(57)【要約】【課題】本発明は、腐食による損傷の防止しつつ、閉塞物による閉塞のほとんどない炭素繊維焼成炉用排気管、それを備えた炭素繊維製造装置、および炭素繊維の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】炭素繊維焼成炉の排気ガス出口に接続する排気管６の内表面温度が１３２℃以上１５０℃未満になるように、一次冷却ジャケット１１、二次冷却ジャケット１２を設けて制御する。【選択図】　　図２
2004052134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維焼成炉の排気ガス出口に接続される排気管であって、排気管の内表面温度が１３２℃以上１５０℃未満に制御されることを特徴とする炭素繊維焼成炉用排気管。
【請求項２】
内表面が１３２℃未満に制御される閉塞物トラップ装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載の排気管。
【請求項３】
請求項１または２記載の排気管と、炭素繊維焼成炉を有する炭素繊維の製造装置。
【請求項４】
炭素繊維焼成炉内から排気ガスを排気管に導きながら、前駆体繊維を焼成する炭素繊維の製造方法であって、
前記焼成炉からの排ガスが接触する排気管の内表面温度を１３２℃以上１５０℃未満に制御することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
【請求項５】
前記排気管内部に、閉塞物トラップ装置を設け、このトラップ装置の内表面温度を１３２℃未満に制御することを特徴とする請求項４記載の炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維の製造装置および製造方法に関し、詳しくは炭素繊維製造の際の焼成炉に接続される排気管および排気方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は原料となる前駆体繊維（プレカーサー）を段階的に温度を上昇させて焼成する。この際、まず、２００℃から３００℃の酸化性雰囲気下で焼成を行ったのち、数百℃以上の不活性雰囲気下で焼成を行う。
【０００３】
ポリアクリロニトリル繊維を原料プレカーサーとする炭素繊維の製造工程における各焼成炉の内部ではポリアクリロニトリル及びその変性物の熱分解により、数ｐｐｍ〜数千ｐｐｍの濃度のシアン化水素を始めとし、一酸化炭素やアンモニア、その他が発生している。従って、各炉内を一定の雰囲気に保つためには常に所定のガスの供給と排気が必要である。また、特にシアン化水素等の毒性ガスを炉外部に漏洩させないためにも排気が重要である。
【０００４】
焼成炉からの排気ガスは、排気管を通して排気ガス処理系まで導かれて処理されるが、従来から炉内から発生する熱分解生成物等により排気管が閉塞する問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
排気管が閉塞すると焼成炉の運転を停止し閉塞物を取り除く作業が必要であり、このため炭素繊維製造工程全体の稼働率の低下をまねいていた。この閉塞物が付着しにくい排気管が設置できれば、生産性を大きく向上させることが可能である。
【０００６】
一般に、このような排気管閉塞物の付着を予防するには排気管内面の温度を高くすることが望ましい。例えば、特開２００１−２３４４３４号公報には排気管を３００℃〜６００℃に加熱することで排気管閉塞物の付着を防止することが記載されている。しかしながら、炭素繊維焼成の際に排出される排気中には数ｐｐｍ〜数千ｐｐｍのシアン化水素やアンモニア等が含まれており腐食性である。したがって排気管内面の温度を上げすぎると腐食が加速されることになる。そのため、従来は安全を確保するために、腐食による排気管の損傷の予防を重視して、むしろ１００℃以下に冷却する例も多かった。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、腐食による損傷の防止しつつ、閉塞物による閉塞のほとんどない炭素繊維焼成炉用排気管、それを備えた炭素繊維製造装置、および炭素繊維の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の事項に関する。
【０００９】
１．　炭素繊維焼成炉の排気ガス出口に接続される排気管であって、排気管の内表面温度が１３２℃以上１５０℃未満に制御されることを特徴とする炭素繊維焼成炉用排気管。
【００１０】
２．　内表面が１３２℃未満に制御される閉塞物トラップ装置が設けられていることを特徴とする上記１．記載の排気管。
【００１１】
３．　上記１．または２．記載の排気管と、炭素繊維焼成炉を有する炭素繊維の製造装置。
【００１２】
