CN107099883A - 一种碳纤维增强复合材料再生处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维增强复合材料再生处理方法及装置；该装置是由过热蒸汽发生器将水加热成饱和蒸汽，再加热成200～1000℃的过热蒸汽。产生的过热蒸汽含氧量小于0.3％，过热蒸汽发生器为常压或微压(压力小于0.2mpa),系统安全可靠，并且温度可调可控，将过热蒸汽发生器与处理炉用管道连接，就可实现碳纤维增强复合材料的无氧、低压、温度可控加热，从而在不损害碳纤维增强复合材料制品中碳纤维丝或织布性能的情况下，去除掉碳纤维上面的树脂，使碳纤维原丝再生。本发明还实现了零排放，零污染，制取、循环利用碳纤维增加复合材料中的能量，极大的节约了碳纤维再生成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强复合材料再生处理方法及装置，具体地，是用无氧、微压、温度可控可调的过热蒸汽来汽化碳纤维增强复合材料中的树脂，整个系统无污染、无排放，能量循环使用达到低成本运行。
背景技术
碳纤维的强度是钢的9-12倍，比重是钢的1/4,碳纤维增强复合材料质量轻、强度高，被称为材料之王，在航空、交通等各个领域越来越多的使用。据资料介绍，全球每年的碳纤维制品在10万吨以上，而且使用速度在加速。在中国，碳纤维增强复合材料作为国家战略要逐步推广。
但到目前为止，碳纤维制品废弃物还没有很好的方法使其回收再利用，全球范围内，仅日本、德国等少数几个公司有碳纤维废弃物回收产业，其方法是直接燃烧碳纤维增强复合材料或在氮气气氛中加热汽化以回收碳纤维原丝，以上2种方法使碳纤维原丝强度大幅度降低，能量不能循环利用，回收成本较高，对环境也不友好。
发明内容
针对上述现有技术存在的碳纤维增强复合材料回收方法的缺陷，本发明提供了一种碳纤维增强复合材料再生处理方法及装置。具体涉及一种用高温过热蒸汽来汽化碳纤维增强复合材料中的树脂的方法，碳纤维制品在处理炉中不氧化、不燃烧，处理温度、处理时间都可控。本发明将饱和蒸汽，过热蒸汽发生器，处理炉，油水气分离装置，有害气体处理装置设计成一套整体系统。该系统完全闭环，不需要外部提供能源，也实现了零排放。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种碳纤维增强复合材料再生处理方法，以过热蒸汽作为加热热源和传热介质，将碳纤维增强复合材料制品放入处理炉内，密封炉盖，向处理炉内通入无氧或微氧(含氧量小于0.3％)、微压的200～1000℃的过热蒸汽对所述碳纤维增强复合材料制品进行加热。该方法实现碳纤维增强复合材料在高温下无氧热分解，以去除碳纤维制品中的树脂成分，保持碳纤维原丝性能不变。具体来说，加热时，碳纤维增强复合材料制品暴露于过热蒸汽之中，从而碳纤维增强复合材料制品被加热，其中的树脂逐渐气化分解至完全被气化，得到碳纤维原丝，原丝的机械性能完全没有下降。
优选的，所述过热蒸汽和处理炉内温度控制在400～700℃，加热时间为1～6小时。
本发明还涉及一种本发明的碳纤维增强复合材料再生处理方法采用的专用装置，所述装置包括过热蒸汽发生器、处理炉、油水气分离装置、有害气体处理装置、污水处理装置、油处理装置、温度控制系统；所述过热蒸汽发生器、处理炉、油水气分离装置依次相连，所述油水气分离装置的污水出口与污水处理装置相连，所述油水气分离装置的油出口与油处理装置相连，所述油水气分离装置的可燃气体出口分别与过热蒸汽发生器、处理炉相连，所述温度控制系统分别与过热蒸汽发生器、处理炉相连，所述过热蒸汽发生器的有害气体出口与有害气体处理装置相连，所述处理炉中燃烧后的少量有害气体出口与有害气体处理装置相连。处理炉产生的过热蒸汽及碳纤维增强复合材料分解所产生的混合气体通过油水气分离装置使其分离，可燃气体可用作循环加热过热蒸汽发生器和处理炉的加热系统使用。少量的污水和油混合物经过油水气分离器分离并分别通过污水处理装置、油处理装置得以分离、净化。
