碳纤维预氧化系统和高温尾气回流方法

技术领域

本发明涉及碳纤维预氧化技术领域，具体而言，本发明涉及碳纤维预氧化系统和高温尾气回流方法。

背景技术

碳纤维是一种新型纤维材料，具有强度高、质量轻等许多优良性质。目前碳纤维的制造绝大多数以聚丙烯腈(PAN)原丝为原材料，经过预氧化、碳化两个重要步骤生成高含碳量的碳纤维。其中预氧化是碳纤维生产流程中能耗最高的步骤，需要高流速的气流快速带走预氧化炉内生成的大量反应热，避免原丝烧毁；进入预氧化炉的气流需要加热到适合反应的温度；气流温度分布也需要尽可能均匀以提高反应质量。因此，对预氧化反应系统有着气流利用效率高、气流加热能耗低、气流温度均匀等要求，由此提出了本发明。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种碳纤维预氧化系统和高温尾气回流方法。本发明充分利用了反应生成热来预热进入预氧化炉内的空气，促进了预氧化反应进行，提高了反应质量，同时实现了能量的高效利用。

在本发明的第一个方面，本发明提出了一种碳纤维预氧化系统。根据本发明的实施例，所述碳纤维预氧化系统包括：

预氧化炉，所述预氧化炉包括聚丙烯腈原丝入口、产品出口、反应气体入口和高温尾气出口；

换热器，所述换热器包括高温尾气入口、空气入口、换热后尾气出口和预热后空气出口，所述高温尾气出口与所述高温尾气入口相连，所述换热器中设有分隔件，以便将所述换热器内部至少分割为两部分；

气流分流单元，所述气流分流单元包括换热后尾气入口、回流尾气出口和排出尾气出口，所述换热后尾气入口与所述换热后尾气出口相连；

气流混合单元，所述气流混合单元包括预热后空气入口、回流尾气入口和混合气体出口，所述预热后空气入口与所述预热后空气出口相连，所述回流尾气入口与所述回流尾气出口相连，所述混合气体出口与所述反应气体入口相连；

所述气流混合单元中的换热后尾气与预热后空气的质量流量比为(1-4):1。

根据本发明上述实施例的碳纤维预氧化系统，该系统通过换热器将预氧化反应产生的高温尾气与新鲜空气进行换热，高温尾气与新鲜空气在换热过程中不直接接触，然后通过气流分流单元将部分降温后尾气回流，与预热后的空气混合后，作为反应气体使用。由此，第一，采用高温尾气对新鲜空气进行预热，充分利用反应生成热来预热进入预氧化炉内的空气，提高了热利用效率。第二，高温尾气与新鲜空气在换热器内部有充足的换热时间和换热面积进行充分换热，换热后二者的温差很小，大大增加了二者混合后的温度均匀度，温度更均匀的气流在反应时，反应质量更高。第三，采用回流的尾气可以在相同的空气输入流量的情况下增大预氧化炉中的气体流量，可以带走更多反应热，同时增加了空气中氧气的利用率，减少了热损失，实现能量高效利用。

另外，根据本发明上述实施例的碳纤维预氧化系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述碳纤维预氧化系统还包括：温度调节单元，所述温度调节单元中设有电热丝，所述温度调节单元包括混合气体入口与反应气体出口，所述混合气体入口与所述混合气体出口相连，所述反应气体出口与所述反应气体入口相连。

在本发明的一些实施例中，所述碳纤维预氧化系统还包括：过滤单元，所述过滤单元设置在所述高温尾气出口与所述高温尾气入口之间的管道上。

在本发明的一些实施例中，所述碳纤维预氧化系统还包括：第一风机，所述第一风机设在所述空气入口之前的管道上。

在本发明的一些实施例中，所述碳纤维预氧化系统还包括：第二风机，所述第二风机设在所述混合气体出口和所述反应气体入口之间的管道上。

在本发明的一些实施例中，所述碳纤维预氧化系统还包括：第二风机，所述第二风机设在所述混合气体出口和所述混合气体入口之间的管道上。

在本发明的一些实施例中，所述换热器为间壁式换热器。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用以上实施例所述碳纤维预氧化系统进行高温尾气回流的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将聚丙烯腈原丝输送到预氧化炉中，在反应气体的作用下进行预氧化反应，形成高温尾气和固态产品；

