CN109477636B - 废气处理方法、废气处理装置及碳纤维制造系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的之一是提供一种废气处理方法，其能够在处理由碳纤维制造工序排出的废气的过程中抑制因废气处理量增加导致的成本提高，所述废气处理方法包括：第一燃烧工序，用于处理碳化工序废气，该碳化工序废气排自在惰性气体气氛中对纤维状物质进行碳化的碳化炉；和第二燃烧工序，用于处理耐燃化工序废气，该耐燃化工序废气排自在空气气氛中进行耐燃化的耐燃化炉，其中，所述废气处理方法具备：空气分离工序，以空气为原料获得用于将碳化炉设为惰性气体气氛的氮和用于在第一燃烧工序中对碳化工序废气进行燃烧处理的富氧空气。

Description

废气处理方法、废气处理装置及碳纤维制造系统
技术领域
本发明涉及一种碳纤维制造中的废料处理方法及废气处理装置以及碳纤维制造系统。
背景技术
碳纤维由于其比强度、比模量、耐热性和耐化学品性等优异，因此被用作各种原材料的补强材料。一般而言，在制造碳纤维时，为了获得期望的特性，实施由多个工序组成的处理。例如，在将丙烯酸纤维用作碳纤维的前体的情况下，首先，通过在空气气氛中以200～300℃的温度进行预氧化而获得耐燃纤维(耐燃化工序)。接着，通过在惰性气体气氛中以300～2000℃的温度进行碳化而获得碳纤维(碳化工序)。此外，在获得高弹性模量纤维时，在惰性气体气氛中以2000～3000℃的温度进行石墨化(石墨化工序)。
但是，在进行耐燃化工序、碳化工序及石墨化工序的各工序时会产生废气。具体而言，碳化工序及石墨化工序由于在惰性气体气氛中进行，因此会产生将氮等惰性气体作为基础气体的、包含作为耐燃纤维的分解成分的氰化氢、氨、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和焦油成分等的气体(以下，将由碳化工序及石墨化工序产生的废气定义为“碳化工序废气”及“石墨化工序废气”)(专利文献3)。
另一方面，耐燃化工序由于在空气中进行，因此会产生将氧、氮和氩作为基础气体的、包含作为丙烯酸纤维的分解生成物的氰化氢、氨、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和焦油成分等的气体(以下，将由耐燃化工序产生的废气定义为“耐燃化工序废气”)(专利文献2、4)。
如此，由耐燃化工序、碳化工序及石墨化工序产生的废气中包含氰化氢和氨等毒性高的气体。因此，需要用于使由上述工序产生的废气无害化的废气处理方法。
作为现有的废气处理方法，已知有向一个处理炉(燃烧室)中吹入耐燃化工序废气和碳化工序废气并经空气燃烧而进行分解处理的方法(例如，专利文献1)。另外，作为其他处理方法，已知有在不同的处理炉中通过空气燃烧对耐燃化工序废气和碳化工序废气分别进行分解处理的方法(例如，专利文献2)。
专利文献1：日本专利公开2011-021779号公报
专利文献2：日本专利公开2001-324119号公报
专利文献3：日本专利公开2012-067419号公报
专利文献4：日本专利公开2003-113538号公报
但是，在耐燃化工序废气和碳化工序废气及石墨化工序废气中氰化氢等的浓度不同，并且基础气体的组成(有无氧)也不同。因此，在一个处理炉中对耐燃化工序废气和碳化工序废气及石墨化工序废气进行分解处理的情况下，具有如下的问题：即，无法充分分解氰化氢和氨等，并且伴随分解会产生大量的NOX。
另外，如果因处理设备的大型化而各工序的废气处理量增加，则必须增加燃烧处理所需的空气等的量，因此在现有技术中需要提高处理气体集尘机及排气鼓风机的能力。
另外，由于在以提高处理能力为目的代替空气使用富氧空气的情况下，需要氧供给源，因此有可能会导致处理成本提高。为了抑制成本提高，需要进行整个废气处理系统的适当化。