优选的，所述过热蒸汽发生器为常压或微压(压力小于0.2mpa)过热蒸汽发生器。
优选的，所述过热蒸汽发生器为燃气过热蒸汽发生器、微波加热过热蒸汽发生器或电加热过热蒸汽发生器。电加热过热蒸汽发生器采用电加热水产生过热蒸汽，微波加热过热蒸汽发生器采用微波加热水产生过热蒸汽，燃气过热蒸汽发生器采用燃气加热水产生过热蒸汽。
优选的，所述燃气过热蒸汽发生器采用市场供应的液化气或是所述油水气分离装置分离出的可燃气体加热水产生过热蒸汽。
优选的，所述处理炉内设加热装置作为辅助加热升温能源。所述加热装置为燃气加热装置或电加热装置。所述燃气加热装置的燃气为市场供应的液化气或是所述油水气分离装置分离出的可燃气体。
优选的，所述装置还包括贮气罐，所述贮气罐与油水气分离装置的可燃气体出口相连。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过先由过热蒸汽发生器将水加热成饱和蒸汽，再加热成200～1000℃的过热蒸汽；产生的过热蒸汽含氧量小于0.3％，过热蒸汽发生器为常压或微压(压力小于0.2mpa),系统安全可靠，并且温度可调可控。
2、本发明将过热蒸汽发生器与处理炉用管道连接，实现了碳纤维增强复合材料的无氧、低压、温度可控加热，从而在不损害碳纤维增强复合材料制品中碳纤维丝或织布性能的情况下，去除掉碳纤维上面的树脂，使碳纤维原丝再生；去树脂后的碳纤维织布或丝可以重新上树脂再做成性能一样的碳纤维增强复合材料制品。
3、本发明还设计了循环利用碳纤维增强复合材料热分解产生的可燃气体装置和去除有害气体装置以及污水、油净化装置，从而实现零排放，零污染。
4、本发明制取、循环利用碳纤维增加复合材料中的能量，极大的节约了碳纤维再生成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的原理框架图；
图2为用可燃气体加热的过热蒸汽发生器的结构图；
图3为用微波加热的过热蒸汽发生器的结构图；
图4为处理炉的结构示意图；
其中，1为过热蒸汽发生器，2为处理炉，3为油水气分离装置，4为有害气体处理装置，5为污水处理装置，6为油处理装置，7为温度控制系统，8为贮气罐，9为碳纤维增强复合材料，10为市售燃气锅炉，11为燃气加热器，12为饱和蒸汽进气口，13为内胆，14为外胆，15为保温层，16为外壳，17为外壳加强筋，18为排水阀门，19为过热蒸汽控制系统，20为过热蒸汽出气口，21为燃气锅炉，22为饱和蒸汽进口，23为石英管道，24为过热蒸汽出口，25为微波加热装置，26为微波加热过热蒸汽发生器保温层，27为微波加热过热蒸汽发生器外壳，28为过热蒸汽温度控制系统，30为过热蒸汽入口，31为处理炉保温层，32为处理炉内壁，33为燃气加热装置，34为炉内温度控制系统，35为处理炉炉盖，36为处理炉内胆，37为处理炉出气口。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。声明：以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都是属于本发明的保护范围。
实施例
