预氧化炉的端气封技术对比研究
作者简介
张永刚，正高级工程师，高性能碳纤维产业化技术浙江省工程实验室主任、特种纤维事业部副主任、硕士生导师，长期从事国产高性能碳纤维制备技术及工程化技术研发，E-mail：zhangyonggang@nimte.ac.cn。
碳纤维具有高比强度、高比模量、高电导率等优异特性，被用于航空航天、民用工业、体育器材等领域。近几年随着碳纤维需求不断增加，碳纤维工业出现飞速发展现象。
预氧化是碳纤维生产线上聚丙烯腈（PAN） 纤维由原丝转化为碳纤维的关键中间步骤，也是碳纤维制备过程中最耗时耗能的工艺过程。在此过程中，PAN原丝的线型分子转化为耐热梯形结构。原丝的预氧化程度一定程度上也决定了最终碳纤维的性能。预氧化过程通常在一定温度下的空气气氛中进行。
目前使用的热空气预氧化设备， 按热空气与丝面运行方向的夹角不同分为3种吹风方式。一是热风从丝条运行的垂直方向吹入，称为垂直吹风方式；二是热风从丝条的侧面吹入，称为侧吹风方式；三是热风从氧化炉中间位置平行于丝条的运行方向吹向两端，称为中间向两端送风方式。不同吹风方式在工业化生产中都有应用。
上述3种主要吹风方式在使用过程中，氧化炉腔内的温度均匀性都基本能达到较理想的状态，即均能控制在（±2～4）℃，甚至（±1～2）℃。但是这3种吹风方式都存在炉腔端部温度异常现象，即炉腔两端的温度均会出现低于炉腔内部温度的现象，这与氧化炉不是完全密闭体有关。为了降低氧化炉端部与内部间温度场和气流场的差异性，氧化炉生产厂商在端气封的密封上不断地进行改进与加强。
垂直送风方式端气封
图1是垂直吹风方式端气封原理示意图。从图1可以看出，垂直吹风方式端气封的作用主要是在炉腔外面增加腔体（见图1虚线右侧），我们称之为端气封。端气封吹出一定温度的热空气，起到将外界冷空气隔离的作用。端气封热空气的来源有两部分，一部分为端气封外溢的气体，另一部分为新鲜空气。端气封在隔绝外界冷空气的同时，还将部分热空气送回炉腔端部，进一步起到保温作用。
图1 垂直吹风方式端气封原理示意图
侧吹风方式端气封
图2是侧吹风方式端气封原理示意图。从图2可以看出侧吹风方式的端气封（虚线右边）采用送风腔内的热空气将外界冷空气隔绝。同时，端气封外溢的热空气再回到回风腔内，循环加热。
图2 侧吹风方式端气封原理示意图
中间向两端送风方式端气封
图3是中间向两端送风方式端气封原理示意图。从图3可以看出，中间向两端送风方式的端气封实际上是采用炉子端部的下半部分作为新风补充，而炉子端部的上半部分作废气排放用。这样可以通过控制废气排放的量来调节新鲜空气的补充量。新鲜空气进入炉腔前，经过焚烧炉排出废气的换热，被加热到一定温度。这样，既节省了能源，又能保证新鲜风进入炉腔后不会对里面的温度造成较大波动。
图3 中间向两端送风方式端气封原理示意图
三种端气封方式对比
垂直送风方式的端气封在系统外增加了一套加热循环系统，这样不仅增加了能耗，也无形中增加了设备的整体尺寸。另外，系统外加热循环系统的加热控制系统与氧化炉的加热控制系统要有高度的协调匹配，才能保证达到较好的密封及保温效果。
侧吹风方式的端气封是采用将送风管道的热空气引到端气封，企图用热空气对吹的方式来阻挡炉内热空气的溢出和炉外冷空气的进入。由于要额外的供应部分热空气到端气封，因此氧化炉的风机需要较高功率才能达到风量需求。不仅如此，端气封可能扰乱端部气场和温度。在端气封起封闭作用的热空气除了向炉外运动外，也有部分气体向炉内运动。在扰乱炉内端部的气场外，还由于此时热空气的温度已低于炉内温度，造成炉内端部温度的波动。
中间向两端送风方式的端气封是采用炉子下半部分作为新鲜空气的进风口， 而上半部分作为废气的排放口。这样能发挥节能的目的，但由于靠调节上半部分废气的排放量来控制下半部分新鲜风的补充量很难做到量化。这样势必仍会有一定量的冷空气随之进入炉内，从而造成炉内端部温度场的异常。
结 束 语
目前工业用3种氧化炉端气封形式各异，一定程度上能够降低氧化炉端部与内部间温度场和气流场差异性，但或多或少仍存在着某些缺陷，随着自控技术和制造技术水平的不断提升，期待在端气封的设计中彻底加以改进；同时，在今后的设计中还应充分考虑能量的循环利用。
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