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碳纖維生產過程中的廢氣處理技術分享

來源:2 | 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。由於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,可供瞭解的信息並不多,因此,目前國內較多地採用焚燒法處理廢氣。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,除了採取保溫的對策外,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 。經過反覆對比、論證,採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,分卧式安裝和立式安裝2種,以下以卧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;後端第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註而成,厚度至少200m m 。為減輕設備質量,內腔剩餘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),由於 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 、多餘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℃的範圍,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及殘餘的碳氫化合物,這些混合物到了第2區段由霧化水或水蒸汽進行冷卻。此區段的腔體採用文丘里式設計,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、反應作准備。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區段後,需要加入氧化劑助燃,即通過風機輸送定量的空氣,這裡有氧氣探測裝置,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範圍內,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 ,殘餘的碳氫化合物)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,如果此階段溫度高於850℃時,將會有大量的 NOx 生成。最後,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
 
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