CN114602955A - 一种连续式碳纤维再生装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续式碳纤维再生装置、系统及方法，包括依次串联的热解室、氧化室和冷却室，三个室内均设置有物料输送器，且热解室和氧化室的侧壁上均设置有微波磁控管；其中，所述热解室的侧壁上设置有真空抽气口；氧化室内设置有预热空气进气部件；冷却室的侧壁上设置有空气进口。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维再生技术领域，具体涉及一种连续式碳纤维再生装置、系统及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
碳纤维增强树脂复合材料具有高强度、高模量、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天领域、风电叶片、体育休闲、汽车、电子电器、医疗器械等工业领域。当前，碳纤维增强树脂基复合材料的需求量正在快速增长，尤其在风电叶片、航空航天等领域增长尤为迅速。然而，碳纤维增强树脂复合材料的需求量越大其废弃物也越多，另外碳纤维增强树脂复合材料在生产过程中产生的边角料、残次品中都含有大量昂贵的碳纤维，其再生利用已成为当前亟需解决的关键问题。
碳纤维增强树脂基复合材料是由增强体碳纤维和树脂基体复合而成，由于碳纤维和树脂基体的界面润湿性好、结合紧密，难以分离，导致碳纤维的回收再利用比较困难。现有的碳纤维复合材料再生方法主要有机械法、化学法、热解法，机械法产生的再生碳纤维机械性能损失严重，化学法因试剂成本高、二次污染严重等问题无法快速实现工业化，热解法是现有技术中的工业化应用比较可行的方法。热解法包括流化床法和裂解法，流化床法虽能够连续运行，但其再生碳纤维氧化严重，碳纤维回收率低，且有一定的机械性能损失；裂解法是在惰性气氛下热分解，工艺简单，但碳纤维表面易结碳，且现有碳纤维再生裂解装置及方法以静态裂解为主，效率低下，能耗较高，无法满足工业化连续生产的需要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种连续式碳纤维再生装置、系统及方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种连续式碳纤维再生装置，包括依次串联的热解室、氧化室和冷却室，三个室内均设置有物料输送器，且热解室和氧化室的侧壁上均设置有微波磁控管；其中，
所述热解室的侧壁上设置有真空抽气口；
氧化室内设置有预热空气进气部件；
冷却室的侧壁上设置有空气进口。
第二方面，本发明提供了一种连续式碳纤维再生方法，包括如下步骤：
将热解室抽真空，并通入保护气，对热解室和氧化室进行预热；
然后向热解室中投加废弃碳纤维增强树脂材料，对树脂基体进行微波热解；
微波热解完成后，将热解产物排入氧化室中，在氧气氛围中进行微波加热氧化，将碳纤维表面的沉积碳氧化除去；
氧化完成后，将产物排入冷却室中进行降温，即得再生碳纤维。
第三方面，本发明提供一种连续式碳纤维再生系统，包括撕碎机、碳纤维再生装置和热解废气燃烧装置，撕碎机与碳纤维再生装置的热解室进口连接，热解废气燃烧装置与热解室的热解气出口连接。
上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
1）利用微波选择性加热、升温速率快、加热均匀的特点，使废弃碳纤维增强树脂物料发生无氧热解，将物料中的树脂降解完全，然后将其进行有氧氧化，将热解产生的残碳氧化为二氧化碳，进而将热解产物残炭去除，无氧热解与有氧氧化过程一体化设计，碳纤维回收率高，实现了碳纤维的有效回收。
