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碳纖維工業廢氣的處理技術

文檔作者：楊平平文檔來源：山西工程職業技術學院		點擊數：	更新時間： 2021年05月11日
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2
山西冶金
SHANXI ME AI URGY
Total 134
No．6，2011
文章編號：1672—1152(2011)06—0004—03
碳纖維工業廢氣的處理技術
楊平平
(山西工程職業技術學院， 山西太原030009)
摘要：對碳纖維工業廢氣的來源及處理方法進行了總結。通過對吸附法、吸收法、燃燒法等處理廢氣方法的優
缺點比較，認為燃料助燃法和催化燃燒法均適用于處理碳纖維工業尾氣。由于催化燃燒法需要催化荊，建議開
展催化燃燒法處理碳纖維工業廢氣的專題研究，使碳纖維工業尾氣得到更加有效和環保的處理。
關鍵詞：碳纖維工業廢氣尾氣處理
中圖分類號：X701 文獻標識碼：D 收稿日期：2011—08—02
碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐
蝕、抗蠕變、抗疲勞等優點? ，被廣泛應用于航空航
天、石油化工、醫療器械、土木建筑、文體休閑等領
域，倍受世人關注 。近年來，我國碳纖維生產技術
不斷取得進步，利用自主技術研制的少數國產碳纖
維產品已經達到國際同類產品水平[ 。目前，我國碳
纖維工業正處于成長期，生產規模不斷擴大，國內對
碳纖維的需求旺盛，為我國碳纖維行業實現跨越式
發展提供了難得的機遇，產業化發展明顯加速【 。
工業化大規模生產的碳纖維品種有聚丙烯腈
(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。
其中，聚丙烯腈基碳纖維因生產工藝較簡單，綜合性
能好而發展迅速，在碳纖維生產中占有絕對優勢，其
應用范圍最廣，用量最大，發展最為迅速，我國碳纖
維生產主要以聚丙烯腈基碳纖維為主[5]。但是在生
產聚丙烯腈基碳纖維的過程中將產生大量有害尾
氣，尾氣中不僅含有短纖維、焦油、一氧化碳等，還含
有劇毒物質氰化氫(HCN)[6]。如果不對這些有害尾
氣加以治理，將對操作空間和環境造成嚴重的污染，
極大地危害人們的身體健康，同時也將影響本行業
的可持續發展[7]。
1 碳纖維生產工藝中尾氣的來源
聚丙烯腈基碳纖維的生產主要分為兩步：第一
步是以丙烯腈作為第一單體，和其他物質共聚，通過
紡絲，制備出聚丙烯腈原絲；第二步是聚丙烯腈原絲
的預氧化和碳化。
聚丙烯腈基碳纖維的生產過程中的尾氣主要來
源于預氧化和碳化工藝段。預氧化過程中主要產生
作者簡介：楊平平(1976一)，女，山西工程職業技術學
院講師。Tel：13734010570，E—maihzhangbin_xue@163．tom
的尾氣是水蒸汽，另外也存在少 的HCN、NH，、CO
和CO：等。碳化過程的尾氣主要組分是HCN，在
700℃前后分別出現一個釋放高峰。在低溫區釋放
的HCN可能是預氧絲中未經環化、交聯的部分熱解
的產物。
據報道，每生產l kg PAN碳纖維，大約會釋放
出207．9 g HCN，7．3 g NH3，41．1 mL CH,，4．84 mL CO
和237．6 mL H ，此外還有許多焦油[1]。在生產聚丙
烯腈基碳纖維產生的幾種尾氣中，氰化氫的毒性最大，
屬于l刮毒物，它沸點低(25．7℃)，揮發陛大(904mg／L)，
蒸汽密度小(0．93 g／m3)，擴散性強，可通過呼吸道、
消化道、皮膚等進人人體c川。HCN對人體的毒性主要
是與高鐵細胞色素氧化酶結合，生成氰化高鐵，使細
胞色素氧化酶失去傳遞氧的作用?。人經口一次吸
進50 mg或在120 mg／m3氰化氫環境中1 h后可致
死，長期吸人低濃度的氰化氫可導致神經衰弱綜合
癥、肌肉酸痛、皮疹、肝脾腫大等癥狀【 。PAN基碳纖
維生產過程中產生的氰化氫的濃度經常高達上百毫
克每立方米[ ，因此，必須對生產過程中的尾氣進行
治理，保證我國碳纖維工業的可持續發展。
2 碳纖維工業尾氣的處理方法
