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    認識減風增濃及ESO與LEL

    返回列表 浏覽:3199 發布日期:2020-11-08 09:46:06

    減風增濃的技術要點

      ①“減風”減少的是實際對外排風量,而不是減少幹燥風量。如果減少幹燥風量,則會影響幹燥質量(溶劑殘留增加)和幹燥速度(印刷速度降低)。

      ②“減風”的前提是要保證生産安全。減少風量的同時會帶來“增濃”的效果,但必須保證“增濃”後的VOCs濃度小于其爆炸下限的25%,所以減風技術必須有相應的安全保證措施。選擇減風方案時,要評估減風後烘箱洩漏的溶劑量變化。

      ③“減風”會導緻烘箱内溶劑濃度升高,而烘箱一般難以做到完全密封,那麼實施減風後,在烘箱洩漏量相同的情況下,從烘箱内洩漏出的溶劑量會增加。

      ④“減風”到底減到多少合适,首先需要評估生産安全,在保證生産安全的情況下,再評估增濃的幅度,減風增濃後的VOCs濃度直接影響末端治理設備的投入與運行情況。

      主流減風增濃技術分析對比

      目前,包裝印刷行業出現的減風增濃技術有很多,包含在線(生産線上)及離線(生産線後端)減風增濃技術。其中,在線減風增濃技術可以歸為3種基本模式,即串聯式減風、并聯式減風和平衡式減風,其他都是這3種的變種或組合。另外市場上還有一種減風增濃技術是轉輪濃縮技術,其屬于離線減風技術,由于其設備投入成本及運行成本都遠高于在線減風增濃技術,此文不做具體介紹。

      1.串聯式減風

      圖2為串聯式減風原理圖。從左至右,新風加熱後被送入第一段烘箱,幹燥後帶着揮發出的溶劑進入第二段烘箱,然後又依次進入第三段、第四段烘箱,直至通過排風風機排出,此過程中幹燥氣體的溶劑濃度從第一段烘箱到第四段烘箱依次增高。

      串聯式減風的技術特點如下。

      ①采用串聯式減風,幹燥氣體的溶劑濃度依次遞增,最後一段烘箱内幹燥氣體的溶劑濃度最高,因此可通過控制新風的進入量和在最後一段烘箱内安裝VOCs濃度監測裝置來保證生産安全。串聯式減風對烘箱密閉性要求較高,且在實際應用中串聯的烘箱數量不宜過多,主要原因就是為了減少烘箱内的氣體漏出,一般烘箱需要調節成微負壓狀态,這樣烘箱周邊的一些氣體就會被吸進烘箱,最終導緻整個串聯管路上的風量依次增大。烘箱的密閉性越差,串聯的數量越多,過程中增加的風量就越大,而幹燥風量過大可能會影響套印精度。同時,為了匹配風量的差異性,每個烘箱所配的幹燥風機功率也需要依次增大。

      ②采用串聯式減風,無法根據印刷版面的特點為每段烘箱選擇不同的幹燥風量。因為串聯後風逐級流動(此時不考慮烘箱的吸風),小版面印刷工序和滿版面印刷工序的幹燥風量相同。

      ③采用串聯式減風,當某幾個色組不工作時(如8色印刷機生産5色産品時),不工作色組的烘箱仍然需要有氣流通過,這無疑會增加不必要的氣體洩漏,導緻熱量損失。

          2.并聯式減風

      圖3為并聯式減風原理圖。每個烘箱的送排風管路相對獨立,都設置有新風補入裝置,幹燥後的氣體有一部分(這部分稱為回風)與新風混合後進入本段烘箱用于幹燥,這樣在保證幹燥風量的同時減少了排風量。

      

    圖3 并聯式減風原理圖

      很多印刷機的幹燥系統都設有并聯式減風機構,但一般都是手動機構,由于缺乏有效的調節手段和安全保證措施,絕大部分形同虛設。目前并聯式減風中相對實用可靠的一種調節手段就是“LEL(爆炸下限)自動調節控制”,其原理是在每個烘箱的排風管路上配置一套VOCs濃度檢測裝置,根據檢測裝置反饋回的LEL值調節烘箱新風和回風的比例,在保證生産安全的前提下,盡可能減少新風量。

