CN104513406B - 一种回收碳纤维装置及碳纤维回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维回收装置，包括流化床；与流化床的进气口连接的第一鼓风机；设置于流化床和第一鼓风机之间的空气加热器；与流化床连接的送料装置；与流化床的出料口连接的筛分机，筛分机的出砂口与流化床的进砂口连接；位于筛分机的和流化床的连接管路上设置有第二鼓风机；与筛分机的出碳纤维口连接的氧化炉；与氧化炉连接的储料罐。本发明的有益效果为：通过采用筛分机和流化床的出料口连接，跟随碳纤维从流化床的出料口溢出的石英砂进入到筛分机进行分离，分离出的石英砂在第二鼓风机的作用下再次进入到流化床内对废旧复合材料进行处理，从而实现了石英砂的循环应用，进而实现在碳纤维处理的连续性。提高了碳纤维的回收效率。

Description

一种回收碳纤维装置及碳纤维回收方法

技术领域

本发明涉及碳纤维的回收和再利用的技术领域，尤其涉及到一种回收碳纤维装置和碳纤维回收方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀性好等优异性能，在航空航天、新能源、汽车工业、体育用品等高新技术领域都有着广泛的应用。随着碳纤维复合材料的广泛应用，所产生的碳纤维复合材料废旧物与日俱增，一方面产生的废弃物的大量堆积不仅占据了工业用地，污染环境，且由于制碳纤维的原料石油越来越少，成为了阻碍复合材料进一步应用和发展的瓶颈；另一方面碳纤维复合材料中的碳纤维材料，在生产中能耗大、导致其综合成本比较高，因此，越来越多的科研人员开始研究复合材料的回收再利用。

目前，国内对碳纤维复合材料的回收研究还处于起步阶段。现有技术公开的回收方法主要包括以下几种：物理回收、能量回收和化学回收。其中，物理回收是将废旧复合材料粉碎后用作填料等的方法，该法只适用于未被污染的复合材料，且再生产品的使用价值较低；能量回收是直接将废旧复合材料燃烧获得热能的方法，该法适用于有机物含量较高的复合材料，但造成了环境污染和资源浪费；化学方法是指通过加热或溶剂，主要有热裂解法、溶剂回收法和流化床法。加热裂解法是将复合材料中的树脂分解，进而实现碳纤维或其他无机材料回收的方法。回收的碳纤维性能下降较多，溶剂分解则造成环境污染。超临界溶剂法虽能使碳纤维保持较好的机械性能，但是由于其操作条件难以控制，很难实现工业化，目前还处于实验研究阶段。流化床法是指用空气作流化气体，在一定的温度下将碳纤维与基体分离的方法，因其对回收碳纤维的破坏和损伤小，而被广为接受和认可。传统的流化床技术回收的碳纤维长度保留较小，并且回收过程中需要手动补充石英砂，导致不能连续性回收，影响回收效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种回收碳纤维装置及碳纤维回收方法，以解决现有技术的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种回收碳纤维装置，该回收碳纤维装置包括；

流化床；

与所述流化床的进气口连接的第一鼓风机；

设置于所述流化床和第一鼓风机之间的空气加热器；

与所述流化床的进料口连接的送料装置；

与所述流化床的出料口连接的筛分机，所述筛分机的出砂口与所述流化床的进砂口连接；

位于所述筛分机的出砂口和所述流化床进砂口的连接管路上设置有第二鼓风机；

与所述筛分机的出碳纤维口连接的氧化炉；以及，

与所述氧化炉连接的储料罐。

优选的，所述流化床还具有出气口；所述流化床的出气口连接有旋风分离器，所述旋风分离器的出碳纤维口与所述储料罐连接，所述旋风分离器的出气口与燃烧室连接。

优选的，所述旋风分离器和所述燃烧室的连接管路上设置有引风机。

优选的，所述筛分机的出气口与所述旋风分离器的进气口连接。

优选的，所述送料装置为螺旋输送机。

优选的，所述流化床上设置有温度变送器和压力变送器。

优选的，还包括控制装置，所述控制装置与所述空气加热器、第一鼓风机、温度变送器和压力变送器信号连接，在接收到的温度值或压力值超出设定阀值时，控制空气加热器降低加热温度，并控制第一鼓风机降低送入的空气量。