2）将氧化室分段设计，分级氧化，精准控温，既能保证残碳被完全氧化的情况下碳纤维不被氧化（即保证回收碳纤维质量），又能大大缩短有氧氧化反应时间，提升装置工作效率；
氧化室设置有预热空气进气部件，空气在布气孔的均匀分布下使残碳氧化充分、完全，保证再生的碳纤维表面光滑、干净无杂质；采用本发明的方法，得到的再生碳纤维长度直径无损坏、无明显缺陷、无树脂残留、力学性能优异，可直接合成新的碳纤维增强复合材料，使废旧碳纤维得到了再生利用，是一种绿色低碳、安全可靠、可持续的再生方法。
3）整体装置及系统自动化连续运行，效率高，解决了现有装置及方法无法实现工业化连续运行的问题；热解、氧化、冷却一体化设计，设备紧凑，占地面积小。
4）气体换热器充分回收了物料和废气的热量，将空气依次加热、循环利用，实现了热量的有效回收利用，大大提高了整体装置及系统工艺的能源利用率，具有节能降耗的突出有益效果。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种高效节能的连续式碳纤维再生装置结构示意图；
图2为本发明的预热空气进气部件结构示意图；
图3为本发明的布气管结构示意图；
图4为本发明的系统工艺流程图。
图5为本发明的方法流程示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
图中：1-物料进口；2-真空抽气口；3-微波磁控管；4-波导；5-温度传感器；6-热解废气出口；7-热解室；8-第一刮刀；9-第一物料输送器；10-第一物料输送电机；11-第一支撑体；12-支撑架；13-氧化室；14-氧化废气出口；15-二级氧化室；16-一级氧化室；17-第一密封出料机；18-第一密封出料电机；19-保温结构；20-第二物料输送电机；21-第二支撑体；22-预热空气进气口；23-预热空气进气部件；24-预热空气进气主管；25-预热空气进气支管；26-布气管；27-氧化室隔板；28-第二物料输送器；29-第二刮刀；30-第二密封出料机；31-第二密封出料电机；32-冷却室空气出口；33-第三物料输送电机；34-第三物料输送器；35-排灰门；36-冷却室；37-冷却室空气进口；38-物料出口；39-撕碎机；40-传送带，41-热解废气燃烧装置；42-气体换热器；43-冷却风机；44-尾气治理装置；45-尾气排风机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
第一方面，本发明提供了一种连续式碳纤维再生装置，包括依次串联的热解室、氧化室和冷却室，三个室内均设置有物料输送器，且热解室和氧化室的侧壁上均设置有微波磁控管；其中，
所述热解室的侧壁上设置有真空抽气口；
氧化室内设置有预热空气进气部件；
冷却室的侧壁上设置有空气进口。
在一些实施例中，热解室内设置的物料输送器为第一物料输送器，第一物料输送器为板式输送器。
优选的，所述第一物料输送器的末端设置有第一刮刀，第一刮刀与第一物料输送器末端表面抵接。第一刮刀用于将第一物料输送器表面的热解产物刮掉，使其从第一物料输送器的表面掉落，防止热解产物的粘附，刮掉的热解产物通过出口进入氧化室中，进行后续的氧化处理工序。
在一些实施例中，热解室的侧壁上设置有保温层。
在一些实施例中，氧化室内设置有第二物料输送器，第二物料输送器为板式输送器。
优选的，氧化室内设置有氧化室隔板，氧化室隔板位于第二物料输送器的上方，其上端固定于氧化室顶部，下端与第二物料输送器之间间隔设定距离，沿物料输送方向，将氧化室分隔为至少两个腔室。
采用隔板将氧化室分隔为至少两个腔室，不同腔室中的温度可以不同，通过精确控制不同腔室的氧化温度，以保证残碳可以被完全氧化的前提下，碳纤维不被氧化，以提高再生碳纤维的质量。此外，采用精确控温的方式，可以有效提高处理效率。
