CN112588071A - 一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法,来自低温、高温碳化炉的废气经过冷却分离塔，逐步分离出焦油并脱废成为成品焦油；热能综合回用；废气与焦油脱出的废气一并进入酸液喷淋吸收塔脱氨；脱氨后的废气进入喷淋塔吸收氢氰酸,用碱液或弱酸性盐与氢氰酸反应生成氰化物；氧化炉产生的废气经换热，逐步分离出焦油并入碳化炉分离出的焦油一并处理；废气进入酸液喷淋塔脱氨,然后进入第二喷淋吸收塔一并回收氢氰酸，氢氰酸亦可用冷水吸收，蒸馏回用；经上述处理后的废气处理达标排放；本发明降低了碳排放，物质回用产生良好的经济效益；降低了工程热平衡基数，综合节能。

Description

一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法
技术领域
本发明涉及一种工业废气处理技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法。
背景技术
碳纤维是一种重要的高新技术材料，近年来聚丙烯腈（PAN）基碳纤维发展迅猛，在军工、航空航天等领域得到广泛应用。尤其风电、高铁以及大飞机的牵引进入规模化发展期。国内聚丙烯腈碳纤维碳化工程日趋成熟，品种由1K、3K、6K、12K逐步拓展到24K、48K、50K，碳化工艺速度由2-4米/分，提升到10-13米/分，个别厂家已到15米/分左右，炉口已由1米扩展到2-3米，单线能达到千吨级以上，有的单线接近两千吨，已经向高速化、大型化、规模化发展。
聚丙烯腈含碳量67.85%，含氢1.89%，含氮26.39%，按现有工程工艺，两吨聚丙烯腈原丝生产一吨碳纤维，依物质平衡计算，生产一吨碳纤维计算损失碳600-650公斤，损失氮320-350公斤，氢18-19公斤。聚丙烯腈（PAN）原丝生产碳纤维的预氧化和碳化过程中由于自身工艺经环化、裂解、缩聚必然产生废气，生产中主要以焦油（碳氢低聚物）、氢氰酸、氨气、一氧化碳、二氧化碳等物质逸出，从而产生大量废气。大量的物质产生在低温碳化阶段。国内碳化现有的工程处理方法是采用焚烧工艺。一方面由于氢氰酸是剧毒物，另一方面低温碳化炉、高温碳化炉废气温度高且含有大量的焦油，通过少量甚至不通入天然气即可自燃，达到环保效果。但是氧化废气排放量大，含废少，焚烧成本高，个别厂家采取直排方式，对环境造成严重污染。随着国内碳纤维的规模化，现工程的焚烧法将会产生巨大碳排放，在国家大力要求低碳的时代显然是不合时宜的，同时废气中含有大量的焦油、氢氰酸、氨气等物质，极具回收价值，尤其低、高温碳化废气是在氮气保护下产生的，氢氰酸含量高，无杂质（硫），回收基础非常好。
发明内容
本发明的目的是提出一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法，通过冷却分离出焦油，反应回收氨气和氢氰酸，而后达标排放。
本发明技术方案如下：
一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法，
（1）高温碳化炉的废气与低温碳化炉的废气进入至少一个冷却分离塔，其中，所述高温碳化炉的废气温度为800-1500℃，所述低温碳化炉的废气温度为500-800℃，逐步冷却分离出焦油，废气出口温度为35-40℃，换热介质为空气或氮气，废气走列管式管程，换热介质走壳程，空气或氮气作换热介质，对流换热实现热能回用； （2）分离出的焦油经过脱废塔抽真空去除焦油中的氢氰酸、氨气成为成品焦油，抽真空的废气并入冷却后的废气；
（3）分离焦油后的废气进入至少一个酸液喷淋吸收塔，用酸液作喷淋液回收废气中的氨气；
（4）脱氨后的废气经过至少一个喷淋吸收塔反应吸收氢氰酸，反应液为碱液或弱酸性盐，与氢氰酸反应生成氰化物；喷淋吸收塔吸收出口废气完全除去氢氰酸；
