CN105802655A - 废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，包括热解反应器1、固体残渣储藏罐2、吸粉泵3、阀门4、冷凝器5、储油罐6、真空泵7、不凝气体集气瓶8；储藏罐2连接于热解反应器1的端部下部，吸粉泵3设置于储藏罐2和热解反应器1之间的管道上；热解反应器1的端部上部通过油气输送管与冷凝器3连接，阀门4设置于热解反应器1和冷凝器5之间的油气输送管上；储油罐6连接于冷凝器5的底部，集气瓶8通过油气输送管与冷凝器5连接，真空泵7设置于集气瓶8和冷凝器5之间的油气输送管上。本装置的热解、冷凝、收集过程同步进行，实现热解油、热解气、固体残渣的分类收集，得到的燃料油气品质高，具有显著的经济和环境效益。

Description

废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化技术领域。更具体地，涉及一种废弃硒鼓碳粉资源化处理的装置，即一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置。
背景技术
随着电子信息的加速发展，打印机、复印机和传真机不断更新，硒鼓作为其更换频率最高的耗材，废弃硒鼓数量达到7500万个/年。一只废弃硒鼓中碳粉的残留量可达7.8%，因此有大量的残余碳粉有待处理。碳粉是一种粒径5-12μm的粉末，其主要成分为聚丙烯酸脂-苯乙烯，聚乙烯/聚丙烯石蜡，羟基芳香酸衍生物，四氧化三铁，二氧化硅等。其中聚丙烯酸脂-苯乙烯，聚乙烯/聚丙烯石蜡，羟基芳香酸衍生物为致癌物质。由于碳粉的颗粒粒径非常小，在废旧硒鼓回收过程中很容易弥散到环境中，被人吸入后会严重影响人体的健康。如果组分中含有的高分子有机物进入水体或土壤，会持久性地污染水体和土壤，破坏生态环境甚至进入生物食物链。
目前，废旧硒鼓中碳粉的资源化技术主要是回收再利用。专利《三星系列彩色碳粉收集处理方法》(苏国林等，CN104238330A)；专利《兄弟系列彩色碳粉收集处理方法》(苏国林等，CN104238331A)；专利《HP系列彩色碳粉收集处理方法》(苏国林等，CN104238332A)提出了一种废旧碳粉收集处理方法，通过对碳粉进行烘干，利用过滤筛进行粗筛分和精筛分；将指标测试良好的碳粉进行硒鼓测试，达到使用要求的碳粉重新利用。该方法对残余碳粉有选择性地回收利用，低品质残余碳粉会由于未达到使用标准而无法利用；回收的工业碳粉品质不一，针对特定品牌的废弃碳粉处理方法其回收能力有限。另外，以下发明专利中都提到废弃硒鼓碳粉，但注重废弃硒鼓碳粉的回收与收集，废弃硒鼓碳粉的危害性未被考虑，没有涉及废弃硒鼓碳粉最终处理处置与资源化利用的问题：专利《一种新型硒鼓碳粉回收机装置》（杨金续等，CN204576061U）；专利《废弃碳粉回收装置》（李琼联，CN201780459U）；专利《一种硒鼓回收系统及回收方法》（魏正康等，CN103488070A）；专利《硒鼓残粉回收机》（武海峰，CN202948251U）。再者，专利《废弃碳粉回收方法、回收装置及其再生塑料》(李琼联，CN102339006A)公开了一种以废弃碳粉为原料，与废弃塑料配合制成再生塑料的方法；专利《一种打印机、复印机中废弃碳粉的资源化利用方法》(唐惠东，CN104311879A)中揭示了一种废弃碳粉利用方法，通过对废弃碳粉筛分除杂、活化，作为炭黑的替代品成为橡胶的填充补强剂。然而碳粉中四氧化三铁、二氧化硅转移到塑料、橡胶中会影响其质量；碳粉中聚酯类高分子有机物未得到最终处理，仍有逃逸到环境中的可能，其危害性未得到有效抑制。
因此，研究新型的碳粉资源化处理技术和设备是十分必要的。热解技术是将有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之成为气态、液态或固态可燃物质的分解过程。