對于有機尾氣的治理，人們早就有研究，而且已
經開發出一些卓有成效的控制技術[i0】。在這些控制
技術中，應用廣泛并且研究較多的有吸附法、化學吸
收法、燃燒法、冷凝法等，其中燃燒法又分為直接燃
燒法、燃料助燃法和催化燃燒法[1】m]。
2．1 吸附法
吸附法是利用材料對污染物組分的吸附性能，
進而使該組分與其他物質相分離。由于材料的吸附
量有限，所以吸附法主要用于對低濃度高通量有機
2011年第6期 楊平平：碳纖維工業廢氣的處理技術
尾氣的凈化。采用吸附法容易實現對污染物的綜合
治理，能夠使吸附清除的物質回收利用，變廢為寶；
另外，吸附材料可多次再生利用，運行成本較低，對
污染物的適應性強，耐酸、耐堿、耐有機溶劑、耐氧化
等。在目前應用的吸附劑中，根據對吸附劑的要求和
成本，活性碳纖維性能最好，因此應用最廣。國外自
20世紀8O年代就開始研究應用活性碳纖維吸附、
濃縮低濃度有機尾氣，近年來應用已逐漸廣泛。以活
性碳纖維作為吸附劑，已經用于回收和處理干法制
腈綸裝置中產生的DMF尾氣[13]。
能用于處理碳纖維工業尾氣的常用的吸附劑有
活性炭、活性碳纖維、硅膠等，但處理效果有限。如果
用硫酸銅、硝酸銀或鉻酸鉀的氨水溶液浸漬活性炭并
經高溫處理后，則在其表面生成的氧化銅、氧化銀或
氧化鉻可與HCN發生化學反應，生成穩定的固態氰
化物，則可以增加活性炭處理含氰尾氣的效 。以浸
漬銅離子溶液為例，其與HCN的反應可能如下：
Cu20+2HCN=2CuCN+H20
CuO+2HCN=Cu(CN)2+H2O
當活性炭中同時浸漬兩種過渡金屬離子如
Cu2+、c 時，其吸附性能有更大的提高。同時浸漬
Cu2+和c 的活性炭在吸附HCN時，首先在cu 上
生成(CN)，(CN)在Cr6+催化下生成(NH：CO) ，
形成HCN一(CN) Cu2+O—Cr6+系統。這不僅使活性炭
具有更大的吸附能力，而且大大提高了其吸附速度 。
雖然經過處理后的活性炭對HCN具有較高的
吸附能力，但其吸附容量畢竟有限，因此需對其進行
再生或更換才能繼續使用，然而這會使其失去部分
吸附能力，因而限制了其在處理含氰尾氣中的應用。
另外，碳化尾氣中含有少量水蒸氣，由于水蒸氣與
HCN存在競爭吸附現象，使被吸附的HCN解吸而
大大降低了處理效果。碳纖維生成工藝中的尾氣還
會含有纖維毛、焦油和粉塵等其他物質，這些會堵塞
吸附劑的孔隙。因而，采用吸附法來處理碳纖維工業
尾氣時，需要對尾氣進行預處理。由于碳纖維工業尾
氣量大，不宜采用吸附法處理。
2．2 吸收法
吸收法是利用化學試劑與待處理的組分進行反
應，生成新的物質，再對新物質進行處理，以達到治
理尾氣的目的。吸收法是工業中應用廣泛、工藝成熟
的一種尾氣處理方法，但是由于污染組分被吸收后
生成的新的物質需要進一步被處理，使得吸收法容
易造成二次污染，所以吸收法一般與其他的處理方
法聯用。
對碳纖維工業尾氣，首先將含有HCN的尾氣通
過堿液吸收生成CN一，再將CN一轉化為無毒無害的
物質，同時處理尾氣中的焦油等成分，但吸收液無法
吸收尾氣中的的CO。較早用于吸收HCN的物質是
Na2CO3，主要的過程是先使Na2CO 和HEN反應，再
加入鐵，鐵與CN一反應生成Na4Fe(CN) ，這是處理
含氰廢液最早采用的方法，又稱為黃血鹽法。但由于
該法處理不徹底，出水水質不穩定，容易帶色，容易
造成二次污染，現在已很少使用[ 。
除使用Na2CO3外，還可使用NaOH和Ca(OH)
溶液( 。主要過程是先將碳化爐出來的尾氣經冷凝
后進人堿液吸收裝置，所含有的HCN經堿液中和而
生成鹽，其反應式如下：
HCN +NaOH=NaCN+H2O
2HCN+Ca(OH)2=Ca(CN)2+2H20
NaCN和ca(CN) 仍屬于劇毒的不揮發物質，
易造成二次污染。如果把它們用于回收黃金，則變廢
為寶。因為用氰化法提取黃金時，NaCN或ca(CN)
是主要藥劑。應當注意，NaCN和Ca(CN)：的化學
性質不穩定，當遇到CO：和H2o將發生分解反應，
又放出HCN，即
2NaCN +CO2+H2O=2HCN+Na2CO3
由于碳化過程中釋放出的尾氣中含有大量的
H：0和CO：，具備NaCN分解的條件。所以，化學吸收
法處理含氰尾氣遇到的問題較多，容易造成二次污
