PAN基碳纤维碳化生产的安全设计

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Key words: carbon fiber; security; validity; reliability; design
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到 的微晶石墨材料,是一种力学性能优异的新材料。它 具有高强、高模、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电 及导热等优异性能。碳纤维作为当今世界三大高性能 纤维材料之一,已成为航空航天工业中不可缺少的工 程材料,在体育、休闲用品、医疗卫生和土木建筑方面 也有广泛应用。
( 2) 生产管理不当。( a) 焚烧炉的使用不合理,炉 膛温度偏低。由于操作不当,焚烧炉的炉膛温度偏低, 造成有机物不能完全氧化燃烧,在焚烧炉内形成沉积。 炉膛温度越低,沉积越严重; ( b) 焚烧炉的清理不及 时。生产过程中挥发的有机溶剂中含有一些低分子 物。这些 低 分 子 物 会 沉 积 在 焚 烧 炉 的 管 道 内 壁 上。 “蓄热式”焚 烧 炉 的 蜂 窝 砖 上 也 会 有 沉 积 物。 通 常 情 况下,只要数月这些沉积物就很厚,如果不及时清理, 就会造成废气流动不畅,导致焚烧炉的失火燃烧或爆 炸。特别在焚烧炉管道的转弯处,沉积物更厚,有的呈 假山形状。当这些沉积物吸收热量到一定程度,会发 生自燃。在管道里的燃烧是无法扑灭的,燃烧的蔓延 导致焚烧炉被焚毁。
3. 2 碳化炉 ( 1) 碳化炉工艺温度为 1 000℃ ~ 1 600℃ 。大分
子进一 步 交 联,非 碳 原 子 逐 步 排 出 ( 生 成 HCN、N2 等) ,最后形成的碳纤维含碳量可达 92% 以上。在这 一阶段可制取强度 5. 0 GPa 以上、模量 290 GPa 以上 的碳纤维产品。如保温措施不力,炉体部分表面温度 可能高于 50℃ ,将造成操作人员接触烫伤。
由于国外长期以来对我国进行技术封锁和产品封 锁,使我国在碳纤维生产和应用方面发展缓慢,产业发
收稿日期: 2013-06-23 作者简介: 胡晓冬( 1960- ) ,男,上海市人,工程师,主要从事纺织工艺 设计研究。
展的整体技术仍处于初级阶段,还没有完全掌握高性 能碳纤维大规模生产和装备制造技术,国内自主开发 的生产线稳定性和可靠性与国外相比还有较大差距。
1 PAN 基碳纤维碳化生产
生产过程中原丝存放在碳丝车间退丝区,然后按 需要依次在退丝架下就位。在一定相对湿度条件下, 从退丝区引出的原丝进入氧化炉氧化成为预氧化丝。 氧化后的预氧化丝出氧化炉后即进入碳化炉进行碳 化,达到高性能碳纤维的工艺要求。
出高温碳化炉的碳纤维还需经表面处理机处理, 以提高纤维表面附着力,再经上浆机上浆以保护碳纤 维成品免受损伤,经多道后处理和干燥、冷却后在卷绕 机上卷绕成筒,成为聚丙烯腈基碳纤维成品。经包塑、 检验、称量、打包成箱后送成品仓库出厂。易燃易爆、 有毒有害气体主要在此过程中产生。碳纤维碳化工艺 流程图见图 1。
( 3) 焚烧炉的生产工艺设置不合理。( a) 焚烧炉 各段的工艺温度设定不合理,造成炉内有不完全燃烧
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的有机物沉淀; ( b) 焚烧炉各风机送风能力设定不合 理,影响炉膛内气流流动状况。炉膛内气流流动过快, 废气在炉膛中停留时间过短,会增加燃料消耗。
( 1) 焚烧炉的设计不合理。( a) 焚烧炉的废气处 理能力小于生产装置产生的可燃性物质的量; ( b) 焚 烧炉各个风机口径、电功率设计不合理,影响炉膛内气 流合理流动,可能使焚烧炉的可燃性物质浓度过高,而 引发焚烧炉的燃烧或爆炸; ( c) 焚烧炉缺少安全保护 设施或安全保护设施的设计不合理,如没有安装可燃 性物质浓度检测报警器或缺少可燃性物质浓度过高时 的应急装置和泄压装置。