目前有关废弃硒鼓碳粉资源化技术的专利申请及相关文献报道较少，未见有任何关于通过高效的热解技术处理废弃硒鼓中碳粉的报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中废弃硒鼓碳粉资源化技术的缺陷和不足，提供一种利用废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，是将碳粉送入热解反应器中热解生成燃料油和燃料气的装置，实现废弃硒鼓碳粉的资源化利用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，包括热解反应器（1）、固体残渣储藏罐（2）、吸粉泵（3）、阀门（4）、冷凝器（5）、储油罐（6）、真空泵（7）、不凝气体集气瓶（8）；所述固体残渣储藏罐（2）连接于热解反应器（1）的端部下部，吸粉泵（3）设置于固体残渣储藏罐（2）和热解反应器（1）之间的管道上；热解反应器（1）的端部上部通过油气输送管与冷凝器（3）连接，阀门（4）设置于热解反应器（1）和冷凝器（5）之间的油气输送管上；储油罐（6）连接于冷凝器（5）的底部，集气瓶（8）通过油气输送管与冷凝器（5）连接，真空泵（7）设置于集气瓶（8）和冷凝器（5）之间的油气输送管上。
其中，包括冷凝器（5）和储油罐（6）的冷凝组件一共有依次串联连接的三套。而且，三套冷凝组件各自单独配有循环水冷却管道（51）。
另外，优选地，所述热解反应器（1）内部设置有热电偶（11）和真空计（12）。
更优选地，所述的热电偶（11）为K型双铂铑热电偶，固定在热解反应器炉膛的内壁上。
更优选地，所述的真空计（12）采用电离真空规，测量范围为10-4～102帕。
优选地，所述热解反应器（1）内部还设置有分布于内壁的硅钼棒（13）和刚玉管（14）。
进一步地，所述的硅钼棒（13）环绕在刚玉管（14）外侧，刚玉管盛放碳粉作为受热容器。即所述刚玉管（14）位于热解反应器（1）内壁的最表层，硅钼棒（13）位于中间层。
优选地，所述冷凝器（5）内部设置有热电偶（52）。
更优选地，所述的热电偶（52）为K型双铂铑热电偶，固定在冷凝器的内壁上。
优选地，所述冷凝器（5）上设置有3个温度监测点，分别位于冷凝器气体出口处、中部、液态油收集口处。
优选地，所述真空泵（7）由前级真空泵和油扩散泵组成（可保持装置内达到6.7×10-3帕真空度）。
优选地，所述集气瓶（8）上设置有气压计（81）。
优选地，所述热解反应器（1）长度为400～1000mm。
更优选地，所述热解反应器（1）长度为500～700mm。
优选地，所述热解反应器（4）的温度范围可达400～1500℃。
更优选地，所述热解反应器的加热元件采用优质硅钼棒与PID自动控温组合，额定功率为4.5kW，保证热解反应器内反应温度范围在400～1000℃。
优选地，在使用本装置时，分布在热解反应器中的碳粉厚度可约为15～35mm，碳粉颗粒间充分接触，受热均匀度高。
一种利用废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的方法，是利用上述的装置进行废弃硒鼓碳粉的热解以生产燃料油和气，主要包括如下步骤：
S1.首先将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器（1）中，在常压下进行干燥，具体是120℃状态下，持续干燥40分钟；
S2.然后利用真空泵（7）将热解反应器内抽至真空状态（此时保证碳粉全部留在热解反应器内），真空度达10-3帕；再采用硅钼棒进行加热，升温速率为15℃/min；
上述干燥、抽真空、加热依次进行；
S3.干燥后的碳粉在高真空、温度不低于600摄氏度下进行高温无氧热解反应，热解反应完成后分别得到热解油气和固体残渣（所述固体残渣为残留的二氧化硅和四氧化三铁）；所述热解油气主要是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，经油气输送管（9）依次进入三套冷凝器内进行三级冷凝收集，每个冷凝器单独配有循环水冷却系统和液态油储藏罐，热解油气经第一级冷凝器进行液化并收集，之后进入第二级冷凝器进行液化并收集，继而第三级；三个冷凝器的冷凝温度设定根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点为依据，各级储藏罐的液态油作为产品油输出；热解油气各组分经过逐级液化并收集在储油罐内；
另外，热解过程中真空泵持续工作，不凝气体最后被收集在集气瓶（8）内；热解反应结束后，真空泵停止工作，剩余的二氧化硅、四氧化三铁等固体残渣通过吸粉泵在吸力作用下进入储藏罐。
其中，优选地，所述抽至真空状态是抽至5×10-3～1×10-2帕真空度。
更优选地，所述抽至真空状态是抽至6.7×10-3帕真空度。
优选地，所述加热是加热至温度不低于600摄氏度，干燥后的废弃硒鼓碳粉在高真空、不低于600摄氏度下进行无氧热解反应。
更优选地，所述加热是加热至600～1500℃。干燥后的废弃硒鼓碳粉在5×10-3～1×10-2帕真空度、600～1500℃下进行无氧热解反应。