另外，在不同的处理炉中分别对耐燃化工序废气、碳化工序废气及石墨化工序废气进行分解处理的情况下，虽然能够充分分解氰化氢和氨等，但具有在燃烧时使用的燃料量较多的问题。此外，由于处理设备增加，因此具有设备成本及维修成本高的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的是提供一种废气处理方法、废气处理装置及废气处理系统，其中，所述废气处理方法能够抑制NOX的产生，并且能够利用较少的燃料来进行耐燃化工序废气碳化工序废气的处理，所述废气处理装置能够利用较少的燃料来进行耐燃化工序废气及碳化工序废气的处理，所述废气处理系统抑制因废气处理量增加导致的成本提高。
为了解决上述问题，本发明提供以下的废气处理方法、废气处理装置及废气处理系统。
(1)一种废气处理装置，用于处理从利用纤维状物质制造碳纤维的工序中排出的废气，所述废气处理装置的特征在于，具备：
第一燃烧炉，用于燃烧处理碳化工序废气，该碳化工序废气排自在惰性气体气氛中对所述纤维状物质进行碳化处理的碳化工序；和第二燃烧炉，设置在该第一燃烧炉的后段，并且用于燃烧处理耐燃化工序废气和第一燃烧工序废气，该耐燃化工序废气排自在空气气氛中对所述纤维状物质进行耐燃化处理的耐燃化工序，该第一燃烧工序废气排自所述第一燃烧炉，
所述第一燃烧炉和所述第二燃烧炉通过节流部连通，
在所述第一燃烧炉中设置有第一燃烧器，所述第一燃烧器利用燃料和富氧空气来进行碳化工序废气的燃烧，
所述废气处理装置进一步具备空气分离装置，所述空气分离装置用于获得在所述碳化工序中形成惰性气体气氛的氮和向所述第一燃烧器供给的富氧空气。
(2)根据(1)所述的废气处理装置，其特征在于，具备用于向所述第二燃烧炉供给燃料的第二燃烧器。
(3)一种废气处理方法，用于处理从利用纤维状物质制造碳纤维的工序中排出的废气，所述废气处理方法的特征在于，具备：
第一燃烧工序，用于处理碳化工序废气，该碳化工序废气排自在惰性气体气氛中对所述纤维状物质进行碳化处理的碳化工序；和
第二燃烧工序，用于处理耐燃化工序废气和第一燃烧工序废气，该耐燃化工序废气排自在空气气氛中对所述纤维状物质进行耐燃化处理的耐燃化工序，该第一燃烧工序废气排自所述第一燃烧工序，
在所述第一燃烧工序中，在氧比为0.8以下的低氧比下利用燃料和富氧空气来进行所述碳化工序废气的燃烧，
在所述第二燃烧工序中，利用所述第一燃烧工序废气的热来进行所述第一燃烧工序废气和所述耐燃化工序废气的燃烧，
所述废气处理方法通过空气分离而获得用于在所述碳化工序中形成惰性气体气氛的氮和在所述第一燃烧工序中使用的所述富氧空气。
(4)根据(3)所述的废气处理方法，其特征在于，通过在所述第二燃烧工序中供给燃料，从而促进所述第一燃烧工序废气和所述耐燃化工序废气的燃烧。
(5)一种碳纤维制造设备，包括用于利用纤维状物质制造碳纤维的设备和用于处理来自该设备的废气的废气处理设备，所述碳纤维制造设备的特征在于，具备：
耐燃化炉，用于在空气气氛中对所述纤维状物质进行预氧化而进行耐燃化处理；
碳化炉，配置在该耐燃化炉的后段，并且用于在惰性气体气氛中对经耐燃化处理的纤维状物质进行碳化处理；
第一燃烧炉，用于燃烧处理排自该碳化炉的碳化工序废气；
第二燃烧炉，通过节流部与该第一燃烧炉连通，并且用于燃烧处理排自所述第一燃烧炉的第一燃烧工序废气和排自所述耐燃化炉的耐燃化工序废气；
第一燃烧器，为了利用燃料和富氧空气来对所述碳化工序废气进行燃烧处理而设置于所述第一燃烧炉；和
空气分离装置，用于利用空气来制造在所述碳化炉中形成惰性气体气氛的氮和向所述第一燃烧器供给的所述富氧空气。
(6)一种碳纤维制造系统，包括利用纤维状物质制造碳纤维的工序和处理来自该工序的废气的工序，所述碳纤维制造系统的特征在于，具备：
耐燃化工序，在200～300℃的空气气氛中对所述纤维状物质进行预氧化而进行耐燃化处理；
碳化工序，在300～2000℃的惰性气体气氛中对经耐燃化工序的所述纤维状物质进行碳化处理；
第一燃烧工序，通过在氧比为0.8以下的低氧比下进行富氧空气和燃料的燃烧来处理排自所述碳化工序的碳化工序废气；
第二燃烧工序，利用第一燃烧工序废气的热来使排自所述第一燃烧工序的第一燃烧工序废气和排自所述耐燃化工序的耐燃化工序废气燃烧而进行处理；和
空气分离工序，以空气为原料获得用于在所述碳化工序中形成惰性气体气氛的氮和在所述第一燃烧工序中使用的所述富氧空气。
