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认识减风增浓及ESO与LEL

返回列表 浏览:170 发布日期:2020-11-08 09:46:06

减风增浓的技术要点

  ①“减风”减少的是实际对外排风量,而不是减少干燥风量。如果减少干燥风量,则会影响干燥质量(溶剂残留增加)和干燥速度(印刷速度降低)。

  ②“减风”的前提是要保证生产安全。减少风量的同时会带来“增浓”的效果,但必须保证“增浓”后的VOCs浓度小于其爆炸下限的25%,所以减风技术必须有相应的安全保证措施。选择减风方案时,要评估减风后烘箱泄漏的溶剂量变化。

  ③“减风”会导致烘箱内溶剂浓度升高,而烘箱一般难以做到完全密封,那么实施减风后,在烘箱泄漏量相同的情况下,从烘箱内泄漏出的溶剂量会增加。

  ④“减风”到底减到多少合适,首先需要评估生产安全,在保证生产安全的情况下,再评估增浓的幅度,减风增浓后的VOCs浓度直接影响末端治理设备的投入与运行情况。

  主流减风增浓技术分析对比

  目前,包装印刷行业出现的减风增浓技术有很多,包含在线(生产线上)及离线(生产线后端)减风增浓技术。其中,在线减风增浓技术可以归为3种基本模式,即串联式减风、并联式减风和平衡式减风,其他都是这3种的变种或组合。另外市场上还有一种减风增浓技术是转轮浓缩技术,其属于离线减风技术,由于其设备投入成本及运行成本都远高于在线减风增浓技术,此文不做具体介绍。

  1.串联式减风

  图2为串联式减风原理图。从左至右,新风加热后被送入第一段烘箱,干燥后带着挥发出的溶剂进入第二段烘箱,然后又依次进入第三段、第四段烘箱,直至通过排风风机排出,此过程中干燥气体的溶剂浓度从第一段烘箱到第四段烘箱依次增高。

  串联式减风的技术特点如下。

  ①采用串联式减风,干燥气体的溶剂浓度依次递增,最后一段烘箱内干燥气体的溶剂浓度最高,因此可通过控制新风的进入量和在最后一段烘箱内安装VOCs浓度监测装置来保证生产安全。串联式减风对烘箱密闭性要求较高,且在实际应用中串联的烘箱数量不宜过多,主要原因就是为了减少烘箱内的气体漏出,一般烘箱需要调节成微负压状态,这样烘箱周边的一些气体就会被吸进烘箱,最终导致整个串联管路上的风量依次增大。烘箱的密闭性越差,串联的数量越多,过程中增加的风量就越大,而干燥风量过大可能会影响套印精度。同时,为了匹配风量的差异性,每个烘箱所配的干燥风机功率也需要依次增大。

  ②采用串联式减风,无法根据印刷版面的特点为每段烘箱选择不同的干燥风量。因为串联后风逐级流动(此时不考虑烘箱的吸风),小版面印刷工序和满版面印刷工序的干燥风量相同。

  ③采用串联式减风,当某几个色组不工作时(如8色印刷机生产5色产品时),不工作色组的烘箱仍然需要有气流通过,这无疑会增加不必要的气体泄漏,导致热量损失。

      2.并联式减风

  图3为并联式减风原理图。每个烘箱的送排风管路相对独立,都设置有新风补入装置,干燥后的气体有一部分(这部分称为回风)与新风混合后进入本段烘箱用于干燥,这样在保证干燥风量的同时减少了排风量。

  

图3 并联式减风原理图

  很多印刷机的干燥系统都设有并联式减风机构,但一般都是手动机构,由于缺乏有效的调节手段和安全保证措施,绝大部分形同虚设。目前并联式减风中相对实用可靠的一种调节手段就是“LEL(爆炸下限)自动调节控制”,其原理是在每个烘箱的排风管路上配置一套VOCs浓度检测装置,根据检测装置反馈回的LEL值调节烘箱新风和回风的比例,在保证生产安全的前提下,尽可能减少新风量。