４．　炭素繊維焼成炉内から排気ガスを排気管に導きながら、前駆体繊維を焼成する炭素繊維の製造方法であって、前記焼成炉からの排ガスが接触する排気管の内表面温度を１３２℃以上１５０℃未満に制御することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
【００１３】
５．　前記排気管内部に、閉塞物トラップ装置を設け、このトラップ装置の内表面温度を１３２℃未満に制御することを特徴とする上記４．記載の炭素繊維の製造方法。
【００１４】
従来、この排気管閉塞物は、油剤由来のケイ素系化合物のほか、炭化物か、その他雑多な有機物の集合体と考えられていた。本発明者らはこの排気管閉塞物の組成を明らかとするために種々の取り組みを行い、炭素繊維焼成炉排気管の閉塞の主要な原因は、尿素の固着であることを初めて見出した。従来、炭素繊維の焼成過程において尿素が発生することは知られていない。このため、従来は尿素の存在は全く考慮されていなかった。尿素は、熱分解で微少量が生成するか、もしくは、一酸化炭素やアンモニアから２次的に微少量が生成し、徐々に排気管に固着して蓄積するものと考えられる。
【００１５】
このような知見に基づいて、炭素繊維焼成炉の排気管の最適な温度制御法を論理的に導き、本発明を完成したのである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
適用される焼成炉は炭素繊維の製造工程に用いられ、排気管が接続される各種の焼成炉である。数百℃以上で焼成する炭素化炉または黒鉛化炉の排気管に適用するのが最も好ましいが、数百℃以下の焼成炉である前炭素化炉や耐炎化炉にも適用可能である。
【００１７】
炭素繊維製造に用いられ、焼成される前駆体繊維（プレカーサー）は単量体単位としてアクリロニトリルを８５重量％以上含む繊維が好ましく用いられる。
【００１８】
一般に排気管の材質は腐食に強いステンレス鋼などの方がより好ましいが、本発明では排気管の腐食による破損の危険は比較的少ない。従って本発明における排気管の材質は、一般的な鉄鋼材等を用いたものでもよい。
【００１９】
排気管の内表面の温度は、１３２℃以上１５０℃未満に制御される。尿素の融点が１３２℃であるので、排気管の内面温度が１３２℃以下になると尿素が固着しやすくなる。一方、１５０℃以上になると、尿素はシアヌル酸（融点１９０℃）およびビウレット（融点３６０℃）等の尿素の変性物に変化し、これらの尿素の変性物が排気管に固着する。従って、排気管内面温度を１３２℃以上１５０℃未満に制御することにより、尿素による閉塞もなく、また尿素の変性物による閉塞もなく、排気管の閉塞を効果的に防止できる。
【００２０】
また、炭素繊維の焼成炉と排気処理系までの距離が長い場合は、焼成炉に近い側と排気処理系に近い側とで温度差が大きくなる。そこで、排気管長さ方向にいくつかに区切ってそれぞれ別個に独立して温度制御すると、排気管内面温度を全領域に渡って１３２℃以上１５０℃未満の範囲に容易に制御することができるので好ましい。
【００２１】
排気管内面温度を制御するにはどのような方法を用いてもよい。例えば、排気管の外側に冷却ジャケットを設けて、例えば沸点が１５０℃以上の冷媒をジャケット内に流通させる油冷方式等が好ましい。排気管の長さが長い場合には、冷媒を流通させる領域を多段に分割して、独立した熱交換器等により制御することが好ましい。
【００２２】
水冷方式および空冷方式でもよいが、これらの方式で排気管内面温度を広範囲で１３２℃以上１５０℃未満に制御するのは油冷方式に比較して多段階の制御が必要である。この他、現時点では高コストな方法であるが、ペルチェ素子等を用いて電気的に冷却することも考えられる。
【００２３】
排気管内面温度は熱電対等の温度測定器によりモニターすることが望ましいが、目的の温度範囲内に制御できることが判明していれば、必ずしも温度を測定する必要はない。
【００２４】
炭素繊維の焼成炉の排気口を焼成炉上側に設けた場合、液体状の尿素が焼成炉に逆流する恐れがあるので、排気口は焼成炉下側、または側面側に設けるのが好ましい。
【００２５】
また、排気管内に、トラップ装置を設けてもよい。そして、トラップ装置の内表面（即ち、排気ガスと接する面）を１３２℃未満に設定することにより、尿素の固形物がトラップ表面に付着するため、排気管の閉塞の可能性をさらに低減することができる。トラップ装置の内表面温度は、さらに好ましくは１２０℃以下である。尿素のトラップのみについては温度が低いほどトラップ効果は大きいが、温度が低すぎると低沸点成分がトラップされる恐れがあり、トラップ装置の内表面の下限温度は少なくとも２６℃以上であり、６０℃以上であればより好ましい。
【００２６】
トラップ装置が十分な能力を有する場合には、トラップ装置以降の排気管についての温度制御は必ずしも必要ない。ただし、トラップ装置を設けた場合には適宜定期的にトラップを交換するか、あるいは清掃する必要がある。