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图 1 碳纤维碳化工艺流程图
2 主要危险因素分布
在氧化工段原丝氧化发生化学反应,从而产生一 定量的有害废气,主要成分为氰化氢、一氧化碳、二氧 化碳、氨气等,收集后采用焚烧炉( RTO) 焚烧工艺处 理,尾气排放前均可以在作业场所逸出。
文献标识码: A
文章编号: 1001-2044( 2013) 09-0034-04
The safety design of carbonized production of polyacrylonitrile-based carbon fiber
HU Xiaodong
( Shangtex Architectural Design Research Institute,Shanghai 200060,China) Abstract: With the larger production scale of carbon fiber and more complicated production process,more emphasis on the protection of personal,environmental and equipment should be put. The production device has the advantages of high efficiency and high safety,and the safety integrity including safety related systems or external risk reduction facilities must be an important factor to be considered in the design of the production of carbon fiber. By the analysis of the risk of carbon fiber carbonization process system ( safety) ,the study of the security prevention and safety operation technology,is the foundation that guarantees the safety of production process of carbon fiber.
同时,碳纤维产业又是多学科交叉的系统工程,聚 合、纺丝、预氧化、碳化及表面处理等工序相互影响,相 互制约,关联性极强。由于氧化、碳化等设备国内尚未 掌握核心技术,目前还是从国外进口,这些设备的使用 温度高达 1 600℃ ,并且在使用过程中由于原料的特性 伴随有易燃易爆、有毒有害气体产生,如何使用好这些 设备,保证生产安全,成为设计和管理过程中的关键。
碳纤维生产方法很多,其中按碳纤维原丝不同主 要可以分为: PAN 基碳纤维( 按溶剂不同又可分为二 甲基乙酰胺法、二甲基亚砜法和硫氰酸钠法) 、粘胶基 碳纤 维 和 沥 青 基 碳 纤 维。 聚 丙 烯 腈 基 碳 纤 维 ( PANCF) 是当前碳纤维的主流,产量占世界总产量的 90% 左右。
目前,国内普通碳纤维用量 98% 依赖进口,国内 碳纤维供应非常紧张,而高性能碳纤维基本上难以从 正规渠道进口,国内高性能碳纤维供应十分严峻。大 力发展国产碳纤维以改善目前我国高能性碳纤维及其 原丝依赖进口的局面,符合国家产业政策和行业发展 方向。
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PAN 基碳纤维碳化生产的安全设计
胡晓冬
( 上海纺织建筑设计研究院,上海 200060)
摘 要: 随着碳纤维生产规模的扩大和生产过程的日趋复杂,更加需要强调对人身、环境和设备的保护。生产装置具备有效
在高低温碳化过程中会产生一定量的有害废气, 主要成分为甲烷、氰化氢及少量氨气等,收集后采用焚 烧炉( DFTO / VAR) 焚烧工艺进行处理,尾气排放前均 可能产生跑、冒、滴、漏现象。