染，需綜合考慮和處理，最好是與其他處理方法聯
用，不適宜用于處理碳纖維工業尾氣。
2．3 燃燒法
燃燒法是工業上用于處理尾氣的最為廣泛的方
法，其原理就是利用氧氣與尾氣組分反應，使尾氣轉
換為水、二氧化碳和氮氣等物質。根據燃燒時是否需
要輔助條件，可將燃燒法分為直接燃燒法、燃料助燃
法和催化燃燒法[12]。
2．3．1 直接燃燒法
直接燃燒法就是直接將尾氣在空氣中燃燒處
理，適用于處理可燃有害組分濃度較高的尾氣，或者
是用于凈化有害組分燃燒時熱值較高的尾氣。因為
只有在燃燒時放出的熱量能夠補償散向環境的熱量
時，才能保證燃燒區的溫度足以維持燃燒的持續進
行。一般來說，安全的直接燃燒法，尾氣中有機物的
山西冶金
E-mail：yejinsx@126．COn
第34卷
濃度應在爆炸下限的25％以內[12]。直接燃燒法不需
要預熱，設備可以是一般的爐、窯，常用的還有火炬
燃燒。火炬燃燒的優點是安全簡單、成本低、結構簡
單，但它的主要缺點是燃燒后容易對環境造成二次
污染，以及不能回收熱能而造成熱輻射，在實際操作
中應盡量減少火炬燃燒，盡可能回收燃燒熱量。對于
碳纖維工業尾氣，由于含ttCN或其他可燃組分的濃
度偏高，難以采用直接燃燒法處理。
2．3．2 燃料助燃法
如果尾氣中可燃物含量較低，不能維持尾氣燃
燒持續進行時，可以考慮采用燃料助燃法處理。燃料
助燃法主要依靠輔助燃料燃燒時產生的熱能，提高
尾氣的溫度，使尾氣中可燃物及其他污染物迅速氧
化，轉化為二氧化碳和水蒸氣等物質[12]。燃料助燃
法可以在普通的燃燒爐(焚燒爐)中進行。燃料助燃
法也可以利用工廠現有加熱爐或鍋爐燃燒室進行，
能減少設備投資、操作費用和輔助燃料消耗，但要注
意尾氣流量不宜過大，以保證尾氣燃燒完全。
碳纖維工業尾氣中除含HCN外，還含有CO、H：
及烴類等其他可燃組分，因此可以采用燃燒法來處
理尾氣，在一定溫度下使尾氣燃燒，分解為N：、CO：
和H2O。由于尾氣中的可燃組分自身難以持續燃燒，
所以一般采用燃料助燃法來處理。一般通過監測燃
燒床的溫度來決定燃料的加入量。
采用燃料助燃法處理碳纖維工業尾氣有幾方面
值得注意f6]：一是控制燃燒溫度，避免燃燒溫度過高
時N：會進一步氧化為NO，造成光化學煙霧二次污
染；二是控制進氣濃度，使可燃組分在爆炸下限以下，
保證生產安全；三是控制進氣量，以保證尾氣得到充
分的燃燒處理。
2．3．3 催化燃燒法
催化燃燒法是指在催化劑作用下，將尾氣中的
可燃性組分氧化分解的一種尾氣處理方法f】4]。催化
燃燒法的主要設備是催化反應器。配入適量空氣的
工廠尾氣被預熱到一定溫度后進人催化反應器，尾
氣中的可燃組分在催化劑的作用下與氧反應，轉化
成二氧化碳和水后排空。催化燃燒過程的溫度較低，
無火焰產生，因此也無NO,產生。催化燃燒后的尾氣
溫度約為600℃，可通過換熱設備回收熱量，副產
110 MPa的蒸汽。
與前兩種燃燒法相比，催化燃燒為無火焰燃燒，
安全性好。燃燒溫度要求低，大部分有機尾氣在
300—450℃之間即可完成反應。在某些情況下，達
到起燃溫度后便無需外界供熱，故輔助燃料消耗少，
節省能源。催化燃燒法對尾氣可燃組分的濃度和熱
值限制少，適應范圍廣，是目前處理有機尾氣的主要
方法之一。
燃料助燃法和催化燃燒法比較適合用于處理碳
纖維工業尾氣。李新城[14]從環保、節能、投資、操作
費用和適應工況等角度，對燃料助燃法和催化燃燒
法兩種技術處理尾氣的優勢進行了系統的分析，認
為兩種技術都很成熟可靠，技術來源也很廣泛。相對
而言，燃料助燃法的節能效果更好，操作費用較低，
而催化燃燒法的工程費用投資和占地較少，環保效
益更佳。作者建議，在尾氣量大、可燃物組分含量高
的情況下，宜選用燃料助燃法；在尾氣量小、可燃物
組分含量較低時，宜選用催化燃燒法。
我國碳纖維工業正處于成長期，生產規模不斷擴
大，伴隨有大量的尾氣需要進行凈化處理。燃料助燃法
技術門檻低，適應范圍廣；而催化燃燒法需要特定處理
碳纖維工業尾氣的催化劑，建議企業可采用燃料助燃
法。由于催化燃燒法具有節能、高效、環保等優點，用于
處理碳纖維工業尾氣具有較大優勢，是一項值得推廣
的環保治理技術，但需要適應l生強的催化劑。
3 結語
