CN114769294B - 一种树脂基复合材料废料高效回收系统及其方法 - Google Patents

一种树脂基复合材料废料高效回收系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种树脂基复合材料废料高效回收系统及其方法，涉及碳纤维回收设备技术领域。用支撑隔板将碳纤维树脂复合材料固定在支架上，送入加热炉管。抽真空后通入氩气，开启微波发生器，加热物料使其裂解。裂解反应结束后，通入空气/氧气，启动电加热管，对裂解后的产物进行氧化除碳处理高效回收碳纤维。产生的液体收集在收集坩埚内，再流入收集分离系统。产生的高温气体通过排气口排出，进入余热回收系统，将热量传导到换热管道中的正戊烷，正戊烷气化带动汽轮机叶片转动进行发电，换热后的高温气体冷凝后流入收集分离系统。根据裂解后液体产物的沸点差异，控制加热炉腔的加热温度区间，将冷凝液体加热气化收集到不同的的收集箱里。

Description

一种树脂基复合材料废料高效回收系统及其方法
技术领域
本发明涉及碳纤维回收设备技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料废料高效回收系统及其方法。
背景技术
近年来，由于碳纤维具有高比强度、高比模量、高韧性和优异的X射线透过性能，其需求量逐年增加，在广泛运用于航天航空、汽车、医疗等领域时可达到减重、耐冲击、抗疲劳等应用效果。碳纤维树脂复合材料构件的广泛运用，会在其达到使用寿命后，带来大量碳纤维复合材料废弃物，导致资源严重浪费和环境污染。目前，市场中的碳纤维复合材料主要以碳纤维增强热固性树脂为主，由于热固性树脂基体固化后，发生分子间交联，形成网状结构，造成其回收利用困难。
高温热解法是工业上使用较为广泛的回收碳纤维树脂复合材料的技术。此回收技术是在惰性气体环境中，通过300℃～800℃高温使复合材料中的树脂基体分解，实现将纤维材料和其他材料分离回收。随后在大气气氛下加热裂解后的产物，氧化其表面的沉积碳，直接回收碳纤维。因微波加热法是在微波电磁场的作用下，通过物料的介质损耗产生热效应，将微波能转化为热能，具有穿透性加热、内部均匀加热、升温快等优势，因此将其用于裂解碳纤维树脂复合材料构件具有效率高的特点。但裂解完成后通常是关闭微波，通入氧化性气体，利用余热将表面残碳氧化后回收碳纤维，避免直接使用微波氧化造成局部过热导致物料燃烧的现象，结果是氧化过程效率低。同时，裂解产物未进行有效的气液分离和处理，且过程中产生的余热资源不能被有效回收再利用，导致能源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种树脂基复合材料废料高效回收系统及其方法，解决现有设备氧化效率低、裂解产物未分离处理、余热资源未回收再利用的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种树脂基复合材料废料高效回收系统，其特征在于：包括裂解氧化系统、收集分离系统和余热回收系统，
所述裂解氧化系统包括加热器壳体、加热炉管、微波发生器、电加热管、支架、储气罐、真空泵、收集坩埚和控制系统，所述加热器壳体内设置有加热炉管，加热炉管外侧壁相对设置有微波发生器，电加热管沿加热炉管侧壁相对设置，加热炉管内活动设置有支架，支架上放置有碳纤维树脂复合材料，支架为网格状且内部设置有收集坩埚，加热炉管顶部设置有红外测温装置，加热炉管连接有真空泵，储气罐与加热炉管顶部的进气口连接，控制系统与微波发生器、电加热管、红外测温装置、真空泵电连接；
所述收集分离系统包括加热炉腔、收集箱，收集箱设置有多个且转动设置在加热炉腔上方，加热炉腔排气口与收集箱进气口连接，收集坩埚的出液口与加热炉腔进料口连接；