根据本发明，能够提供如下的废气处理方法及废气处理装置，其中，所述废气处理方法能够抑制NOX的产生，并且能够利用较少的燃料来进行耐燃化工序废气及碳化工序废气的处理，所述废气处理装置能够利用较少的燃料来进行耐燃化工序废气及碳化工序废气的处理。另外，根据本发明，通过将从空气中分离用于在碳化工序中形成惰性气体气氛的氮后的富氧空气用作对碳化工序废气进行燃烧处理的氧源，从而能够抑制因废气处理量的增加导致的成本提高。
附图说明
图1是表示应用本发明的实施方式的碳纤维制造工艺中的废气处理装置的结构的图。
图2是表示应用本发明的实施方式的碳纤维制造工艺中的废气处理装置的另一结构的图。
图3是表示作为应用本发明的实施方式的碳纤维制造系统的结构的图。
图4是表示从废气处理装置排出的废气中的NH3、NOX浓度与氧比之间的关系的图表。
图5是表示反应分析下的HCN分解行为和NO生成及分解行为的图表。
图6是表示反应分析下的添加NO的情况下的NO分解行为的图表。
具体实施方式
下面，使用附图对作为本发明的一实施方式的碳纤维制造工艺中的废气处理方法及在该方法中使用的废气处理装置进行详细说明。此外，为了便于理解特征，在以下说明中使用的附图中为了方便起见有时候放大表示作为特征的部分，各结构要素的尺寸比率等并不一定与实际相同。
<第一实施方式>
(废气处理装置)
首先，对作为应用本发明的第一实施方式的废气处理装置进行说明。图1是包括作为应用本发明的第一实施方式的废气处理装置的碳纤维制造设备的图。
如图1所示，本实施方式的废气处理装置大致由第一燃烧炉10、碳化工序废气导入口11、第一燃烧器30、节流部50、第二燃烧炉20、耐燃化工序废气导入口21和排气口22构造。
通过使用本实施方式的废气处理装置，能够实施后述的废气处理方法。具体而言，能够在第一燃烧炉10中处理从碳化炉2排出的碳化工序废气，并且能够在第二燃烧炉20中处理从耐燃化炉1排出的耐燃化工序废气。
第一燃烧炉10为用于通过进行碳化工序废气的燃烧而使碳化工序废气中包含的氰化氢和氨等有害气体燃烧分解的筒状(例如，圆筒状)的炉。该第一燃烧炉10的材质虽然不受特别限定，但具体而言，例如可使用氧化铝材质的耐火材料、氧化铝-二氧化硅材质的耐火材料等。
在第一燃烧炉10中设置有第一燃烧器30、第一温度计(未图示)和碳化工序废气导入口11。
第一燃烧器30以与第一燃烧炉10同轴的方式设置于第一燃烧炉10的端部。第一燃烧器30通过燃料和助燃性气体而在第一燃烧炉的内部空间形成火焰。碳化工序废气导入口11以靠近第一燃烧器30的方式设置在第一燃烧炉10的侧壁上。导入到第一燃烧炉10中的碳化工序废气能够借助第一燃烧器30的火焰进行燃烧处理。
供给到第一燃烧器30中的助燃性气体使用在空气分离装置100中分离氮后的部分富氧空气，其中，空气分离装置100用于制造向碳化炉2供给的氮。
通过调整燃料及富氧空气的流量，能够控制后述的燃烧量及氧比。通过控制氧比，能够形成用于高效地燃烧处理碳化工序废气的还原性气氛的火焰。
燃料虽然不受特别限定，但优选使用民用燃气、LPG等的气体燃料或者灯油、A重油等的液体燃料等。
从提高分解速度的观点来看，在希望使用氧浓度高的气体的情况下，也可以通过在助燃性气体调整设备101加入纯氧而调整氧浓度，并且将其供给到第一燃烧器30中。
在氧浓度为高浓度的情况下，能够提高第一燃烧炉10内的温度，并且能够加快分解速度。其结果，能够缩短燃烧炉内的碳化工序废气滞留时间，因此能够缩小第一燃烧炉10。
在本实施方式的废气处理装置设备中设置有控制部(未图示)，所述控制部用于根据第一燃烧炉10内的炉内温度及第二燃烧炉20内的炉内温度来控制第一燃烧器30的燃烧量。
虽然图1示出在第一燃烧炉10上设置有碳化工序废气导入口11的情况，但也可以在第一燃烧器30上设置碳化工序废气的供给通道。由此，第一燃烧器30能够在第一燃烧炉内形成还原性气氛火焰的同时将碳化工序废气供给到第一燃烧炉10中。
在第一燃烧炉10的后段设置有第二燃烧炉20。第二燃烧炉20为用于通过进行耐燃化工序废气的燃烧而使耐燃化工序废气中包含的氰化氢和氨等有害气体燃烧分解的筒状(例如，圆筒状)的炉。该第二燃烧炉20的材质虽然不受特别限定，但与第一燃烧炉10同样，例如可使用氧化铝材质的耐火材料、氧化铝-二氧化硅材质的耐火材料等。