表 1 主要危险因素分布
序号 1 2 3
岗位或 位置名称
危险物质
主要危险 危害特征
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氧化工序
氰化氢、一氧化碳、二 火灾、爆炸、中毒、灼烫、 氧化碳、氨气、氮氧化物 机械伤害、触电、高处坠落
性和高安全性,安全相关系统或外部风险降低设施协同是碳纤维生产设计必须考虑的一个重要因素。通过对碳纤维
碳化生产过程进行危险( 安全) 分析,研究其安全预防与安全运行技术,是碳纤维生产过程中提供安全保障的基础。
关键词: 碳纤维; 安全相关系统; 安全完整性; 有效性; 可靠性; 设计
中图分类号: TS102. 527. 2
( 4) 当碳化炉的废气焚烧装置( DFTO) 主风机非 正常停机时,则自动起动旁路 风 机 ( 该 风 机 用 DC - BANK 及柴油发电机供电) 。当旁路风机也发生故障 时,通过 ESD 装置立即停止碳丝生产线。
( 2) 由于碳纤维原丝在氧化过程中会放出一定热 量,因此,如果出现意外情况,如牵伸系统故障,同时有 大量碳纤维原丝在氧化炉内时,会由于氧化放热造成 原丝燃烧。
( 3) 氧化过程会产生氰化氢、氢气等废气,前者具 有剧毒,人体吸入微量氰化氢即足以致死; 氢气是易燃 易爆气体,且无色无味,燃烧火焰也无色,不容易发觉, 具有较大危险性。氧化炉产生的废气主要通过废气风 机排到焚烧炉中处理。可能产生无组织排放的地方 有: 炉主体、废气输送管道及炉两端纤维进出口。
目设计中贯彻“安全第一 、预防为主”及安全设施“三 同时”的方针,做到安全可靠、技术先进、经济合理。 4. 2 建筑物的安全对策措施
生产装置的设计应以工艺专业提供的条件及业主 的要求为依据来确定厂房的结构类型、防火类别、安全 疏散、防爆泄爆、主要承重构件的耐火等级以及使用年 限,并满足《建筑设计防火规范》GB 50016 的要求。 4. 3 工艺的安全对策措施
碳化工序
甲烷、氰化氢、氨气
火灾、爆炸、中毒、灼烫、 机械伤害、触电、高处坠落
成品仓库
碳纤维
车辆伤害
3 碳纤维碳化生产过程中主要设备的危险因 素分析
3. 1 氧化炉 ( 1) 氧化炉工艺温度为 200℃ ~ 300℃ 。采用热风
循环加热方式对碳纤维原丝进行氧化处理。氧化处理 过程中发生氧化、环化、脱氢等反应,放出一定的热量。 因此,氧化炉如保温措施不力,炉体部分表面温度可能 高于 50℃ ,造成操作人员接触烫伤。
( 2) 碳化工艺温度较高,可能产生废气无组织排 放的地方为炉两端的纤维进出口。虽然碳化炉内均有 高纯度氮连续输送密封保护,但如存在其他杂质尤其 是易燃易爆物将引发燃烧爆炸。
( 3) 出碳化炉后由于温度高,纤维仍有可能继续 产生废气。 3. 3 焚烧炉
焚烧炉的作用是将氧化炉、碳化炉内排出的工艺 废气进行高温燃烧处理后,经 25 m 排气筒高空排入大 气中。焚烧炉采用天然气助燃方式,产生的温度可达 1 200℃ 。焚烧炉发生爆炸的主要原因如下。
( 4) 进入焚烧炉的废气浓度不合理。生产过程中 进入焚 烧 炉 处 理 的 废 气 中 含 有 NH3 、HCN、CO、AN、 DMSO、蒸汽等,如进入的废气浓度处于爆炸极限范围 内,有可能引发焚烧炉的爆炸。
4 生产过程中的安全对策措施
4. 1 总体设计方面的安全措施 为确保安全生产,防止灾害事故的发生和蔓延,项
( 1) 当氧化炉温度超高,则自动启动水喷淋装置, 将消防水喷入氧化炉; 同时,通过 ESD 装置停止碳丝 生产线。
( 2) 在碳化炉纤维出口,设计一套冷却水冷却装 置,对纤维进行降温,避免在高温下继续产生废气。
( 3) 当氧化炉的废气焚烧装置( RTO) 主风机非正 常停 机 时,则 自 动 启 动 旁 路 风 机 ( 该 风 机 用 DC - BANK 及柴油发电机供电) 。当旁路风机也发生故障 的情况下,通过 ESD 装置立即停止碳丝生产线。
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