优选的，所述第二物料输送器的表面均布通孔，第二物料输送器内部或下方设置所述预热空气进气部件。第二物料输送器表面的通孔用于使预热空气进入，并对预热空气进行均匀分布，以提高残碳氧化的均匀性。
进一步优选的，所述预热空气进气部件设置于第二物料输送器内部。预热空气进气部件通过支架固定设置于第二物料输送器内部。
更进一步优选的，预热空气进气部件包括预热空气进气主管、若干预热空气进气支管和若干布气管，进气支管与进气主管的不同位置连接，且每根进气支管上均匀设置有多个布气管，布气管的开口处设置有防灰网，布气管的开口朝上。防灰网可以有效防止灰分落入进气管内，导致进气管的堵塞。
预热空气进气部件采用进气主管、多个进气支管和若干布气管的形式设置，热解、氧化后的灰分可以通过第二物料输送器上的通孔落下，由于布气管的开口朝上，可以将落下的灰分朝两侧吹，使灰分落在进气管道的两侧，进而可以有效防止灰分在进气管上的沉积。
在一些实施例中，氧化室的底部侧壁上设置有排灰门。用于向外排出沉积的灰分。
第二方面，本发明提供了一种连续式碳纤维再生方法，包括如下步骤：
将热解室抽真空，并通入保护气，对热解室和氧化室进行预热；
然后向热解室中投加废弃碳纤维增强树脂材料，对树脂基体进行微波热解；
微波热解完成后，将热解产物排入氧化室中，在氧气氛围中进行微波加热氧化，将碳纤维表面的沉积碳氧化除去；
氧化完成后，将产物排入冷却室中进行降温，即得再生碳纤维。
在一些实施例中，微波热解的温度为300~900℃，停留时间为5~30min。
在一些实施例中，微波加热氧化分为一级氧化和二级氧化，一级氧化的温度为300~550℃，一级氧化的时间为1~60min，二级氧化的温度为500~600℃，二级氧化的时间为1~36min。
分级氧化温度易于控制，氧化更完全。500-600℃温度段对残碳的氧化效率高，但不能一直在这个温度下，因为直接在这个温度段内氧化，温度不易控制。所以，先低温（300-550℃）氧化，然后再高温（500-600℃）氧化。由于600℃以上时，碳纤维容易损坏，因此温度设定不超过600℃。
优选的，一级氧化的温度为300~500℃，一级氧化的时间为10~60min，二级氧化的温度为500~600℃，二级氧化的时间为10~36min。
进一步优选的，一级氧化的温度为300~400℃，一级氧化的时间为20~60min，二级氧化的温度为500~600℃，二级氧化的时间为20~36min。
在一些实施例中，在氧化过程中，向氧化室中通入的空气为预热空气，预热空气的温度为200-400℃。
在一些实施例中，所述碳纤维为沥青基碳纤维或丙烯腈碳纤维。
目前各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯纤维、黏胶丝和沥青纤维三种。聚丙烯基碳纤维性能好，碳化得率较高(50~60％)，因此以聚丙烯制造的碳纤维约占总碳纤维产量的95％。以黏胶丝为原料制碳纤维碳化得率只有20~30％，这种碳纤维碱金属含量低，特别适宜作烧蚀材料。以沥青纤维为原料时，碳化得率高达80~90％，成本最低。
第三方面，本发明提供一种连续式碳纤维再生系统，包括撕碎机、碳纤维再生装置和热解废气燃烧装置，撕碎机与碳纤维再生装置的热解室进口连接，热解废气燃烧装置与热解室的热解气出口连接。
在一些实施例中，还包括气体换热器，热解废气燃烧装置的尾气出口与气体换热器连接，预热空气进气主管进口与气体换热器连接。
利用热解废气燃烧尾气对冷空气进行预热，以提高空气温度，并降低尾气温度，提高尾气的热量利用率。