第一燃烧炉10和第二燃烧炉20通过节流部50连通。通过节流部50能够防止第二燃烧炉20内的燃烧气体侵入第一燃烧炉10中，并且能够将第一燃烧炉10内保持为还原性气氛。
经由节流部50向第二燃烧炉20供给在第一燃烧炉10中使碳化工序废气燃烧后的废气(以下，将在第一燃烧炉10中燃烧后的碳化工序废气定义为“第一燃烧工序废气”)。
在第二燃烧炉20中，可使用该第一燃烧工序废气的热来使耐燃化工序废气燃烧，并且能够使耐燃化工序废气中包含的氰化氢等有害气体燃烧分解。
在第二燃烧炉20上设置有耐燃化工序废气导入口21和排气口22。
在第二燃烧炉20的侧壁的节流部50侧设置有耐燃化工序废气导入口21。能够从耐燃化工序废气导入口21向第二燃烧炉供给耐燃化工序废气。耐燃化工序废气导入口21被设置为能够沿第二燃烧炉20的侧壁的切线方向吹入耐燃化工序废气。由此，能够在第二燃烧炉20内利用耐燃化工序废气来形成旋流。成为旋流的耐燃化工序废气能够卷入从节流部导入的第一燃烧工序废气，并且能够高效地使耐燃化工序废气中包含的有害气体燃烧分解。
此外，如图2所示，也可以在第二燃烧炉20的侧壁的与耐燃化工序废气导入口21相对的位置上设置第二燃烧器31。通过向第二燃烧器31供给燃料并使之燃烧，能够更细致地控制第二燃烧炉20的温度调整。
能够从第二燃烧炉2的设置于节流部40的相反侧的端壁上的排气口22向外部排出在第二燃烧炉20内燃烧后的气体。
(废气处理方法)
接着，使用图1对包括上述废气处理装置的碳纤维制造系统中的本实施方式的废气处理方法进行说明。
本实施方式中的碳纤维制造系统包括：耐燃化工序，在耐燃化炉1中，在空气气氛下以200～300℃对纤维状物质进行耐燃化处理；和碳化工序，在设置于耐燃化炉1的后段的碳化炉2中，在惰性气体气氛下以300～2000℃进行碳化处理。
为了将碳化炉2设为惰性气体气氛，使用空气分离装置100从空气分离氮，并且将该氮供给到碳化炉2中。
在第一燃烧炉10中利用第一燃烧工序来处理在碳化炉2中生成的碳化工序废气，并且在第二燃烧炉20中利用第二燃烧工序来处理在耐燃化炉1中生成的耐燃化工序废气。
第一燃烧工序为在氧比为0.8以下的低氧比下进行碳化工序废气的燃烧的工序。具体而言，在第一燃烧工序中，经由碳化工序废气导入口11向第一燃烧炉10供给由碳化炉2中的碳化工序发生的、包含高浓度的氰化氢和氮等的以氮气为基础的废气(碳化工序废气)。在设置于第一燃烧炉10的第一燃烧器30中，在1000～1600℃的温度范围下使燃料和助燃性气体燃烧，从而形成火焰。
供给到第一燃烧器30的助燃性气体使用在空气分离装置100中从原料空气分离氮后的富氧空气。通过使用该富氧空气和燃料在第一燃烧器30中形成的火焰，在第一燃烧炉10内进行碳化工序废气的燃烧处理。
此时，也可以从第一燃烧器30向第一燃烧炉10供给碳化工序废气。
利用第一温度计(未图示)测量第一燃烧炉10的内部温度，并且利用第二温度计(未图示)测量第二燃烧炉20的内部温度。根据测量到的温度，由控制部(未图示)控制第一燃烧器30的燃烧量，从而调整燃烧温度。可通过调整燃料气体及助燃性气体的供给量来控制燃烧量。
此外，“燃烧量”为通过使燃料燃烧而产生的、每单位时间的热量。由于燃烧量越多每单位时间内产生的热量也越多，因此燃烧炉内的温度提高。
另外，由于在第一燃烧炉10中处理的碳化工序废气为含有高浓度的氰化氢和氨等的以氮为基础的废气，因此如果在氧比高于化学计量比附近的条件(氧比高于0.8)下进行燃烧处理则会生成大量的NOX。因此，在第一燃烧炉10中，在氧比为0.8以下的燃烧条件下形成还原性气氛的同时进行处理。由此，能够抑制NOX的生成的同时进行燃烧分解。因此，在本实施方式的废气处理方法中，通过相对于燃料气体减少助燃性气体中包含的氧的比例，从而将氧比控制为0.8以下。
此外，“氧比”是指将供给到燃烧器中的氧量除以使供给到燃烧器中的燃料燃烧时所需要的理论必要氧量后的值。因此在理论上，氧比为1.0的状态是指能够使用恰当量的氧来进行完全燃烧的状态。
如上所述，在第一燃烧炉10中，使碳化工序废气中包含的氰化氢和氨等有害气体燃烧分解。将经过燃烧而生成的第一燃烧工序废气经由节流部50供给到第二燃烧炉20中。