（5）来自氧化炉产生的废气经至少一个换热器换热，出口温度为35-40℃；逐步分离出的焦油并入高温碳化炉和低温碳化炉分离出的焦油一并处理回收；
（6）氧化炉脱焦油后的废气进入氧化炉酸液喷淋吸收塔，用酸液作喷淋液回收废气中的氨气；
（7）氧化炉脱氨后的废气进入喷淋吸收塔一并处理；
（8）经上述（1）-（7）处理后的剩余微量废气处理达标排放。
进一步地，所述脱氨后的废气经过至少一个喷淋吸收塔反应吸收氢氰酸，反应液为冷水，冷水喷淋吸收氢氰酸，形成氢氰酸水溶液，喷淋吸收塔吸收出口废气完全除去氢氰酸，其中冷水的温度为5-20℃，氢氰酸水溶液经蒸馏塔加热到60-70℃提取氢氰酸回用。
进一步地，所述反应液为碱液时，采用氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
进一步地，所述反应液为弱酸性盐时，采用碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种。
本发明的有益效果为：从根本上改变了废气处理方法，极大地降低了碳排放，生产每吨碳纤维降低碳排放650公斤左右，做到环保，废气的主要成分焦油、氢氰酸、氨气都是重要的化工原料；废气经过冷却分离出焦油，酸吸收氨、碱回收氢氰酸，应用此方法生产每吨碳纤维可回收焦油200-300公斤；回收产生第二储存罐7的氰化钠00-900公斤，硫酸铵150-200公斤，可极大地降低碳纤维生产成本；依废气的总量、温度、热焓与各工序工艺需求相平衡，实现递级回用，实现节能。
国内碳纤维产业已进入规模化发展阶段，已有产能近三万吨，2020年在建产能两万余吨，到2030年预计发展到每年十万吨以上，实施本废气处理方法年可减少6.5万吨碳排放，可回收焦油2-3万吨，回收氢氰酸4-5万吨。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一
如图1所示，一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法,
（1）高温碳化炉1的废气与低温碳化炉2的废气进入第一冷却分离塔11、第二冷却分离塔12和第三冷却分离塔13，其中，所述高温碳化炉1的废气温度为800℃，所述低温碳化炉2的废气温度为500℃，逐步冷却分离出储存焦油罐3的焦油，第三冷却分离塔13出口温度为35℃，第一冷却分离塔11、第二冷却分离塔12的换热介质为氮气，第三冷却分离塔13的换热介质为空气；废气走列管式管程，换热介质走壳程，热氮气回用到高温碳化炉1与低温碳化炉2前段，热空气回用到预氧炉；
（2）经过（1）分离出的储存焦油罐3的焦油经过脱废塔4抽真空去除储存焦油罐3的焦油中的氢氰酸、氨气成为成品焦油，抽真空的废气并入冷却后的废气；
（3）分离储存焦油罐3的焦油后的废气进入第一酸液喷淋吸收塔14、第二酸液喷淋吸收塔15和第三酸液喷淋吸收塔16，酸液罐6中浓度为40%的硫酸液作喷淋液回收废气中的氨气，废气中的氨气全部反应产生第一储存罐5的硫酸铵；
（4）经过（3）脱氨后的废气经过第一喷淋吸收塔17、第二喷淋吸收塔18和第三喷淋吸收塔19反应吸收氢氰酸，反应液为碱液罐8中氢氧化钠水溶液，其中，碱液罐8中氢氧化钠水溶液浓度为40%，与氢氰酸反应生成第二储存罐7的氰化钠；第三喷淋吸收塔19出口废气完全除去氢氰酸；
（5）来自氧化炉9产生的废气经过第一换热器21、第二换热器22和第三换热器23换热，第三换热器23出口温度为35℃；逐步分离出的储存焦油罐3的焦油并入高温碳化炉1和低温碳化炉2分离出的储存焦油罐3的焦油一并处理回收；其中第一换热器21、第二换热器22和第三换热器23的换热介质为空气；废气走列管式管程，换热介质走壳程，热空气回用到氧化炉9；