本发明还提供了一种碳纤维回收方法，包括以下步骤：

从流化床出料口跟随碳纤维出来的石英砂进入到筛分机内进行分离；

分离后的石英砂通过第二鼓风机送入到流化床内。

优选的，所述碳纤维回收方法还包括以下步骤：

从流化床出气口排出的碳纤维通过旋风分离器内进行分离，并送入到储料罐内。

优选的，所述碳纤维回收方法还包括以下步骤：从筛分机的出气口带出的碳纤维进入到旋风分离器内进行分离，并送入到储料罐内。

本发明的有益效果为：通过采用筛分机和流化床的出料口连接，跟随碳纤维从流化床的出料口溢出的石英砂进入到筛分机内，并通过筛分机将石英砂和碳纤维进行分离，分离出的石英砂在第二鼓风机的作用下再次进入到流化床内对废旧复合材料进行处理，从而实现了石英砂的循环应用，进而实现在碳纤维处理的连续性。提高了碳纤维的回收效率。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述回收碳纤维装置的结构示意图。

图中：

1、第一鼓风机；2、空气加热器；3、送料装置；4、流化床；5、闸板阀；6、筛分机；7、旋风分离器；8、引风机；9、氧化炉；10、燃烧室；11、储料罐；12、第二鼓风机。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供了一种回收碳纤维装置，该回收碳纤维装置包括：流化床；

与所述流化床4的进气口连接的第一鼓风机1；

设置于所述流化床4和第一鼓风机1之间的空气加热器2；

与所述流化床4的进料口连接的送料装置3；

与所述流化床4的出料口连接的筛分机6，所述筛分机6的出砂口与所述流化床4的进砂口连接；

位于所述筛分机6的出砂口和所述流化床4进砂口的连接管路上设置有第二鼓风机12；

与所述筛分机6的出碳纤维口连接的氧化炉9；以及，

与所述氧化炉9出料口连接的储料罐11。

上述实施例中，通过采用筛分机6和流化床4的出料口连接，跟随碳纤维从流化床4的出料口溢出的石英砂进入到筛分机6内，并通过筛分机6将石英砂和碳纤维进行分离，分离出的石英砂在第二鼓风机12的作用下再次进入到流化床4内对废旧复合材料进行处理，从而实现了石英砂的循环应用，进而实现在碳纤维处理的连续性。提高了碳纤维的回收效率。

作为一种优选方案，流化床4还具有出气口；流化床4的出气口连接有旋风分离器7，旋风分离器7的出碳纤维口与储料罐11连接，旋风分离器7的出气口与燃烧室10连接。旋风分离器7和燃烧室10的连接管路上设置有引风机8。筛分机6的出气口与旋风分离器7的进气口连接。流化床4上设置有温度变送器和压力变送器。其中的，送料装置3为螺旋送料机。

通过旋风分离器7将从流化床4的出气口和筛分机6出气口中随气体飘出的碳纤维分离出来，并送入到储料罐11内进行存储，提高了碳纤维的回收效率，避免了碳纤维的浪费，同时，为了增加气体的流动性，加快旋风分离器7的分离效果，在旋风分离器7连接的管道上设置了一引风机8，便于气体的流动，经旋风分离器7分离出的气体进入到燃烧室10内进行处理，降低对环境的污染。同事，通过温度变送器和压力变送器对流化床4内的温度和压力进行监测，提高了整个设备运行的安全性。

更佳的，回收碳纤维装置还包括一个控制装置，控制装置与空气加热器2、第一鼓风机1、温度变送器和压力变送器信号连接，在接收到的温度值或压力值超出设定阀值时，控制空气加热器2降低加热温度，并控制第一鼓风机1降低送入的空气量。通过控制装置实现对回收碳纤维装置的自动化控制，提高了回收碳纤维装置的工作效率。

下面以具体的实施例对本发明进一步进行说明。

流化床4为卧式流化床，由流化床箱体和流化床顶盖构成；其出料口装有一呈30～60°的下倾斜角设置的出料口管道；该流化床顶盖的中部设有出气口，该出气口通过管道与旋风分离器7的进风口连接，并经一引风机8与燃烧室10连接；在卧式流化床4的底板上侧与该底板平行设置有一倾斜角度为5°～20°的气体分布板，该气体分布板距其底板的间距为60～200mm；气体分布板位于出料口一侧设有溢流堰；在卧式流化床4底板靠近进料口一侧开设有一进气口，该进气口通过管道与空气加热器2的出气口相接，在空气加热器2的进气口设置有第一鼓风机1，第一鼓风机1将空气吹入到空气加热器2中。该顶盖中部设置有出气口，经旋风分离器7由引风机8的抽力将卧式流化床4中的复合材料因裂解释放出的气体和空气及携带出的短碳纤维该出气口引出，其中，短碳纤维由旋风分离器7下方出料口经管道落入下方连接的储料罐11内，废气则由管道排出送入燃烧室10内，进行充分燃烧，然后经排空管排入至大气中。

