碳纤维生产过程中的废气处理技术分享
来源：腾启净化 | 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。2xJ1
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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。2xJ1
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。2xJ1
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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。2xJ1
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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。2xJ1
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。2xJ1
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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 )。2xJ1
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。2xJ1
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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。2xJ1
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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.2xJ1
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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。2xJ1
