年产1200吨高性能碳纤维新建项目废气处理方案.docx
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年产1200吨高性能碳纤维新建项目废气处理方案
年产1200吨高性能碳纤维新建项目
废
气
处
理
方
案
2015年3月
目录
第一章项目概况4
第二章工程设计内容5
2.1工程范围5
2.2技术规范5
2.3设计依据5
2.4设计原则5
第三章设计参数6
3.1污染源分析6
3.2设计处理前废气浓度和排放标准7
第四章废气处理工艺分析及确定9
4.1处理工艺的选择9
4.2处理工艺的确定11
4.3处理工艺说明11
4.4设备选型简介12
4.5设备优点说明14
第五章设备一览表15
5.1设备一览表15
第六章电气控制设计说明16
6.1电气说明16
第七章工程投资预算17
7.1工程投资估算原则17
7.2主要工艺设备投资估算17
第八章运行成本估算17
8.1废气处理系统设备能耗17
8.2运行费用分析18
第九章施工组织计划18
9.1专项工程项目部成立18
9.2工期目标的确定19
9.3总进度控制计划的制定19
第十章施工准备20
10.1现场准备20
10.2技术准备20
10.3物资条件准备20
10.4生产机械准备21
10.5劳动力准备21
第十一章技术服务方案及技术培训方案22
11.1技术服务方案22
11.2技术培训方案22
第十二章技术服务承诺24
第一章项目概况
英成集团新材料科技有限公司于2014年2月26日在太仓注册成立，注册资本30000万元，由英成集团有限公司、上海赢国投资管理中心、上海量丰投资管理中心、费洪升等投资方组成，各投资方比例分别为62%、20%、9%、9%。
主要从事研发碳纤维产品及其复合制品；碳纤维材料领域内的技术开发、技术服务、技术咨询、技术转让；经销塑料制品、化工原料；自营和代理各类商品和技术的进出口业务（国家限定企业经营或禁止进出口的商品和技术除外）。
项目建成后，形成年产1200吨高性能碳纤维生产能力。
碳纤维（通常简称CF）是一种含碳量在94%以上的高性能纤维材料，属于新型增强和多功能性工程材料，它不仅拥有碳材料的本质特征，制作复合材料时又兼具纺织纤维的可加工性和高度可设计性。
世界上工业生产的高性能碳纤维产品按原料划分，主要有两大系列，一是以特种高分子（聚丙烯腈或PAN），二是以煤焦油或石油重油经过高度精制提炼的前驱体为原料，分别在日本和美国于上世纪60、70年代研发成功并实现工业化生产。
前者的产量约占碳纤维总产量的90%左右，属于高强度型（T系列）；后者约占10%，以高刚性（高模量）为主要特征。
碳纤维作为一种高端工程材料，在航空、航天、汽车、机械、化工、运动休闲器材、建筑领域等军事及民用行业的应用非常广泛，市场空间广阔，是高科技材料领域中标志性材料。
因此，数十年来美国、日本等西方阵营（日、美都是巴统组织成员国）把碳纤维一直当做重要的战略物资，对中国进行技术封锁。
特别是高模量碳纤维，直到今天中国仍没有成熟的技术，更谈不上工业生产能力。
而强度型的聚丙烯腈碳纤维（如T300系列产品）在国内已有小批量生产能力，但在质量上和日、美产品还有很大差距。
本项目将运用一系列经过科学论证的先进技术和设备，以期填补国内高模量高性能碳素纤维产品的空白，为我国产业技术升级换代，带动一大批新兴产业发展。
这不仅能为投资者带来巨大的经济效益，也为当地经济社会产生良好的社会效益和环境效益。
本项目的成功也将意味着突破以美国为首的巴黎统筹协会对中国数十年实行的技术封锁，具有非常重要的战略意义。
本项目建成后，英成集团新材料科技有限公司将成为我国第一个高性能碳纤维产品批量供应商。
本项目所采用的生产技术工艺流程短，生产效率高，为国际一流水平；本项目所使用的设备，装备水平高，技术先进。
