CN110000189A - 一种纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，该装置包括微波热解系统、油收集系统、气体收集系统和气体调节系统。气体调节系统使微波炉内为真空或隔氧保护气氛，微波热解系统将聚合物基复合材料加热，产生的气体被送至油回收系统，气体被冷凝成液相，形成油，不可冷凝的气体进入气体收集系统。之后，关闭油和气体收集系统，通过气体调节系统进行气氛的转换，并打开排气开关，沉积碳被氧化去除，回收得到性能良好的复合材料增强体。本发明中的装置具有高效、连续化、易操作的特点，可同时实现复合材料增强体，气体和油的高效回收，该装置可用于碳纤维增强聚合物基复合材料、有机物聚合物材料等领域，易于实现产业化。

Description

一种纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备

技术领域

本发明涉及聚合物基复合材料废弃物回收再利用技术、资源综合利用、材料学技术领域，特别是涉及一种纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备。

背景技术

聚合物基复合材料是指聚合物基体与增强体复合而成的具有一些新功能的材料，聚合物作为基体可以分为热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料和橡胶基复合材料，其增强体有无机纤维、有机纤维、晶须、天然矿物材料和人工合成材料等。目前，聚合物基复合材料因其具有强度高、耐久性好、重量轻、耐高温高压、耐腐蚀和加工成型方便等优点，被广泛应用于建筑、航空航天、体育用品、电子电气、风能和交通运输等领域，所以在世界范围内有着巨大的生产和消费。但是消耗量越大，聚合物基复合材料废弃物也将越来越多。再加上生产过程中产生的大量边角废料和残次废品，使得聚合物复合材料废弃物的处理成为国家经济和环境可持续发展的一个重要挑战。

传统处理聚合物基复合材料废弃物的方法是焚烧和填埋，但是近年来许多国家相继颁布禁止聚合物基复合材料填埋和焚烧的法律法规。因此研究一种能处理聚合物基复合材料废弃物的的方法和装置越来越刻不容缓。目前，对于聚合物复合材料的处理受到越来越多的关注，其中聚合物复合材料废弃物的回收装置是该工艺实施的关键。

微波是指频率从3×10⁸Hz到3×10¹¹Hz的电磁波，利用微波技术可以对聚合物基复合材料废弃物进行快速均匀的加热，且反应温度易控制，通过微波对废弃物的穿透作用、高效快速地实现废弃物中聚合有机物的降解，回收可用气体、油和增强体，并保留增强体的良好性能，再次利用，是一种绿色高效的加热方式。

公告号为CN 101484595 A的发明专利中公开了用于回收复合材料的过程和装置，具体公开了以下内容：包括以下步骤：把一定量的包含至少一种聚合物和铝的复合材料送进至少一个第一反应器内；在该至少一个第一反应器里在非氧化环境中以一温度加热复合材料，该温度足以使所述至少一种聚合物挥发而形成烃副产物和铝；把没有了所述至少一种聚合物的铝送进第二反应器；以及在第二反应器里在非氧化环境中以一温度加热铝，该温度足以使铝熔化。

上述发明专利在无氧条件下回收聚合物和铝复合的复合材料，可以将聚合物降解，但是产生的沉积碳残留在铝的表面，影响接下来铝的反应及铝副产物的性能。而且在第二个反应器中，反应温度太高，极大地增加了回收成本，不经济。

公告号为CN 108189278 A的发明专利中公开了一种废弃纸塑复合材料分离回收装置，具体公开了以下内容：包括底座、支脚和支架，所述支脚位于底座下端，且固定连接，所述支架位于底座上端两侧，所述底座上端表面设置有滑轨，且滑轨位于支架内侧，所述滑轨两端设置有限位块，所述滑轨上端滑动连接滑块。本发明采用纯加热的方法，可以将无法处理的废弃纸塑复合材料进行分离，从而使废纸可以再生，不仅解决了环保问题，还能实现纸层与塑料基层的轻松分离回收，通过安装的石棉网，可以保证加热板受热的均匀度，避免温度不一对废弃纸塑复合材料造成的损坏，通过安装的冷却箱，省去了纸层与塑料基层自然冷却的时间，可有效提高工作效率，结构简单，实现了半自动化加工，适合大批量生产使用。

