CN115780482A - 一种退役风机叶片的回收利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种退役风机叶片的回收利用方法，属于废物回收领域。本发明所述回收利用方法通过振荡吹扫处理搭配特定催化条件下的热解过程，在低能耗的前提下可将退役风机叶片中的玻璃纤维高效回收，同时可将有机物质有效转化获得高利用率的合成气产物；该方法处理速率快，回收的玻璃纤维残碳附着率低，品质高。本发明还公开了一种所述退役风机叶片的回收利用方法使用的回收装置。
Description
技术领域
本发明涉及废物回收领域，具体涉及退役风机叶片的回收利用方法。
背景技术
风机叶片一般通过木塑材料、塑料以及玻璃纤维等结构填料等多种原料加工制备得到，而在长期使用后，不仅容易出现裂痕、折断等物理损伤，在氧化、腐蚀等因素下，风机叶片也无法再进一步使用，只能作退役回收处理。在现有技术中，退役的风机叶片一般可通过机械方法(例如研磨、破碎和切碎)、热解法和化学/生物法(例如化学溶解或发酵酶解)进行处理和回收。其中机械方法中，人们会将风机叶片先裁切成不同形状和尺寸的小块，随后切碎以获得小尺寸的纤维颗粒，并最终将这些纤维颗粒回收并在混凝土、聚合物这类复合材料中充当填料使用，然而这些回收的颗粒并不具备优异的力学强度，因此使用范围有限；化学/生物法中，人们会采用丙酮、DMF等有机溶剂在特殊反应下溶解分离并获得风机叶片中的高强度纤维，但这种方法需要的反应环境苛刻，常涉及高温高压，耗能高，同时该过程会涉及较多的有害化学试剂及副产物，环境友好度低。因此基于上述情况，人们普遍使用环保度更高，回收产品质量更好，且工艺需要环境不苛刻的热解法对风机叶片进行回收。
不过现有的热解法多采用传统加热炉热解，该方法升温速率慢，耗时长，且热量分布不均匀，容易造成回收纤维损伤且残碳附着率高，回收得到的材料品质有待提升。
发明内容
基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种退役风机叶片的回收利用方法，该方法通过振荡吹扫处理搭配特定催化条件下的热解过程，可将退役风机叶片中的玻璃纤维高效回收，同时可将有机物质有效转化获得高利用率的合成气产物；该方法处理速率快，回收的玻璃纤维残碳附着率低，品质高。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种退役风机叶片的回收利用方法，包括以下步骤：
(1)将退役风机叶片裁切后的碎料送入设有振荡装置的热解炉中在400～600℃下进行振荡热解处理，处理过程中对碎料进行热风吹扫，并将碎料振荡热解产生的焦炭和液相物质转移至合成气反应炉中；
(2)将残留在热解炉中的固相物质经除碳和酸洗处理，即得回收玻璃纤维；
(3)在合成气反应炉中引入催化剂，随后升温至≥800℃并通入水蒸气发生催化裂解合成反应，即得回收粗合成气；所述催化剂为铁元素掺杂白云石复合催化剂，所述铁元素在催化剂中的质量含量为8～18wt％。
在本发明所述退役风机叶片的回收利用方法中，相比于传统的加热炉热解，采用设置振荡装置的热解炉对裁切后的碎料进行同步振荡热解处理，同时采用热风吹扫进行搭配，热风吹扫不仅可以有效提升碎料在热解炉中加热时的相传热效率，使碎料在较短的时间内便可升温至预定温度，热解均匀度高；同时搭配振荡处理可使得碎料热解产生的积碳迅速脱离并完全燃烧，而产生的较轻的焦炭和液相物质则通过吹扫直接转移至合成气反应炉中，剩余的固相物质只需进行简单的除碳和酸性便可获得高质量、高收率的玻璃纤维。
另一方面，当热解物质转移至合成气反应炉时，为了获得高利用率的回收产品，发明人引入水蒸气以及特定的催化剂对焦炭和液相物质进行催化裂解反应，而选用的特定含量的铁元素掺杂的白云石复合催化剂可在高温过程中产生含有多碱性催化位点的氧化钙、氧化镁等物质，从而实现反应物的迅速脱氢、断链及开环，同时搭配特定含量的铁元素可以使得风机叶片中含有的这些高分子量热解物质进一步高效转化为气化焦油，该产物最终可与水蒸气反应合成纯度较高的回收粗合成气，可直接用于热解炉或者合成气反应炉加热所需燃料，也可进一步净化用于制备化工原料。同时，发明人经过实验发现，由于不同的热解物质化学活性并不相同，对于本发明所述的退役风机叶片而言，高纯度、高分子量的热解焦炭和液相物质也需要配合特定的催化剂，若催化剂种类选择不当，催化效率或催化产品品质将受到影响。
