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碳纤维生产过程中的废气处理技术分享

来源:开云APP下载安装手机版 | 2022-06-09 16:18:30        浏览:

众所周知,一般高强碳纤维在碳化阶段要经过2个重要的过程,一个是氧化过程(又称“预氧化过程”),另一个是高低温碳化过程。这2个过程会产生大量的废气,其中包括可燃物和有毒气体,因此必须加以处理方可排放。目前,处理方法大致有2种:触媒法和焚烧法。由于触媒法运行使用成本较高,据资料显示仅在日本有应用,在我国碳纤维规模化的生产中没有得到推广,可供了解的信息并不多,因此,目前国内较多地采用焚烧法处理废气。z8E1
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国内威海拓展纤维有限公司(以下简称“威海拓展”)有多条碳纤维生产线,包括百吨级的、千吨级的。本文以威海拓展的千吨级碳纤维生产线为例,介绍废气处理及热能回收的使用情况,主要是高低温碳化炉的废气处理及节能措施。z8E1
威海拓展千吨级的碳化炉产生的废气总量约1800kg/ h ,加上保护氮气( N )总量为6000kg/ h ,因此,选择的碳化焚烧炉最大处理废气总量为8000kg/ h 左右。z8E1
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在碳化炉产生的废气中,焦油和氰化氢( H C N )所占的比例较大,其他如氨气( NH3 )、一氧化碳( CO )、二氧化碳( C O2 )、水蒸气(H2O)等比例较小。低温碳化炉产生的废气占碳化炉总废气量的绝大部分,为防止低温碳化炉排出的焦油废气物在管道内凝结,除了采取保温的对策外,还需要在管道外壁增加辅助加热,以保证管道温度在630~650℃,这个温度可有效避免焦油在管道内壁的凝结,避免管道阻塞,使排气畅通。z8E1
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碳化炉产生废气中的 HCN 排放是根据国标 GB 16297-1996的要求而进行。另外,根据生产工艺的要求,高低温碳化炉需要通入大量的保护气体﹣纯净 N2(含氧量≤1×10-6,露点≤-72℃)。但是,这又带来了另一个棘手的问题,大量的 N2 与废气、焦油一同进入焚烧炉,再加上焚烧炉燃烧器的辅助空气,使得高温焚烧炉内的 N2 与氧气( O2 )容易生成 NOx 。经过反复对比、论证,采用三区直燃式燃烧炉( three Zone direct fired thermal oxidizer ,简称 DFTO )可以有效解决上述问题。z8E1
 DFT 0为圆柱结构,分卧式安装和立式安装2种,以下以卧式安装方式的结构进行说明,如图1所示。 DFTO 从物理结构上分3个区,靠近燃烧机的为第1区,称还原区;中间第2区为冷却区;后端第3区为氧化区。焚烧炉内腔靠近燃烧器2/3的炉体部分,由硅酸铝耐火材料浇注而成,厚度至少200m m 。为减轻设备质量,内腔剩余1/3由同样厚度的陶瓷纤维铺设,满足耐火、隔热的目的。z8E1
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DFTO 第1区段是在还原的环境下运行的,在贫氧燃烧器的作用下,进入 DFTO 内的废气在 O2 ,不足的情况下燃烧被还原, HCN 、 NH3 及其他有碳氢机物分解生成 N2、CO 、氢气(H2),由于 N2 稳定性很强,有限的 O2 不足以与之相互反应,因此,O2,继续与 CO 、多余的碳氢化合物发生反应。 DFTO 所使用的燃烧机要求有贫氧特性,它能把天然气与空气之比控制在1/10~1/8之间。在此区段还装有探测器,以便检测有机物的含量,如果有机物含量不足,则可通过增加天然气的量来满足有机物浓度的要求,以保证温度维持在设定值。第1区段的温度控制在1200~1300℃的范围,可分解 HCN 、 NH3 及碳氢化合物,化学方程式分别是: HCN → N2 + H2 + CO ,NH3 →N2 + H2 , CxHyOz→ yH2O + xCO2 (如果是在有氧条件,温度在760~850℃,反应为 HCN +O2 -H2O + CO2 + NOx )。z8E1
在第1与第2区段之间,由耐火砖构建成扼流圈环,使废气和天然气在第1区段有充分混合的空间和时间,至少保证1 s 的滞留燃烧反应时间,使反应、燃烧完全彻底。z8E1
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在第1区段焚烧处理完的混合气体中含有 CO 、 CO2 、H2、N2、 H2O及残余的碳氢化合物,这些混合物到了第2区段由雾化水或水蒸汽进行冷却。此区段的腔体采用文丘里式设计,最大限度混合热气体和冷却介质,通过冷却可使废气温度降到760℃左右,为第3区的处理、反应作准备。z8E1
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经过第1、第2这2个区段处理过的废气,到了第3区段后,需要加入氧化剂助燃,即通过风机输送定量的空气,这里有氧气探测装置,通过检测氧的含量,输出对应的比例信号,以控制风机电机的运转频率,从而保证第3区段的空气浓度在规定范围内,控制、稳定此区段的温度,使氧化反应充分,无过量的 NOx 生成.z8E1
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在这第3区段中,空气中的 O2 与从第3区段处理完的废气(主要含有 CO, H2 ,残余的碳氢化合物)再次焚烧,引起化学反应,生成物大部分是 H2O和 CO2 。此阶段发生的是放热反应,炉内温度升高,但要控制在850℃以下,因为此温度条件可有效抑制 N Ox 生成。根据经验,如果此阶段温度高于850℃时,将会有大量的 NOx 生成。最后,850℃以下的高温尾气,通过换热器再回收利用,这些高温尾气可把足量的新鲜空气加热到230℃左右,再把这些预热的空气输送到氧化焚烧炉使用,能达到节约电能、降低能耗的目的,节能效率可达30%左右。碳纤维产业的长流程、生产过程中的高温氧化还原反应特点,造成了碳纤维生产具有较高的能耗。为了尽可能做到产业节能环保,进一步降低生产成本,促进碳纤维产业良性的发展,需要产业各界同仁的共同努力。本文就威海拓展的废气处理经验进行分享,希望从事碳纤维产业化的同行能够少走或不走弯路,从而能起到抛砖引玉的作用。z8E1
 
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