相比市场上的T系列产品，本项目产品的突出优势为模量。
T系列产品的模量指标通常为200-240Gpa,本项目的产品模量指标可覆盖240Gpa至640Gpa范围，产品选择范围广泛，可满足市场不同客户需求，市场空间巨大。
石油沥青基碳纤维相对于聚丙烯腈基碳纤维，生产过程中产生废气较少，毒性较低，废气处理也相对简单。
为保护员工的身体健康和周边环境，确保企业员工的良好工作环境、确保企业安全生产，根据全方位的资料，现对英成集团新材料科技有限公司恶臭气体治理设计方案设计如下。
第二章工程设计内容
2.1工程范围
本工程范围包括：
处理装置、配电、非标设备设计和设备制造、采购以及系统的安装、调试等。
2.2技术规范
1、《大气污染控制工程》；
2、《工业通风除尘技术》；
3、《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）；
4、《中华人民共和国大气污染防治法》，国家主席（2000）32号令；
5、《环境空气质量标准》（GB3095-2012）；
6、参考业主提供的有关废气参数的资料。
2.3设计依据
1、甲方提供的基础资料；
2、我方针对甲方废气介质和设计要求所做的分析化验及小试结果；
3、类似工程治理的工程经验和技术；
4、国家现行的建设项目环境保护设计规定；
5、设计技术规范与标准。
2.4设计原则
1、借鉴类似废气处理工程实践经验，广泛参阅相关资料；
2、处理工艺稳定、合理、可靠、实用；
3、运行费用低，管理操作简便；
4、根据场地情况，合理布局。
第三章设计参数
3.1污染源分析
建设项目主要原辅材料消耗见表3.1-1。
主要的原辅材料的理化性质见表3.1-2。
表3.1-1项目主要原辅材料消耗
原料名称
规格
单耗量kg/kg产品
年耗量kg/a
利用率
备注
重油（留分）
煤系或石油系
2
2400000
0.75
桶装，汽运
去离子水
——
0.12
144000
蒸发
桶装，汽运
重油催化剂
HF
0.000082
98.4
1
桶装，汽运
三氟化硼乙醚络合物
清洗剂
5%的NaHCO3水溶液
0.117
140000
水蒸气蒸发，钠元素循环
上胶剂
40%水性环氧树脂上胶剂
0.0033
3943
水蒸气蒸发
桶装，汽运
表3.1-2产品及原辅材料理化性质
名称
理化特性及危规号
爆炸燃烧性
毒性毒理
重油
（燃料油）
无色透明液体，相对密度（水=1）：
0.95-0.98,相对密度（空气=1）：
1.59-4,燃烧热（kj/mol）:
30000-46000，混合物：
由各族烃类和非烃类的组成的。
可燃液体，溶解性：
不溶于水，溶于醇等溶剂。
闪点：
60℃
危险特性：
其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。
与氧化剂可发生反应。
流速过快，容易产生和积聚静电。
其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。
急性毒性：
LD505000mg/kg（大鼠经口）,LC505000mg/kg（大鼠吸入）
氟化氢
危规号：
93019
无水氟化氢低温下为无色透明的液体，沸点19.4，熔点-83.37，密度1.008g/cm3（25/4）。
气体的比重1.27（34℃）（空气=1），液体的比重0.987，在室温和常温下极易挥发成烟雾状,水溶液在-30时也不冻结。
它的化学性质极活泼，很强的吸水性、有强腐蚀性，能与碱、金属、氧化物以及硅酸盐（能腐蚀玻璃和破坏其他含硅物质，）等反应，在一定条件下能与水自由混合成氢氟酸（溶于水时激烈放热而成氢氟酸）。
闪点：
112℃
危险特性：
氟化氢为反应性极强的物质，能与各种物质发生反应。
腐蚀性极强。