优选地，所述退役风机叶片裁切后的碎料与催化剂的质量之比为1：(0.05～0.3)。
优选地，所述铁元素在催化剂中的质量含量为15wt％。
更优选地，所述铁元素掺杂白云石复合催化剂的制备方法为：
(i)将白云石经研磨、过筛后加热至≥1000℃预热处理3～5h，得预处理粉体A；
(ii)将预处理粉体A分散在水中，随后加入铁源并继续分散均匀，所得混合物经干燥后加热至≥1000℃保温7～9h，即得所述铁元素掺杂白云石复合催化剂。
更优选地，所述步骤(i)中过筛时的目数为80～120目。
更优选地，所述步骤(ii)中铁源为硝酸铁。
硝酸铁可溶于水，由于白云石中本身含有一定的铁元素(约4～6wt％)，因此需要根据实际选择可调控的铁源进行掺杂，以最终确保铁元素在催化剂中的含量维持在限定范围内。
更优选地，所述步骤(ii)中加热时升温速率为4～6℃/min。
优选地，所述步骤(1)中退役风机叶片裁切后的碎料的横截面积≤0.5m2。
由于风机叶片多为片状，为了使得其在热解过程中尽量保证均匀的热接触面以及较高的热解效率，需要维持裁切后的碎料横截面积较小，使其近乎达到颗粒状水平。
优选地，所述步骤(1)中热风吹扫的速率≥0.5m/s。
若热风吹扫时的速率不足，不仅难以很好地将碎料振荡热解产生的焦炭、液相物质很好地转移至合成气反应炉中，甚至可能导致其依然残留在玻璃纤维上，导致回收所得玻璃纤维品质降低。
优选地，所述步骤(2)中酸洗处理时所用酸洗剂的摩尔浓度为0.1～0.5mol/L。
优选地，所述步骤(3)中催化裂解合成反应中焦炭和液相物质气化为气相物质，所述气相物质与水蒸气的体积之比为1：(0.4～0.6)。
当焦炭和液相物质(多为油脂、蜡等有机物质)在高温的作用下转化为气相物质，该产品需要和特定比例的水蒸气进行粗合成气合成反应，若水蒸气比例不足，则难以达到足够的反应程度，而若水蒸气引入过多，则可能导致合成气反应炉瞬时气压过高，反应不均匀，甚至造成安全问题。
更优选地，所述步骤(3)回收粗合成气还经过净化装置净化。
本发明所述回收粗合成气主要为高利用率的氢气、一氧化碳和二氧化碳，这些气氛经过再净化后不仅可用于制备化工原料，还可以直接分离作为反应气氛使用。
本发明的另一目的在于提供一种本发明所述退役风机叶片的回收利用方法应用的回收装置，包括依次连接的原料预处理单元、传送单元、热解单元以及合成气反应单元。
优选地，所述原料预处理单元包括裁切装置、研磨装置和过筛装置；所述传送单元为传送带；所述热解单元包括热解炉和相连的热风吹扫装置，所述热解炉外部设有振荡装置；所述合成气反应单元包括合成气反应炉，所述合成气反应炉连接水蒸气发生器。
更优选地，所述热风吹扫装置为鼓风机及相连的保温管道。
更优选地，所述合成气反应单元还连接合成气净化单元。
当退役的风机叶片从原料预处理单元经过裁切、研磨和过筛处理成碎料后，通过传送带可传送至热解单元，此时通过鼓风机将热风通过保温管道输送进热解炉中，并通过振荡装置使得碎料边振荡边解热，同时热解产物中的焦炭、液相物质经热风吹扫吹送到合成气反应单元中，此时经水蒸气发生器输送水蒸气至反应单元中进行催化裂解合成反应，所得回收粗合成气可进一步通过合成气净化单元再净化用于化工原料，而在热解单元中低氧燃烧除碳残留的固相物质只需再经过简单的除碳和酸洗处理，即得获得高品质的回收玻璃纤维。该回收装置结构简单，由于特殊设计的热解单元以及后续特定的催化裂解合成反应，无需如现有使用的反应加热炉需要加装高压高温装置，同时没有涉及化学反应，无需加装过滤装置，环境友好度高，经济适用性强。
本发明的有益效果在于，本发明提供了一种退役风机叶片的回收利用方法，该方法通过振荡吹扫处理搭配特定催化条件下的热解过程，在低能耗的前提下可将退役风机叶片中的玻璃纤维高效回收，同时可将有机物质有效转化获得高利用率的合成气产物；该方法处理速率快，回收的玻璃纤维残碳附着率低，品质高。本发明还提供了一种所述退役风机叶片的回收利用方法使用的回收装置。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。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，都属于本发明的保护范围。本发明实施、对比例所设计的实验试剂、原料及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂、原料及仪器。