第二燃烧工序为在第二燃烧炉20中利用第一燃烧废气的热来使由第一燃烧工序排出的第一燃烧废气和耐燃化工序废气燃烧的工序。
另外，耐燃化工序废气为含有氰化氢和氨的以空气为基础的废气，与碳化工序废气相比排出量非常多。因此，在欲以与碳化工序废气同样的方式将氧比降低至0.8以下来进行燃烧分解的情况下，需要使用大量的燃料。
另外，即使在存在氧的气氛下，也能够在低温下进行氰化氢和氨的燃烧处理，从而抑制NOX的生成的同时分解氰化氢和氨。
因此，在本实施方式的废气处理方法中，通过在700～1200℃的温度范围下进行耐燃化工序废气的燃烧，从而抑制NOX的生成的同时分解氰化氢和氨。
首先，将从第一燃烧炉10经由节流部50供给的第一燃烧工序废气与从设置于第二燃烧炉20的耐燃化工序废气导入口21供给的耐燃化工序废气混合。作为混合方法的一例，从圆筒状的第二燃烧炉的侧壁沿侧壁的切线方向导入耐燃化工序废气。如此导入的耐燃化工序废气卷入第一燃烧工序废气的同时形成旋流。由此，能够充分混合第一燃烧工序废气和耐燃化工序废气。此外，通过将耐燃化工序废气设为旋流，能够延长耐燃化工序废气在第二燃烧炉2中的滞留时间。
在第二燃烧炉20中，当混合耐燃化工序废气和第一燃烧工序废气时，第一燃烧工序废气中包含的CO和H2等气体和耐燃化工序废气中包含的氧进行燃烧，并且借助经燃烧生成的热和第一燃烧工序废气所持有的热，能够将第二燃烧炉20内的温度提高至700℃以上。如果第二燃烧炉40内的温度为700℃以上，则耐燃化工序废气中包含的氰化氢等有害气体燃烧分解。如此，在第二燃烧工序中能够有效地利用由第一燃烧工序排出的第一燃烧工序废气的热(废气的燃烧热量)。
当用于高效地进行第二燃烧工序的热量不足时，也可以在第二燃烧炉20中设置例如第二燃烧器31，并向该第二燃烧器31供给燃料而提高温度。
另外，通过在第二燃烧炉20的内周壁上设置第二燃烧器31，能够稳定地进行耐燃化工序废气和第一燃烧工序废气的燃烧。可以向第二燃烧器31供给燃料，并且通过调整燃料的流量来控制燃烧量。另外，也可以向第二燃烧器31供给燃料和助燃性气体而控制燃烧状态。也可以不总是使第二燃烧器31燃烧，可以在第二燃烧炉20的内部温度为规定温度以下的情况下使第二燃烧器31点燃。
此外，利用第二温度计(未图示)来测量第二燃烧炉20的内部温度。根据测量到的温度，由控制部(未图示)控制第一燃烧器30的氧比，从而控制流入第二燃烧炉20中的未燃气体量。由此，能够控制第二燃烧炉20的内部温度。
并且，通过将通过第二燃烧炉20内的燃烧而产生的废气从排气口22排出到外部来结束本实施方式的废气处理方法。
如以上的说明，包括本实施方式的废气处理装置的碳纤维制造设备具备：耐燃化炉1，用于在空气气氛中对纤维状物质进行耐燃化处理；碳化炉2，用于在惰性气体气氛中对经耐燃化处理的纤维状物质进行碳化处理；空气分离装置100，用于从空气中分离向碳化炉2供给的氮；第一燃烧炉10，用于处理在碳化炉2中生成的碳化工序废气；第一燃烧器30，设置于第一燃烧炉，并且使来自空气分离装置100的富氧空气和燃料燃烧；和第二燃烧炉20，用于处理在耐燃化炉中生成的耐燃化工序废气，在第一燃烧炉10的后段设置有第二燃烧炉20，并且第一燃烧炉10和第二燃烧炉20通过节流部50连通，本实施方式的碳纤维制造设备能够将在第一燃烧炉10中燃烧后的第一燃烧工序废气供给到第二燃烧炉20中。在第二燃烧炉20中以沿第二燃烧炉的侧壁的切线方向导入耐燃化工序废气的方式设置有耐燃化工序废气导入口21，耐燃化工序废气通过在第二燃烧炉20中形成旋流并与从节流部50向第二燃烧炉20供给的第一燃烧工序废气混合而进行燃烧。
在第二燃烧炉20中，能够利用第一燃烧工序废气的热，并且能够高效地燃烧处理耐燃化工序废气。其结果，能够降低在处理碳化工序废气及耐燃化工序废气时需要的燃料的使用量。此外，由于能够利用一个装置来处理碳化工序废气及耐燃化工序废气，因此能够降低设备成本及维修成本。
另外，根据本实施方式的废气处理装置1，第二燃烧炉20通过节流部50与第一燃烧炉10连通，因此能够防止第二燃烧炉20内的含氧气体侵入第一燃烧炉10中，并且能够将第一燃烧炉10保持为还原性气氛。