优选的，气体换热器的冷流体进口与冷却室的气体出口连接。冷却室内对物料进行冷却后的空气温度得以升高，对该部分温度较高的空气进行加热后重新输送至氧化室中进行利用，可以充分利用系统的热量，减少热量的浪费。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种高效节能的连续式碳纤维再生装置，其结构示意图如图1所示，包括热解室7、氧化室13、冷却室36、第一密封出料机17、第二密封出料机30、支撑架12，热解室7、氧化室13与冷却室36从上到下依次连接，热解室7通过第一密封出料机17与氧化室13连接，热解室7与氧化室13之间还设置有支撑架12，起到支撑固定作用，所述氧化室13与冷却室36之间设置有第二密封出料机31。
热解室7包括第一物料输送器9、第一支撑体11、物料进口1、真空抽气口2、微波磁控管3、波导4、温度传感器5、热解废气出口6、第一刮刀8，第一物料输送器9通过第一支撑体11固定设置在热解室7底部，物料进口1、热解废气出口6分别设置在热解室7两侧顶部壁面上，真空抽气口2设置在热解室7顶部壁面上，真空抽气口2与物料进口1相邻，微波磁控管3通过波导4与热解室7顶部壁面连接，所述微波磁控管3的数量不低于1个，温度传感器5设置在热解室7顶部壁面上，温度传感器5的数量不低于1个，第一刮刀8位于第一物料输送器9与热解室7底部壁面之间，第一刮刀8设置在热解废气出口6一侧的热解室7底部壁面上。
氧化室13包括第二物料输送器28、第二支撑体21、预热空气进气部件23、氧化室隔板27、氧化废气出口14、微波磁控管、波导、温度传感器，第二刮刀29、排灰门35，第二物料输送器28通过第二支撑体21固定设置在氧化室13底部，所述第二物料输送器A2-1侧壁与预热空气进气部件A2-4连接，第二物料输送器28下部设置有排灰门35，微波磁控管通过波导与氧化室13顶部壁面连接，所述温度传感器设置在氧化室13顶部壁面上，第二刮刀29位于第二物料输送器28与氧化室13底部壁面之间，所述氧化室隔板27与氧化室13顶部连接，氧化室隔板27将氧化室13分为一级氧化室16和二级氧化室15，所述一级氧化室16和二级氧化室15的长度比例为1：0.1~0.6，二级氧化室15一侧顶部壁面上设置有氧化废气出口14，第二刮刀29设置在氧化废气出口14一侧的氧化室13底部壁面上，所述一级氧化室16、二级氧化室15内微波磁控管和温度传感器的数量均不低于1个。
如图2所示，预热空气进气部件23包括预热空气进口22、预热空气进气主管24、预热空气进气支管25、布气管26、防灰网，预热空气进气主管24一端设置有预热空气进口22，所述预热空气进气支管25一端垂直设置在预热空气进气主管24上。一级氧化室16、二级氧化室15内预热空气进气支管25的数量均不低于1个，预热空气进气支管25上垂直设置有多个布气管26，布气管26另一端设置有防灰网。
排灰门35数量不低于1个，对氧化过程中产生的灰进行不定期清理。
冷却室36包括第三物料输送器34、第三支撑体33、物料出口38、冷却室空气进口37、冷却室空气出口32，第三物料输送器34通过第三支撑体33固定设置在冷却室36底部，冷却室36一侧侧壁上设置有冷却室空气进口，所述冷却室36另一侧顶部壁面设置有冷却室空气出口32，所述物料出口38设置在冷却室空气进口37一侧的底部壁面上。
第一物料输送器9、第二物料输送器28、第三物料输送器34均为板式输送器，第二物料输送器28的物料输送板为细小的网状结构，便于气体通过。
热解室7、氧化室13均设置有保温结构。