本发明闭环设备系统如图1所示，包括过热蒸汽发生器1、处理炉2、油水气分离装置3、有害气体处理装置4、污水处理装置5、油处理装置6、温度控制系统7；所述过热蒸汽发生器1、处理炉2、油水气分离装置3依次相连，所述油水气分离装置3的污水出口与污水处理装置5相连，所述油水气分离装置3的油出口与油处理装置6相连，所述油处理装置3的可燃气体出口分别与过热蒸汽发生器1、处理炉2相连，所述温度控制系统7分别与过热蒸汽发生器1、处理炉2相连，所述过热蒸汽发生器1和处理炉2中燃烧后的有害气体出口与有害气体处理装置4相连。处理炉2产生的过热蒸汽及炉内碳纤维增强复合材料9分解所产生的混合气体通过油水气分离装置3使其分离，可燃气体可用作循环加热过热蒸汽发生器和处理炉的加热系统使用。少量的污水和油混合物经过油水气分离器3分离并分别通过污水处理装置5、油处理装置6得以分离、净化。
各个子系统由管道、阀门、调节器连接，并配备有必要的压力、温度显示器。下面结合碳纤维增强复合材料再生处理工艺阐述本发明闭环系统的工作原理。
第一步：将碳纤维增强复合材料放入处理炉2内，合上炉盖。
第二步：将温度控制系统7的过热蒸汽温度调节至设定温度(400～700℃)，将温度控制系统7的处理炉内温度调节至设定温度(400～700℃)。
第三步：向过热蒸汽发生器1内通水，加热水产生饱和蒸汽，再加热产生高温过热蒸汽，并产生设定温度的过热蒸汽。
第四步：设定温度的过热蒸汽通过管道通入处理炉2内，同时使处理炉2也加热。
第五步：碳纤维增强复合材料9暴露于400～700℃过热蒸汽中。
第六步：碳纤维增强复合材料9在400～700℃下开始分解，碳纤维制品不氧化，不燃烧，处理炉内微压力，安全可靠。
第七步：将碳纤维增强复合材料9在设定温度下保温1～6小时，以至碳纤维制品中的树脂全部气化。
第八步：处理炉2内的碳纤维增强复合材料9制品所分解的可燃气体和过热蒸汽混合气体通过管道、阀门进入油水气分离装置3。
第九步：混合气体被油水气分离装置3冷却分离后，可燃气体通过管道、阀门进入过热蒸汽发生器1和处理炉2中燃烧作为热源使用。
第十步：少量的污水经过污水处理装置5得以净化。
第十一步：少量的油经过油处理装置6得以净化。
第十二步：冷却水被加热可他用。
第十三步：可燃气体经燃烧后少量不燃气体通入有害气体处理装置4得以处理。
第十四步：过剩的可燃气体也可存入贮气罐8内待使用。
第十五步：关掉热源，待处理炉2自然冷却至200℃以下，打开处理炉2炉盖，取出碳纤维原丝。
上述过热蒸汽发生器可选用燃气过热蒸汽发生器。燃气过热蒸汽发生器结构图如图2所示，包括外壳16、内胆13外侧和外胆14内侧构成的过热蒸汽通道、内胆13内置的燃气加热器11、与燃气加热器11相连的过热蒸汽控制系统19、设于外壳16与外胆14之间的保温层15以及排水阀门18；所述排水阀门18与过热蒸汽通道底部相通。外壳16上还设有外壳加强筋17。所述内胆13、外胆14和燃气加热器11均为两个，内胆13均嵌套在外胆14内侧,燃气加热器11均设于内胆13内部；第一内胆外侧和第一外胆内侧构成的第一过热蒸汽通道与第二内胆外侧和第二外胆内侧构成的第二过热蒸汽通道相连通。市售燃气锅炉10产生的饱和蒸汽经饱和蒸汽进气口12依次进入第一过热蒸汽通道、第二过热蒸汽通道，产生的过热蒸汽经过热蒸汽出气口20输送至处理炉。
燃气过热蒸汽发生器工作原理为：
由市售燃气锅炉10产生100～200℃的饱和蒸汽，饱和蒸汽由饱和蒸汽进气口12进入内胆13和外胆14组成的管道，此管道由燃气加热器11加热，加热温度由过热蒸汽控制系统19设定、控制。产生的过热蒸汽由过热蒸汽出气口20通入处理炉内。
上述过热蒸汽发生器还可选用微波加热过热蒸汽发生器。微波加热过热蒸汽发生器结构图如图3所示，包括微波加热过热蒸汽发生器外壳27、外至内依次设置的微波加热过热蒸汽发生器保温层26、微波加热装置25和石英管道23，以及与微波加热装置25相连的过热蒸汽温度控制系统28。燃气锅炉21产生的饱和蒸汽经饱和蒸汽进口22进入石英管道23，通过过热蒸汽温度控制系统28控制微波加热装置25对管道内的饱和蒸汽进行加热产生过热蒸汽，经过热蒸汽出口24进入处理炉。
微波加热过热蒸汽发生器工作原理为：