（6）氧化炉9脱焦油后的废气进入第一氧化炉酸液喷淋吸收塔24和第二氧化炉酸液喷淋吸收塔25，酸液罐6中浓度为40%的硫酸液作喷淋液，废气中的氨气全部反应形成第一储存罐5的硫酸铵；
（7）氧化炉9脱氨后的废气进入第二喷淋吸收塔18一并处理；
（8）经上述（1）-（7）处理后的剩余微量废气处理达标排放。
实施例二
如图1所示，一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法,
（1）高温碳化炉1的废气与低温碳化炉2的废气进入第一冷却分离塔11、第二冷却分离塔12和第三冷却分离塔13，其中，所述高温碳化炉1的废气温度为1000℃，所述低温碳化炉2的废气温度为600℃，逐步冷却分离出储存焦油罐3的焦油，第三冷却分离塔13出口温度为38℃，第一冷却分离塔11、第二冷却分离塔12的换热介质为氮气，第三冷却分离塔13的换热介质为空气；废气走列管式管程，换热介质走壳程，热氮气回用到高温碳化炉1与低温碳化炉2前段，热空气回用到预氧炉；
（2）经过（1）分离出的储存焦油罐3的焦油经过脱废塔4抽真空去除储存焦油罐3的焦油中的氢氰酸、氨气成为成品焦油，抽真空的废气并入冷却后的废气；
（3）分离储存焦油罐3的焦油后的废气进入第一酸液喷淋吸收塔14、第二酸液喷淋吸收塔15和第三酸液喷淋吸收塔16，酸液罐6中浓度为35%的硫酸液作喷淋液回收废气中的氨气，废气中的氨气全部反应产生第一储存罐5的硫酸铵；
（4）经过（3）脱氨后的废气经过第一喷淋吸收塔17、第二喷淋吸收塔18和第三喷淋吸收塔19反应吸收氢氰酸，反应液为碱液罐8中碳酸钠水溶液，其中，碱液罐8中碳酸钠水溶液浓度为40%，与氢氰酸反应生成第二储存罐7的氰化钠；第三喷淋吸收塔19出口废气完全除去氢氰酸；
（5）来自氧化炉9产生的废气经过第一换热器21、第二换热器22和第三换热器23换热，第三换热器23出口温度为38℃；逐步分离出的储存焦油罐3的焦油并入高温碳化炉1和低温碳化炉2分离出的储存焦油罐3的焦油一并处理回收；其中第一换热器21、第二换热器22和第三换热器23的换热介质为空气；废气走列管式管程，换热介质走壳程，热空气回用到氧化炉9；
（6）氧化炉9脱焦油后的废气进入第一氧化炉酸液喷淋吸收塔24和第二氧化炉酸液喷淋吸收塔25，酸液罐6中浓度为35%的硫酸液作喷淋液，废气中的氨气全部反应形成第一储存罐5的硫酸铵；
（7）氧化炉9脱氨后的废气进入第二喷淋吸收塔18一并处理；
（8）经上述（1）-（7）处理后的剩余微量废气处理达标排放。
实施例三
如图1所示，一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法,
（1）高温碳化炉1的废气与低温碳化炉2的废气进入第一冷却分离塔11、第二冷却分离塔12和第三冷却分离塔13，其中，所述高温碳化炉1的废气温度为1500℃，所述低温碳化炉2的废气温度为800℃，逐步冷却分离出储存焦油罐3的焦油，第三冷却分离塔13出口温度为40℃，第一冷却分离塔11、第二冷却分离塔12的换热介质为氮气，第三冷却分离塔13的换热介质为空气；废气走列管式管程，换热介质走壳程，热氮气回用到高温碳化炉1与低温碳化炉2前段，热空气回用到预氧炉；
（2）经过（1）分离出的储存焦油罐3的焦油经过脱废塔4抽真空去除储存焦油罐3的焦油中的氢氰酸、氨气成为成品焦油，抽真空的废气并入冷却后的废气；
（3）分离储存焦油罐3的焦油后的废气进入第一酸液喷淋吸收塔14、第二酸液喷淋吸收塔15和第三酸液喷淋吸收塔16，酸液罐6中浓度为30%的硫酸液作喷淋液回收废气中的氨气，废气中的氨气全部反应产生第一储存罐5的硫酸铵；
（4）经过（3）脱氨后的废气经过第一喷淋吸收塔17、第二喷淋吸收塔18和第三喷淋吸收塔19反应吸收氢氰酸，反应液为碱液罐8中的冷水，碱液罐8中的冷水喷淋吸收氢氰酸，形成第二储存罐7的氢氰酸水溶液，第三喷淋吸收塔19吸收出口废气完全除去氢氰酸，其中碱液罐8中的冷水的温度为10℃，第二储存罐7的氢氰酸水溶液经蒸馏塔加热到60℃提取氢氰酸回用；