      并聯式減風的技術特點(以LEL自動調節控制為例)如下。

      ①采用并聯式減風,各烘箱相互獨立,相互幹擾小,可以根據印刷版面特點選擇不同的幹燥風量和幹燥溫度。

      ②采用并聯式減風,每個烘箱的溶劑濃度相同,在減風效果相同的情況下,每個烘箱的溶劑濃度都能達到串聯式減風的最高濃度,相對應地在烘箱洩漏狀況相同時,對外洩漏的溶劑量要顯著大于串聯式減風。

      ③采用LEL自動調節控制,必須在每個烘箱的排風管路上配置1個VOCs濃度檢測裝置。VOCs濃度檢測裝置價格不菲,進口品牌價格大概在1.5萬元/套(中等價格),一台8色印刷機僅這項就需要投入10多萬元,且使用壽命大概3~5年,同時在使用過程中為了保證檢測精度,需要經常維護,維護費用也不低。目前市場上采用并聯式減風方案(包括并聯式的變種方案)的産品很多,在選擇時要重點關注減風的基本原理和安全保障措施,尤其是安全方面,很多産品為了降低成本,并沒有給每個烘箱都配置VOCs濃度檢測裝置或者配置一些低廉的VOCs濃度檢測裝置,這些産品都存在着非常大的安全隐患。

      3.平衡式減風

      圖4為平衡式減風原理圖。平衡式減風也稱串并聯減風,其技術特征是将各個烘箱的進排風管路都連接到同一個排風總管上,每個烘箱可以保持相對獨立,可以有不同的幹燥風量、幹燥溫度,同時烘箱的排風可以全部或者部分進入相鄰的下一個烘箱内,各烘箱内幹燥氣體的溶劑濃度依次遞增。

      

    圖4 平衡式減風原理圖

      平衡式減風的技術特點如下。

      ①安全容易保證。從左至右各烘箱内幹燥氣體的溶劑濃度依次遞增,最後一段烘箱内幹燥氣體的溶劑濃度最高,因此可通過控制新風的進入量和在最後一段烘箱安裝VOCs濃度監測裝置,控制不超過25%LEL來保證生産安全。

      ②相對串聯式減風,各烘箱相互獨立,相互幹擾小,可以根據印刷版面特點選擇不同的幹燥風量和幹燥溫度。

      ③相對于采用“LEL自動調節控制”的并聯式減風,一台平衡式減風設備隻需要一套VOCs濃度檢測裝置,這方面的成本大幅度降低。

      ④采用平衡式減風,新風是從排風管新風口集中進入烘箱,且新風量由溶劑揮發總量決定,因此溶劑揮發總量可以通過經驗、數據統計等确定一個較準确的值,可有效避免因VOCs濃度檢測裝置故障導緻的安全風險,這是平衡式減風的本質安全。

      ⑤平衡式減風設備對系統的設計要求較高,尤其是在其内部的風壓平衡裝置及控制精度方面。

    以10色印刷機為例,第10色為滿版,假定3種減風模式的減風效果相當,烘箱洩漏狀況相同,從圖5中可以看出針對10個烘箱洩漏的溶劑總量,串聯式減風和平衡式減風相當,而并聯式減風則是其兩倍以上。綜合對比這3種減風增濃技術,平衡式減風綜合了串聯式減風和并聯式減風的優點,同時又在一定程度上避免了這兩種減風方式的缺點,優勢非常明顯。


    圖5 3種減風增濃技術的烘箱溶劑洩漏量

      LEL與ESO的優劣勢對比

      1.LEL與ESO的由來

      ①“LEL”指爆炸下限,它是針對可燃氣體的一個技術詞語。可燃氣體在空氣中遇明火爆炸的最低濃度,稱為爆炸下限,簡稱“LEL”。

      LEL是由并聯式減風技術演變而來的,國内最早配置并聯式減風設備的印刷機是博斯特凹印機,目的在于節能和安全。并聯式減風需要解決的一個最大難點就是安全問題,為了保證每個烘箱以及幹燥設備的濃度不超過溶劑爆炸下限(LEL)的25%,需要在每個單元配置一套VOCs濃度檢測裝置,配置了VOCs濃度檢測裝置的平衡式減風設備在行業内被稱為LEL,所以LEL的關鍵在于VOCs濃度檢測裝置的可靠性。目前,公認可靠的VOCs濃度檢測裝置均為進口品牌,價格非常高昂。