所述余热回收系统包括换热器壳体、换热管道、汽轮发电机组、回收箱，换热器壳体内部设置有换热管道，换热器壳体进气口与加热炉管的排气口连接，换热器壳体出口与加热炉腔进料口连接，换热器管道进口连接有正戊烷提供装置和回收箱，换热器管道出口与汽轮发电机组连接，汽轮发电机组冷凝出口与回收箱连接。
更进一步的技术方案是所述微波发生器呈两行三列对称布置，电加热管一侧设置有两组，每组包括三根电加热管，红外测温装置测量每组位于中间位置的碳纤维树脂复合材料的表面温度，每组包括三块平行放置的碳纤维树脂复合材料。
更进一步的技术方案是所述加热炉管内侧下部设置有定位板，支架包括底板、支撑隔板、滚轮，支撑隔板平行设置在底板上，底板底部设置有滚轮，底板设置有中空腔体且顶部均匀分布有通孔，中空腔体内放置有收集坩埚。
更进一步的技术方案是所述加热炉管一端密封，另一端铰接有开合门，开合门上设置有观察口。
更进一步的技术方案是所述加热炉管外侧壁上设置有环形管道，环形管道一端与正戊烷提供装置连接，环形管道另一端与汽轮发电机组连接。
更进一步的技术方案是所述换热器壳体顶部设置有气化正戊烷出口总管，换热器壳体底部设置有正戊烷进口总管，换热管道为蛇形管，沿换热器壳体径向均匀设置有6-8根；换热管道一端与气化正戊烷出口总管连接，另一端与正戊烷进口总管连接。
更进一步的技术方案是所述树脂基复合材料废料高效回收处理方法包括如下步骤：
S1.将碳纤维树脂复合材料放置在支架上，并放入加热炉管内，打开真空泵排出加热炉管内的空气；通入氩气，达到设定压力值后，开启微波发生器，对碳纤维树脂复合材料进行裂解，控制温度在350℃-600℃之间，反应时间在15min-30min之间；
S2.裂解反应结束后，关闭微波发生器，通入氧气，开启电加热管，对裂解后的碳纤维树脂复合材料进行氧化，设置反应温度在250℃-580℃之间，反应时间在20min-40min之间；
S3.反应过程中的高温气体通过加热炉管排气口进入换热器壳体，与换热管道内的正戊烷换热，正戊烷受热气化后进入汽轮发电机组，驱动汽轮发电机组发电，冷凝后的正戊烷通过回收箱再次进入换热管道循环再利用；
S4.步骤S1中裂解后的液体在自重下进入收集坩埚，通过收集坩埚出液口进入加热炉腔内；加热炉腔按设定的温度分别加热裂解后的液体，使之气化并收集在对应的收集箱内。
更进一步的技术方案是所述步骤S4中设定的温度区间分别为：35-45℃，45-120℃，120-190℃，190-220℃，220-300℃，300-350℃，350-410℃，410-425℃；每个温度区间对应一个收集箱，当加热炉腔位于某一温度区间时，对应的收集箱转动到加热炉腔的排气口。
更进一步的技术方案是所述加热后的正戊烷温度为140-270℃，正戊烷通入流量为0.5-3m3/h，正戊烷进入汽轮机的压力为0.3-1.1MPa。
工作原理：使用时，用支撑隔板将碳纤维树脂复合材料固定在支架上，送入加热炉管。抽真空后通入氩气，开启微波发生器，加热物料使其裂解。裂解反应结束后，通入空气/氧气，启动电加热管，对裂解后的产物进行氧化除碳处理高效回收碳纤维。过程中产生的液体收集在支架下的收集坩埚内，再经管道流入收集分离系统。过程中产生的高温气体通过加热炉管的排气口排出，进入余热回收系统，将热量传导到换热管道中的正戊烷，正戊烷气化带动汽轮机叶片转动，实现发电机发电，换热后的高温气体冷凝后流入收集分离系统。根据裂解后液体产物的沸点差异，控制加热炉腔的加热温度区间，将冷凝液体加热气化收集到不同的的收集箱里。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.采用阵列式微波发生器，使碳纤维树脂复合材料能快速且均匀加热裂解。