(2)分别使所述高温尾气和空气进入换热器中进行换热，以便对所述空气进行预热以及对所述高温尾气进行降温；

(3)使降温后尾气进入气流分流单元中进行分流，以便使部分尾气进入气流混合单元，同时使预热后的空气进入气流混合单元，混合，以便得到混合气体；

(4)使所述混合气体进入所述预氧化炉中作为所述反应气体使用。

根据本发明上述实施例的方法，该方法通过换热器将预氧化反应产生的高温尾气与新鲜空气进行换热，高温尾气与新鲜空气在换热过程中不直接接触，然后通过气流分流单元将部分降温后尾气回流，与预热后的空气混合后，作为反应气体使用。由此，第一，采用高温尾气对新鲜空气进行预热，充分利用反应生成热来预热进入预氧化炉内的空气，提高了热利用效率。第二，高温尾气与新鲜空气在换热器内部有充足的换热时间和换热面积进行充分换热，换热后二者的温差很小，大大增加了二者混合后的温度均匀度，温度更均匀的气流在反应时，反应质量更高。第三，采用回流的尾气可以在相同的空气输入流量的情况下增大预氧化炉中的气体流量，可以带走更多反应热，同时增加了空气中氧气的利用率，减少了热损失，实现能量高效利用。

另外，根据本发明上述实施例的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，进入所述预氧化炉的反应气体的含氧量为17-20.7wt％。

在本发明的一些实施例中，进入所述预氧化炉的反应气体的温度为200-300摄氏度。

在本发明的一些实施例中，所述高温尾气的温度小于380摄氏度。

在本发明的一些实施例中，进入所述预氧化炉的反应气体的流速为1-5m/s。

在本发明的一些实施例中，所述高温尾气在进入所述换热器之前先进入过滤单元，以便过滤去除所述高温尾气中的副产物。

在本发明的一些实施例中，所述混合气体在进入所述预氧化炉之前先进入温度调节单元，以便调节所述混合气体的温度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的碳纤维预氧化系统的结构示意图。

其中，100-预氧化炉，101-反应气体入口，102-聚丙烯腈原丝入口，103-高温尾气出口，104-产品出口，200-换热器，201-高温尾气入口，202-空气入口，203-换热后尾气出口，204-预热后空气出口，300-气流分流单元，301-换热后尾气入口，302-回流尾气出口，303-排出尾气出口，400-气流混合单元，401-预热后空气入口，402-回流尾气入口，403-混合气体出口，500-第二风机，600-温度调节单元，601-混合气体入口，602-反应气体出口，700-第一风机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的碳纤维预氧化系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的第一个方面，本发明提出了一种碳纤维预氧化系统，参考附图1，所述碳纤维预氧化系统包括：预氧化炉100、换热器200、气流分流单元300和气流混合单元400。下面进一步对根据本发明实施例的碳纤维预氧化系统进行详细描述。

在本发明的实施例中，参考附图1，预氧化炉100，所述预氧化炉100包括聚丙烯腈原丝入口102、产品出口104、反应气体入口101和高温尾气出口103。聚丙烯腈原丝通过聚丙烯腈原丝入口102进入预氧化炉腔室内，反应气体通过反应气体入口101进入预氧化炉腔室内，所述聚丙烯腈原丝在反应气体的作用下发生预氧化反应，并放出大量反应热，反应后的产品通过产品出口104排出该预氧化炉腔室，反应产生的高温尾气通过高温尾气出口103排出该预氧化炉腔室。其中，高温尾气中含有焦油等副产物。所述预氧化炉100中的具体结构属于本领域的现有技术，在此不再赘述。