  并联式减风的技术特点(以LEL自动调节控制为例)如下。

  ①采用并联式减风,各烘箱相互独立,相互干扰小,可以根据印刷版面特点选择不同的干燥风量和干燥温度。

  ②采用并联式减风,每个烘箱的溶剂浓度相同,在减风效果相同的情况下,每个烘箱的溶剂浓度都能达到串联式减风的最高浓度,相对应地在烘箱泄漏状况相同时,对外泄漏的溶剂量要显著大于串联式减风。

  ③采用LEL自动调节控制,必须在每个烘箱的排风管路上配置1个VOCs浓度检测装置。VOCs浓度检测装置价格不菲,进口品牌价格大概在1.5万元/套(中等价格),一台8色印刷机仅这项就需要投入10多万元,且使用寿命大概3~5年,同时在使用过程中为了保证检测精度,需要经常维护,维护费用也不低。目前市场上采用并联式减风方案(包括并联式的变种方案)的产品很多,在选择时要重点关注减风的基本原理和安全保障措施,尤其是安全方面,很多产品为了降低成本,并没有给每个烘箱都配置VOCs浓度检测装置或者配置一些低廉的VOCs浓度检测装置,这些产品都存在着非常大的安全隐患。

  3.平衡式减风

  图4为平衡式减风原理图。平衡式减风也称串并联减风,其技术特征是将各个烘箱的进排风管路都连接到同一个排风总管上,每个烘箱可以保持相对独立,可以有不同的干燥风量、干燥温度,同时烘箱的排风可以全部或者部分进入相邻的下一个烘箱内,各烘箱内干燥气体的溶剂浓度依次递增。

  

图4 平衡式减风原理图

  平衡式减风的技术特点如下。

  ①安全容易保证。从左至右各烘箱内干燥气体的溶剂浓度依次递增,最后一段烘箱内干燥气体的溶剂浓度最高,因此可通过控制新风的进入量和在最后一段烘箱安装VOCs浓度监测装置,控制不超过25%LEL来保证生产安全。

  ②相对串联式减风,各烘箱相互独立,相互干扰小,可以根据印刷版面特点选择不同的干燥风量和干燥温度。

  ③相对于采用“LEL自动调节控制”的并联式减风,一台平衡式减风设备只需要一套VOCs浓度检测装置,这方面的成本大幅度降低。

  ④采用平衡式减风,新风是从排风管新风口集中进入烘箱,且新风量由溶剂挥发总量决定,因此溶剂挥发总量可以通过经验、数据统计等确定一个较准确的值,可有效避免因VOCs浓度检测装置故障导致的安全风险,这是平衡式减风的本质安全。

  ⑤平衡式减风设备对系统的设计要求较高,尤其是在其内部的风压平衡装置及控制精度方面。

以10色印刷机为例,第10色为满版,假定3种减风模式的减风效果相当,烘箱泄漏状况相同,从图5中可以看出针对10个烘箱泄漏的溶剂总量,串联式减风和平衡式减风相当,而并联式减风则是其两倍以上。综合对比这3种减风增浓技术,平衡式减风综合了串联式减风和并联式减风的优点,同时又在一定程度上避免了这两种减风方式的缺点,优势非常明显。


图5 3种减风增浓技术的烘箱溶剂泄漏量

  LEL与ESO的优劣势对比

  1.LEL与ESO的由来

  ①“LEL”指爆炸下限,它是针对可燃气体的一个技术词语。可燃气体在空气中遇明火爆炸的最低浓度,称为爆炸下限,简称“LEL”。

  LEL是由并联式减风技术演变而来的,国内最早配置并联式减风设备的印刷机是博斯特凹印机,目的在于节能和安全。并联式减风需要解决的一个最大难点就是安全问题,为了保证每个烘箱以及干燥设备的浓度不超过溶剂爆炸下限(LEL)的25%,需要在每个单元配置一套VOCs浓度检测装置,配置了VOCs浓度检测装置的平衡式减风设备在行业内被称为LEL,所以LEL的关键在于VOCs浓度检测装置的可靠性。目前,公认可靠的VOCs浓度检测装置均为进口品牌,价格非常高昂。