实施例1
本发明所述一种退役风机叶片的回收利用方法，包括以下步骤：
(1)将退役风机叶片在回收装置的原料预处理单元经裁切、研磨和过筛成横截面积＜0.5m2的碎料后，从传送带送入热解单元中在500℃下进行振荡热解处理，处理过程中对碎料进行热风吹扫，并将碎料振荡热解产生的焦炭和液相物质以0.5m/s的速率吹扫转移至合成气反应单元的合成气反应炉中；所述热解单元包括热解炉和相连的热风吹扫装置，所述热风吹扫装置为连接有保温管道的鼓风机；所述热解炉外部设有振荡装置；
(2)将残留在热解炉中的固相物质低氧燃烧除碳，随后经0.2mol/L的稀盐酸酸洗处理后，即得回收玻璃纤维；
(3)合成气反应炉连接水蒸气发生器；在合成气反应炉中按步骤(1)所述碎料：催化剂的质量比＝1:0.3引入催化剂，随后升温至1000℃，在2MPa气压下焦炭和液相物质转化为多元的气相物质，并按照气相物质与水蒸气的体积比＝1:0.5通入水蒸气发生催化裂解合成反应，即得回收粗合成气；所述催化剂为铁元素掺杂白云石复合催化剂，所述铁元素在催化剂中的质量含量为15wt％；
所述铁元素掺杂白云石复合催化剂的制备方法为：
(i)将白云石经研磨、过100目筛后加热至1000℃预热处理4h，得预处理粉体A；
(ii)将预处理粉体A分散在水中，随后加入适量硝酸铁以保障理论最终产物中铁元素的负载量为15wt％(一般白云石本身铁含量为5wt％)，并继续搅拌分散均匀，多余的水在真空下90℃蒸发干燥，随后以5℃/min的速率加热至1000℃保温8h，即得所述铁元素掺杂白云石复合催化剂。
将本实施例所得玻璃纤维按照原料：产物计算回收玻璃纤维的收率，同时采用
计算回收玻璃纤维上的残碳附着率(式中m1—热解固相物质质量；m2—经低温燃烧除碳及酸洗得到的玻璃纤维质量；m—风机叶片原料质量)；将回收粗合成气进行成分分析，分析结果如表1所示。随后转入回收装置中的合成气净化单元净化用于化工原料制备。
表1
从结果可以看出，本实施例所得回收玻璃纤维残碳附着率低，品质高，且收率达到80％以上，所得回收粗合成气中主要为一氧化碳、二氧化碳和氢气，其中一氧化碳和氢气这两种高能源利用率的气体成分含量占70％以上，可使用价值高。
实施例2
本发明所述一种退役风机叶片的回收利用方法，包括以下步骤：
(1)将退役风机叶片在回收装置的原料预处理单元经裁切、研磨和过筛成横截面积＜0.5m2的碎料后，从传送带送入热解单元中在500℃下进行振荡热解处理，处理过程中对碎料进行热风吹扫，并将碎料振荡热解产生的焦炭和液相物质以0.5m/s的速率吹扫转移至合成气反应单元的合成气反应炉中；所述热解单元包括热解炉和相连的热风吹扫装置，所述热风吹扫装置为连接有保温管道的鼓风机；所述热解炉外部设有振荡装置；
(2)将残留在热解炉中的固相物质低氧燃烧除碳，随后经0.3mol/L的稀盐酸酸洗处理后，即得回收玻璃纤维；
(3)合成气反应炉连接水蒸气发生器；在合成气反应炉中按步骤(1)所述碎料：催化剂的质量比＝1:0.2引入催化剂，随后升温至800℃，在1.5MPa气压下焦炭和液相物质转化为多元的气相物质，并按照气相物质与水蒸气的体积比＝1:0.5通入水蒸气发生催化裂解合成反应，即得回收粗合成气；所述催化剂同实施例1。
将本实施例所得回收玻璃纤维和回收粗合成气进行实施例1相同的检测，结果如表2所示。
表2
可以看出，与实施例1相似，所得回收玻璃纤维的品质高且收率高，回收粗合成气中一氧化碳和氢气体积占比高达68％。
实施例3
本发明所述一种退役风机叶片的回收利用方法，包括以下步骤：
(1)将退役风机叶片在回收装置的原料预处理单元经裁切、研磨和过筛成横截面积＜0.5m2的碎料后，从传送带送入热解单元中在500℃下进行振荡热解处理，处理过程中对碎料进行热风吹扫，并将碎料振荡热解产生的焦炭和液相物质以0.5m/s的速率吹扫转移至合成气反应单元的合成气反应炉中；所述热解单元包括热解炉和相连的热风吹扫装置，所述热风吹扫装置为连接有保温管道的鼓风机；所述热解炉外部设有振荡装置；
