平版印刷过程主要工序有调墨、制版、印刷、印后覆膜、上光等，印刷过程VOCs废气主要来源于印刷环节油墨有机溶剂挥发产生的VOCs废气^[15]。平版印刷产品种类多、批量小，为方便操作，按经验，VOCs废气收集常用局部集气罩方式，但由于缺乏有机溶剂挥发量及其扩散模式等设计资料，不能确定集气罩结构和设计排风量是否能满足收集效率不小于90%的设计要求。本研究以某平版印刷过程为例，通过研究不同集气罩形式对单个印刷机滚轴面产生VOCs废气的控制效果，进而对集气罩结构形式进行优化。平版印刷过程示意图如图1所示。

该平版印刷车间单条印刷机示意图如图2所示。为控制印刷过程VOCs排放量，根据相关地方排放标准和工业通风设计手册^[16-17]，须在印刷机工作时的主要污染物控制面——顶部印刷机滚轴面增设废气收集装置。现有收集系统集气罩尺寸参数如图2所示，集气罩平均罩口风速设为0.8 m·s⁻¹，控制风量为1 280 m³·h⁻¹。

根据某平版印刷车间内污染物挥发面与排风罩的相对位置和尺寸，计算区域取L×W×H=4 m×4 m×3.5 m，其中污染物挥发面为L×W=0.8 m×0.1 m，集气罩的罩口尺寸为L×W=1.04 m×0.425 m，其底边与污染物挥发面垂直距离为0.52 m，计算模型及不同集气罩设计参数如图3所示。网格采用结构化网格和非结构化网格相联合方式进行划分，收集系统管道及集气罩模型比较规则，采用结构化网格，其他区域采用混合网格，经网格质量检查满足计算要求。

印刷过程中受产品类型、油墨类型及印刷工艺影响，不同产品在印刷过程中扩散过程均有不同。甲苯为印刷车间污染物代表性组分，其相对分子质量为92，大于空气的相对分子质量，因此，以甲苯为模拟对象，代表印刷过程中产生的VOCs。为简化模拟过程并增加模拟结果的通用性，做出以下假设：甲苯挥发速率不随时间发生变化；模拟过程中没有温度的变化，甲苯气体温度为300 K，同环境空气温度相同；气体流动不可压缩，压力场均视为准稳态。在对VOCs气体浓度分布进行数值模拟的过程中选择控制方程^[18-19]，质量守恒方程见式(1)，动量守恒方程见式(2)，组分输运方程见式(3)。

式中：$\rho $为气体密度；$t$为时间；${u_x}$、${u_y}$、${u_z}$、${u_i}$、${u_j}$为速度矢量的分量；${x_i}$、${x_j}$为坐标分量；$p$为静压；${\tau _{ij}}$为应力张量；$\rho {g_i}$为$i$方向上的重力体积力；${F_i}$为$i$方向上的外部体积力；$c$为组分的浓度；$\varGamma$为空间内任一点污染物扩散系数，为简化计算，一般认为3个方向上的扩散系数相同，对于双组分气体混合物，组分扩散系数用麦克斯韦-吉利兰经验式^[20]估算，计算得甲苯在空气中的扩散系数为6.97×10⁻⁵ m²·s⁻¹；$S(x,y,z)$为源项，即任意一点的污染物的释放强度。

数值模拟边界条件的设置参数见表1。控制方程的数值解法采用有限体积法，求解的差分格式采用一阶迎风格式；计算时选择分离求解器，采用SIMPLE算法；湍流模型采用标准k-ε模型。模型四周为自然进风口，集气罩上部相接管道的出口为气流出口。印刷过程中油墨使用量为0.5 kg·h⁻¹，油墨中有机溶剂质量占比为25%，以最大有机溶剂挥发量计算得污染物挥发速率为3.47×10⁻⁵ kg·s⁻¹。

为了解静风条件下VOCs扩散过程，须对印刷机附近VOCs浓度进行现场测试分析。测点分布方案如图4所示，共3个测点，1点位于Y=2 m截面上距印刷机中心线1.2 m处，高度为1.7 m；2点位于1点下方0.7 m处；3点位于2点下方0.5 m处。以非甲烷总烃代表VOCs^[21]，采用气袋法采样，采样流量为0.3 L·min⁻¹，采样时间为10 min，检测分析方法采用气相色谱法^[22-23]。

对收集系统风量为0时甲苯在计算模型内自然挥发进行数值模拟，1 h后，Y=2 m截面上甲苯浓度分布趋势如图4所示。截面上甲苯浓度左右基本对称，由于甲苯的相对分子质量比空气大，甲苯在挥发后会向下沉积，导致下部浓度较大，上部浓度较小，甲苯浓度在高度上逐层分布的特点十分明显。

现场测试结果显示，1、2、3点非甲烷总烃浓度分别为1.60、2.13和2.20 mg·m⁻³。在空间上，随着高度的增加，非甲烷总烃浓度逐渐减小，浓度分布趋势与数值模拟结果基本一致，表明数值模拟分析结果可以作为集气罩选择和集气罩设计参数优化的分析依据。

印刷车间原收集系统在2种不同工况下的数值模拟结果如图5所示。由于收集系统的抽吸作用，空气从四周进风口进入，向外部接收罩汇聚，外部接收罩吸入气流的同时将有害气体吸入罩内。当收集风量为640 m³·h⁻¹时，由于集气罩罩口风速较小，由印刷机挥发面挥发出的甲苯气体逐渐向车间下部沉积，集气罩未能有效地将甲苯气体抽吸进废气收集系统，部分甲苯气体跟随空气扩散到车间顶部。当收集风量为1 280 m³·h⁻¹时，随着罩口风速的增大，气流在计算区域内分布更加均匀，涡旋明显减少，速度等值线向外扩展，截面上甲苯高浓度区域面积明显减小，甲苯无组织逸散明显减少。