最优选地，所述加热是加热至600～1000℃。干燥后的废弃硒鼓碳粉在6.7×10-3帕真空度、600～1000℃下进行无氧热解反应。
本发明上述装置是发明人经过大量的探索和研究得出的，该装置中，热解反应器尾端下方设有固体残渣储藏罐，上方通过油气输送管与冷凝器连接；冷凝器的底部输出端设置有储油罐（油气储藏罐），通过三套冷凝器串联放置，实现热解油气的三级冷凝；真空机组泵设置于冷凝器尾端，与整个装置连通，保证热解反应器、固体残渣储藏罐和冷凝器同时处于高真空状态。所述的三套冷凝器各自单独配有循环水冷却系统，冷凝温度根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点设定，热解油气组分经过逐级液化并收集在储油罐内；热解过程中真空泵持续工作，以甲烷、乙烯、丙烯等为主的热解气在真空泵作用下进入集气瓶；热解反应结束且真空泵停止工作后，剩余的二氧化硅、四氧化三铁等固体残渣通过吸粉泵在吸力作用下进入储藏罐。
本装置将废弃硒鼓碳粉置于6.7×10-3帕真空度，高温条件下进行热解反应，通过热解技术，在高温真空环境下缩短碳粉中的聚酯类有机物在高温区的停留时间短，配合三级冷凝装置，实现热解油、热解气、固体残渣的分类收集，且获取的燃料油和燃料气品质高。本装置通过热解技术，在高温真空环境下缩短碳粉中的聚酯类有机物在高温区的停留时间短，配合三级冷凝装置，获取高品质燃料油和燃料气。本装置无需添加其他物质，具有投资少，操作成本低的特点，填补了废弃硒鼓碳粉资源化处理装置的空白，具有显著的经济效益和环境效益。
本发明具有以下有益效果：
本装置将废弃硒鼓碳粉置于高真空、高温条件下进行热解反应，配合三级冷凝组件，废弃硒鼓碳粉的热解、冷凝、收集过程同步进行，实现热解油、热解气、固体残渣的分类收集，碳粉中有毒有机物得到无害化处理。
本装置通过热解技术，将废弃硒鼓碳粉置于高真空、高温条件下，缩短碳粉（中的聚酯类有机物）在高温区的停留时间短，热解反应速率快，避免了燃料油中杂质含量高，碳数分布范围广的问题；配合三级冷凝组件，燃料油和燃料气品质得到明显改善。
本装置无需添加其他物质，具有投资少，成本低的特点，填补了废弃硒鼓碳粉资源化处理技术的空白，具有显著的经济效益和环境效益，应用前景广泛。
附图说明
图1是本发明装置的整体示意图。
图2是本发明装置中冷凝组件的示意图。
图3是本发明装置中热解反应器1的示意图。
图4是本发明装置中不凝气体集气瓶8的示意图。
图5是实施例中废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置的工艺流程图；图中：1热解反应器、2固体残渣储藏罐、3吸粉泵、4阀门、5冷凝器、6储油罐、7真空泵、8不凝气体集气瓶、9油气输送管、10废弃硒鼓碳粉、11热电偶、12真空计、13硅钼棒、14刚玉管、51循环水冷却管道、52热电偶、81气压计。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置
一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，包括热解反应器（1）、固体残渣储藏罐（2）、吸粉泵（3）、阀门（4）、冷凝器（5）、储油罐（6）、真空泵（7）、不凝气体集气瓶（8）；所述固体残渣储藏罐（2）连接于热解反应器（1）的端部下部，吸粉泵（3）设置于固体残渣储藏罐（2）和热解反应器（1）之间的管道上；热解反应器（1）的端部上部通过油气输送管与冷凝器（3）连接，阀门（4）设置于热解反应器（1）和冷凝器（5）之间的油气输送管上；储油罐（6）连接于冷凝器（5）的底部，集气瓶（8）通过油气输送管与冷凝器（5）连接，真空泵（7）设置于集气瓶（8）和冷凝器（5）之间的油气输送管上。
实施例2废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置
一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，包括热解反应器（1）、固体残渣储藏罐（2）、吸粉泵（3）、阀门（4）、冷凝器（5）、储油罐（6）、真空泵（7）、不凝气体集气瓶（8）；所述固体残渣储藏罐（2）连接于热解反应器（1）的端部下部，吸粉泵（3）设置于固体残渣储藏罐（2）和热解反应器（1）之间的管道上；热解反应器（1）的端部上部通过油气输送管与冷凝器（3）连接，阀门（4）设置于热解反应器（1）和冷凝器（5）之间的油气输送管上；储油罐（6）连接于冷凝器（5）的底部，集气瓶（8）通过油气输送管与冷凝器（5）连接，真空泵（7）设置于集气瓶（8）和冷凝器（5）之间的油气输送管上。
