碳纖維生產廢氣焚燒法處理工藝探討

馬 祥 林

(河南永煤碳纖維有限公司，河南 商丘 476000)

碳纖維生產廢氣焚燒法處理工藝探討

馬 祥 林

(河南永煤碳纖維有限公司，河南 商丘 476000)

采用焚燒爐直接焚燒法處理碳纖維生產中的炭化廢氣，探討了柴油流量、柴油壓力、爐膛壓力等工藝條件對焚燒爐運行狀況及處理效果的影響。結果表明：在柴油流量大于12.5 L/h、柴油壓力大于0.4 MPa、爐膛壓力-1 200～-600 Pa條件下，焚燒爐可以連續穩定運行；炭化廢氣經焚燒爐連續穩定處理后，碳纖維生產廢氣中氰化氫去除率達98%以上，達到《GB16297—1996大氣污染物綜合排放標準》要求。

碳纖維 炭化廢氣 焚燒法 焚燒爐 廢氣處理

在碳纖維生產過程中，原絲經預氧化、高低溫碳化工序會產生可燃物和有毒的廢氣，以生產1.0 kg碳纖維計算，將產生氰化氫(HCN)207.9 g，氨氣(NH3)7.3 g，可燃氣體10.7 g，還有大量焦油[1]，其中HCN氣體毒性大、沸點低、易揮發、密度小、擴散性強，必須處理后進行排放[2]。目前，碳纖維生產廢氣處理方法有吸收法、吸附法、催化法和焚燒法，吸收法和吸附法只適用低風量、低濃度廢氣的處理；催化法的催化劑易失活，再生管理和運作成本較高；直接焚燒法熱回收利用率高，運行成本低[3-4]。

目前，我國碳纖維規模化生產中，采用直接焚燒法處理廢氣。直燃式焚燒爐運行時，以天然氣、油料等燃料提高爐內溫度，在800 ℃左右將有機廢氣完全焚燒，這些由C，O，H，N等元素組成的裂解物主要包括焦油、HCN、一氧化碳(CO)、NH3等，有毒有害物質以廢氣的形式排出，經處理后轉化成二氧化碳(CO2)、水蒸氣(H2O)、氮氣(N2)，去除效率達到98%以上。

1 試驗

1.1 原料

炭化廢氣：低溫炭化爐的炭化廢氣中HCN，NH3，N2，H2O，CO/CO2，焦油體積分數分別為8%，7%，0，8%，2%，11%；高溫炭化爐的炭化廢氣中HCN，NH3，N2，H2O，CO/CO2，焦油體積分數分別為4%，0.1%，14%，1%，1%，0。

1.2 設備

臥式低壓霧化柴油焚燒爐：主要由蓄熱室、氧化室、風機等組成，杜爾公司制。

1.3 焚燒爐處理炭化廢氣

焚燒爐燃燒主要包括助燃風、柴油霧化燃燒、廢氣焚燒、換熱冷卻、廢氣排放等，炭化廢氣進入蓄熱室被預熱后，在氧化室發生氧化反應，被焚燒后的高溫氣體進入換熱室，對新進入的廢氣和氧化新風進行預熱，有效地降低廢氣處理后的熱量排放，有害氣體轉化為CO2，H2O，N2，再排放到大氣中，廢氣處理的工藝流程如圖1所示。焚燒爐運行時，選擇柴油用量7.5～17.5 L/h、柴油壓力0.2～0.6 MPa，爐膛壓力-1 300～-400 Pa，分析了各因素對焚燒爐穩定運行的影響。

圖1 碳纖維生產廢氣焚燒法處理工藝流程Fig.1 Flow chart of waste gas incineration process for carbon fiber production

2 結果與討論

2.1 柴油流量

保持柴油壓力為0.4 MPa、爐膛壓力為-800 Pa運行24 h，觀察火焰情況，考察柴油流量對焚燒爐穩定運行的影響。

從表1可知：當柴油流量為7.5 L/h時，頻繁熄火未能正常啟動；柴油流量為10.0 L/h時，點火啟動后，24 h內熄火5次，爐膛內溫度550～680 ℃，無法滿足HCN氣體處理條件；柴油流量為12.5 L/h以上時，正常點火啟動，可以連續運行，未出現熄火現象，爐膛內溫度達到800℃以上，滿足設備運行條件。

表1 柴油流量與焚燒爐穩定運行的關系Tab.1 Relationship between diesel flow and incinerator operation situation