上述发明专利采用纯加热的方法使废弃纸塑复合材料进行分离，实现了废纸再生，但是反应过程中产生大量的有害气体被排放在空气中，造成环境污染。

公告号为CN 107695080 A的发明专利中公开了一种处理废电路板或碳纤维复合材料的方法及装置，具体公开了以下内容：其将回收的废电路板或碳纤维复合材料放置在封闭空间内；将液态水加热至气态水分子，以及形成高温的气态水分子热能，利用气态水分子作为热传递介质，热传递能效高；同时，将气态水分子通过出气管道持续的通入到装有废电路板或碳纤维复合材料的封闭空间内，气态水分子首先将封闭空间内的空气排出形成一个无氧环境的封闭空间，随后废电路板或碳纤维复合材料中的有机物在气态水分子的高温作用下受热分解，生成碳黑、碳纤维、水、二氧化碳、一氧化碳和其他杂质尾气；将碳黑、碳纤维或者电路板中的金属材料铜板收集，其中，尾气随着气态水分子经过热交换器冷却后通入气体净化器排空。

上述发明专利将液态水加热为气态水分子，继续加热温度在400℃-900℃，在无氧环境下，分解废弃物中的有机物，回收得到炭黑、碳纤维以及铜板，但是该发明所需时间长，难以产业化，冷却后的水成分复杂，无法处理，造成环境污染，而且同时回收三种增强体，性能相互影响。

公告号为CN 108527730发明专利中公开了一种碳纤维复合材料再资源化的装置及方法，具体公开了以下内容：该装置包括输送单元和分解单元，输送单元将废弃的碳纤维增强树脂基复合材料输送至分解单元，表面涂覆有氧化物半导体涂层的蜂窝载体运动由分解单元中的控制单元实现，并形成“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构。待复合材料中的树脂基体分解完全后，输送单元将回收的碳纤维运出，同时下一个待回收的复合材料输送至分解单元。本发明装置具有高效、连续化、低污染特点，可产业化应用于高性能碳纤维材料的回收与再利用。

上述发明专利利用表面涂覆有氧化物半导体涂层的蜂窝载体在分解单元中降解碳纤维复合材料中的树脂基体，回收得到碳纤维。但是，该发明使用后的浸渍液成分复杂，处理不当会造成环境污染。而且装置只适应于碳纤维复合材料，对于其他的聚合物复合材料不具有普适性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明基于处理聚合物基废弃物的同时，回收增强体、油和气于一体的原理，提出了一种微波处理聚合物废弃物的装置，不仅可以使聚合物基复合材料资源化，变废为宝，还可以实现产业化，是一种低成本、高价值、绿色和高效的回收装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，包括气体调节系统、微波热解系统、油收集系统、气体收集系统和无害气体排放系统；所述微波热解系统用于热解聚合物基复合材料废弃物，所述气体调节系统用于调节所述微波热解系统内的气体成分，所述油收集系统用于收集聚合物基复合材料废弃物热解后得到的油，所述气体收集系统用于收集聚合物基复合材料废弃物热解后得到的气体，所述无害气体排放系统用于排放所述微波热解系统内的无害气体。

可选的，所述气体调节系统包括第一气体瓶、第二气体瓶和进气管，所述进气管一端与所述微波热解系统相连通；所述第一气体瓶与所述进气管之间设置有一第一气体控制阀，所述第二气体瓶与所述进气管之间设置有一第二气体控制阀，所述进气管靠近所述微波热解系统的一端设置有一进气总阀。

可选的，所述第一气体瓶为惰性气体瓶，所述第二气体瓶为含氧混合气气体瓶。

可选的，所述微波热解系统包括微波炉，所述微波炉包括微波炉内腔、微波炉外腔、微波炉门、升降台、微波发生器和波导管，所述微波炉内腔设置于所述微波炉外腔内部，所述微波炉门设置于所述微波炉外腔顶部，所述升降台用于驱动所述微波炉门升降，所述波导管一端与所述微波炉内腔相连通，另一端连接有所述微波发生器。

可选的，所述油收集系统包括冷凝管、冷凝机和油收集瓶，所述冷凝管的进口端与所述微波热解系统相连通，所述冷凝管另一端与所述油收集瓶的进口相连通，所述冷凝机用于冷却所述冷凝管。