接着，根据本实施方式的废气处理方法，利用空气分离装置100来制造为了在惰性气体气氛中进行碳化工序而使用的氮气，并且将从空气分离氮后的剩余富氧空气用作在第一燃烧工序中使用的助燃性气体，从而能够降低伴随碳纤维制造系统的大型化的成本提高。
另外，由于在第一燃烧工序中，在氧比为0.8以下的低氧比下进行碳化工序废气的燃烧，因此能够抑制NOX的生成的同时进行碳化工序废气的处理。
另外，根据本实施方式的废气处理方法，利用由用于处理碳化工序废气的第一燃烧工序排出的第一燃烧废气的热来在第二燃烧工序中使第一燃烧废气和耐燃化工序废气燃烧，因此能够降低燃烧器的燃料使用量。此外，由于能够通过连续的工序来处理碳化工序废气和耐燃化工序废气，因此能够降低设备成本和维修成本。
<第二实施方式>
接着，对作为应用本发明的第二实施方式的碳纤维制造设备进行说明。图3是作为应用本发明的第二实施方式的碳纤维制造系统。在此，以与第一实施方式不同的部分为主进行说明。如图3所示，本实施方式的碳纤维制造设备在石墨化炉3设置于碳化炉2的后段这一点上与第一实施方式不同。
在石墨化炉3中，可通过在惰性气体气氛中以2000～3000℃加热经碳化处理的纤维状物质而获得高弹性的碳纤维。
由于与碳化处理同样在惰性气体气氛中进行石墨化处理，因此也向石墨化炉3导入由空气分离装置100制造的一部分氮。
石墨化工序废气以氮气为基础包含高浓度的氰化氢和氨等。在此，可在第一燃烧炉10中与碳化工序废气一同进行石墨化工序废气的处理。石墨化工序废气也可以与碳化工序废气混合之后导入第一燃烧炉10中，或者也可以分别导入第一燃烧炉10中。图3示出在缓冲罐(未图示)等中混合石墨化工序废气和碳化工序废气之后从石墨化工序废气导入口11导入这些气体的情况。
此外，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够加以各种变更。
例如，在上述实施方式的废气处理设备中，对将在第二燃烧炉20中燃烧后的废气经由排气口22排出到外部的例进行了说明，但也可以将排气口22与换热器连接，并利用从排气口22排出的处理后废气的热来对导入各燃烧炉的废气进行预热。由此，能够降低供给到各燃烧炉的燃烧器的燃烧量，并且能够减少使用燃料。
<实施例1>
(与直燃方式的比较)
使用图1所示的废气处理装置及作为现有技术的直燃方式的废气处理装置，并利用从碳化炉及石墨化炉排出的碳化工序及石墨化工序废气及从耐燃化炉排出的石墨化工序废气的模拟气体进行处理试验。
在表1中示出碳化工序及石墨化工序废气的模拟气体(在此称为“模拟气体A”)和耐燃化工序废气的模拟气体(在此称为“模拟气体B”)的组成及流量。作为模拟气体使用NO以代替HCN(在后面描述将NO用作模拟气体的妥当性)。在本处理试验中，在三种条件下对模拟气体进行燃烧实验(条件1-1、1-2、1-3)。
在表2中示出废气处理装置和作为比较例的直燃方式的废气处理装置的燃烧器的燃烧条件。
此外，本实施例在第一燃烧器30中使用氧浓度为40％的富氧空气以作为助燃性气体，并在0.7的氧比下进行燃烧。关于燃烧炉的温度，第一燃烧炉10为1600℃，第二燃烧炉20为1000℃。
另外，在直燃方式的处理装置中，在1000℃下进行处理。
[表1]
Figure BDA0001945570350000111
[表2]
废气处理装置 直燃方式
民用燃气流量[Nm<sup>3</sup>/h] 1.3 3
助燃性气体流量[Nm<sup>3</sup>/h] 5.3 -
空气流量[Nm<sup>3</sup>/h] - 33
助燃性气体中的氧浓度[vol％] 40 20.8
在表3中示出试验结果。在表3中，将图1的废气处理装置的结果表示为本发明1～3，将直燃式废气处理装置的结果表示为比较例1～3。
由本结果确认，在图1的废气处理装置中，即使在以最高浓度添加NO和NH3的条件1-1下，也能够将氨(NH3)分解至极低浓度，并且能够将NOX的生成抑制在90ppm左右。
另一方面，在直燃方式的废气处理装置中确认当要分解NO和NH3时NOX浓度变高。
另外，在图1的废气处理装置中确认能够利用比直燃方式少的燃料来处理碳化工序、石墨化工序及耐燃化工序的废气。
