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藉由電熱乾燥系統節省能源與二氧化碳排放



摘要


當前用於柔版與凹版印刷的對流式熱風乾燥機能耗相當高,而且會排放大量對地球有害的溫室氣體(二氧化碳)。本文將針對凹版印刷及其他浸漬製程使用燃氣式乾燥進行量化與替代可行性之比較。


 

簡介


根據物理定義,乾燥是指去除液相而使液體固化的過程。通常可藉由大氣壓力(如: 真空)、冷凍乾燥、加熱、熱輻射誘導(高能量輻射直接將分子激發),或以機械方式達成。電子束或 UV 一般非定義作為乾燥用途,但可使得與輻射(電子束或 UV)吸收相關發生交聯並固化特殊圖層。當今主要用於印刷與圖層乾燥的主要皆是傳統乾燥。


 

乾燥技術基礎


當濕膜在基材上被加熱後,液相會開始蒸發。為了實現印刷或圖層乾燥,所產生的蒸汽需要藉由氣流設計(主要是空氣)加以帶走移除或從基材上去除,各式的乾燥技術如表1 所示。


表1 潛在乾燥技術



圖1 配備近紅外技術(右)用於乾燥水性油墨和亮光漆的凹版印刷機(左)



不論蒸發機制為何,一般將基板加熱,或是液相的直接分子交互作用,對於這些以蒸發為基礎的乾燥而言,蒸氣流動(流場)是很重要的。乾燥系統的能源消耗、蒸氣去除與設備尺寸有關,這些對於能源效率具有決定性的意義。若使用乾燥機藉由氣體對流,氣流藉由化石燃料燃燒加熱(天然氣或石油)。這種反應會放熱並產生二氧化碳,對於一般的燃燒裝置,每產生1 kW(相當於 1 kWh/h)的熱輸出約為 0.25 至 0.4 kg/h。若以 500 kW的乾燥裝置運行時,會產生高達 200 kg/h 的二氧化碳。


從 2021 年初開始,德國就注意到二氧化碳稅對化石能源和暖氣供應系統的影響。按照當前天然氣和燃料價格走勢,德國目前每噸二氧化碳排放的稅金是 25 歐元,相較於其他國家並不特別高,作為“綠色交易計劃”的一員,歐盟目前計劃 2026 年將二氧化碳稅提高至 65 歐元/噸。未來德國政府雄心勃勃的氣候目標和二氧化碳排放成本(聯邦環境署計算為 180 歐元/噸二氧化碳)在不久將來不可避免要對二氧化碳徵稅。但如何減少或避免二氧化碳排放?可使用哪種乾燥系統以及有哪些選擇或替代方案?表2 總結了這些問題的答案。從參考資料中可看出,唯有使用電熱乾燥製程才能實現顯著二氧化碳排放減少。然而,這也顯示乾燥過程的電必需來自可再生能源。


表2 乾燥系統與其特性


 

實際案例


在凹版印刷機上比較燃氣乾燥和近紅外乾燥技術(印刷單元數量:四個;寬度:2,250 mm;水性油墨重量:7.5 至 10 克/平方米),運轉根據下列研究報告與當今多家國際印刷公司的內部研究“Energyandresource-efficientdigital printing process in the décor industry(2017).”。


在所有案例中,調查了 15 台不同機齡的印刷機(於 1990 年至 2010 年間投入使用)。 表3 顯示比較結果。根據實際消耗與一般生產使用的結果,aNIR 技術可以節省高達 80 % 的能源,取決於不同的印刷應用(見圖1)。 若生產批量較小或幅寬較窄(相較於 2,250 mm),可實現更低能量消耗。


表3 乾燥裝置與其能耗



由此估算,在電力/燃氣價格比 ≤ 4 的情況下,使用 aNIR 系統已能有效達到成本中和。若加上二氧化碳排放成本,即使電力/燃氣比達到 5:1,aNIR 設備的能源運行成本維持不變甚至更低。 此外,aNIR 技術明顯可降低產品報廢率,主要由於其連續移動生產方式與緊湊且佔地小的設計;使得凹版印刷機中所需的捲筒紙長度減少了 7 %。 除了降低運營成本和碳排放外, aNIR 技術還具有減輕重量的特點。 它簡化了凹版印刷機的整體設計。就以上這些優勢而言,使用先進 aNIR 近紅外乾燥的凹版印刷機可在短時間內收回成本並將投資大幅下降。


 

浸漬製程


此外,已可從實際應用中獲得浸漬能量比較數據。表4 列出了燃氣乾燥和近紅外乾燥兩者方案的比較。與凹版印刷乾燥比較一樣,浸漬製程可節省兩位數的能源需求,且有潛力節省更多二氧化碳排放(高達 85 kg/1000 m²)。


相較於燃氣乾燥,設備長度整體可節省 90 %,證明了改裝 aNIR 至已安裝浸漬乾燥的生產率提升之潛力。


表4 比較浸漬乾燥解決方案,燃氣和 aNIR 乾燥之間的能源需求和 CO2 排放;

可實現成本中和的乾燥機方案,即使電力/燃氣價格比高


 

結論


安裝在凹版印刷機中的燃氣乾燥會排放大量二氧化碳,排放量達 100 kg / 1000 m2。唯有使用電熱乾燥才可大幅度減少二氧化碳排放。藉由先進的 NIR(aNIR)技術,乾燥過程中不會排放主要 CO2。印刷、塗漆和浸漬應用的生產率製程成品質顯著提升。


 

※ 原文標題「Saving Energy and CO2 Emissions withElectrothermaldryingsystems」

※ 作者:KaiK O.Bär

Managingdirector/president, adphosDigitalPrintingGmbH

Yu WenChen , Jackie Lin

MOS Technology Incorporation

※ 由「瀚笙科技股份有限公司」翻譯提供予「台灣柔版印刷協會」網站使用









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