在本发明的实施例中，参考附图1，换热器200，所述换热器200包括高温尾气入口201、空气入口202、换热后尾气出口203和预热后空气出口204，所述高温尾气出口103与所述高温尾气入口201通过管道相连，所述换热器200中设有分隔件，以便将所述换热器200内部至少分割为两部分，其中至少一部分用于通过高温尾气，至少另一部分用于通过新鲜空气，由此保证高温尾气与新鲜空气在换热过程中不直接接触。从预氧化炉腔室排出的高温尾气通过高温尾气入口201进入该换热器200的用于容纳高温尾气的部分，新鲜空气通过空气入口202进入该换热器200的用于容纳新鲜空气的部分，由此，高温尾气与新鲜空气在换热器200中进行充分换热，且高温尾气与新鲜空气在换热过程中不直接接触，高温尾气与新鲜空气进行充分换热后，二者的温差很小。换热后的尾气通过换热后尾气出口203排出换热器200，预热后的空气通过预热后空气出口204排出换热器200。所述换热器200中的具体结构属于本领域的现有技术，在此不再赘述。作为一个具体示例，所述换热器200为间壁式换热器。另外，需要说明的是，管道并不代表实际中的装置必须是管状的物料输送路径，而是指对物料的运输手段。

在本发明的实施例中，参考附图1，气流分流单元300，所述气流分流单元300包括换热后尾气入口301、回流尾气出口302和排出尾气出口303，所述换热后尾气入口301与所述换热后尾气出口203通过管道相连。降温后的尾气通过换热后尾气入口301进入气流分流单元300中，在气流分流单元300中进行分流，使其中一部分尾气通过回流尾气出口302排出，进入气流混合单元400中，而其余部分尾气通过排出尾气出口303排出。所述气流分流单元300的具体结构属于本领域的现有技术，在此不再赘述。

在本发明的实施例中，参考附图1，气流混合单元400，所述气流混合单元400包括预热后空气入口401、回流尾气入口402和混合气体出口403，所述预热后空气入口401与所述预热后空气出口通过管道相连，所述回流尾气入口402与所述回流尾气出口302通过管道相连，所述混合气体出口403与所述反应气体入口通过管道相连。降温后的尾气通过回流尾气入口402进入气流混合单元400中，预热后的空气通过预热后空气入口401进入气流混合单元400中，二者在气流混合单元400中充分混合，由混合气体出口403排出，然后经反应气体入口进入预氧化炉100中作为反应气体使用。所述气流混合单元400的具体结构属于本领域的现有技术，在此不再赘述。

在本发明的实施例中，所述气流混合单元中的换热后尾气与预热后空气的质量流量比为(1-4):1，由此，使混合气体的氧含量保持在合适的范围内，进一步提高预氧化的反应质量，同时，采用合适比例的回流尾气可以在相同的空气输入流量的情况下增大预氧化炉中的气体流量，可以带走更多反应热，同时增加了空气中氧气的利用率，减少了热损失，实现能量高效利用。

根据本发明上述实施例的碳纤维预氧化系统，该系统通过换热器将预氧化反应产生的高温尾气与新鲜空气进行换热，高温尾气与新鲜空气在换热过程中不直接接触，然后通过气流分流单元将部分降温后尾气回流，与预热后的空气混合后，作为反应气体使用。由此，第一，采用高温尾气对新鲜空气进行预热，充分利用反应生成热来预热进入预氧化炉内的空气，提高了热利用效率。第二，高温尾气与新鲜空气在换热器内部有充足的换热时间和换热面积进行充分换热，换热后二者的温差很小，大大增加了二者混合后的温度均匀度，温度更均匀的气流在反应时，反应质量更高。第三，采用回流的尾气可以在相同的空气输入流量的情况下增大预氧化炉中的气体流量，可以带走更多反应热，同时增加了空气中氧气的利用率，减少了热损失，实现能量高效利用。

进一步地，所述碳纤维预氧化系统还包括：过滤单元(在图中未示出)，所述过滤单元设置在所述高温尾气出口与所述高温尾气入口之间的管道上，高温尾气经过过滤单元除去焦油等副产物。所述过滤单元的具体结构属于本领域的现有技术，在此不再赘述。