由市售燃气锅炉21产生100～200℃饱和蒸汽，饱和蒸汽经饱和蒸汽进口22通入石英材料制成的石英管道23内，管道四周有微波加热装置25，微波加热石英管道23内的饱和蒸汽，使产生200～1000℃的高温过热蒸汽，200～1000℃的过热蒸汽由过热蒸汽出口24进入处理炉内。
处理炉的结构图如图4所示，由外至内依次包括处理炉保温层31、处理炉内壁32、处理炉内胆36，还包括设置在处理炉上方的处理炉炉盖35、设置在处理炉底部的处理炉出气口37、设置在处理炉内壁32与处理炉内胆36之间的燃气加热装置33、过热蒸汽入口30与处理炉内胆36连通，处理炉内胆36与处理炉炉盖35之间的腔室设置有炉内温度控制系统34的测温探头。
处理炉工作原理为：
由过热蒸汽发生器1产生的高温过热蒸汽由过热蒸汽入口30通入处理炉2内，加热放置在炉内的碳纤维增强复合材料9，高温过热蒸汽既是热源，也是传热介质，碳纤维增强复合材料9中的树脂随着温度的升高而逐步汽化分解，分解的可燃气体和过热蒸汽混合物由处理炉出气口37排入油气水分离装置3。在某一温度保持一定时间，碳纤维复合材料9中的树脂会全部分解。因为是无氧加热，处理后的碳纤维原丝性能不变。在加热升温过程中，为了加速升温，处理炉内装有燃气加热装置33作为辅助加热。
碳纤维增强复合材料处理前，制品强度高、重量轻；处理后织布，碳纤维制品中的树脂全部去除，织布干净、柔顺，可以重新上树脂；处理后原丝，原丝干净、柔顺，机械强度没有下降。
碳纤维增强复合材料处理前后碳纤维单丝的强度对比如表1所示：
表1
备注：表1中所述的强度是指相对强度(相对值)。
由表1的数据对比可知，碳纤维增强复合材料再生后单丝平均强度达到原丝强度的98％以上，对单丝性能没有影响。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种碳纤维增强复合材料再生处理方法，其特征在于，以过热蒸汽作为加热热源和传热介质，将碳纤维增强复合材料制品放入处理炉内，密封炉盖，向处理炉内通入无氧或微氧、微压的200～1000℃的过热蒸汽对所述碳纤维增强复合材料制品进行加热。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强复合材料再生处理方法，其特征在于，所述过热蒸汽和处理炉内温度控制在400～700℃，加热时间为1～6小时。
3.一种如权利要求1或2所述的碳纤维增强复合材料再生处理方法采用的专用装置，其特征在于，所述装置包括过热蒸汽发生器、处理炉、油水气分离装置、有害气体处理装置、污水处理装置、油处理装置、温度控制系统；所述过热蒸汽发生器、处理炉、油水气分离装置依次相连，所述油水气分离装置的污水出口与污水处理装置相连，所述油水气分离装置的油出口与油处理装置相连，所述油水气分离装置的可燃气体出口分别与过热蒸汽发生器、处理炉相连，所述温度控制系统分别与过热蒸汽发生器、处理炉相连，所述过热蒸汽发生器的有害气体出口与有害气体处理装置相连，所述处理炉中燃烧后的少量有害气体出口与有害气体处理装置相连。
4.如权利要求3所述的专用装置，其特征在于，所述过热蒸汽发生器为常压或微压过热蒸汽发生器。
5.如权利要求3所述的专用装置，其特征在于，所述过热蒸汽发生器为燃气过热蒸汽发生器、微波加热过热蒸汽发生器或电加热过热蒸汽发生器。
6.如权利要求5所述的专用装置，其特征在于，所述燃气过热蒸汽发生器采用市场供应的液化气或是所述油水气分离装置分离出的可燃气体加热水产生过热蒸汽。
7.如权利要求3所述的专用装置，其特征在于，所述处理炉内设加热装置作为辅助加热升温能源。
8.如权利要求3所述的专用装置，其特征在于，所述装置还包括贮气罐，所述贮气罐与油水气分离装置的可燃气体出口相连。
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