2.在加热炉管上安装电加热管，能够在裂解处理后，对裂解产物进行均匀加热，氧化除表面残留碳，结合微波裂解两步法直接高效回收性能好、表面光洁的碳纤维。
3.通过余热回收系统将高温气体的热量回收，将其与正戊烷换热，使其气化用于汽轮机发电，实现能源回收再利用。
4.通过收集分离系统将裂解的液体产物分区间加热气化后，收集在不同的收集箱内，实现有害物质及其他工艺原材料的分离回收。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中加热器壳体的正面内部结构示意图。
图3为本发明中加热器壳体的侧面内部结构示意图。
图4为本发明中支架的结构示意图。
图5为本发明中换热器壳体的内部结构示意图。
图6为本发明中环形管道的装配示意图。
图7为本发明中收集分离系统的结构示意图。
图中：1-加热器壳体，2-加热炉管，201-定位板，202-环形管道，3-微波发生器，4-电加热管，5-支架，501-底板，502-支撑隔板，503-滚轮，6-储气罐，7-真空泵，8-收集坩埚，9-碳纤维树脂复合材料，10-红外测温装置，11-加热炉腔，12-收集箱，13-换热器壳体，1301-气化正戊烷出口总管，1302-正戊烷进口总管，14-换热管道，15-汽轮发电机组，16-回收箱，17-开合门，18-观察口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1-3示出了一种树脂基复合材料废料高效回收系统，包括裂解氧化系统、收集分离系统和余热回收系统。
所述裂解氧化系统包括加热器壳体1、加热炉管2、微波发生器3、电加热管4、支架5、储气罐6、真空泵7、收集坩埚8和控制系统，所述加热器壳体1内设置有加热炉管2，加热炉管2为直径为1.5-2m，长度为2-3m的圆柱形腔体。加热炉管2外侧壁相对设置有微波发生器3，电加热管4沿加热炉管2侧壁相对设置。为使得加热更加均匀，所述微波发生器3呈两行三列对称布置，沿加热炉管2长度方向设置有3列，沿加热炉管2高度方向设置有2排。电加热管4一侧设置有两组，每组包括三根电加热管。加热炉管2顶部设置有红外测温装置10，为使得测温更加精准，红外测温装置10测量每组位于中间位置的碳纤维树脂复合材料9的表面温度，每组包括三块平行放置的碳纤维树脂复合材料9。
加热炉管2连接有真空泵7，储气罐6与加热炉管2顶部的进气口连接，控制系统与微波发生器3、电加热管4、红外测温装置10、真空泵7电连接。为方便碳纤维树脂复合材料9的放入以及裂解氧化后碳纤维的回收，加热炉管2内活动设置有支架5，支架5上放置有碳纤维树脂复合材料9。如图4所示，所述加热炉管2内侧下部设置有定位板201，支架5包括底板501、支撑隔板502、滚轮503，支撑隔板502平行设置在底板501上，底板501底部设置有滚轮503，滚轮503沿定位板201进出加热炉管2。底板501为中空腔体且顶部均匀分布有通孔，中空腔体内放置有收集坩埚8。为方便对内部反应情况进行监控，所述加热炉管2一端密封，另一端铰接有开合门17，开合门17上设置有观察口18。
如图7所示，所述收集分离系统包括加热炉腔11、收集箱12，收集箱12设置有多个且转动设置在加热炉腔11上方，加热炉腔11排气口与收集箱12进气口连接，收集坩埚8的出液口与加热炉腔11进料口连接。
所述余热回收系统包括换热器壳体13、换热管道14、汽轮发电机组15、回收箱16，如图5所示，换热器壳体13内部设置有换热管道14，换热器壳体13进气口与加热炉管2的排气口连接，换热器壳体13出口与加热炉腔11进料口连接，换热器管道14进口连接有正戊烷提供装置和回收箱16，换热器管道14出口与汽轮发电机组15连接，汽轮发电机组15冷凝出口与回收箱16连接。为使得换热效率更高，所述换热器壳体13顶部设置有气化正戊烷出口总管1301，换热器壳体13底部设置有正戊烷进口总管1302，换热管道14为蛇形管，沿换热器壳体13径向均匀设置有6-8根；换热管道14一端与气化正戊烷出口总管1301连接，另一端与正戊烷进口总管1302连接。