  ②ESO是节能型热风输出及废气预处理设备(Energy-Saving Optimization)的英文缩写,是环葆嘉用近5年时间针对包装印刷行业研发的一款节能型减风增浓节能专利产品。ESO最开始是在串联式减风技术基础上深入研究衍生出来的平衡式减风技术,初始的设计目标便是减风增浓与节能。2016年第一台成型的ESO产品在上海灵博塑料包装有限公司问世,并形成了相关的企业标准,随后,ESO在整个包装印刷行业被广泛使用。

  2.LEL与ESO的优劣势对比

  (1)安全方面

  LEL为了保证每个烘箱及热风干燥单元的安全,需要在每个干燥单元配置一套VOCs浓度检测装置,通过VOCs浓度检测装置来调整各单元调节阀的开度,从而调节二次循环风量。当某单元废气浓度过高时,调小二次循环风量,这样整台设备的安全性依赖于VOCs浓度检测装置,所以VOCs浓度检测装置的准确性、精度、可靠性就非常重要,然而市场上的VOCs浓度检测装置性能参差不齐,性能相对好的VOCs浓度检测装置一般价格不菲。同时,VOCs浓度检测装置的性能受湿度、环境中颗粒物(比如灰尘、杂质等)的影响,需要经常校准。只要有一套VOCs浓度检测装置出现问题,将影响整台LEL设备的正常工作,并且存在较大的安全隐患。

  而采用ESO的VOCs浓度从第一个烘箱开始,逐级递增,所以只要控制最后一个单元的VOCs浓度在安全范围内,整台设备就是安全的,可以根据每个印刷/复合产品的溶剂使用情况计算安全风量,这样只需要同时保证最后一个烘箱的干燥风量以及新风风量不小于安全风量,即使不装VOCs浓度检测装置也能够保证安全,当然也可以在最后一个单元配置一套VOCs浓度检测装置,更直观地检测设备的VOCs浓度最高点。

  (2)干燥性能指标

  干燥性能指标直接体现为溶剂残留不超标,此项与烘箱的性能关联较大,如果要客观考核,可以要求溶剂残留水平不高于改造前,改造前后在相同工况下检测对比。干燥性能的间接指标可以分为送风的温度、风压或风量。

  配套ESO的印刷/复合产品的溶剂残留量远比配套传统型热风干燥设备的低,部分配套ESO的印刷企业甚至实现了产品的残留量免检。如何通过风道优化设计降低溶剂残留量,由于涉及内容及专业知识点较多,在此不再介绍。

  (3)气味指标(微负压控制与烘箱泄漏)

  气味指标最难确定,但也最能体现减风增浓设备的技术水平,对于相同状态的烘箱,不同的减风增浓设备因为浓度的变化方式、微负压控制的能力存在差异,导致泄漏溶剂量的不同,进而感受到周边气味的大小不同。

  在相同减风效果下,ESO比LEL的溶剂泄漏量要少得多。如果要保证溶剂泄漏量一样,LEL的排风量需要加大,所以ESO的减风增浓效果要优于LEL。

(4)设备的投入成本

  在干燥风量、加热方式及加热温度相同的情况下,通过分析一台10色印刷机配套LEL与配套ESO的设备投入,得出LEL与ESO所配置的风机、风阀、加热器主要部件成本相当。另外,ESO有一个密封的箱体,比LEL的箱体在加工工艺上要复杂,这部分成本会比LEL高出30%,约为1.5万元,而LEL需要配置10套VOCs浓度检测装置,假设ESO也配置1套VOCs浓度检测装置,在此方面,LEL的成本比ESO高约13.5万元。所以一台10色印刷机配套LEL的设备投入比配套ESO高出10万元以上。在保证生产安全,即VOCs浓度检测装置性能可靠的前提下,相同品质的LEL比ESO的设备投入高30%~40%。