      ②ESO是節能型熱風輸出及廢氣預處理設備(Energy-Saving Optimization)的英文縮寫,是環葆嘉用近5年時間針對包裝印刷行業研發的一款節能型減風增濃節能專利産品。ESO最開始是在串聯式減風技術基礎上深入研究衍生出來的平衡式減風技術,初始的設計目标便是減風增濃與節能。2016年第一台成型的ESO産品在上海靈博塑料包裝有限公司問世,并形成了相關的企業标準,随後,ESO在整個包裝印刷行業被廣泛使用。

      2.LEL與ESO的優劣勢對比

      (1)安全方面

      LEL為了保證每個烘箱及熱風幹燥單元的安全,需要在每個幹燥單元配置一套VOCs濃度檢測裝置,通過VOCs濃度檢測裝置來調整各單元調節閥的開度,從而調節二次循環風量。當某單元廢氣濃度過高時,調小二次循環風量,這樣整台設備的安全性依賴于VOCs濃度檢測裝置,所以VOCs濃度檢測裝置的準确性、精度、可靠性就非常重要,然而市場上的VOCs濃度檢測裝置性能參差不齊,性能相對好的VOCs濃度檢測裝置一般價格不菲。同時,VOCs濃度檢測裝置的性能受濕度、環境中顆粒物(比如灰塵、雜質等)的影響,需要經常校準。隻要有一套VOCs濃度檢測裝置出現問題,将影響整台LEL設備的正常工作,并且存在較大的安全隐患。

      而采用ESO的VOCs濃度從第一個烘箱開始,逐級遞增,所以隻要控制最後一個單元的VOCs濃度在安全範圍内,整台設備就是安全的,可以根據每個印刷/複合産品的溶劑使用情況計算安全風量,這樣隻需要同時保證最後一個烘箱的幹燥風量以及新風風量不小于安全風量,即使不裝VOCs濃度檢測裝置也能夠保證安全,當然也可以在最後一個單元配置一套VOCs濃度檢測裝置,更直觀地檢測設備的VOCs濃度最高點。

      (2)幹燥性能指标

      幹燥性能指标直接體現為溶劑殘留不超标,此項與烘箱的性能關聯較大,如果要客觀考核,可以要求溶劑殘留水平不高于改造前,改造前後在相同工況下檢測對比。幹燥性能的間接指标可以分為送風的溫度、風壓或風量。

      配套ESO的印刷/複合産品的溶劑殘留量遠比配套傳統型熱風幹燥設備的低,部分配套ESO的印刷企業甚至實現了産品的殘留量免檢。如何通過風道優化設計降低溶劑殘留量,由于涉及内容及專業知識點較多,在此不再介紹。

      (3)氣味指标(微負壓控制與烘箱洩漏)

      氣味指标最難确定,但也最能體現減風增濃設備的技術水平,對于相同狀态的烘箱,不同的減風增濃設備因為濃度的變化方式、微負壓控制的能力存在差異,導緻洩漏溶劑量的不同,進而感受到周邊氣味的大小不同。

      在相同減風效果下,ESO比LEL的溶劑洩漏量要少得多。如果要保證溶劑洩漏量一樣,LEL的排風量需要加大,所以ESO的減風增濃效果要優于LEL。

    (4)設備的投入成本

      在幹燥風量、加熱方式及加熱溫度相同的情況下,通過分析一台10色印刷機配套LEL與配套ESO的設備投入,得出LEL與ESO所配置的風機、風閥、加熱器主要部件成本相當。另外,ESO有一個密封的箱體,比LEL的箱體在加工工藝上要複雜,這部分成本會比LEL高出30%,約為1.5萬元,而LEL需要配置10套VOCs濃度檢測裝置,假設ESO也配置1套VOCs濃度檢測裝置,在此方面,LEL的成本比ESO高約13.5萬元。所以一台10色印刷機配套LEL的設備投入比配套ESO高出10萬元以上。在保證生産安全,即VOCs濃度檢測裝置性能可靠的前提下,相同品質的LEL比ESO的設備投入高30%~40%。