急性毒性：
LD501044mg/m3（大鼠吸入）
三氟化硼乙醚络合物
分子量141.94。
三氟化硼47%乙醚53%。
常温常压下为淡黄色或者无色透明发烟液体,有刺激味。
蒸汽压300kPa（-20℃）;熔点-48℃/纯;沸点124.5-126℃;相对密度（水=1）1.125;相对密度（空气=1）1.45;溶解性：
溶于水。
与水反应。
遇水或置于潮湿空气中时立即分解，产生剧毒的氟化氢烟雾。
闪点：
66.7℃
爆炸上限（V/V）11.1%，爆炸下限（V/V）2%，
危险特性：
本产品遇明火会发生燃烧爆炸危险。
急性毒性：
LD50900mg/kg（兔经口）;LC503124ppm，1小时（大鼠吸入）
碳酸氢钠
分子量：
84.01。
白色粉末或单斜晶结晶性粉末。
无毒。
有氨臭。
溶解度（水）7.8g/100mL（18°C），熔点270°C，密度1.58/cm3,蒸气密度2.7（vsair）,蒸气压2.58E-05mmHgat25°C220g/L。
能溶于水，水溶液呈碱性，不溶于乙醇。
——
急性毒性：
LD504220mg/kg（大鼠经口）；
表3.1-3原料重油详细理化性质
项目
含量
备注
密度（g/ml）
0.92~0.98
粘度（mm2/s100℃）
106~200
凝点（℃）
>45
残炭值%
>8.8
灰分%
<0.2
Cmt%
86~88
Hmt%
11~12
Omt%
约0.3
Nmt%
小于0.2
Smt%
小于0.5
H/C摩尔比
~1.7
平均分子量
1100~1300
饱和烃%
30~40
分子量分布440-1700
芳香烃%
30~40
分子量分布560-6000
胶质%
~30
分子量分布700-8000
沥青质%
小于0.1
分子量分布~10000
<200℃馏分（w/%）
<2.5
<350℃馏分（w/%）
~40
<500℃馏分（w/%）
>55
工艺简述以及尾气排放：
中间相沥青调制:
原料处理过程，是重油裂解聚合的过程。
通过原料处理步骤，重油中的芳香分转化为更多环的芳烃物质，而原来重油中的脂肪烃经过重新裂解聚合，大部分逐渐的转化为了芳香烃。
在整个裂解（420℃）过程中，低沸点的轻组分、裂解生成的小分子、催化剂等，逐步从反应釜中溢出。
溢出的轻组分、催化剂经过冷凝回收装置冷却收集，由泵重新加入到反应釜中作为原料使用。
在整个原料处理过程中，一些无法冷凝的物质（脂肪烃，硫化氢等），排入到废气管道中，集中处理。
具体工艺图如下图所示：
中间相沥青调制工艺图
纺丝工序：
纺丝工序的温度（260℃）低于中间相沥青调制的温度，故在纺丝过程中已经没有轻组分冒出，因此过程没有废气产生。
预氧化工序：
纤维的预氧化过程，是沥青分子之间氧化交联过程，此过程反应气体大部分为CO2和H20，同时包括少量的小分子脂肪烃、醛类和氢气。
碳化工序：
碳化过程是碳化是复杂的物理化学变化和结构转化过程，是在惰性气体（N2）保护下发生热分解、热聚过程。
最终结果就是使预氧化过程形成的梯形结构转化为碳纤维乱层石墨结构。
此过程包括碳碳键断裂，以及官能团之间的聚合，生成的气体主要为CO2和H2O，同时生成脂肪烃、醛类、氢气和少量的沥青烟（芳香烃）。
石墨化工序：
石墨化工序就是使碳纤维经过2200℃-3000℃几秒到十几秒石墨化处理，使碳纤维内部结构重排、转化、取向更接近于是石墨结构，从而在性能上更接近于石墨。
石墨化阶段产生的废气主要是，脂肪烃和芳香烃，少量的二氧化碳和水。
表面处理工艺，排除气体全是水蒸气，无有害气体生成。
根据上述工艺流程，主要废气来源为：
原料处理过程中产生的低分子脂肪烃、少量甲醛、以及硫化氢。
预氧化、碳化、以及石墨化工序中，产生的二氧化碳和水、低分子脂肪烃、少量芳香烃。
综上所述改项目废气主要成分为：