聚丙烯腈基碳纖維的生產過程中尾氣主要來源
是預氧化和碳化工藝段，主要由H：0、HCN、NH，、H：、
CO和CO 等小分子組成。能用于處理碳纖維工業尾
氣的方法有吸附法、吸收法和燃燒法；其中，燃燒法
中又可分為直接燃燒法、燃料助燃法和催化燃燒法。
在這幾種方法中，燃料助燃法和催化燃燒法均適宜
用于處理碳纖維工業尾氣。由于催化燃燒法需要使
用催化劑，有必要專門研究處理碳纖維工業尾氣的
催化劑，使碳纖維工業尾氣得到更加有效和環保的
處理，實現經濟效應和社會效應的雙贏。
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Research on IIlfluence Factors of Desulfurization of Silicon Steel
DENG Liwen
(No．2 Steelmaking Plant，Shanxi Taigang Stainless Steel Co．，Ltd．，Taiyuan 030003，China)
Abstract：The principles of desulfurization and its influence factors of cold rolling silicon steel
during RH process have been studied in this paper． The resuh indicated that reducing contents of
FeO and MnO，rising temperature of the hquid steel，increasing quantity of desulfurizer，lengthening
cycle time of desulfurzer are benefit for desulfurization．
Key words：RH，cold roiling silicon steel，desulfurization
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(編輯：胡玉香)
Technique for Treating Process Gas of Carbon Filament
YANG Pingping
(Shanxi Engineering Vocational College，Taiyuan 030009，China)
Abstract：Sources of process gas of carbon filament and treatment methods were summarized．
Through comparing the advantages an d disadvantages of methods for treatment waste gas， example
for adsorption， absorption， burning and the others， the result is that fuel combustion and catalytic
combustion are applicable to treat process gas of carbon filam ent． As the need of catalyst for
catalytic combustion， it is recommended to carry out the studies for treating process gas of carbon
filam ent with catalytic comb ustion， SO as to process gas of carbon filam ent abtained to be more
effieient an d environmental treatment．
Key words：carbon filam ent， process gas ，waste gas treatment

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