为对加热炉管2侧壁反应热进行回收，如图6所示，加热炉管2外侧壁上设置有环形管道202，环形管道202一端与正戊烷提供装置连接，环形管道202另一端与汽轮发电机组15连接。
上述装置的工作流程如下：
S1.将碳纤维树脂复合材料9放置在支架5上，并放入加热炉管2内，打开真空泵7排出加热炉管2内的空气；通入氩气，达到设定压力值后，开启微波发生器3，对碳纤维树脂复合材料9进行裂解，控制温度在350℃-600℃之间，反应时间在15min-30min之间。
S2.裂解反应结束后，关闭微波发生器3，通入氧气，开启电加热管4，对裂解后的碳纤维树脂复合材料9进行氧化，设置反应温度在250℃-580℃之间，反应时间在20min-40min之间。
S3.反应过程中的高温气体通过加热炉管2排气口进入换热器壳体13，与换热管道14内的正戊烷换热，正戊烷受热气化后进入汽轮发电机组15，驱动汽轮发电机组15发电，加热后的正戊烷温度为140-270℃，正戊烷通入流量为0.5-3m3/h，正戊烷进入汽轮机的压力为0.3-1.1Mpa。冷凝后的正戊烷通过回收箱16再次进入换热管道14循环再利用。
S4.步骤S1中裂解后的液体在自重下进入收集坩埚8，通过收集坩埚8出液口进入加热炉腔11内；加热炉腔11按设定的温度分别加热裂解后的液体，使之气化并收集在对应的收集箱12内。设定的温度区间分别为：35-45℃，45-120℃，120-190℃，190-220℃，220-300℃，300-350℃，350-410℃，410-425℃；每个温度区间对应一个收集箱12，当加热炉腔11位于某一温度区间时，对应的收集箱12转动到加热炉腔11的排气口。
S5.将碳纤维增强环氧树脂基复合材料送入加热炉管2，在500℃裂解20min后，微波热解气体成分为H2、CO、CH4、CO2、C4H10，高温气体进入换热器壳体13换热过后，经气体出口排出进行收集；微波热解液体产物组成成分有间戊二烯(35-45℃)、甲苯(45-120℃)、苯酚(120-190℃)、异丙基苯酚(190-220℃)、甲基四氢苯酐(220-300℃)、肉桂苯酚(300-350℃)、双酚A(350-410℃)、2,2-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)丙烷(410-425℃)，液体进入加热炉腔11加热气化处理，并在相应的温度区间进行收集。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (1)

1.一种树脂基复合材料废料高效回收系统，其特征在于：包括裂解氧化系统、收集分离系统和余热回收系统，
所述裂解氧化系统包括加热器壳体(1)、加热炉管(2)、微波发生器(3)、电加热管(4)、支架(5)、储气罐(6)、真空泵(7)、收集坩埚(8)和控制系统，所述加热器壳体(1)内设置有加热炉管(2)，加热炉管(2)为直径为1.5-2m，长度为2-3m的圆柱形腔体；加热炉管(2)外侧壁相对设置有微波发生器(3)，电加热管(4)沿加热炉管(2)侧壁相对设置，加热炉管(2)内活动设置有支架(5)，支架(5)上放置有碳纤维树脂复合材料(9)；所述微波发生器(3)呈两行三列对称布置，电加热管(4)一侧设置有两组，每组包括三根电加热管，红外测温装置(10)测量每组位于中间位置的碳纤维树脂复合材料(9)的表面温度，每组包括三块平行放置的碳纤维树脂复合材料(9)；