其中，包括冷凝器（5）和储油罐（6）的冷凝组件一共有依次串联连接的三套。而且，三套冷凝组件各自单独配有循环水冷却管道（51）。
另外，所述热解反应器（1）内部设置有热电偶（11）和真空计（12）。所述的热电偶（11）为K型双铂铑热电偶，固定在热解反应器炉膛的内壁上。所述真空计采用电离真空规，测量范围为10-4～102帕。
所述热解反应器（1）内部还设置有分布于内壁的硅钼棒（13）和刚玉管（14）。所述的硅钼棒（13）环绕在刚玉管（14）外侧，刚玉管盛放碳粉作为受热容器。
所述冷凝器（5）内部也设置有热电偶（52）。所述的热电偶（52）为K型双铂铑热电偶，固定在冷凝器的内壁上。
所述冷凝器（5）上还设置有3个温度监测点，分别位于冷凝器气体出口处、中部、液态油收集口处。
所述真空泵（7）由前级真空泵和油扩散泵组成（可保持装置内达到6.7×10-3帕真空度）。
所述集气瓶（8）上设置有气压计（81）。
所述热解反应器（1）长度为660mm。
热解反应器（4）的加热元件采用优质硅钼棒与PID自动控温组合，额定功率为4.5kW，保证热解反应器内反应温度范围在400～1500℃。
实施例3废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的方法
废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的方法，即废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的使用方法如下：
S1.首先将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器（1）中，在常压下进行干燥，具体是120℃状态下，持续干燥40分钟；
S2.然后利用真空泵（7）将热解反应器内抽至真空状态（此时保证碳粉全部留在热解反应器内），真空度达10-3帕；再采用硅钼棒进行加热，升温速率为15℃/min；
干燥、抽真空、加热依次进行；
S3.干燥后的碳粉在高真空、温度不低于600摄氏度下进行高温无氧热解反应，热解反应完成后分别得到热解油气和固体残渣（所述固体残渣为残留的二氧化硅和四氧化三铁）；所述热解油气主要是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，经油气输送管（9）依次进入三套冷凝器内进行三级冷凝收集，每个冷凝器单独配有循环水冷却系统和液态油储藏罐，热解油气经第一级冷凝器进行液化并收集，之后进入第二级冷凝器进行液化并收集，继而第三级；三个冷凝器的冷凝温度设定根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点为依据（具体地，所述三个冷凝器的冷凝温度分别是30～50摄氏度、170～190摄氏度、280～300摄氏度），各级储藏罐的液态油作为产品油输出；热解油气各组分经过逐级液化并收集在储油罐内；
另外，热解过程中真空泵持续工作，不凝气体最后被收集在集气瓶（8）内；热解反应结束后，真空泵停止工作，剩余的二氧化硅、四氧化三铁等固体残渣通过吸粉泵在吸力作用下进入储藏罐。
其中，所述抽至真空状态是抽至5×10-3～1×10-2帕真空度（优选为6.7×10-3帕真空度）。
优选地，所述加热是加热至600～1500℃，干燥后的废弃硒鼓碳粉在5×10-3～1×10-2帕真空度、600～1500℃下进行无氧热解反应。
更优选地，所述加热是加热至600～1000℃，干燥后的废弃硒鼓碳粉在6.7×10-3帕真空度、600～1000℃下进行无氧热解反应。
根据本装置的具体实施例，提供热解反应器（1）的温度范围在为400～1500℃，可提供充足的热量供给热解反应进行。热解反应器长度达660毫米，避免未热解的碳粉直接进入固体残渣储藏罐。
根据本装置的具体实施例，分布在热解反应器中的碳粉厚度约为15～35毫米，碳粉颗粒间充分接触，受热均匀度。通过热解物料碳粉中二氧化硅、四氧化三铁的凝结核心作用，热解反应中产生的焦炭附着在其表面，减少焦炭在炉壁表面的附着。
实施例4