可选的，所述冷凝管包括内管和外管，所述内管设置于所述外管外部；所述内管一端为进口端，另一端与所述油收集瓶的进口相连通；所述外管上设置有入口和出口，所述入口和所述出口分别于所述冷凝机相连通。

可选的，所述冷凝机为冷却器或散热器，或所述冷凝机为一水槽。

可选的，所述气体收集系统包括干燥管和气体收集瓶，所述干燥管一端与所述油收集瓶的出口端相连通，另一端与所述气体收集瓶相连通。

可选的，所述无害气体排放系统包括裂解气控制阀和排气控制阀，所述裂解气控制阀设置于所述微波热解系统与所述冷凝管之间，所述排气控制阀设置于所述裂解气控制阀和所述微波热解系统之间的排气支管上。

可选的，所述第二气体瓶中氧气所占的体积百分比为25％-99％。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)该装置避免微波对冲，微波对聚合物基复合材料进行内部加热、快速加热、整体加热和均匀加热，提高了回收效率，缩短了反应时间。

(2)该装置实现了聚合物基复合材料废弃物的高效处理，缓解了废弃物处理压力，同时回收气体、油和增强体。

(3)该装置可处理不同的聚合物基复合材料，应用范围广，具有普适性。

(4)该装置不排放任何有害气体，不需要任何溶剂，不会造成环境污染，是一种完全绿色环保的回收装置。

(5)该装置操作简单，运行稳定，占地面积少，处理时间短，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明微波使聚合物基复合材料废弃物再资源化装置示意图；

图中；1、第一气体瓶；2、第二气体瓶；3、微波炉外腔；4、微波炉内腔； 5、微波炉门；6、炉门旋钮；7、升降台；8、微波发生器；9、波导管；10、聚合物基复合材料废弃物；11、坩埚；12、保温桶；13、旋转台；14、热电偶； 15、冷凝管；16、冷凝机；17、油收集瓶；18、干燥管；19、气体收集瓶；20、排气口；21、进气总阀；22、第一气体控制阀；23、第二气体控制阀；24、裂解气控制阀；25、排气控制阀；26、抽真空接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，包括气体调节系统、微波热解系统、油收集系统、气体收集系统和无害气体排放系统；微波热解系统用于热解聚合物基复合材料废弃物10，气体调节系统用于调节微波热解系统内的气体成分，油收集系统用于收集聚合物基复合材料废弃物10热解后得到的油，气体收集系统用于收集聚合物基复合材料废弃物10热解后得到的气体，无害气体排放系统用于排放微波热解系统内的无害气体。

于本具体实施例中，如图1所示，气体调节系统包括第一气体瓶1、第二气体瓶2和进气管，进气管一端与微波热解系统相连通；第一气体瓶1与进气管之间设置有一第一气体控制阀22，第二气体瓶2与进气管之间设置有一第二气体控制阀23，进气管靠近微波热解系统的一端设置有一进气总阀21。

第一气体瓶1为惰性气体瓶，第二气体瓶2为含氧混合气气体瓶。

本实施例中，第二气体瓶2中采用空气作为含氧混合气。

微波热解系统包括微波炉，微波炉包括微波炉内腔4、微波炉外腔3、微波炉门5、升降台7、微波发生器8和波导管9，微波炉内腔4设置于微波炉外腔3内部，微波炉门5设置于微波炉外腔3顶部，升降台7用于驱动微波炉门5升降，波导管9一端与微波炉内腔4相连通，另一端连接有微波发生器8。

油收集系统包括冷凝管15、冷凝机16和油收集瓶17，冷凝管15的进口端与微波热解系统相连通，冷凝管15另一端与油收集瓶17的进口相连通，冷凝机16用于冷却冷凝管15。

冷凝管15包括内管和外管，内管设置于外管外部；内管一端为进口端，另一端与油收集瓶17的进口相连通；外管上设置有入口和出口，入口和出口分别于冷凝机16相连通。

冷凝机16为冷却器或散热器，或冷凝机16为一水槽。

气体收集系统包括干燥管18和气体收集瓶19，干燥管18一端与油收集瓶 17的出口端相连通，另一端与气体收集瓶19相连通。

无害气体排放系统包括裂解气控制阀24和排气控制阀25，裂解气控制阀 24设置于微波热解系统与冷凝管15之间，排气控制阀25设置于裂解气控制阀 24和微波热解系统之间的排气支管上。