(2)将残留在热解炉中的固相物质低氧燃烧除碳，随后经0.5mol/L的稀盐酸酸洗处理后，即得回收玻璃纤维；
(3)合成气反应炉连接水蒸气发生器；在合成气反应炉中按步骤(1)所述碎料：催化剂的质量比＝1:0.3引入催化剂，随后升温至1200℃，在2.5MPa气压下焦炭和液相物质转化为多元的气相物质，并按照气相物质与水蒸气的体积比＝1:0.5通入水蒸气发生催化裂解合成反应，即得回收粗合成气；所述催化剂同实施例1。
将本实施例所得回收玻璃纤维和回收粗合成气进行实施例1相同的检测，结果如表3所示。
表3
可以看出，与实施例1相似，所得回收玻璃纤维的品质高且收率高，回收粗合成气中一氧化碳和氢气体积占比高达74％。
实施例4
本发明所述一种退役风机叶片的回收利用方法，包括以下步骤：
(1)将退役风机叶片在回收装置的原料预处理单元经裁切、研磨和过筛成横截面积＜0.8m2的碎料后，从传送带送入热解单元中在500℃下进行振荡热解处理，处理过程中对碎料进行热风吹扫，并将碎料振荡热解产生的焦炭和液相物质以0.1m/s的速率吹扫转移至合成气反应单元的合成气反应炉中；所述热解单元包括热解炉和相连的热风吹扫装置，所述热风吹扫装置为连接有保温管道的鼓风机；所述热解炉外部设有振荡装置；
(2)将残留在热解炉中的固相物质低氧燃烧除碳，随后经0.5mol/L的稀盐酸酸洗处理后，即得回收玻璃纤维；
(3)合成气反应炉连接水蒸气发生器；在合成气反应炉中按步骤(1)所述碎料：催化剂的质量比＝1:0.3引入催化剂，随后升温至1000℃，在2MPa气压下焦炭和液相物质转化为多元的气相物质，并按照气相物质与水蒸气的体积比＝1:1通入水蒸气发生催化裂解合成反应，即得回收粗合成气；所述催化剂同实施例1。
将本实施例所得回收玻璃纤维和回收粗合成气进行实施例1相同的检测，结果如表4所示。
表4
与实施例1相比，本实施例方法中碎料在热解前的尺寸较大，同时在热解时的热风吹扫速率较低，此时碎料在热解过程中热解均匀度变低，同时产生的焦炭和液相物质转移程度也相对变低，因此得到的回收玻璃纤维的收率降低且品质降低，残碳附着率提升；另一方面，在回收粗合成气合成过程中，引入的水蒸气含量较多，二氧化碳的相对生成量变少，但一氧化碳和氢气的总含量没有太大变化，因此过多引入水蒸气对于生成的回收粗合成气的成分组成没有太大影响。
对比例1
一种退役风机叶片的回收利用方法，本对比例与实施例1的差别仅在于，所述热解单元不设有振荡装置，所述碎料在热解炉中只进行热解处理。
将所得回收玻璃纤维和回收粗合成气进行实施例1相同的检测，结果如表5所示。
表5
与实施例1相比，本对比例方法中没有设置振荡装置，碎料在热分解过程中无法有效分离热解得到的碳，回收的玻璃纤维品质不高，残碳附着率高。
对比例2
一种退役风机叶片的回收利用方法，本对比例与实施例1的差别仅在于，所述催化剂为镍掺杂白云石复合催化剂，所述镍元素在催化剂中的质量含量为15wt％，铁元素在催化剂中的质量含量为5wt％；
所述镍掺杂白云石复合催化剂的制备方法为：
(i)将白云石经研磨、过100目筛后加热至1000℃预热处理4h，得预处理粉体A；
(ii)将预处理粉体A分散在水中，随后加入适量硝酸镍以保障理论最终产物中镍元素的负载量为15wt％，并继续搅拌分散均匀，多余的水在真空下90℃蒸发干燥，随后以5℃/min的速率加热至1000℃保温8h，即得所述镍掺杂白云石复合催化剂。
将所得回收玻璃纤维和回收粗合成气进行实施例1相同的检测，结果如表6所示。
表6
与实施例1相比，本对比例方法所制备的粗合成气中一氧化碳和氢气体积占比只有60％且杂质成分高达22％，说明采用不合适的元素进行掺杂制备的催化剂用于本发明所述回收利用方法时效果并不理想。
对比例3
一种退役风机叶片的回收利用方法，本对比例与实施例1的差别仅在于，所述催化剂为白云石，所述铁元素在催化剂中的质量含量为5wt％。
所述白云石催化剂的制备方法为：
(i)将白云石经研磨、过100目筛后加热至1000℃预热处理4h，得预处理粉体A；