脂肪烃（低分子烷类）、二氧化碳、水蒸气、甲醛、极少量硫化氢以及少量沥青烟（芳香烃）。
3.2设计处理前废气浓度和排放标准
根据业主方提供的数据，该公司一条生产线生产废气约为716kg/日，即29.8kg/h。
项目一天产生废气具体分析如下所示：
表3.2-1主要废气元素组成
区 分
废气
废气产生位置
原料处理
预氧化炉
碳化炉
石墨化炉
总计/日
总计/小时
重量
192kg/日
48kg/日
330kg/日
146kg/日
716kg/日
29.8kg/h
元素组成
C
82kg/日
27.95kg/日
199.89kg/日
55.01kg/日
364.85kg/日
15.20kg/h
H
89kg/日
10.16kg/日
123.4kg/日
87.05kg/日
309.61kg/日
12.90kg/h
N
1kg/日
1kg/日
1kg/日
1kg/日
4kg/日
0.167kg/h
S
13kg/日
0.94kg/日
0.94kg/日
1.88kg/日
16.76kg/日
0.70kg/h
O
7kg/日
7.95kg/日
4.77kg/日
1.06kg/日
20.78kg/日
0.87kg/h
第四章废气处理工艺分析及确定
4.1处理工艺的选择
国内外现有污染气体的主要处理技术有：
燃烧法、吸收法、吸附法、生物法、光催化法、低温等离子法等。
（1）燃烧法
燃烧法主要有根据燃烧的温度及辅助介质不同又分为直接燃烧法和催化燃烧法两种。
催化燃烧法较适合于高浓度、小风量废气的净化，在处理低浓度的废气时，
由于要维持300~400℃的催化燃烧温度，需借助于活性炭吸附等浓缩工艺来提
高废气的燃烧热值，但废气中的水气、油污及颗粒物易引起活性炭吸附容量下降及催化剂中毒失活等问题，使得该方法的推广和使用在一定程度上受到了限制。
直接燃烧法是投加辅助燃料与废气一起送入焚烧炉燃烧，直接焚烧工艺成熟，控制一定的温度条件下污染物去除效率高，焚烧彻底，但在使用过程中一般会有以下问题：
①若焚烧含氯、卤代有机物和芳烃类物质时极易产生二恶英类强致癌物质，尤其在焚烧炉启动和关闭过程中更易产生，为避免二恶英类物质产生，须提高燃烧温度在1200℃以上，若保持如此高的燃烧温度不仅运转费用高，而且对焚烧炉的要求也大大提高。
②焚烧含氯代有机物时会产生氯化氢腐蚀问题，尤其是在高温状态下，氯化氢的腐蚀性能大大增强，不仅对管道存在腐蚀，更严重的是会引起焚烧炉的腐蚀。
（2）吸收法
利用污染物质的物理和化学性质，使用水或化学吸收液对废气进行吸收去除的方法。
该方法在设计操作合理的情况卜去除效率很高，运转管理方便，但对设备及运行管理要求极高，而且只有能溶解液吸收液或能与吸收液反应的污染物才能被有效去除。
（3）吸附法
该方法是当污染物质通过装有吸附剂（如活性炭、疏水分子筛等）的吸附塔时，
利用该吸附剂对污染物的强吸附力，从而达到净化废气的日的。
该方法设备简单，去除效果好，多用于净化工艺的末级处理。
该方法缺点是对高浓度废气处理效率低、占地而积大、气阻大、吸附剂需经常更换或再生等缺点，而且吸附剂脱附后的气体难于收集而最终又排回大气中，是一种不彻底的解决途径。
（4）吸附再生法
低温加热再生法。
对于吸附沸点较低的低分子碳氢化合物和芳香族有机物的
饱和炭，一般用100-200℃蒸汽吹脱使炭再生，再生可在吸附塔内进行。
脱附
后的有机物蒸汽经冷凝后可回收利用。
常用用于气体吸附的活性炭再生。
此方法重复使用率较高，但活性炭颗粒之间容易粘结成块，造成通道堵塞，同时此方法对高浓度废气也无能为力。
（5）生物法
生物法是近年来研究较多的一种处理工艺，该方法最突出的优点是处理成本
低廉、基本无二次污染。
生物法虽然在净化低浓度有机污染物时效果明显，具有能耗低的优点，但存在气阻大、降解速率慢、设各体积庞大、易受污染物浓度及漏度的影响，而且该法仅适用于亲水性及易生物降解物质的处理，对疏水性和难生物降解物质的处理还存在一定难度。