如图3所示，高效节能的连续式碳纤维再生系统，包括撕碎机39、传送带40、碳纤维再生装置、冷却风机43、热解废气燃烧装置41、气体换热器42、尾气治理装置44、尾气排风机45，所述撕碎机39与传送装置40连接，所述传送装置40与碳纤维再生装置的物料进口1连接，碳纤维再生装置的热解废气出口6与热解废气燃烧装置41连接，碳纤维再生装置的冷却室空气进口37与冷却风机43连接，所述气体换热器42位于热解废气燃烧装置41与尾气治理装置44之间，气体换热器42的热侧流体进口连接热解废气燃烧装置41和碳纤维再生装置的氧化废气出口14，气体换热器42的热侧流体出口连接尾气治理装置44，所述气体换热器42的冷侧流体进口连接碳纤维再生装置的冷却室空气出口32，气体换热器42的冷侧流体出口连接预热空气进气口22，尾气治理装置44后面连接有尾气排风机45。
冷却空气首先经过碳纤维再生装置的冷却室36对再生碳纤维冷却的同时进行了一次预热，此后经气体换热器42与热解废气燃烧装置41产生的高温烟气和碳纤维再生装置产生的高温氧化气体进行了二次预热，作为预热空气进入碳纤维再生装置的氧化室13参与氧化过程，实现了系统内热量的高效回收与利用，节能效果非常显著。
热解废气燃烧装置41既能对碳纤维再生装置的热解室7产生的热解废气进行无害化处理，降低后端尾气治理装置44的处理难度，又能与气体换热器42搭配为系统提供热量，系统设计非常合理、可靠。
碳纤维再生方法，具体步骤如下：
（1）抽真空，使热解室压力至-80~-50Pa：关闭物料进口、热解废气出口、第一密封出料机，打开真空抽气口对热解室A1进行抽真空操作，使热解室压力保持在-80~-50Pa，关闭真空抽气口；
（2）充保护气，使热解室压力至-5~0Pa：打开热解废气出口，充入惰性气体，当热解室压力达到-5~0Pa时，关闭热解废气出口；
（3）预热，控制热解室和氧化室预热时间为0~10min：打开热解室和氧化室的微波磁控管电源，对热解室和氧化室进行预热，预热时间控制在0~10min；
（4）撕碎，废旧碳纤维尺寸控制在50~300mm：打开撕碎机，将废旧碳纤维连续撕成碎片，使撕碎后的废旧碳纤维尺寸控制在50~300mm；
（5）上料，控制上料量不低于10kg/h：打开传送装置，控制传动电机频率，保持传送量不低于10kg/h；
（6）热解，控制热解室温度为300~900℃、停留时间为5~30min：打开物料进口和热解废气出口，打开第一物料输送器，调节第一物料输送器电机频率，物料在热解室内的停留时间为5~30min，同时调节微波磁控管功率，控制热解室温度为300~900℃；
（7）废气治理，控制尾气排风机频率，使热解室压力维持在-10~0Pa：在热解开始的同时，依次打开尾气排风机、热解废气燃烧装置、气体换热器、尾气治理装置、冷却风机，控制尾气排风机频率，使热解室压力维持在-10~0Pa；
（8）氧化，控制一级氧化室温度为300~550℃、停留时间为~60min，控制二级氧化室温度为500~600℃、停留时间为1~36min，控制氧化室内压力为-10~0Pa：依次打开第一密封出料机、第二物料输送器，调节第二物料输送器电机频率，控制物料在一级氧化室停留时间为10~60min，二级氧化室停留时间为1~36min，同时调节微波磁控管功率，控制一级氧化室温度为300~550℃，二级氧化室温度为500~600℃，打开冷却风机的同时打开冷却室空气进口、冷却室空气出口、预热空气进气口、氧化废气出口，调节冷却风机频率，使氧化室内压力维持在-10~0Pa；
（9）冷却，再生碳纤维出料温度冷却至150℃以下：开启第三物料输送器，同时打开物料出口，调节第三物料输送器电机频率，控制物料输送量为不低于5kg/h，产出再生碳纤维，同时保证再生碳纤维出料温度冷却至150℃以下。
在物料输送器（第一物料输送器、第二物料输送器）的末端位置设置有刮刀（第一刮刀、第二刮刀），解决物料在热解和氧化过程中产生的残碳导致物料输送器传送板上粘壁的问题。
为了使热解产生的碳氧化完全，在氧化室内，预热空气经过预热空气进气部件进行均匀布气，使残碳与空气中的氧气充分接触，保证残碳完全氧化，得到干净的再生碳纤维。