上述的流化床4顶盖与该卧式流化床顶端周边相接处装有石墨垫片，其厚度为3～10mm；气体分布板为表面带有微孔的烧结金属板，其厚度为5～10mm；溢流堰为一个高度可调节矩形不锈钢板，其竖直放置在气体分布板上部接近出料口处，其高度为30～100mm；厚度为5mm；溢流堰与该气体分布板连接处距出料口处留有通道，其通道的宽度为50～200mm；在卧式流化床4的进料口和出气口处分别装有温度变送器和压力变送器，温度变送器和压力变送器通过导线与计算机接口相接，用计算机采集相应数据的进气量。具体的，压力变送器和温度变送器均通过导线与一485信号输出端相接，再通过RS232转接卡用数据线与外设的计算机接口连接。

由于卧式流化床下部安装的带微孔的烧结金属的气体分布板，可以使由空气加热器2加热的气流在该卧式流化床内腔中分布均匀，近而使投入到卧式流化床内腔的石英砂受热均匀；石英砂作为传热介质会将热量传递给后加入的块状废弃复合材料，块状废弃复合材料中的树脂受热发生裂解形成气态物质，从而除去复合材料中的聚合物；由于压缩气体使传热介质石英砂和废弃复合材料湍动，当裂解后的回收碳纤维超过溢流堰高度时，固体碳纤维被送到出料口，进入到筛分机6内。

卧式流化床中的块状复合材料裂解后的产物主要是气体和固体物质；其中，固体产物为碳纤维和石英砂；气体产物为二氧化碳、氧气、水蒸汽、烷烃苯、苯酚及其衍生物等物质，该气体进入到旋风分离器7内进一步进行处理。

第一鼓风机1的进气端装有过滤器、安装调频风扇以及变频器，用于调节第一鼓风机1的风量，以便控制流化床4流化所需风量，在采用控制装置时，控制装置与该变频器信号连接用于对第一鼓风机1的控制。

其中的空气加热器2内设有U型管，加热功率为8kW；其外壁包覆有硅酸铝棉保温层；有自带温度控制系统；空气加热器2出气口端装的温度变送器为空气温度变送器、在管道上装的压力变送器为空气压力变送器，在采用控制装置时，控制装置与温度控制系统信号连接，以实现对空气加热器2的控制。

其中的送料装置3为螺旋输送器，具体为卧式进料器；其壳体为长方体，其进料口为漏斗形，在长方壳体的内部装有螺杆轴，螺杆轴上焊接有若干叶片，若干叶片与螺杆轴呈60～90°角度连接；叶片深为20～50mm，叶片厚度为1～2mm；相邻2个叶片的间距为20～50mm；螺杆轴的外端与一装有无极变速器的驱动装置连接。

其中的筛分机6为双层锥形箱体，双层锥形箱体的下部为石英砂出砂口，其左右两侧分设物料进口和碳纤维出料口，外层为封闭体，以保证气密性。内层桶体装有为滚轮式筛分机6，滚轮间距调整为0.8～1.5mm之间，其物料进口与流化床4出口连接，碳纤维出料口与氧化炉9进料口通过管道相连，所述筛分机6的出砂口相接的管道上装有一可调速的星型阀，星型阀所在管道的另一端与第二鼓风机12管道上的流量计的出气口用法兰连接，通过调节星型阀转速来控制石英砂流量。该筛分机6还兼有储存过量的石英砂。同时，在筛分机6和流化床4的连接管道上设置有闸板阀5，可以实现对流化床4出料口的控制。