（6）光催化技术
光敏半导体催化氧化或纳米金属氧化物光催化也是近年来的研究热点，但该技术的降解效率受控于污染物质与催化剂表面界面扩散速率，而且催化剂价格昂贵、很容易中毒失效，目前光催化技术很难用于大规模工业化应用，多局限于实验研究及小风量应用阶段。
（7）低温等离子法
低温等离子是内外电极在高压状态下进行间隙放电，间隙通过的气体被电
离的过程。
由于放电电压较高，电子在与空气中的氮气碰撞产生大量的氮氧化物，造成二次污染。
臭氧发生器与低温等离子放电技术和放电原理一样，而放电电压3500V，几乎无氮氧化物产生。
（老式工频臭氧发生器35000v，使用一段时间后，罐体内会产生大量氮氧化物济胶，3500v放电，无任何残余物）。
低温等离子名义上是电离废气，实际上是电离空气产生臭氧，利用臭氧看到强氧化性来进行废气处理。
由于等离子废气处理系统废气直接经过放电系统，对易燃易爆气体带来很大安全隐患，容易造成火灾等重大安全事故，实例有小鸟电劝车喷漆废气采用低温等离子体发生爆炸。
故防爆环境绝对不允许使用。
而臭氧的产生的环境是干燥气氛，故对气氛湿度不好控制的环境，其除臭效率很差。
4.2处理工艺的确定
从第三章数据可以看出，沥青基碳纤维生产过程的废气主要为碳氢化合物，以及少量的硫元素。
虽然废气的元素组成单一，但其结构形式不确定因素很多，故采用吸收法、吸附法来处理有机废气有很大的挑战。
生物法以及光催化技术对复杂的有机废气处理方案，也有待成熟。
故本项目采用目前较为成熟的废气处理技术来处理碳纤维生产过程中的废气，即直接燃烧法。
在有氧气氛下，本项目所产生的废气，经过高温处理（900℃以上）基本转化为水蒸气和二氧化碳，二氧化硫。
二氧化硫的浓度远小于国家的排放标准。
4.3碳化炉与石墨化炉代替焚烧炉的可行性
碳纤维生产工艺中，碳化炉温度在1100℃，而石墨化炉更是达到了2600℃。
传统焚烧炉的目的就是要通过加入燃料，使废气的温度达到1000℃以上。
因此，如果能有效运用碳化炉以及石墨化炉内部的高温，对废气充入足够的氧气，就可以使废气达到完全燃烧的目的，达到废气净化的效果。
碳化炉以及石墨化炉作为对碳纤维碳化以及石墨化的设备，其主要的作用就是对碳纤维高温处理（惰性气氛），使碳纤维机械性能提高。
因此如果想利用碳化炉以及石墨化炉同时对废气进行处理，一定要保证炉子本身的作用不受影响的同时（走丝舱内惰性气氛不能改变，舱内的温度不能波动太大），废气也应达到焚烧要求（焚烧温度要达到，满足一定的停留时间，氧气一定要充足）。
本项目进口的碳化炉以及石墨化炉设备，经过严格的计算与设计，使其具备废气焚烧功能，能够完全处理碳纤维生产工程中的废气。
两种炉子的结构示意图如4.3-1,4.3-2所示：
从碳化炉炉体结构（图4.3-1）可以看出，炉体最内部为碳纤维走道（丝束从左往右输送），是炉体温度最高的部分。
碳化炉气体入口①为氮气入口，主要是维持走丝舱内部的惰性气氛以及带走反应生产的废气。
气体入口④为废气入口（中间相沥青调制以及预氧化过程产生），废气处理舱其实是走丝舱外部的夹层，主要利用走丝舱内部的温度余热来处理废气。
废气通道内部安装有蜂窝结构的蓄热陶瓷材料，能够储存走丝舱传来的热量，同时蓄热材料周围有额外的加热器，以保证废气到达焚烧温度。
走丝舱内部②出口连接废气处理舱，
碳化工艺产生废气随着惰性气体流入废气处理舱，混合后由出口③排出碳化炉。
排气口②具有防逆流装置，以免废气进入碳化炉走丝舱污染纤维。
碳化炉中走丝方向与惰性气体方向相同，这样是因为在走丝方向上温度是依次递增的，惰性气体温度也是依次递增，如果惰性气体充入方向与走丝方向相反，则会影响碳化炉内部温度的分布。