碳纤维复合材料中的基体树脂为热塑性树脂或热固性树脂中的一种或多种。碳纤维复合材料中的碳纤维为沥青基碳纤维和/或丙烯腈碳纤维。
取废旧碳纤维复合材料（编号1、2：碳纤维形态为短纤维，基体树脂为环氧树脂，撕碎尺寸为50×50×2cm；编号3、4：碳纤维形态为中长纤维，基体树脂为环氧树脂，撕碎尺寸为100×200×2cm；），按照上述装置及方法进行再生，其运行数据及结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，废旧碳纤维通过本发明的装置及方法再生后，碳纤维的回收率高达97%以上，碳纤维拉伸强度维持率也在95%以上，说明再生碳纤维机械强度几乎无明显损耗，产品质量非常高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续式碳纤维再生装置，其特征在于：包括依次串联的热解室、氧化室和冷却室，三个室内均设置有物料输送器，且热解室和氧化室的侧壁上均设置有微波磁控管；其中，
所述热解室的侧壁上设置有真空抽气口；
氧化室内设置有预热空气进气部件；
冷却室的侧壁上设置有空气进口。
2.根据权利要求1所述的连续式碳纤维再生装置，其特征在于：热解室内设置的物料输送器为第一物料输送器，第一物料输送器为板式输送器；
第一物料输送器的末端设置有第一刮刀，第一刮刀与第一物料输送器末端表面抵接。
3.根据权利要求1所述的连续式碳纤维再生装置，其特征在于：氧化室内设置有第二物料输送器，第二物料输送器为板式输送器；氧化室内设置有氧化室隔板，氧化室隔板位于第二物料输送器的上方，其上端固定于氧化室顶部，下端与第二物料输送器之间间隔设定距离，沿物料输送方向，将氧化室分隔为至少两个腔室；
所述第二物料输送器的表面均布通孔，第二物料输送器内部或下方设置所述预热空气进气部件。
4.根据权利要求1所述的连续式碳纤维再生装置，其特征在于：预热空气进气部件包括预热空气进气主管、若干预热空气进气支管和若干布气管，进气支管与进气主管的不同位置连接，且每根进气支管上均匀设置有多个布气管，布气管的开口处设置有防灰网，布气管的开口朝上。
5.一种连续式碳纤维再生方法，其特征在于：包括如下步骤：
将热解室抽真空，并通入保护气，对热解室和氧化室进行预热；
然后向热解室中投加废弃碳纤维增强树脂材料，对树脂基体进行微波热解；
微波热解完成后，将热解产物排入氧化室中，在氧气氛围中进行微波加热氧化，将碳纤维表面的沉积碳氧化除去；
氧化完成后，将产物排入冷却室中进行降温，即得再生碳纤维。
6.根据权利要求5所述的连续式碳纤维再生方法，其特征在于：微波热解的温度为300~900℃，停留时间为5~30min；
微波加热氧化分为一级氧化和二级氧化，一级氧化的温度为300~550℃，一级氧化的时间为1~60min，二级氧化的温度为500~600℃，二级氧化的时间为1~36min。
7.根据权利要求5所述的连续式碳纤维再生方法，其特征在于：在氧化过程中，向氧化室中通入的空气为预热空气，预热空气的温度为200-400℃。
8.根据权利要求5所述的连续式碳纤维再生方法，其特征在于：所述碳纤维为沥青基碳纤维或丙烯腈碳纤维。
9.一种连续式碳纤维再生系统，其特征在于：包括撕碎机、权利要求1-4任一所述碳纤维再生装置和热解废气燃烧装置，撕碎机与碳纤维再生装置的热解室进口连接，热解废气燃烧装置与热解室的热解气出口连接。
10.根据权利要求9所述连续式碳纤维再生系统，其特征在于：还包括气体换热器，热解废气燃烧装置的尾气出口与气体换热器连接，预热空气进气主管进口与气体换热器连接。
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