废气收集系统的收集效率由式(4)计算得出。

式中：$\eta $为废气收集系统的收集效率；$Q$为集气罩罩口风量，m³·s⁻¹；$C$为集气罩罩口VOCs气体平均浓度，kg·m⁻³；${q_{\rm{m}}}$为VOCs挥发面挥发速率，kg·s⁻¹。

外部接收罩收集效率与收集风量的关系如图6所示。收集风量由320 m³·h⁻¹提高至640 m³·h⁻¹时，收集效率增长速度较快，由15%提高至70%。在收集风量为640 m³·h⁻¹的基础上增大收集系统控制风量，随着收集风量的增大，收集效率的增长速度逐渐减小，当收集风量为960 m³·h⁻¹时，外部接收罩收集效率达到最大值80%，仍未达到VOCs收集相关标准中要求的90%。

在实验中发现，通过提高外部接收罩平均罩口风速的方法，并不能在规范要求的控制风速内达到90%的收集效率，因此，须考虑半密闭罩和密闭罩2种收集方式对收集系统收集效率的影响。通过数值模拟，对2种集气罩形式下后处理结果进行了分析，图7为收集风量为320 m³·h⁻¹时半密闭罩形式下甲苯浓度场及气流速度场，图8为收集风量为160 m³·h⁻¹时密闭罩形式下甲苯浓度场及气流速度场。

当采用半密闭罩时，甲苯无组织排放量相对外部接收罩明显减小，随着罩口风速的增大，集气罩内部甲苯高浓度区域面积逐渐减小。由于集气罩三面围挡，甲苯在集气罩进风口的对立面下处产生堆积。收集风量为320 m³·h⁻¹时，集气罩收集效率达到96%以上。

当采用密闭罩时，集气罩与污染物截面设置0.02 m条缝，以保证集气罩内部微负压，条缝处有少部分甲苯逸散。收集风量为160 m³·h⁻¹时，集气罩收集效率已能达到99%以上。

不同集气罩下收集效率与收集风量的关系如图9所示。分析以上3种收集方式数值模拟结果，相比于外部接收罩，密闭罩和半密闭罩在很小的控制风量下就能达到90%的收集效率。但在实际印刷工作中，密闭罩和半密闭罩并不适用于须不断添加油墨、换版等的平版印刷生产过程。因此，在参考半密闭罩和密闭罩结构优势的情况下，通过增加垂直挡板和三角形格栅对外部接收罩进行结构优化。

根据半密闭罩、密闭罩的结构特点，采取在外部接收罩罩口下侧增加三面垂直挡板进行优化的方式，集气罩结构优化如图10所示。挡板高度分别为100、200、300和400 mm。

以收集风量为640 m³·h⁻¹作为目标控制风量，当收集风量为640 m³·h⁻¹时，随着挡板高度的增加，污染物所在平面上控制风速逐渐增大，挡板内部污染物浓度逐渐增大，收集效率逐渐提高。当挡板高度为400 mm时，收集效率提高至87%，结合现场印刷过程操作要求，在污染物挥发面与挡板底部预留200 mm以上操作空间，将挡板高度定为300 mm，此时，收集系统收集效率为85%。挡板高度d=300 mm时模拟结果如图11所示，收集效率与挡板高度的关系如图12所示。

在增加三面垂直挡板对外部接收罩进行优化的同时，采用增加三角形格栅的方式减小收集系统控制风量，提高收集系统收集效率。格栅截面是边长为80 mm的等边三角形，长度与集气罩罩口长度相同，将格栅数量设为4~8个，考察格栅数量对收集系统收集效率的影响。格栅优化示意图如图13所示，收集效率与格栅数量的关系如图14所示。

当格栅数量为4个和5个时，由于格栅并不能起到扩大污染面控制面积的作用，反而使收集系统的收集效率下降为80%。当格栅数量为6个时，收集效率提高至91%。综合考虑增加三面围挡和三角形格栅对外部接收罩进行结构优化，优化后的集气罩结构如图15所示，数值模拟结果如图16所示。当收集风量为640 m³·h⁻¹时，相比于外部接收罩结构优化前，由于垂直挡板和三角形格栅的作用，集气罩抽入的无效气流减少，集气罩罩口面气流分布更加均匀，污染物挥发面控制风速明显增大，提高了集气罩的控制效果，使得甲苯无组织排放量明显减少，集气罩收集效率由70%提高到91%。

1)以甲苯为模拟对象并代表印刷过程产生的VOCs，在静风条件下，由底部向上，甲苯浓度呈现出越来越低的分布趋势，模拟结果与现场实测VOCs浓度分布趋势基本一致，数值模拟分析结果可以作为集气罩选择和集气罩设计参数优化的参考依据。

2)对外部接收罩、半密闭罩和密闭罩等3种收集方式的比较结果表明：密闭罩和半密闭罩收集效率达到90%以上时，所需控制风量分别为160 m³·h⁻¹和320 m³·h⁻¹；外部接收罩在收集风量为1 280 m³·h⁻¹时，收集效率仅为80%。这是因为外部接收罩罩口与污染物挥发面距离相对较远，收集风量很大时，挥发面控制风速仍然较小，难以对VOCs废气进行有效收集。

3)考虑现场操作条件，采用增加三面高度为300 mm的垂直挡板和6个边长为80 mm的三角形格栅的方法，对外部接收罩进行结构优化；当收集风量为640 m³·h⁻¹时，集气罩收集效率由优化前的70%提高到91%，外部接收罩的优化方法可以为收集系统集气罩技术改造提供参考。