碳纤维生产废气焚烧法处理工艺探讨

马 祥 林

(河南永煤碳纤维有限公司，河南 商丘 476000)

碳纤维生产废气焚烧法处理工艺探讨

马 祥 林

(河南永煤碳纤维有限公司，河南 商丘 476000)

采用焚烧炉直接焚烧法处理碳纤维生产中的炭化废气，探讨了柴油流量、柴油压力、炉膛压力等工艺条件对焚烧炉运行状况及处理效果的影响。结果表明：在柴油流量大于12.5 L/h、柴油压力大于0.4 MPa、炉膛压力-1 200～-600 Pa条件下，焚烧炉可以连续稳定运行；炭化废气经焚烧炉连续稳定处理后，碳纤维生产废气中氰化氢去除率达98%以上，达到《GB16297—1996大气污染物综合排放标准》要求。

碳纤维 炭化废气 焚烧法 焚烧炉 废气处理

在碳纤维生产过程中，原丝经预氧化、高低温碳化工序会产生可燃物和有毒的废气，以生产1.0 kg碳纤维计算，将产生氰化氢(HCN)207.9 g，氨气(NH3)7.3 g，可燃气体10.7 g，还有大量焦油[1]，其中HCN气体毒性大、沸点低、易挥发、密度小、扩散性强，必须处理后进行排放[2]。目前，碳纤维生产废气处理方法有吸收法、吸附法、催化法和焚烧法，吸收法和吸附法只适用低风量、低浓度废气的处理；催化法的催化剂易失活，再生管理和运作成本较高；直接焚烧法热回收利用率高，运行成本低[3-4]。

目前，我国碳纤维规模化生产中，采用直接焚烧法处理废气。直燃式焚烧炉运行时，以天然气、油料等燃料提高炉内温度，在800 ℃左右将有机废气完全焚烧，这些由C，O，H，N等元素组成的裂解物主要包括焦油、HCN、一氧化碳(CO)、NH3等，有毒有害物质以废气的形式排出，经处理后转化成二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、氮气(N2)，去除效率达到98%以上。

1 试验

1.1 原料

炭化废气：低温炭化炉的炭化废气中HCN，NH3，N2，H2O，CO/CO2，焦油体积分数分别为8%，7%，0，8%，2%，11%；高温炭化炉的炭化废气中HCN，NH3，N2，H2O，CO/CO2，焦油体积分数分别为4%，0.1%，14%，1%，1%，0。

1.2 设备

卧式低压雾化柴油焚烧炉：主要由蓄热室、氧化室、风机等组成，杜尔公司制。

1.3 焚烧炉处理炭化废气

焚烧炉燃烧主要包括助燃风、柴油雾化燃烧、废气焚烧、换热冷却、废气排放等，炭化废气进入蓄热室被预热后，在氧化室发生氧化反应，被焚烧后的高温气体进入换热室，对新进入的废气和氧化新风进行预热，有效地降低废气处理后的热量排放，有害气体转化为CO2，H2O，N2，再排放到大气中，废气处理的工艺流程如图1所示。焚烧炉运行时，选择柴油用量7.5～17.5 L/h、柴油压力0.2～0.6 MPa，炉膛压力-1 300～-400 Pa，分析了各因素对焚烧炉稳定运行的影响。

图1 碳纤维生产废气焚烧法处理工艺流程Fig.1 Flow chart of waste gas incineration process for carbon fiber production

2 结果与讨论

2.1 柴油流量

保持柴油压力为0.4 MPa、炉膛压力为-800 Pa运行24 h，观察火焰情况，考察柴油流量对焚烧炉稳定运行的影响。

从表1可知：当柴油流量为7.5 L/h时，频繁熄火未能正常启动；柴油流量为10.0 L/h时，点火启动后，24 h内熄火5次，炉膛内温度550～680 ℃，无法满足HCN气体处理条件；柴油流量为12.5 L/h以上时，正常点火启动，可以连续运行，未出现熄火现象，炉膛内温度达到800℃以上，满足设备运行条件。

表1 柴油流量与焚烧炉稳定运行的关系Tab.1 Relationship between diesel flow and incinerator operation situation

2.2 柴油压力

保持柴油流量15.0 L/h、炉膛压力-800 Pa，运行24 h，观察主火焰情况，考察柴油管路压力与焚烧炉稳定运行情况之间的关系。

由表2可知：当柴油压力为0.2 MPa时，24 h内共计熄火5次，无法连续稳定运行；当柴油压力为0.3 MPa时，熄火3次，仍无法连续稳定运行；当柴油压力调整至0.4MPa以上时，启动后可以连续稳定运行。

表2 柴油压力与焚烧炉稳定运行的关系Tab.2 Relationship between diesel pressure and incinerator operation situation

2.3 炉膛压力

保持柴油流量15.0 L/h、柴油压力0.4 MPa，运行24 h，考察不同炉膛压力条件下，焚烧炉稳定运行情况。

从表3可知：当焚烧炉炉膛压力为-500～-400 Pa时，24 h内共计熄火1～2次，无法连续稳定运行；当炉膛压力为-1 200～ -600 Pa时，24 h内可以连续稳定运行；当炉膛压力为小于等于-1 300 Pa时，24 h内熄火2次，焚烧炉无法稳定运行。

表3 炉膛压力与焚烧炉稳定运行的关系Tab.3 Relationship between furnace pressure and incinerator operation situation

2.4 焚烧处理效果

通过前述分析，较佳的焚烧处理工艺条件为：柴油流量大于12.5 L/h，柴油压力大于0.4 MPa，炉膛压力-1 200～-600 Pa。在较佳焚烧条件下，炭化废气焚烧处理后经30 m烟囱排放，排放气体中HCN平均浓度为0.152 mg/m3，NH3平均浓度1.013 mg/m3，相比处理前，去除率均达到98%以上，符合《GB16297—1996 大气污染物综合排放标准》要求，见表4。

表4 焚烧处理后碳纤维生产废气中 HCN及NH3含量Tab.4 HCN and NH3contents after waste gas incineration for carbon fiber production

3 结论

a.采用直接焚烧法处理碳纤维生产废气，碳化废气可得到有效处理，HCN，NH3等有害气体去除率达到98%以上，确保废气达标排放。

b.焚烧炉处理碳纤维生产废气较佳工艺条件为：柴油流量大于12.5 L/h，柴油压力大于0.4 MPa，炉膛压力-1 200～600 Pa；处理后排放气体中HCN浓度为0.152 mg/m3，NH3浓度为1.013 mg/m3。

[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M]．北京：化学工业出版社，2004：226-227．

[2] 贺福，张引枝，李东升．碳化过程中释放出的废气及处理[J]．化工新型材料，1995,23(1)：20-23．

[3] 刘礼华，季春晓．聚丙烯腈基碳纤维生产中氰化氢废气的脱除方法[J]．石油化工技术与经济，2011,27(1)：41-45．

[4] 贺福．碳纤维及石墨纤维[M]．北京：化学工业出版社，2010：233．

[5] 国家环境保护局.GB 16297—1996,大气污染物综合排放标准[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。

马祥林(1979—)，男，化工工程师，主要从事碳纤维及复合材料生产与研发。E-mail：maxianglin8515@126.com。

河南省重大科技专项(121100210200)。

TQ340.9

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1001- 0041(2016)02- 0067- 03