1、从某固废处理中心获取收集废弃硒鼓碳粉，取300g碳粉样品，送入热解反应器内，利用实施例2所述系统进行热解，热解温度设定在700摄氏度，三级冷凝温度分别设定为40摄氏度、180摄氏度、290摄氏度。最终获得三种油气。
2、废弃硒鼓碳粉组分中的聚酯类物质主要为聚丙烯酸酯-聚苯乙烯经过上述热解处理后，利用高效液相色谱对重质油进行油品分析，利用气相色谱对中质油、轻质油进行油品分析。
结果显示，其中，重质油产率较小，组分中包括少量苯乙烯和丙烯酸酯的高聚物，可能是在升温过程中熔融蒸发所致；中质油的组分主要为苯乙烯单体、丙烯酸酯单体及其衍生物；轻质油中包含多种烯烃。
3、另外，经过测定，获得的重质油、中质油和轻质油的品质良好。
尽管已经示出和描述了本装置的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本装置的原理情况下可对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，包括热解反应器（1）、储藏罐（2）、吸粉泵（3）、阀门（4）、冷凝器（5）、储油罐（6）、真空泵（7）、集气瓶（8）；所述储藏罐（2）连接于热解反应器（1）的端部下部，吸粉泵（3）设置于储藏罐（2）和热解反应器（1）之间的管道上；热解反应器（1）的端部上部通过油气输送管与冷凝器（3）连接，阀门（4）设置于热解反应器（1）和冷凝器（5）之间的油气输送管上；储油罐（6）连接于冷凝器（5）的底部，集气瓶（8）通过油气输送管与冷凝器（5）连接，真空泵（7）设置于集气瓶（8）和冷凝器（5）之间的油气输送管上。
2.根据权利要求1所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，包括冷凝器（5）和储油罐（6）的冷凝组件一共有依次串联连接的三套。
3.根据权利要求1所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，三套冷凝组件各自单独配有循环水冷却管道（51）。
4.根据权利要求1所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，所述热解反应器（1）内部设置有热电偶（11）和真空计（12）。
5.根据权利要求4所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，所述热解反应器（1）内部还设置有分布于内壁的硅钼棒（13）和刚玉管（14）。
6.根据权利要求5所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，所述的硅钼棒（13）环绕在刚玉管（14）外侧，刚玉管盛放碳粉作为受热容器。
7.根据权利要求1所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，所述冷凝器（5）内部设置有热电偶（52）。
8.根据权利要求1所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，所述集气瓶（8）上设置有气压计（81）。
9.根据权利要求1所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的装置，其特征在于，所述热解反应器（1）长度为400～1000mm。
10.一种利用废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油和气的方法，其特征在于，利用权利要求1～9任一所述装置进行废弃硒鼓碳粉的热解以生产燃料油和气，包括如下步骤：首先将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器（1）中进行干燥；然后利用真空泵（7）将热解反应器内抽至真空状态，再进行加热，干燥后的碳粉在高真空、温度不低于600摄氏度下进行高温无氧热解反应，分别得到热解油气和固体残渣；所述热解油气主要是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，经输送管道依次进入三套冷凝器内进行三级冷凝收集，热解油气组分经过逐级液化并收集在储油罐内；热解过程中真空泵持续工作，不凝气体最后被收集在集气瓶（8）内；热解反应结束后，真空泵停止工作，剩余的固体残渣通过吸粉泵（3）在吸力作用下进入储藏罐（2）。
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