(ii)将预处理粉体A以5℃/min的速率加热至1000℃保温8h，即得所述白云石催化剂。
将所得回收玻璃纤维和回收粗合成气进行实施例1相同的检测，结果如表7所示。
表7
与实施例1相比，本对比例方法中使用的催化剂并没有进行额外铁元素掺杂，该催化剂催化效果不足，制备的粗合成气中一氧化碳和氢气体积占比只有60％且杂质成分达到15％。
对比例4
一种退役风机叶片的回收利用方法，本对比例与实施例1的差别仅在于，所述铁元素在催化剂中的质量含量为25wt％。
将所得回收玻璃纤维和回收粗合成气进行实施例1相同的检测，结果如表8所示。
表8
与实施例1相比，本对比例方法中使用的催化剂掺杂的铁元素过多，该催化剂同样难以实现理想的催化效果，所得粗合成气中一氧化碳和氢气体积占比只有55％且杂质成分高达25％。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种退役风机叶片的回收利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将退役风机叶片裁切后的碎料送入设有振荡装置的热解炉中在400～600℃下进行振荡热解处理，处理过程中对碎料进行热风吹扫，并将碎料振荡热解产生的焦炭和液相物质转移至合成气反应炉中；
(2)将残留在热解炉中的固相物质经除碳和酸洗处理，即得回收玻璃纤维；
(3)在合成气反应炉中引入催化剂，随后升温至≥800℃并通入水蒸气发生催化裂解合成反应，即得回收粗合成气；所述催化剂为铁元素掺杂白云石复合催化剂，所述铁元素在催化剂中的质量含量为8～18wt％。
2.如权利要求1所述退役风机叶片的回收利用方法，其特征在于，所述退役风机叶片裁切后的碎料与催化剂的质量之比为1：(0.05～0.3)；所述铁元素在催化剂中的质量含量为15wt％。
3.如权利要求1所述退役风机叶片的回收利用方法，其特征在于，所述铁元素掺杂白云石复合催化剂的制备方法为：
(i)将白云石经研磨、过筛后加热至≥1000℃预热处理3～5h，得预处理粉体A；
(ii)将预处理粉体A分散在水中，随后加入铁源并继续分散均匀，所得混合物经干燥后加热至≥1000℃保温7～9h，即得所述铁元素掺杂白云石复合催化剂。
4.如权利要求1所述退役风机叶片的回收利用方法，其特征在于，所述步骤(1)中退役风机叶片裁切后的碎料的横截面积≤0.5m2。
5.如权利要求1所述退役风机叶片的回收利用方法，其特征在于，所述步骤(1)中热风吹扫的速率≥0.5m/s。
6.如权利要求1所述退役风机叶片的回收利用方法，其特征在于，所述步骤(2)中酸洗处理时所用酸洗剂的摩尔浓度为0.1～0.5mol/L。
7.如权利要求1所述退役风机叶片的回收利用方法，其特征在于，所述步骤(3)中催化裂解合成反应中焦炭和液相物质气化为气相物质，所述气相物质与水蒸气的体积之比为1：(0.4～0.6)。
8.如权利要求1～7任一项所述回收利用方法使用的回收装置，其特征在于，包括依次连接的原料预处理单元、传送单元、热解单元以及合成气反应单元。
9.如权利要求8所述的回收装置，其特征在于，所述原料预处理单元包括裁切装置、研磨装置和过筛装置；所述传送单元为传送带；所述热解单元包括热解炉和相连的热风吹扫装置，所述热解炉外部设有振荡装置；所述合成气反应单元包括合成气反应炉，所述合成气反应炉连接水蒸气发生器。
10.如权利要求8所述的回收装置，其特征在于，所述合成气反应单元还连接合成气净化单元。
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|---|---|---|---|---|
| CN116274288A (zh) * | 2023-05-17 | 2023-06-23 | 国能龙源环保有限公司 | 废弃风电叶片资源化处理的方法 |
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2022
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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