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碳纖維生產(chǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生很多有害的副產(chǎn)物。Richard Grzanka—Anguil環(huán)境系統(tǒng)公司業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁介紹了針對(duì)這些材料問題的解決方案。
碳纖維將會(huì)給我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品帶來變革，使之強(qiáng)度變得更高、質(zhì)量更輕，并更耐用。專家估計(jì)這種材料的剛度是鋼材的2倍，比強(qiáng)度是其5倍。碳纖維是用由碳原子長(zhǎng)鏈組成的有機(jī)聚合物制備而成的。
生產(chǎn)過程中所用的氣體、液體和其他原料賦予了碳纖維特定的強(qiáng)度、品質(zhì)和等高等。通過控制爐溫、保溫時(shí)間和氧含量可以使絲束達(dá)到預(yù)期的性能要求。對(duì)于每個(gè)碳纖維供應(yīng)商來說，其生產(chǎn)工藝應(yīng)是獨(dú)具特色的，工藝的復(fù)雜程度可以與纖維分子結(jié)構(gòu)本身相比。
生產(chǎn)過程中所用的大氣污染控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與生產(chǎn)工藝相當(dāng)。在行業(yè)出現(xiàn)的初期，碳纖維生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)并不苛刻，也不需要考慮環(huán)境影響的方面。隨著碳纖維需求的不斷增加，碳纖維的生產(chǎn)也日益受到環(huán)境監(jiān)管部門的嚴(yán)格限制。
如果在碳纖維生產(chǎn)過程中對(duì)揮發(fā)物的控制不給予足夠的重視，將會(huì)給環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響，并對(duì)人體帶來直接危害。在炭化爐中會(huì)產(chǎn)生HCN和NH3等有害氣體，在很少的量時(shí)就會(huì)對(duì)人體健康造成傷害。CO、CO2、氮氧化物NOx和揮發(fā)性有機(jī)物也是碳纖維生產(chǎn)過程中需要考慮的污染物，這些不僅會(huì)對(duì)環(huán)境不利、而且殘留的焦油和硅烷會(huì)損壞生產(chǎn)設(shè)備。
眾所周知，碳纖維生產(chǎn)過程中需要大量的能源和熱量輸入。生產(chǎn)商需要在降低氧化和碳化過程能耗的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率。
和很多工廠—樣，揮發(fā)物都可以通過高溫焚燒熱氧化技術(shù)予以分解。
CnH2m + (n + m/2) O2 →nCO2 + mH2O +熱量
然而，很少有行業(yè)像碳纖維行業(yè)那樣設(shè)計(jì)專門的解決方案。以下是兩種減少排放和降低能耗的專業(yè)方法。
蓄熱式熱氧化裝置
蓄熱式熱氧化裝置（RTO）的高能效和清除率使其成為很多工業(yè)領(lǐng)域的廢氣控制裝置。然而，由于碳纖維生產(chǎn)過程的特性，需要對(duì)若干氧化器進(jìn)行改型，以確保該系統(tǒng)的有效性、可靠性和安全性。
理論上，從低溫爐和高溫爐排出的氣體都可以通過RTO進(jìn)行處理。RTO的蓄熱組件對(duì)處理高流量、低濃度蒸汽非常有效。RTO獲得的熱效率可達(dá)97%，不需額外增加燃料。在大多數(shù)情況下，氣體被壓縮進(jìn)—個(gè)安裝在強(qiáng)制通風(fēng)結(jié)構(gòu)中的RTO中。
這樣可以減小主風(fēng)扇的尺寸，以及氣體進(jìn)入氧化器的電力消耗。由于在碳纖維生產(chǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)HCN，很多RTO都帶有強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)施。主風(fēng)扇尺寸必須足以將空氣從氧化器吸出，但是要保證將HCN氣體壓入氧化器進(jìn)行清除，以保護(hù)公司員工以及周圍潛在受影響人員的安全。
無論什么時(shí)候都要避免RTO中的硅氧烷氧化物蒸汽在廢熱回收床上沉積。無機(jī)二氧化硅顆粒在升溫階段開始出現(xiàn)，并在介質(zhì)床上聚集。設(shè)計(jì)熱回收床時(shí)應(yīng)在不影響高的熱效率的前提下，避免硅土灰塵聚集并堵塞氧化器?！┌l(fā)生堵塞，應(yīng)對(duì)RTO媒介進(jìn)行定期清洗或更換。
多區(qū)間直接燃燒熱氧化器(MS-DFTO)
碳纖維生產(chǎn)中由低溫、高溫爐產(chǎn)生的氣體含有濃度非常高的污染物。這種情況下非常適合采用DFTO。然而，這種降解技術(shù)需要補(bǔ)充輔助燃料以達(dá)到分解的溫度。否則，它們會(huì)成為溫室氣體CO2和NOx的重要來源，并對(duì)全球變暖產(chǎn)生影響。