加热炉管(2)内侧下部设置有定位板(201)，支架(5)包括底板(501)、支撑隔板(502)、滚轮(503)，支撑隔板(502)平行设置在底板(501)上，底板(501)底部设置有滚轮(503)，底板(501)设置有中空腔体且顶部均匀分布有通孔，中空腔体内放置有收集坩埚(8)，滚轮(503)在定位板(201)上滑动；加热炉管(2)顶部设置有红外测温装置(10)，加热炉管(2)连接有真空泵(7)，储气罐(6)与加热炉管(2)顶部的进气口连接，控制系统与微波发生器(3)、电加热管(4)、红外测温装置(10)、真空泵(7)电连接；
所述收集分离系统包括加热炉腔(11)、收集箱(12)，收集箱(12)设置有多个且转动设置在加热炉腔(11)上方，加热炉腔(11)排气口与收集箱(12)进气口连接，收集坩埚(8)的出液口与加热炉腔(11)进料口连接；
所述余热回收系统包括换热器壳体(13)、换热管道(14)、汽轮发电机组(15)、回收箱(16)，所述换热器壳体(13)顶部设置有气化正戊烷出口总管(1301)，换热器壳体(13)底部设置有正戊烷进口总管(1302)，换热管道(14)为蛇形管，沿换热器壳体(13)径向均匀设置有6-8根；换热管道(14)一端与气化正戊烷出口总管(1301)连接，另一端与正戊烷进口总管(1302)连接；换热器壳体(13)进气口与加热炉管(2)的排气口连接，换热器壳体(13)出口与加热炉腔(11)进料口连接，正戊烷进口总管(1302)连接有正戊烷提供装置和回收箱(16)，气化正戊烷出口总管(1301)出口与汽轮发电机组(15)连接，汽轮发电机组(15)冷凝出口与回收箱(16)连接；
所述加热炉管(2)外侧壁上设置有环形管道(202)，环形管道(202)一端与正戊烷提供装置连接，环形管道(202)另一端与汽轮发电机组(15)连接；
所述加热炉管(2)一端密封，另一端铰接有开合门(17)，开合门(17)上设置有观察口(18)；
树脂基复合材料废料高效回收处理方法包括如下步骤：
S1.将碳纤维树脂复合材料(9)放置在支架(5)上，并放入加热炉管(2)内，打开真空泵(7)排出加热炉管(2)内的空气；通入氩气，达到设定压力值后，开启微波发生器(3)，对碳纤维树脂复合材料(9)进行裂解，控制温度在350℃-600℃之间，反应时间在15min-30min之间；
S2.裂解反应结束后，关闭微波发生器(3)，通入氧气，开启电加热管(4)，对裂解后的碳纤维树脂复合材料(9)进行氧化，设置反应温度在250℃-580℃之间，反应时间在20min-40min之间；
S3.反应过程中的高温气体通过加热炉管(2)排气口进入换热器壳体(13)，与换热管道(14)内的正戊烷换热，正戊烷受热气化后进入汽轮发电机组(15)，驱动汽轮发电机组(15)发电，冷凝后的正戊烷通过回收箱(16)再次进入换热管道(14)循环再利用；加热后的正戊烷温度为140-270℃，正戊烷通入流量为0.5-3m3/h，正戊烷进入汽轮机的压力为0.3-1.1MPa；
S4.步骤S1中裂解后的液体在自重下进入收集坩埚(8)，通过收集坩埚(8)出液口进入加热炉腔(11)内；加热炉腔(11)按设定的温度分别加热裂解后的液体，使之气化并收集在对应的收集箱(12)内；设定的温度区间分别为：35-45℃，45-120℃，120-190℃，190-220℃，220-300℃，300-350℃，350-410℃，410-425℃；每个温度区间对应一个收集箱(12)，当加热炉腔(11)位于某一温度区间时，对应的收集箱(12)转动到加热炉腔(11)的排气口。
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