石墨化炉结构如4.3-2所示，石墨化炉与碳化炉结构的主要区别是惰性气体入口①与走丝方向相反，而惰性气体出口②在废气（碳化炉出来的废气）入口处（废气口④），与废气一起进入到废气处理舱。
这样的设计不但可以迅速提高废气的温度，还可以使废气充分混合（达到有效的停留时间）。
经过废气处理舱以后，废气经过排气口③排出，排气口③与烟囱连接，经过冷却后排放。
碳纤维生产工艺中，完整的废气处理方案如4.3-3所示。
4.3.3废气处理的工艺流程图
从炉体结构上看，利用碳化炉以及石墨化炉来处理废气具有可行性。
为了保证炉体达到焚烧炉的效果需要从温度、停留时间、氧气浓度来考虑。
根据本项目的废气元素，具体计算数据如下：
废气充分燃烧条件的确定：
补充空气计算：
1废气的元素组成（一条产线）
区 分
重 量
重量比例
（kg/h）
元素组成
C
15.20
0.510
H
12.90
0.433
N
0.167
0.006
O
0.70
0.022
S
0.87
0.029
2废气完全燃烧的理论空气量
每kg废气理论空气量
L0=11.49*0.501+34.5*（0.433-0.022/8）+4.31*0.029=20.73（kg）
即每kg的废气完全燃烧需要空气20.73kg
空气过剩率1.2
每kg废气必要空气量L1=20.73*1.2=24.88（kg）
故每小时需向废气管道补充空气量为：
L3=24.88*29.8=741.5（kg）
热量计算：
每kg空气从20℃升到900℃所需要的热量为：
（空气比热按1.004计算）
R0=1.004*880=883.5KJ741.5kg/h
每kg原料处理中的废气（30℃）升到900℃所需要的能量：
（废气比热按2计算）
R1=2*870=1740KJ8kg/h（排放速度）
每kg预氧化阶段产生的废气（220℃）升到900℃所需要的能量：
（废气比热按2计算）
R2=2*680=1360KJ7kg/h（排放速度）
每kg预碳化阶段产生的废气（1100℃）降到900℃所释放的能量：
（废气比热按4计算）
R3=4*210=840KJ100kg/h（排放速度，包含了惰性气体以及清洁气体）
每kg石墨化阶段产生的废气（2600℃）降到900℃所释放的能量：
（废气比热按6计算）
R4=6*1700=10200KJ56kg/h（排放速度，包含了惰性气体以及清洁气体）
R总=883.5*741.5+1740*8+1360*7-840*100-10200*56=23355.25KJ=6.5kw.h
即废气每小时还需要从碳化炉以及石墨化炉中炉吸收23355.25KJKJ热量，才能保证气体完全燃烧。
热值转化为功率为6.5kw.h。
假设热转化率为95%，则还需要功率为6.8kw的加热器就能满足需求。
故在碳化炉设计时，在废气通道内增加额外的加热器，就能满足废气的焚烧。
等效燃烧室容量
经过燃烧后每小时理论排放气体：
把废气元素全部转化为二氧化碳、水以及二氧化硫以后，其体积如下表所示。
气体
重量/kg
体积Nm³/h
CO2
59.45
30.26
H2O
120
149.33
N2
569.6
455.68
SO2
1.4
0.49
O2
162.05
113.44
把标况下的体积转化为900℃时气体体积为3219m³。
有机废气充分燃烧的停留时间为三秒，则废气处理通道的容积应该为：
3219/3600*3=2.68m³。
碳化炉以及石墨化炉废气管道的总容积应该在2.7m³以上。
从上所述，废气只要在碳化炉以及石墨化炉内达到焚烧温度（900℃），充入充足的氧气（750kg/h空气补充量），废气处理通道容积适合（2.7m³以上），就可以利用碳化炉以及石墨化炉来处理生产废气。
本项目进口的设备废气
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