其中的氧化炉9的外侧装有保温层，内设传动轮，传动轮与传动轮之间留有一定的空隙并用齿轮连接，氧化炉9外部装有链条带动齿轮转动；

其中的储料罐11为长方体，侧面设有碳纤维进料口，上部设有旋风分离器7进料口，在储料罐11的一个面上设有可开关的门。

从上述实施例中可以看出，本实施例提供的回收碳纤维装置具有以下优点，该回收碳纤维装置采用的是卧式流化床，充分卧式流化床的传热介质与气体分布板的接触面积大，相同用量的传热介质堆积厚度减小，传热介质单位面积上流化所用的动力减小等特点，可使能耗降低。在卧式流化床的出口端通过管道与筛分机6及卧式流化床连接，实现了石英砂的循环应用，使废弃复合材料的回收能够达到连续处理。用石英砂做反应介质与废弃复合材料在热气流作用下呈流化态，使块状废弃复合材料能够均匀受热，复合材料中的聚合物热分解反应快并稳定，易于控制。回收的碳纤维材料，其性能下降小。由于废弃复合材料在卧式流化床4中停留时间短，石英砂对废弃复合材料的碰撞小，且在卧式流化床4中以块状形式保持其复合材料原有状态；因此，对待处理的废弃复合材料的性能破坏性小，回收的碳纤维仍可基本保留其原有性能。回收碳纤维装置为管道封闭式连接，不会产生任何可使周边环境受到污染的气体或液体流出物；利用该装置回收碳纤维的整个过程是在密封的卧式流化床4内通过块状的废弃复合材料与石英砂被均匀加热呈流化态后，再裂解处理，其裂解过程中生成的烃副产物被后燃烧室处理，副产物较少。

本发明实施例还提供了一种碳纤维回收方法，包括以下步骤：

从流化床出料口跟随碳纤维出来的石英砂进入到筛分机内进行分离；

分离后的石英砂通过第二鼓风机送入到流化床内。

优选的，所述碳纤维回收方法还包括以下步骤：

从流化床出气口排出的碳纤维通过旋风分离器内进行分离，并送入到储料罐内。

优选的，所述碳纤维回收方法还包括以下步骤：从筛分机的出气口带出的碳纤维进入到旋风分离器内进行分离，并送入到储料罐内。

具体的，包括：

通过石英砂将热量传递给废旧的复合材料；

废旧的复合材料在高温下发生裂解；

裂解后得到的固体产物进入到筛分机内，其固体产物为石英砂和碳纤维；

筛分机将碳纤维和石英砂分离，并通过管道将石英砂再次送入到流化床内；

分理出得碳纤维进入到氧化炉内进行处理，进一步将碳纤维中的杂质氧化掉；

处理后的碳纤维送入到储料罐内；

裂解后的气体进入到旋风分离器内进行分离，该气体为二氧化碳、氧气、水蒸汽、烷烃苯、苯酚及其衍生物等物质，其中的短纤维被旋风分离器分离后进入到储料罐内。

筛分机内产生的气体进入到旋风分离器内进行分离，分离得到的短纤维进入到储料罐内。

经旋风分离机处理后的气体进入到燃烧室内进行充分燃烧。

通过上述方法可以看出，采用上述碳纤维回收方法可以实现碳纤维回收的连续性，同时，通过旋风分离器提高了碳纤维的回收效率。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳纤维回收装置，其特征在于，包括；

流化床；

与所述流化床的进气口连接的第一鼓风机；

设置于所述流化床和第一鼓风机之间的空气加热器；

与所述流化床的进料口连接的送料装置；

与所述流化床的出料口连接的筛分机，所述筛分机的出砂口与所述流化床的进砂口连接；

位于所述筛分机的出砂口和所述流化床进砂口的连接管路上设置有第二鼓风机；

与所述筛分机的出碳纤维口连接的氧化炉；以及，

与所述氧化炉连接的存储器；

所述流化床还具有出气口；

所述流化床的出气口连接有旋风分离器，所述旋风分离器的出碳纤维口与存储器连接，所述旋风分离器的出气口与燃烧室连接；所述旋风分离器和所述燃烧室的连接管路上设置有引风机；

该碳纤维回收装置还包括控制装置，所述控制装置与所述空气加热器、第一鼓风机、温度变送器和压力变送器信号连接，在接收到的温度值或压力值超出设定阀值时，控制空气加热器降低加热温度，并控制第一鼓风机降低送入的空气量。

2.根据权利要求1所述的碳纤维回收装置，其特征在于，所述筛分机的出气口与所述旋风分离器的进气口连接。

3.根据权利要求1所述的碳纤维回收装置，其特征在于，所述送料装置为螺旋输送机。

4.根据权利要求1所述的碳纤维回收装置，其特征在于，所述流化床上设置有温度变送器和压力变送器。

5.一种采用如权利要求1-4之一所述的碳纤维回收装置进行碳纤维回收的方法，其特征在于，包括以下步骤：

从流化床出料口跟随碳纤维出来的石英砂进入到筛分机内进行分离；

分离后的石英砂通过第二鼓风机送入到流化床内；从流化床出气口排出的碳纤维通过旋风分离器内进行分离，并送入到存储器内；从筛分机的出气口带出的碳纤维进入到旋风分离器内进行分离，并送入到存储器内。