[表3]
Figure BDA0001945570350000121
<实施例2>
(氧比的影响)
与实施例1同样地使用图1的废气处理装置1，并且如表4所示那样改变第一燃烧器30的氧比后确认对表3的条件1-2所示的模拟气体A及模拟气体B进行处理后的废气中包含的NH3和NOX的浓度。
[表4]
Figure BDA0001945570350000122
图4表示从废气处理装置的排气口22排出的、经处理后的废气中的NH3及NOX的浓度与氧比之间的关系。
由本结果确认，NH3在所有条件下为0.1ppm以下，能够分解几乎所有的NH3。
另外确认，当第一燃烧器30的氧比大于0.8时，表现出NHx急剧增加的倾向，通过将氧比设为0.8以下，能够抑制NOX的生成的同时进行模拟气体A(碳化工序及废气)的处理。
<实施例3>
(中试设备中的试验)
使用图1所示的废气处理装置，在中试设备中进行废气处理。
在表5中示出碳化处理工序及石墨化处理工序的废气的模拟气体A及耐燃化处理工序废气的模拟气体B的组成和流量。在模拟气体B的流量为300、600、900Nm3/h这三个条件下实施废气处理(条件3-1、3-2、3-3)。另外，在表6中示出上述各废气条件下的燃烧器的燃烧条件。
[表5]
[表6]
条件3-1 条件3-2 条件3-2
民用燃气流量[Nm<sup>3</sup>/h] 15 23 31
助燃性气体流量[Nm<sup>3</sup>/h] 10 15 20
空气流量[Nm<sup>3</sup>/h] 73 112 150
助燃性气体中的氧浓度[vol％] 30 30 30
在表7中示出从废气处理装置的排气口22排出的、经处理后的废气中的NH3和NOX的浓度。由本结果确认，在图1的废气处理装置中能够将NH3分解至极低浓度，并且能够抑制伴随燃烧而生成的NOX。
[表7]
条件3-1 条件3-2 条件3-2
NH<sub>3</sub>浓度[ppm] 0.8 0.6 0.5
NO<sub>X</sub>浓度[ppm] 55 38 25
<实施例4>
(关于模拟气体的妥当性验证)
使用NO作为代替HCN的模拟气体。通过利用仿真的反应分析来探讨使用NO作为模拟气体的妥当性。
使用CHEMKIN-PRO(反应设计公司(Reaction Design)制造，详细化学反应分析支持软件)进行反应分析。在表8中示出分析条件。条件4-1表示向还原燃烧气氛下的第一燃烧炉10中添加HCN的情况，条件4-2表示添加NO的情况。
[表8]
Figure BDA0001945570350000132
Figure BDA0001945570350000141
图5表示条件4-1的反应分析下的HCN分解行为和NO生成及分解行为。另外，
图6表示条件4-2的反应分析下的添加NO的情况下的NO分解行为。
从图5可见，HCN在还原燃烧气氛下急剧分解，并且随之急剧生成NOX之后缓慢分解NOX。在对图5和图6的NO浓度变化进行比较时，分解行为表现出同样的倾向，能够通过将NO用作模拟气体来评价伴随HCN的分解而生成的NO的分解行为。
<实施例5>
图2所示的碳纤维制造设备示出以下情况的例：即，将利用空气分离装置100从原料空气中分离出的氮导入到碳化工序，并且将从原料空气中分离氮后的剩余富氧空气用作用于使碳化工序废气燃烧的助燃性气体。
[表9]
Figure BDA0001945570350000142
在本实施例中，第一燃烧器30使用民用燃气和富氧浓度40％的富氧空气并在0.65的氧比下使之燃烧。关于燃烧炉的温度，第一燃烧炉10为1600℃，第二燃烧炉20为1000℃。
<实施例6>
图3所示的碳纤维制造设备示出以下情况的例：即，将利用空气分离装置100从原料空气中分离出的氮导入到碳化工序及石墨化工序中，并且将从原料空气中分离氮后的剩余富氧空气用作用于使碳化工序及石墨化工序废气燃烧的助燃性气体。
[表10]
Figure BDA0001945570350000151
产业上的可利用性
本发明的废气处理方法及废气处理装置优选作为用于处理包含氰化氢和氨等的废气的装置及方法。
