碳纤维生产正向绿色化发展

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欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 碳纤维生产的过程中会产生很多有害的副产物。Richard Grzanka—Anguil环境系统公司业务发展副总裁介绍了针对这些材料问题的解决方案。 碳纤维将会给我们日常使用的产品带来变革，使之强度变得更高、质量更轻，并更耐用。专家估计这种材料的刚度是钢材的2倍，比强度是其5倍。碳纤维是用由碳原子长链组成的有机聚合物制备而成的。 生产过程中所用的气体、液体和其他原料赋予了碳纤维特定的强度、品质和等级。通过控制炉温、保温时间和氧含量可以使丝束达到预期的性能要求。对于每个碳纤维供应商来说，其生产工艺应是独具特色的，工艺的复杂程度可以与纤维分子结构本身相比。 生产过程中所用的大气污染控制系统面临的挑战与生产工艺相当。在行业出现的初期，碳纤维生产线的设计并不苛刻，也不需要考虑环境影响的方面。随着碳纤维需求的不断增加，碳纤维的生产也日益受到环境监管部门的严格限制。 如果在碳纤维生产过程中对挥发物的控制不给予足够的重视，将会给环境带来严重的影响，并对人体带来直接危害。在炭化炉中会产生HCN和NH3等有害气体，在很少的量时就会对人体健康造成伤害。CO、CO2、氮氧化物NOx和挥发性有机物也是碳纤维生产过程中需要考虑的污染物，这些不仅会对环境不利、而且残留的焦油和硅烷会损坏生产设备。 众所周知，碳纤维生产过程中需要大量的能源和热量输入。生产商需要在降低氧化和碳化过程能耗的同时，提高生产效率。 和很多工厂一样，挥发物都可以通过高温焚烧热氧化技术予以分解。 CnH2m + (n + m/2) O2 →nCO2 + mH2O +热量 然而，很少有行业像碳纤维行业那样设计专门的解决方案。以下是两种减少排放和降低能耗的专业方法。 蓄热式热氧化装置 蓄热式热氧化装置（RTO）的高能效和清除率使其成为很多工业领域的废气控制装置。然而，由于碳纤维生产过程的特性，需要对若干氧化器进行改型，以确保该系统的有效性、可靠性和安全性。 理论上，从低温炉和高温炉排出的气体都可以通过RTO进行处理。RTO的蓄热组件对处理高流量、低浓度蒸汽非常有效。RTO获得的热效率可达97%，不需额外增加燃料。在大多数情况下，气体被压缩进一个安装在强制通风结构中的RTO中。 这样可以减小主风扇的尺寸，以及气体进入氧化器的电力消耗。由于在碳纤维生产时会出现HCN，很多RTO都带有强制通风设施。主风扇尺寸必须足以将空气从氧化器吸出，但是要保证将HCN气体压入氧化器进行清除，以保护公司员工以及周围潜在受影响人员的安全。 无论什么时候都要避免RTO中的硅氧烷氧化物蒸汽在废热回收床上沉积。无机二氧化硅颗粒在升温阶段开始出现，并在介质床上聚集。设计热回收床时应在不影响高的热效率的前提下，避免硅土灰尘聚集并堵塞氧化器。一旦发生堵塞，应对RTO媒介进行定期清洗或更换。 多区间直接燃烧热氧化器(MS-DFTO) 碳纤维生产中由低温、高温炉产生的气体含有浓度非常高的污染物。这种情况下非常适合采用DFTO。然而，这种降解技术需要补充辅助燃料以达到分解的温度。否则，它们会成为温室气体CO2和NOx的重要来源，并对全球变暖产生影响。 然而，温室气体并不是这些环保设备必然的副产物。近年来，通过引入多区间、多步骤方案降低燃烧炉的影响，以解决这些问题。MS-DFTO已经成为碳纤维行业独有的技术，以保证生产过程对环境是无害的。 在使用的过程中，炉内废气通过鼓风机从系统中排出。这样确保了HCN气体全部进入氧化炉进行分解，避免这些致命气体从法兰或仪器中泄漏，危害员工和周围人员安全。这也确保了氧气不会回到炉子里去。 炉内废气在DFTO第一阶段注入，在此阶段没有足够的氧气来使碳氢化合物充分燃烧。在这种还原环境下，少量的含氮化合物被分解成小分子NOx。其余气体则进入下一阶段，在此阶段，分解率可以达到99%。合适的氧含量和停留时间保证了高的分解率。也可以在MS-DFTO系统后加装一种选择性非催化还原（SNCR）系统以进一步降低NOx的排放。 工艺一体化 如今的碳纤维生产商在设计和优化生产工厂时都采用一体化更高的新技术：从合成、纺丝到氧化、碳化、表面处理和污染控制。物理连接技术以及工艺设备和控制设备间的衔接是安装成功的关键。通过整合生产过程中的加热设备，优化热氧化器的能量回收，可以提高工厂的整体效率。 今年，有两个机构推出了与以往不同的新技术，采用了高效的污染防治技术，同时也可以通过提高效率、降低能耗来降低产品成本。 英国最前沿的回收技术 碳纤维由于具有高强、耐久和轻质特性，在航空、汽车领域得到了良好的应用。然而，大多数废弃物都是通过填埋进行处理，这样碳纤维和其他有机原料一样无法实现降解。 英国诺丁汉大学建立了一家工厂，致力于回收利用这种宝贵的资源。诺丁汉大学通过和行业伙伴合作，建立了一个碳纤维回收试验工厂。该团队开发并将具有一定残余强度的回收的碳纤维商业化，将其用于产品中，可以节省生产成本。 诺丁汉大学的研究者明白空气污染控制设备的排放必须达到当地的气体排放要求。他们已经意识到有必要对碳纤维生产过程中废气燃烧产生的热量进行回收。 Anguil公司为该校提供大气污染防治系统。主要是因为他们有类似的应用经验，并能给这个回收试验工厂定制满足要求的系统。Anguil制作、安装了一套可以联机的双热回收热交换氧化器。内部热量回收工艺可以减少达到燃烧废气温度所需的辅助燃料。 美国的技术转让 根据业界对低成本碳纤维的需求，美国能源部在橡树岭国家实验室（ORNL）开发了一种专用的转化工艺。这种由Harper International设计的工艺装备，是业内最复杂，性能最好的设备。位于田纳西州橡树岭的碳纤维生产线可以让商业伙伴在新兴的碳纤维复合材料进行商业化生产前，对其可扩展性进行测试。 为了处理碳纤维生产过程中产生的废气，达到废气排放标准，Anguil公司已受委托设计、生产和安装了一套MS-DFTO装置。这种减排系统能够分解氧化过程中的主要副产物——小分子的氮氧化物NOx。通过调节工艺参数，可以使通过DFTO的挥发性有机物的分解率超过99%。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/2/2014)