【００２７】
トラップとして好ましい形態は、トラップの冷却部が排気管内に突き出して、排気ガスと十分な接触表面積が確保できるようなものである。例えば、トラップ表面をフィン状にするなどして、表面積を大きくするとトラップの効果は増大する。
【００２８】
【実施例】
＜実施例１＞
炭素繊維焼成炉のうち、約１５００℃で焼成する炭素化炉の入り口側シール排気用排気管について油冷方式によって冷却した例を説明する。
【００２９】
図１は、焼成炉の模式図である。この焼成炉１は、焼成部２、その前後に入り口側シール部３と出口側シール部４を有し、給気管５、入り口側シール部３に設けられた排気管６、および排気管６を通して導かれる排気ガスを処理するための排気処理系７を有する。前駆体繊維トウ９が入り口側シール部３から焼成炉に導かれる。尚、図示していないが、出口側シール部にも排気管を設けることが好ましい。
【００３０】
図２に排気管部の拡大模式図を示す。この排気管６は内径２６７．４ｍｍ（炭素鋼鋼管、肉厚６．６ｍｍ）で通常の運転条件においては初期温度約５００℃の排気が通過する。この例では、内表面の温度制御のために、冷却系を２つに分け、排気管の周囲を初段の一次冷却ジャケット１１（長さ約０．６ｍ）と後段の二次冷却ジャケット１２（長さ約０．６ｍ）で覆い、それぞれ熱交換器１３および熱交換器１４で温度制御された油を流通させた。
【００３１】
この場合、初段の一次冷却ジャケット１１の油温を１１０〜１２０℃に保つことで、内壁表面温度を１３５〜１４５℃に制御でき、この部分を通過した排ガスの温度は約３４０℃まで低下した。後段２次冷却ジャケット１２部分の油温を１３０〜１４０℃に保つことで、内壁面温度を１３５〜１４５℃に制御した。この温度の制御については、炭素繊維焼成の運転条件に応じ適宜変更可能である。２週間の連続運転後に当該排気管の内面を観察したところ固着物はほとんど観察されなかった。
【００３２】
＜実施例２＞
炭素繊維焼成炉のうち、実施例１と同様な１５００℃で焼成する炭素化炉の入り口側シール排気用排気管について油冷方式によって冷却し、トラップ装置を設けた例を説明する。
【００３３】
図３に排気管の模式図を示す。この例では、排気管１５の焼成炉側を冷却ジャケット１６（長さ約０．６ｍ）で覆い、熱交換器１７で調整してその中を流通させる油温を１１０〜１２０℃に保った。トラップ装置のトラップ用冷却部１８を、排気管の途中に、排気ガスと接触する位置に配置し、熱交換器１９で冷却した冷却水を通水し、冷却部１８の表面温度を６０〜８０℃に保った。トラップの冷却部を１週間ごとに交換した。
【００３４】
２週間の連続運転後に排気管の内面を観察したところ、固着物は、排気管の全域にわたりほとんど観察されなかった。
【００３５】
＜比較例１＞
実施例１と同じ炭素化炉の入り口側シール排気用排気管を油冷方式で冷却した。実施例１では冷却系を２段に分けて冷却したが、この比較例では、分割せずに全体を１つの冷却系で、油温が約９０℃となるよう設定した。排気管内面温度は排気管の最初の部分のみ１３２〜１５０℃に冷却されたが、以降の部分は１３２℃未満となった。１週間の連続運転後に当該排気管の内面を観察したところ多量の固着物が観察され、排気管の断面積が約６０％に減少する閉塞が認められた。
【００３６】
＜比較例２＞
実施例１において、冷却ジャケットに流通させる冷媒の油を抜き取り、冷却を行わないようにした。その結果、排気管内面温度はすべて１５０℃以上となった。
【００３７】
１週間の連続運転後に当該排気管の内面を観察したところ多量の固着物が観察され、排気管の断面積が約７０％に減少する閉塞が認められた。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、腐食による損傷の防止しつつ、閉塞物による閉塞のほとんどない炭素繊維焼成炉用排気管、それを備えた炭素繊維製造装置、および炭素繊維の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼成炉の１例を示す模式図である。
【図２】排気管の１例の拡大模式図である。
【図３】排気管の１例の拡大模式図である。
【符号の説明】
１　焼成炉
２　焼成部
３　入り口側シール部
４　出口側シール部
５　給気管
６　排気管
７　排気処理系
９　前駆体繊維トウ
１１　一次冷却ジャケット
１２　二次冷却ジャケット
１３　熱交換器
１４　熱交換器
１５　排気管
１６　冷却ジャケット
１７　熱交換器
１８　トラップ装置のトラップ用冷却部
１９　熱交換器
【図１】
2004052134.tif 000003
【図２】
2004052134.tif 000004
【図３】
2004052134.tif 000005