特别是，能够抑制NOX的发生，并且能够以较少的燃料来处理碳纤维制造中的耐燃化工序废气及碳化工序废气，能够抑制因废气处理量增加导致的成本提高。
附图标记说明
1 耐燃化炉
2 碳化炉
3 石墨化炉
10 第一燃烧炉
11 碳化工序废气导入口
20 第二燃烧炉
21 耐燃化工序废气导入口
22 排气口
30 第一燃烧器
31 第二燃烧器
50 节流部
100 空气分离装置
101 助燃性气体调整设备

Claims (6)

1.一种废气处理装置，用于处理从利用纤维状物质制造碳纤维的工序中排出的废气，所述废气处理装置的特征在于，具备：
第一燃烧炉，用于燃烧处理碳化工序废气，该碳化工序废气排自在惰性气体气氛中对所述纤维状物质进行碳化处理的碳化工序；和
第二燃烧炉，设置在该第一燃烧炉的后段，并且用于燃烧处理耐燃化工序废气和第一燃烧工序废气，该耐燃化工序废气排自在空气气氛中对所述纤维状物质进行耐燃化处理的耐燃化工序，该第一燃烧工序废气排自所述第一燃烧炉，
所述第一燃烧炉和所述第二燃烧炉通过节流部连通，
在所述第一燃烧炉中设置有第一燃烧器，所述第一燃烧器利用燃料和富氧空气来进行碳化工序废气的燃烧，
所述废气处理装置进一步具备空气分离装置，所述空气分离装置用于获得在所述碳化工序中形成惰性气体气氛的氮和向所述第一燃烧器供给的富氧空气。
2.根据权利要求1所述的废气处理装置，其特征在于，具备用于向所述第二燃烧炉供给燃料的第二燃烧器。
3.一种废气处理方法，用于处理从利用纤维状物质制造碳纤维的工序中排出的废气，所述废气处理方法的特征在于，具备：
第一燃烧工序，用于处理碳化工序废气，该碳化工序废气排自在惰性气体气氛中对所述纤维状物质进行碳化处理的碳化工序；和
第二燃烧工序，用于处理耐燃化工序废气和第一燃烧工序废气，该耐燃化工序废气排自在空气气氛中对所述纤维状物质进行耐燃化处理的耐燃化工序，该第一燃烧工序废气排自所述第一燃烧工序，
在所述第一燃烧工序中，在氧比为0.8以下的低氧比下利用燃料和富氧空气来进行所述碳化工序废气的燃烧，
在所述第二燃烧工序中，利用所述第一燃烧工序废气的热来进行所述第一燃烧工序废气和所述耐燃化工序废气的燃烧，
所述废气处理方法通过空气分离而获得用于在所述碳化工序中形成惰性气体气氛的氮和在所述第一燃烧工序中使用的所述富氧空气。
4.根据权利要求3所述的废气处理方法，其特征在于，
通过在所述第二燃烧工序中供给燃料，从而促进所述第一燃烧工序废气和所述耐燃化工序废气的燃烧。
5.一种碳纤维制造设备，包括用于利用纤维状物质制造碳纤维的设备和用于处理来自该设备的废气的废气处理设备，所述碳纤维制造设备的特征在于，具备：
耐燃化炉，用于在空气气氛中对所述纤维状物质进行预氧化而进行耐燃化处理；
碳化炉，配置在该耐燃化炉的后段，并且用于在惰性气体气氛中对经耐燃化处理的纤维状物质进行碳化处理；
第一燃烧炉，用于燃烧处理排自该碳化炉的碳化工序废气；
第二燃烧炉，通过节流部与该第一燃烧炉连通，并且用于燃烧处理排自所述第一燃烧炉的第一燃烧工序废气和排自所述耐燃化炉的耐燃化工序废气；
第一燃烧器，为了利用燃料和富氧空气来对所述碳化工序废气进行燃烧处理而设置于所述第一燃烧炉；和
空气分离装置，用于利用空气来制造在所述碳化炉中形成惰性气体气氛的氮和向所述第一燃烧器供给的所述富氧空气。
6.一种碳纤维制造系统，包括利用纤维状物质制造碳纤维的工序和处理来自该工序的废气的工序，所述碳纤维制造系统的特征在于，具备：
耐燃化工序，在200～300℃的空气气氛中对所述纤维状物质进行预氧化而进行耐燃化处理；
碳化工序，在300～2000℃的惰性气体气氛中对经耐燃化工序的所述纤维状物质进行碳化处理；
第一燃烧工序，通过在氧比为0.8以下的低氧比下进行富氧空气和燃料的燃烧来处理排自所述碳化工序的碳化工序废气；
第二燃烧工序，利用第一燃烧工序废气的热来使排自所述第一燃烧工序的第一燃烧工序废气和排自所述耐燃化工序的耐燃化工序废气燃烧而进行处理；和
空气分离工序，以空气为原料获得用于在所述碳化工序中形成惰性气体气氛的氮和在所述第一燃烧工序中使用的所述富氧空气。
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