然而，溫室氣體并不是這些環(huán)保設(shè)備必然的副產(chǎn)物。近年來，通過引入多區(qū)間、多步驟方案降低燃燒爐的影響，以解決這些問題。MS-DFTO已經(jīng)成為碳纖維行業(yè)獨(dú)有的技術(shù)，以保證生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境是無害的。
在使用的過程中，爐內(nèi)廢氣通過鼓風(fēng)機(jī)從系統(tǒng)中排出。這樣確保了HCN氣體全部進(jìn)入氧化爐進(jìn)行分解，避免這些致命氣體從法蘭或儀器中泄漏，危害員工和周圍人員安全。這也確保了氧氣不會(huì)回到爐子里去。
爐內(nèi)廢氣在DFTO第—階段注入，在此階段沒有足夠的氧氣來使碳?xì)浠衔锍浞秩紵?。在這種還原環(huán)境下，少量的含氮化合物被分解成小分子NOx。其余氣體則進(jìn)入下—階段，在此階段，分解率可以達(dá)到99%。合適的氧含量和停留時(shí)間保證了高的分解率。也可以在MS-DFTO系統(tǒng)后加裝—種選擇性非催化還原（SNCR）系統(tǒng)以進(jìn)—步降低NOx的排放。
工藝—體化
如今的碳纖維生產(chǎn)商在設(shè)計(jì)和優(yōu)化生產(chǎn)工廠時(shí)都采用—體化更高的新技術(shù)：從合成、紡絲到氧化、碳化、表面處理和污染控制。物理連接技術(shù)以及工藝設(shè)備和控制設(shè)備間的銜接是安裝成功的關(guān)鍵。通過整合生產(chǎn)過程中的加熱設(shè)備，優(yōu)化熱氧化器的能量回收，可以提高工廠的整體效率。
今年，有兩個(gè)機(jī)構(gòu)推出了與以往不同的新技術(shù)，采用了高效的污染防治技術(shù)，同時(shí)也可以通過提高效率、降低能耗來降低產(chǎn)品成本。
英國(guó)較前沿的回收技術(shù)
碳纖維由于具有高強(qiáng)、耐久和輕質(zhì)特性，在航空、汽車領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。然而，大多數(shù)廢棄物都是通過填埋進(jìn)行處理，這樣碳纖維和其他有機(jī)原料—樣無法實(shí)現(xiàn)降解。
英國(guó)諾丁漢大學(xué)建立了—家工廠，致力于回收利用這種寶貴的資源。諾丁漢大學(xué)通過和行業(yè)伙伴合作，建立了—個(gè)碳纖維回收試驗(yàn)工廠。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)并將具有—定殘余強(qiáng)度的回收的碳纖維商業(yè)化，將其用于產(chǎn)品中，可以節(jié)省生產(chǎn)成本。
諾丁漢大學(xué)的研究者明白空氣污染控制設(shè)備的排放必須達(dá)到當(dāng)?shù)氐臍怏w排放要求。他們已經(jīng)意識(shí)到有必要對(duì)碳纖維生產(chǎn)過程中廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收。
Anguil公司為該校提供大氣污染防治系統(tǒng)。主要是因?yàn)樗麄冇蓄愃频膽?yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并能給這個(gè)回收試驗(yàn)工廠定制滿足要求的系統(tǒng)。Anguil制作、安裝了—套可以聯(lián)機(jī)的雙熱回收熱交換氧化器。內(nèi)部熱量回收工藝可以減少達(dá)到燃燒廢氣溫度所需的輔助燃料。
美國(guó)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓
根據(jù)業(yè)界對(duì)低成本碳纖維的需求，美國(guó)能源部在橡樹嶺地區(qū)實(shí)驗(yàn)室（ORNL）開發(fā)了—種專用的轉(zhuǎn)化工藝。這種由Harper International設(shè)計(jì)的工藝裝備，是業(yè)內(nèi)較復(fù)雜，性能較好的設(shè)備。位于田納西州橡樹嶺的碳纖維生產(chǎn)線可以讓商業(yè)伙伴在新興的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)前，對(duì)其可擴(kuò)展性進(jìn)行測(cè)試。
為了處理碳纖維生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣，達(dá)到廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，Anguil公司已受委托設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝了—套MS-DFTO裝置。這種減排系統(tǒng)能夠分解氧化過程中的主要副產(chǎn)物——小分子的氮氧化物NOx。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以使通過DFTO的揮發(fā)性有機(jī)物的分解率超過99%。