8 юаня/кВт·ч) = приблизительно 82 000 юаней в год; природный газ для холодного пуска (3 запуска в год по 650 м³/запуск) = 664 единицы по 4 юаня/м³ = приблизительно 0,8 000 юаней; природный газ в режиме нормальной работы (5 м³/ч по 4 юаня/м³, 7200 ч) = приблизительно 14,4 000 юаней; сжатый воздух (50 м³/ч по 10 юаней/единица) = приблизительно 3,6 000 юаней; общие годовые эксплуатационные расходы приблизительно 103,6 000 юаней. Низкий расход природного газа в нормальном режиме работы (всего 5 м³/ч в стационарном режиме по сравнению со 130 м³/ч на холостом ходу и 240 м³/ч при холодном пуске) отражает эффективность рекуперации тепла керамическими теплоаккумуляторами (>951 TP3T) и вклад тепла окисления летучих органических соединений в поддержание температуры в камере сгорания в производственные периоды.
07 — Меры предосторожности при внедрении
Важные инженерные и операционные уроки для применения RTO в полиграфической промышленности
- 🚫
Контроль концентрации НПВ является обязательным требованием безопасности жизнедеятельности, которое должно соблюдаться во всех производственных условиях — никогда не обходите блокировку НПВ: Концентрация летучих органических соединений (ЛОС) в воздуховодах вытяжной системы печатной печи должна постоянно поддерживаться ниже НПВ 25%. Если концентрация приближается к пороговому значению НПВ 25% (приблизительно 6250 мг/Нм³ для типичной смеси растворителей для печати), автоматическая система управления разбавлением должна немедленно увеличить поток разбавляющего воздуха. Работа с отключенными датчиками НПВ или отключение блокировки концентрации создает риск взрыва в воздуховодах и в системе RTO. Система мониторинга НПВ должна калиброваться с частотой, указанной производителем датчиков (обычно ежемесячно), и должна охватывать все соединения печатного станка, а не только общий коллектор вытяжной системы. - ⚠️
Сложный состав отходящих газов и переменные условия эксплуатации требуют, чтобы система очистки была спроектирована с учетом всех сценариев работы, включая переходные процессы: Концентрация летучих органических соединений (ЛОС) в отходящих газах при печати непрерывно изменяется в течение рабочей смены в зависимости от типа печатных заданий, цветов и состава чернил. Система RTO должна поддерживать эффективность уничтожения ЛОС >99% во всем диапазоне нагрузок, от минимальной производительности (низкий расход, низкая концентрация ЛОС) до максимальной производительности (полный расход, пиковая концентрация ЛОС), включая запуск печатных машин, смену заданий и остановку. Управление вентилятором с регулируемой частотой вращения и адаптивное управление режимами работы на основе DCS являются техническими средствами, обеспечивающими эти переходы. Перед приемкой системы необходимо проверить ее производительность при минимальной, номинальной и максимальной нагрузке во время приемочных испытаний. - ⚠️
Энергопотребление RTO является крупнейшей статьей эксплуатационных расходов и требует постоянной оптимизации — оно напрямую влияет на рентабельность полиграфического предприятия: Полиграфические предприятия работают на высококонкурентном рынке, где рентабельность невелика, а эксплуатационные расходы на систему обработки летучих органических соединений составляют значительную долю от общей себестоимости производства. Общие эксплуатационные расходы в размере 103,6 тыс. юаней в год для этой установки производительностью 60 000 м³/ч относительно невелики, поскольку система рекуперации тепла >95% снижает потребление природного газа всего до 5 м³/ч в нормальном режиме работы. Любое ухудшение характеристик керамического теплоаккумулятора (из-за накопления пыли, механических повреждений или усталости от термических циклов) увеличит потребность в дополнительном топливе и повысит эксплуатационные расходы. Ежегодное измерение тепловой эффективности и осмотр керамического теплоаккумулятора должны быть включены в график планового технического обслуживания. - ⚠️
Для предотвращения выбросов летучих органических соединений между циклами необходимо калибровать время переключения золотникового клапана в соответствии с фактической скоростью газа в керамическом слое: Время цикла продувки (период, в течение которого третий слой продувается чистым газом перед переходом в режим выпуска) должно быть достаточно долгим, чтобы полностью удалить все остаточные летучие органические соединения из каналов слоя, но достаточно коротким, чтобы поддерживать тепловую эффективность. Если время продувки слишком короткое, остаточные летучие органические соединения в каналах слоя будут переноситься на выход во время переключения клапана, вызывая кратковременные всплески выбросов. В установках с переменным расходом (как в печатных приложениях) время продувки должно быть достаточным для условий минимальной скорости газа (самая низкая скорость вентилятора), а не только для номинальных расчетных условий. - ⚠️
Изменения в составе чернил и растворителей должны быть доведены до сведения оператора RTO до их внедрения: Различные составы чернил имеют разный состав растворителей и разные значения НПВ (нижнего предела взрываемости). Когда производственная группа переходит на новый состав чернил с другим составом растворителей, может потребоваться корректировка заданных значений системы мониторинга НПВ. Необходимо разработать официальную процедуру управления изменениями, обязывающую руководителя производства уведомлять группу операторов RTO до любого изменения состава чернил или растворителей, чтобы при необходимости можно было перенастроить систему мониторинга НПВ до того, как новый растворитель попадет в систему сбора.
08 — Часто задаваемые вопросы
Снижение выбросов летучих органических соединений в полиграфической промышленности: ответы на десять вопросов.
Вопросы от специалистов по экологическому лицензированию, инженеров-технологов и специалистов по охране труда и технике безопасности на предприятиях полиграфической, упаковочной и лакокрасочной промышленности, планирующих внедрение систем снижения выбросов летучих органических соединений в соответствии с требованиями Европейского соглашения о экологическом регулировании / Постановления Нидерландов о деятельности.
Готовы достичь показателя уничтожения летучих органических соединений (ЛОС) >99% на вашем полиграфическом предприятии?
Ознакомьтесь с полным спектром решений для регенеративного термического окисления.
От трехслойные регенеративные термические окислители (RTO) для полиграфической промышленности снижение содержания летучих органических соединений в полном объеме Применение RTO в флексографической печатиНаша инженерная команда разрабатывает решения, соответствующие требованиям ЕС к электронным устройствам, обладающие надежностью и возможностью работы с переменной загрузкой, необходимыми полиграфическим предприятиям.