进一步地，参考附图1，所述碳纤维预氧化系统还包括：温度调节单元600，所述温度调节单元600中设有电热丝，所述温度调节单元600包括混合气体入口601与反应气体出口602，所述混合气体入口601与所述混合气体出口403相连，所述反应气体出口602与所述反应气体入口相连。所述温度调节单元600用于调整混合气体的温度，将混合气体的温度调整至适合预氧化发生的温度，考虑到管道的热损失，如果混合气体的温度不足，温度调节单元600可以通过电加热等加热手段进行温度提升，达到适合温度的气流通过管道进入预氧化腔进行反应。所述温度调节单元600的具体结构属于本领域的现有技术，在此不再赘述。

进一步地，参考附图1，所述碳纤维预氧化系统还包括：第一风机700，所述第一风机700设在所述空气入口202之前的管道上，该风机使新鲜空气进入换热器中，为新鲜空气的流动提供动力。

进一步地，参考附图1，所述碳纤维预氧化系统还包括：第二风机500，所述第二风机500设在所述混合气体出口403和所述反应气体入口101之间的管道上，第二风机500为混合气体的流动提供动力。可以理解的是，在所述碳纤维预氧化系统包括温度调节单元600的情况下，则所述第二风机500设在所述混合气体出口403和所述混合气体入口601之间的管道上。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用以上实施例所述碳纤维预氧化系统进行高温尾气回流的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

S100：将聚丙烯腈原丝输送到预氧化炉中，在反应气体的作用下进行预氧化反应，形成高温尾气和固态产品。

在该步骤中，聚丙烯腈原丝从预氧化炉的一端进入预氧化炉中，在炉内反应后从另一端抽出，作为一个具体示例，可以采用滚轮运输装置完成聚丙烯腈原丝的传输。

根据本发明的一些具体实施例，进入所述预氧化炉的反应气体的含氧量为17-20.7wt％，由此，在进一步提高预氧化的反应质量的同时，还增大了预氧化炉中的气体流量，可以带走更多反应热，同时增加了空气中氧气的利用率，减少了热损失，实现能量高效利用。

根据本发明的再一些具体实施例，进入所述预氧化炉的反应气体的温度为200-300摄氏度，由此，进一步提高了预氧化的反应质量。

根据本发明的又一些具体实施例，预氧化炉中的高温尾气的温度小于380摄氏度，由此避免预氧化炉内温度过高而导致聚丙烯腈原丝烧毁。

根据本发明的又一些具体实施例，进入所述预氧化炉的反应气体的流速为1-5m/s，由此，使预氧化炉中保持合适的气体流量，带走预氧化反应产生的大量热，进一步确保高温尾气的温度小于380摄氏度。

S200：分别使所述高温尾气和空气进入换热器中进行换热，以便对所述空气进行预热以及对所述高温尾气进行降温。

根据本发明的又一些具体实施例，所述高温尾气在进入所述换热器之前先进入过滤单元，以便过滤去除所述高温尾气中的副产物。

S300：使降温后尾气进入气流分流单元中进行分流，以便使部分尾气进入气流混合单元，同时使预热后的空气进入气流混合单元，混合，以便得到混合气体。

S400：使所述混合气体进入所述预氧化炉中作为所述反应气体使用。

根据本发明的又一些具体实施例，所述混合气体在进入所述预氧化炉之前先进入温度调节单元，以便调节所述混合气体的温度，使混合气体的温度调整至适合预氧化发生的温度。

根据本发明上述实施例的方法，该方法通过换热器将预氧化反应产生的高温尾气与新鲜空气进行换热，高温尾气与新鲜空气在换热过程中不直接接触，然后通过气流分流单元将部分降温后尾气回流，与预热后的空气混合后，作为反应气体使用。由此，第一，采用高温尾气对新鲜空气进行预热，充分利用反应生成热来预热进入预氧化炉内的空气，提高了热利用效率。第二，高温尾气与新鲜空气在换热器内部有充足的换热时间和换热面积进行充分换热，换热后二者的温差很小，大大增加了二者混合后的温度均匀度，温度更均匀的气流在反应时，反应质量更高。第三，采用回流的尾气可以在相同的空气输入流量的情况下增大预氧化炉中的气体流量，可以带走更多反应热，同时增加了空气中氧气的利用率，减少了热损失，实现能量高效利用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。