2.2 柴油壓力

保持柴油流量15.0 L/h、爐膛壓力-800 Pa，運行24 h，觀察主火焰情況，考察柴油管路壓力與焚燒爐穩定運行情況之間的關系。

由表2可知：當柴油壓力為0.2 MPa時，24 h內共計熄火5次，無法連續穩定運行；當柴油壓力為0.3 MPa時，熄火3次，仍無法連續穩定運行；當柴油壓力調整至0.4MPa以上時，啟動后可以連續穩定運行。

表2 柴油壓力與焚燒爐穩定運行的關系Tab.2 Relationship between diesel pressure and incinerator operation situation

2.3 爐膛壓力

保持柴油流量15.0 L/h、柴油壓力0.4 MPa，運行24 h，考察不同爐膛壓力條件下，焚燒爐穩定運行情況。

從表3可知：當焚燒爐爐膛壓力為-500～-400 Pa時，24 h內共計熄火1～2次，無法連續穩定運行；當爐膛壓力為-1 200～ -600 Pa時，24 h內可以連續穩定運行；當爐膛壓力為小于等于-1 300 Pa時，24 h內熄火2次，焚燒爐無法穩定運行。

表3 爐膛壓力與焚燒爐穩定運行的關系Tab.3 Relationship between furnace pressure and incinerator operation situation

2.4 焚燒處理效果

通過前述分析，較佳的焚燒處理工藝條件為：柴油流量大于12.5 L/h，柴油壓力大于0.4 MPa，爐膛壓力-1 200～-600 Pa。在較佳焚燒條件下，炭化廢氣焚燒處理后經30 m煙囪排放，排放氣體中HCN平均濃度為0.152 mg/m3，NH3平均濃度1.013 mg/m3，相比處理前，去除率均達到98%以上，符合《GB16297—1996 大氣污染物綜合排放標準》要求，見表4。

表4 焚燒處理后碳纖維生產廢氣中 HCN及NH3含量Tab.4 HCN and NH3contents after waste gas incineration for carbon fiber production

3 結論

a.采用直接焚燒法處理碳纖維生產廢氣，碳化廢氣可得到有效處理，HCN，NH3等有害氣體去除率達到98%以上，確保廢氣達標排放。

b.焚燒爐處理碳纖維生產廢氣較佳工藝條件為：柴油流量大于12.5 L/h，柴油壓力大于0.4 MPa，爐膛壓力-1 200～600 Pa；處理后排放氣體中HCN濃度為0.152 mg/m3，NH3濃度為1.013 mg/m3。

[1] 賀福.碳纖維及其應用技術[M]．北京：化學工業出版社，2004：226-227．

[2] 賀福，張引枝，李東升．碳化過程中釋放出的廢氣及處理[J]．化工新型材料，1995,23(1)：20-23．

[3] 劉禮華，季春曉．聚丙烯腈基碳纖維生產中氰化氫廢氣的脫除方法[J]．石油化工技術與經濟，2011,27(1)：41-45．

[4] 賀福．碳纖維及石墨纖維[M]．北京：化學工業出版社，2010：233．

[5] 國家環境保護局.GB 16297—1996,大氣污染物綜合排放標準[S]．

Discussion of waste gas incineration process for carbon fiber production

Ma Xianglin

(HenanYongmeiCarbonFiberCo.,Ltd.,Shangqiu476000)

The carbonization waste gas from carbon fiber production was treated with an incinerator by direct incineration process.The effects of process parameters,such as diesel flow,diesel pressure,furnace pressure,on the incinerator operation situation and treatment effect were discussed.The results showed that the continuously steady operation of the incinerator could be guaranteed under the conditions as followed: diesel flow above 12.5 L/h,diesel pressure above 0.4 MPa,furnace pressure -1 200-600 Pa; and the removal rate of hydrogen cyanide reached above 98% in the carbonization waste gas after continuously steady treatment,satisfying the requirement of the integrated emission standard of air pollutants GB16297-1996.

carbon fiber; carbonization waste gas; incineration; incinerator; waste gas treatment

2015- 09-16； 修改稿收到日期：2016- 01-25。

馬祥林(1979—)，男，化工工程師，主要從事碳纖維及復合材料生產與研發。E-mail：maxianglin8515@126.com。

河南省重大科技專項(121100210200)。

TQ340.9

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1001- 0041(2016)02- 0067- 03