      (5)設備維護

      LEL與ESO的設備相比,主要需要維護的核心部件包括風機、風閥、過濾器、加熱器以及VOCs濃度檢測裝置,假設兩種設備選擇相同檔次的風機、風閥、過濾器、加熱器,那麼這部分維護成本一樣,但LEL需要更多的VOCs濃度檢測裝置,VOCs濃度檢測裝置需要進行的最基本維護包括定期使用标氣校準儀器進行校準、定期清潔PID燈泡、定期對煙囪至粉塵過濾器管道進行吹掃。VOCs濃度檢測裝置正常使用情況下大概需要每半年甚至更短的時間維護一次,每次維護費用大概為3000~5000元/套,其中不包含每次維護時,拆裝儀器所需要的人工費用。同時,每次校準需要時間,所以為了保證連續生産可能需要準備多套VOCs濃度檢測裝置備用。

      (6)其他方面

      ESO相比LEL還有以下優勢:ESO通過一個密封的箱體包裹核心部件(風機、加熱器、風管等),集中進入排風管的新風可以将所有風機發熱産生的熱量收集起來,進一步節能;ESO的密封箱體結構利于地排風的收集,能實現無組織VOCs廢氣的集中收集,将高濃度的氣體作為新風供給ESO使用,這是LEL所不具備的功能。

      ESO相比LEL存在以下缺點及解決辦法:ESO由于逐級串并聯,所以在溫度方面,中間單元不能有突變的降溫(10℃以内的降溫可以接受)。當中間單元出現降溫時,ESO隻能通過烘箱以及薄膜的自然散熱來實現,所以降溫幅度不能太大。經過兩年多的技術優化,ESO最終在降溫突變方面有了突破性的進展,通過在原加熱器内增設冷水降溫模塊,即可應對某個幹燥單元突變降溫的情況。為了保證冷水降溫模塊内壓力的穩定,一般情況下,隻要前一級幹燥溫度不超過130℃即可。該項技術方案解決了煙包印刷行業凹印機配套的問題。由于煙包印刷行業凹印機溫度突變的情況較為普遍,減風增濃設備的配套需要謹慎選擇。

      此處并未提到兩者的節能率以及減風率的性能對比,原因是在未設定嚴格的前提條件下,減風率、節能率都是與設備性能無關的概念,完全不能用來表征設備的性能。如果要設定嚴格的前提條件,如特定的工藝條件、工作環境等,來對比兩種不同減風增濃設備的節能率,則存在較大難點,首先需要有兩台相同型号、相同工藝的生産設備,統計一段時間内兩台生産設備原熱風設備的能耗情況,統計時間越長越好,然後再用減風增濃設備替換原熱風設備,統計減風增濃設備的能耗情況。值得注意的是,兩台生産設備的工藝條件及工況條件必須完全一緻,比如印刷速度、生産産品、加熱溫度、溶劑/油墨使用量、車間進排風情況等;同時,需要保證兩台減風增濃設備本身的工藝條件完全一緻,比如進風量、加熱溫度、排風量、車間内氣味情況等。要想得到精準的節能率,就必須進行嚴格的試驗測試,所以說在沒有任何邊界條件時談節能率是沒有意義的。而單純談減風率就更加無意義,因為在不考慮車間氣味對于操作人員的影響以及安全爆炸下限的情況下,減風率可以做到百分之百。

      ESO産品的實際性能展示

      在此着重介紹一下ESO産品的實際性能,以下為鄭州某印刷企業現場實際情況。

      1.減風增濃實際效果

      表1為ESO實際減風增濃效果,配套ESO設備後,風量降低67.8%,廢氣濃度提升400%。

      2.節能效果

      表2為ESO實際節能效果,配套ESO設備後,節能率達到74.3%。

      3.溶劑殘留量

      表3為配套ESO後溶劑殘留量實測值,配套ESO設備後,抽樣印刷産品的溶劑殘留量基本上小于0.8mg/m2。

    來源:科印網作者:鄒霞

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