于更具体的实施例中，微波炉内设置有一热电偶14，用于检测微波炉内的温度或聚合物基复合材料废弃物10的温度。

更进一步的，微波炉门5与微波炉外腔3之间还设置有炉门旋钮6，炉门旋钮6用于将微波炉门5锁闭于微波炉外腔3上。

再进一步的，微波炉内腔4中还设置有保温桶12，保温桶12底部设置有旋转台13，通过旋转台13驱动保温桶12转动。

使用时，将聚合物基复合材料废弃物10置于坩埚11中，将坩埚11置于保温桶12内，关闭第二气体控制阀23和排气控制阀25，将微波炉内抽真空，打开第一气体控制阀22、进气总阀21和裂解气控制阀24，启动微波炉对聚合物基复合材料废弃物10进行加热，聚合物基复合材料废弃物10温度升高后裂解产生的气体，通过冷凝管15降温冷却后进入油收集瓶17，其中不能被冷凝变成液相的部分经过干燥管18去除水分后进入气体收集瓶19。聚合物基复合材料废弃物10裂解完成后，即微波炉内不再有新的气体产生，此时，坩埚11内残留的聚合物基复合材料废弃物10转化为沉积碳，关闭第一气体控制阀22和裂解气控制阀24，开启第二气体控制阀23和排气控制阀25，第二气体瓶2内的氧气与沉积碳接触形成二氧化碳，从排气控制阀25排放至大气中。

本实施例中的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，可以用于处理回收的无机纤维、有机纤维、晶须、天然矿物材料和人工合成材料，如碳纤维、玻璃纤维等中的一种或多种。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，包括气体调节系统、微波热解系统、油收集系统、气体收集系统和无害气体排放系统；所述微波热解系统用于热解聚合物基复合材料废弃物，所述气体调节系统用于调节所述微波热解系统内的气体成分，所述油收集系统用于收集聚合物基复合材料废弃物热解后得到的油，所述气体收集系统用于收集聚合物基复合材料废弃物热解后得到的气体，所述无害气体排放系统用于排放所述微波热解系统内的无害气体。

2.根据权利要求1所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述气体调节系统包括第一气体瓶、第二气体瓶和进气管，所述进气管一端与所述微波热解系统相连通；所述第一气体瓶与所述进气管之间设置有一第一气体控制阀，所述第二气体瓶与所述进气管之间设置有一第二气体控制阀，所述进气管靠近所述微波热解系统的一端设置有一进气总阀。

3.根据权利要求2所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述第一气体瓶为惰性气体瓶，所述第二气体瓶为含氧混合气气体瓶。

4.根据权利要求1所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述微波热解系统包括微波炉，所述微波炉包括微波炉内腔、微波炉外腔、微波炉门、升降台、微波发生器和波导管，所述微波炉内腔设置于所述微波炉外腔内部，所述微波炉门设置于所述微波炉外腔顶部，所述升降台用于驱动所述微波炉门升降，所述波导管一端与所述微波炉内腔相连通，另一端连接有所述微波发生器。

5.根据权利要求1所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述油收集系统包括冷凝管、冷凝机和油收集瓶，所述冷凝管的进口端与所述微波热解系统相连通，所述冷凝管另一端与所述油收集瓶的进口相连通，所述冷凝机用于冷却所述冷凝管。

6.根据权利要求5所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述冷凝管包括内管和外管，所述内管设置于所述外管外部；所述内管一端为进口端，另一端与所述油收集瓶的进口相连通；所述外管上设置有入口和出口，所述入口和所述出口分别于所述冷凝机相连通。

7.根据权利要求5或6所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述冷凝机为冷却器或散热器，或所述冷凝机为一水槽。

8.根据权利要求5所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述气体收集系统包括干燥管和气体收集瓶，所述干燥管一端与所述油收集瓶的出口端相连通，另一端与所述气体收集瓶相连通。

9.根据权利要求5所述的纤维增强有机复合材料废弃物高效资源化回收装备，其特征在于，所述无害气体排放系统包括裂解气控制阀和排气控制阀，所述裂解气控制阀设置于所述微波热解系统与所述冷凝管之间，所述排气控制阀设置于所述裂解气控制阀和所述微波热解系统之间的排气支管上。