碳纖維生產過程中的廢氣處理技術分享
來源：騰啟凈化 | 2022-06-09 16:18:30 瀏覽：
眾所周知，一般高強碳纖維在碳化階段要經過2個重要的過程，一個是氧化過程（又稱“預氧化過程”)，另一個是高低溫碳化過程。這2個過程會產生大量的廢氣，其中包括可燃物和有毒氣體，因此必須加以處理方可排放。目前，處理方法大致有2種：觸媒法和焚燒法。由于觸媒法運行使用成本較高，據資料顯示僅在日本有應用，在我國碳纖維規模化的生產中沒有得到推廣，可供了解的信息并不多，因此，目前國內較多地采用焚燒法處理廢氣。z8E1
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國內威海拓展纖維有限公司（以下簡稱“威海拓展”）有多條碳纖維生產線，包括百噸級的、千噸級的。本文以威海拓展的千噸級碳纖維生產線為例，介紹廢氣處理及熱能回收的使用情況，主要是高低溫碳化爐的廢氣處理及節能措施。z8E1
威海拓展千噸級的碳化爐產生的廢氣總量約1800kg/ h ,加上保護氮氣（ N )總量為6000kg/ h ，因此，選擇的碳化焚燒爐最大處理廢氣總量為8000kg/ h 左右。z8E1
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在碳化爐產生的廢氣中，焦油和氰化氫（ H C N ）所占的比例較大，其他如氨氣( NH3 )、一氧化碳（ CO )、二氧化碳（ C O2 )、水蒸氣（H2O）等比例較小。低溫碳化爐產生的廢氣占碳化爐總廢氣量的絕大部分，為防止低溫碳化爐排出的焦油廢氣物在管道內凝結，除了采取保溫的對策外，還需要在管道外壁增加輔助加熱，以保證管道溫度在630~650℃，這個溫度可有效避免焦油在管道內壁的凝結，避免管道阻塞，使排氣暢通。z8E1
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碳化爐產生廢氣中的 HCN 排放是根據國標 GB 16297-1996的要求而進行。另外，根據生產工藝的要求，高低溫碳化爐需要通入大量的保護氣體﹣純凈 N2（含氧量≤1×10-6，露點≤-72℃)。但是，這又帶來了另一個棘手的問題，大量的 N2 與廢氣、焦油一同進入焚燒爐，再加上焚燒爐燃燒器的輔助空氣，使得高溫焚燒爐內的 N2 與氧氣（ O2 ）容易生成 NOx 。經過反復對比、論證，采用三區直燃式燃燒爐( three Zone direct fired thermal oxidizer ，簡稱 DFTO )可以有效解決上述問題。z8E1
DFT 0為圓柱結構，分臥式安裝和立式安裝2種，以下以臥式安裝方式的結構進行說明，如圖1所示。 DFTO 從物理結構上分3個區，靠近燃燒機的為第1區，稱還原區；中間第2區為冷卻區；后端第3區為氧化區。焚燒爐內腔靠近燃燒器2/3的爐體部分，由硅酸鋁耐火材料澆注而成，厚度至少200m m 。為減輕設備質量，內腔剩余1/3由同樣厚度的陶瓷纖維鋪設，滿足耐火、隔熱的目的。z8E1
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DFTO 第1區段是在還原的環境下運行的，在貧氧燃燒器的作用下，進入 DFTO 內的廢氣在 O2 ，不足的情況下燃燒被還原， HCN 、 NH3 及其他有碳氫機物分解生成 N2、CO 、氫氣（H2)，由于 N2 穩定性很強，有限的 O2 不足以與之相互反應，因此，O2，繼續與 CO 、多余的碳氫化合物發生反應。 DFTO 所使用的燃燒機要求有貧氧特性，它能把天然氣與空氣之比控制在1/10~1/8之間。在此區段還裝有探測器，以便檢測有機物的含量，如果有機物含量不足，則可通過增加天然氣的量來滿足有機物濃度的要求，以保證溫度維持在設定值。第1區段的溫度控制在1200~1300℃的范圍，可分解 HCN 、 NH3 及碳氫化合物，化學方程式分別是： HCN → N2 + H2 + CO ，NH3 →N2 + H2 ， CxHyOz→ yH2O + xCO2 （如果是在有氧條件，溫度在760~850℃，反應為 HCN +O2 -H2O + CO2 + NOx )。z8E1
在第1與第2區段之間，由耐火磚構建成扼流圈環，使廢氣和天然氣在第1區段有充分混合的空間和時間，至少保證1 s 的滯留燃燒反應時間，使反應、燃燒完全徹底。z8E1
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在第1區段焚燒處理完的混合氣體中含有 CO 、 CO2 、H2、N2、 H2O及殘余的碳氫化合物，這些混合物到了第2區段由霧化水或水蒸汽進行冷卻。此區段的腔體采用文丘里式設計，最大限度混合熱氣體和冷卻介質，通過冷卻可使廢氣溫度降到760℃左右，為第3區的處理、反應作準備。z8E1
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經過第1、第2這2個區段處理過的廢氣，到了第3區段后，需要加入氧化劑助燃，即通過風機輸送定量的空氣，這里有氧氣探測裝置，通過檢測氧的含量，輸出對應的比例信號，以控制風機電機的運轉頻率，從而保證第3區段的空氣濃度在規定范圍內，控制、穩定此區段的溫度，使氧化反應充分，無過量的 NOx 生成.z8E1
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在這第3區段中，空氣中的 O2 與從第3區段處理完的廢氣（主要含有 CO, H2 ，殘余的碳氫化合物）再次焚燒，引起化學反應，生成物大部分是 H2O和 CO2 。此階段發生的是放熱反應，爐內溫度升高，但要控制在850℃以下，因為此溫度條件可有效抑制 N Ox 生成。根據經驗，如果此階段溫度高于850℃時，將會有大量的 NOx 生成。最后，850℃以下的高溫尾氣，通過換熱器再回收利用，這些高溫尾氣可把足量的新鮮空氣加熱到230℃左右，再把這些預熱的空氣輸送到氧化焚燒爐使用，能達到節約電能、降低能耗的目的，節能效率可達30%左右。碳纖維產業的長流程、生產過程中的高溫氧化還原反應特點，造成了碳纖維生產具有較高的能耗。為了盡可能做到產業節能環保，進一步降低生產成本，促進碳纖維產業良性的發展，需要產業各界同仁的共同努力。本文就威海拓展的廢氣處理經驗進行分享，希望從事碳纖維產業化的同行能夠少走或不走彎路，從而能起到拋磚引玉的作用。z8E1
