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碳纖維生產(chǎn)的過程中會產(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這些材料問題的解決方案。
碳纖維將會給我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品帶來變革，使之強度變得更高、質(zhì)量更輕，并更耐用。專家估計這種材料的剛度是鋼材的2倍，比強度是其5倍。碳纖維是用由碳原子長鏈組成的有機聚合物制備而成的。
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度、品質(zhì)和等高等。通過控制爐溫、保溫時間和氧含量可以使絲束達到預(yù)期的性能要求。對于每個碳纖維供應(yīng)商來說，其生產(chǎn)工藝應(yīng)是獨具特色的，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。在行業(yè)出現(xiàn)的初期，碳纖維生產(chǎn)線的設(shè)計并不苛刻，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)管部門的嚴格限制。
如果在碳纖維生產(chǎn)過程中對揮發(fā)物的控制不給予足夠的重視，將會給環(huán)境帶來嚴重的影響，并對人體帶來直接危害。在炭化爐中會產(chǎn)生HCN和NH3等有害氣體，在很少的量時就會對人體健康造成傷害。CO、CO2、氮氧化物NOx和揮發(fā)性有機物也是碳纖維生產(chǎn)過程中需要考慮的污染物，這些不僅會對環(huán)境不利、而且殘留的焦油和硅烷會損壞生產(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，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，需要對若干氧化器進行改型，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進行處理。RTO的蓄熱組件對處理高流量、低濃度蒸汽非常有效。RTO獲得的熱效率可達97%，不需額外增加燃料。在大多數(shù)情況下，氣體被壓縮進—個安裝在強制通風(fēng)結(jié)構(gòu)中的RTO中。
這樣可以減小主風(fēng)扇的尺寸，以及氣體進入氧化器的電力消耗。由于在碳纖維生產(chǎn)時會出現(xiàn)HCN，很多RTO都帶有強制通風(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氣體壓入氧化器進行清除，以保護公司員工以及周圍潛在受影響人員的安全。
無論什么時候都要避免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)計熱回收床時應(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。—旦發(fā)生堵塞，應(yīng)對RTO媒介進行定期清洗或更換。
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)需要補充輔助燃料以達到分解的溫度。否則，它們會成為溫室氣體CO2和NOx的重要來源，并對全球變暖產(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)獨有的技術(shù)，以保證生產(chǎn)過程對環(huán)境是無害的。
在使用的過程中，爐內(nèi)廢氣通過鼓風(fēng)機從系統(tǒng)中排出。這樣確保了HCN氣體全部進入氧化爐進行分解，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氫化合物充分燃燒。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。其余氣體則進入下—階段，在此階段，分解率可以達到99%。合適的氧含量和停留時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—步降低NOx的排放。
工藝—體化
如今的碳纖維生產(chǎn)商在設(shè)計和優(yōu)化生產(chǎn)工廠時都采用—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，有兩個機構(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)，同時也可以通過提高效率、降低能耗來降低產(chǎn)品成本。
英國較前沿的回收技術(shù)
碳纖維由于具有高強、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行處理，這樣碳纖維和其他有機原料—樣無法實現(xiàn)降解。
英國諾丁漢大學(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—個碳纖維回收試驗工廠。該團隊開發(fā)并將具有—定殘余強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)備的排放必須達到當?shù)氐臍怏w排放要求。他們已經(jīng)意識到有必要對碳纖維生產(chǎn)過程中廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量進行回收。
Anguil公司為該校提供大氣污染防治系統(tǒng)。主要是因為他們有類似的應(yīng)用經(jīng)驗，并能給這個回收試驗工廠定制滿足要求的系統(tǒng)。Anguil制作、安裝了—套可以聯(lián)機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到燃燒廢氣溫度所需的輔助燃料。
美國的技術(shù)轉(zhuǎn)讓
根據(jù)業(yè)界對低成本碳纖維的需求，美國能源部在橡樹嶺地區(qū)實驗室（ORNL）開發(fā)了—種專用的轉(zhuǎn)化工藝。這種由Harper International設(shè)計的工藝裝備，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)合材料進行商業(yè)化生產(chǎn)前，對其可擴展性進行測試。
為了處理碳纖維生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣，達到廢氣排放標準，Anguil公司已受委托設(shè)計、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)性有機物的分解率超過99%。