（5）来自氧化炉9产生的废气经过第一换热器21、第二换热器22和第三换热器23换热，第三换热器23出口温度为40℃；逐步分离出的储存焦油罐3的焦油并入高温碳化炉1和低温碳化炉2分离出的储存焦油罐3的焦油一并处理回收；其中第一换热器21、第二换热器22和第三换热器23的换热介质为空气；废气走列管式管程，换热介质走壳程，热空气回用到氧化炉9；
（6）氧化炉9脱焦油后的废气进入第一氧化炉酸液喷淋吸收塔24和第二氧化炉酸液喷淋吸收塔25，酸液罐6中浓度为30%的硫酸液作喷淋液，废气中的氨气全部反应形成第一储存罐5的硫酸铵；
（7）氧化炉9脱氨后的废气进入第二喷淋吸收塔18一并处理；
（8）经上述（1）-（7）处理后的剩余微量废气处理达标排放。
本发明依托对聚丙烯腈基碳纤维生产氧化、碳化过程产生的废气组份出发，提出了冷却回收焦油、化学法回收氢氰酸、氨气，形成焦油、氰化钠、氮肥多种副成品焦油，回收物为重要的化工原料；可极大地降低碳纤维生产成本；依废气的总量、温度、热焓与各工序工艺需求相平衡，实现递级回用，实现节能；从根本上改变了废气的处理方法，极大地降低了碳排放，做到环保，废气的主要成分焦油、氢氰酸、氨气都是重要的化工原料；应用此方法生产每吨碳纤维可回收焦油200-300公斤；回收氢氰酸400-500公斤；氨气 25-30公斤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法，其特征在于，
（1）高温碳化炉的废气与低温碳化炉的废气进入至少一个冷却分离塔，其中，所述高温碳化炉的废气温度为800-1500℃，所述低温碳化炉的废气温度为500-800℃，逐步冷却分离出焦油，废气出口温度为35-40℃，换热介质为空气或氮气，废气走列管式管程，换热介质走壳程，空气或氮气作换热介质，对流换热实现热能回用；
（2）分离出的焦油经过脱废塔抽真空去除焦油中的氢氰酸、氨气成为成品焦油，抽真空的废气并入冷却后的废气；
（3）分离焦油后的废气进入至少一个酸液喷淋吸收塔，用酸液作喷淋液回收废气中的氨气；
（4）脱氨后的废气经过至少一个喷淋吸收塔反应吸收氢氰酸，反应液为碱液或弱酸性盐，与氢氰酸反应生成氰化物；喷淋吸收塔吸收出口废气完全除去氢氰酸；
（5）来自氧化炉产生的废气经至少一个换热器换热，出口温度为35-40℃；逐步分离出的焦油并入高温碳化炉和低温碳化炉分离出的焦油一并处理回收；
（6）氧化炉脱焦油后的废气进入氧化炉酸液喷淋吸收塔，用酸液作喷淋液回收废气中的氨气；
（7）氧化炉脱氨后的废气进入喷淋吸收塔一并处理；
（8）经上述（1）-（7）处理后的剩余微量废气处理达标排放。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法，其特征在于，所述脱氨后的废气经过至少一个喷淋吸收塔反应吸收氢氰酸，反应液为冷水，冷水喷淋吸收氢氰酸，形成氢氰酸水溶液，喷淋吸收塔吸收出口废气完全除去氢氰酸，其中冷水的温度为5-20℃。
3.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法，其特征在于，所述反应液为碱液时，采用氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈碳纤维生产氧化、碳化产生的废气处理方法，其特征在于，所述反应液为弱酸性盐时，采用碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种。
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