  (5)设备维护

  LEL与ESO的设备相比,主要需要维护的核心部件包括风机、风阀、过滤器、加热器以及VOCs浓度检测装置,假设两种设备选择相同档次的风机、风阀、过滤器、加热器,那么这部分维护成本一样,但LEL需要更多的VOCs浓度检测装置,VOCs浓度检测装置需要进行的最基本维护包括定期使用标气校准仪器进行校准、定期清洁PID灯泡、定期对烟囱至粉尘过滤器管道进行吹扫。VOCs浓度检测装置正常使用情况下大概需要每半年甚至更短的时间维护一次,每次维护费用大概为3000~5000元/套,其中不包含每次维护时,拆装仪器所需要的人工费用。同时,每次校准需要时间,所以为了保证连续生产可能需要准备多套VOCs浓度检测装置备用。

  (6)其他方面

  ESO相比LEL还有以下优势:ESO通过一个密封的箱体包裹核心部件(风机、加热器、风管等),集中进入排风管的新风可以将所有风机发热产生的热量收集起来,进一步节能;ESO的密封箱体结构利于地排风的收集,能实现无组织VOCs废气的集中收集,将高浓度的气体作为新风供给ESO使用,这是LEL所不具备的功能。

  ESO相比LEL存在以下缺点及解决办法:ESO由于逐级串并联,所以在温度方面,中间单元不能有突变的降温(10℃以内的降温可以接受)。当中间单元出现降温时,ESO只能通过烘箱以及薄膜的自然散热来实现,所以降温幅度不能太大。经过两年多的技术优化,ESO最终在降温突变方面有了突破性的进展,通过在原加热器内增设冷水降温模块,即可应对某个干燥单元突变降温的情况。为了保证冷水降温模块内压力的稳定,一般情况下,只要前一级干燥温度不超过130℃即可。该项技术方案解决了烟包印刷行业凹印机配套的问题。由于烟包印刷行业凹印机温度突变的情况较为普遍,减风增浓设备的配套需要谨慎选择。

  此处并未提到两者的节能率以及减风率的性能对比,原因是在未设定严格的前提条件下,减风率、节能率都是与设备性能无关的概念,完全不能用来表征设备的性能。如果要设定严格的前提条件,如特定的工艺条件、工作环境等,来对比两种不同减风增浓设备的节能率,则存在较大难点,首先需要有两台相同型号、相同工艺的生产设备,统计一段时间内两台生产设备原热风设备的能耗情况,统计时间越长越好,然后再用减风增浓设备替换原热风设备,统计减风增浓设备的能耗情况。值得注意的是,两台生产设备的工艺条件及工况条件必须完全一致,比如印刷速度、生产产品、加热温度、溶剂/油墨使用量、车间进排风情况等;同时,需要保证两台减风增浓设备本身的工艺条件完全一致,比如进风量、加热温度、排风量、车间内气味情况等。要想得到精准的节能率,就必须进行严格的试验测试,所以说在没有任何边界条件时谈节能率是没有意义的。而单纯谈减风率就更加无意义,因为在不考虑车间气味对于操作人员的影响以及安全爆炸下限的情况下,减风率可以做到百分之百。

  ESO产品的实际性能展示

  在此着重介绍一下ESO产品的实际性能,以下为郑州某印刷企业现场实际情况。

  1.减风增浓实际效果

  表1为ESO实际减风增浓效果,配套ESO设备后,风量降低67.8%,废气浓度提升400%。

  2.节能效果

  表2为ESO实际节能效果,配套ESO设备后,节能率达到74.3%。

  3.溶剂残留量

  表3为配套ESO后溶剂残留量实测值,配套ESO设备后,抽样印刷产品的溶剂残留量基本上小于0.8mg/m2。

来源:科印网作者:邹霞