一種碳纖維增強復合材料再生處理方法及裝置與流程

本發明涉及一種碳纖維增強復合材料再生處理方法及裝置，具體地，是用無氧、微壓、溫度可控可調的過熱蒸汽來汽化碳纖維增強復合材料中的樹脂，整個系統無污染、無排放，能量循環使用達到低成本運行。

背景技術：

碳纖維的強度是鋼的9-12倍，比重是鋼的1/4,碳纖維增強復合材料質量輕、強度高，被稱為材料之王，在航空、交通等各個領域越來越多的使用。據資料介紹，全球每年的碳纖維制品在10萬噸以上，而且使用速度在加速。在中國，碳纖維增強復合材料作為國家戰略要逐步推廣。

但到目前為止，碳纖維制品廢棄物還沒有很好的方法使其回收再利用，全球范圍內，僅日本、德國等少數幾個公司有碳纖維廢棄物回收產業，其方法是直接燃燒碳纖維增強復合材料或在氮氣氣氛中加熱汽化以回收碳纖維原絲，以上2種方法使碳纖維原絲強度大幅度降低，能量不能循環利用，回收成本較高，對環境也不友好。

技術實現要素：

針對上述現有技術存在的碳纖維增強復合材料回收方法的缺陷，本發明提供了一種碳纖維增強復合材料再生處理方法及裝置。具體涉及一種用高溫過熱蒸汽來汽化碳纖維增強復合材料中的樹脂的方法，碳纖維制品在處理爐中不氧化、不燃燒，處理溫度、處理時間都可控。本發明將飽和蒸汽，過熱蒸汽發生器，處理爐，油水氣分離裝置，有害氣體處理裝置設計成一套整體系統。該系統完全閉環，不需要外部提供能源，也實現了零排放。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發明涉及一種碳纖維增強復合材料再生處理方法，以過熱蒸汽作為加熱熱源和傳熱介質，將碳纖維增強復合材料制品放入處理爐內，密封爐蓋，向處理爐內通入無氧或微氧(含氧量小于0.3％)、微壓的200～1000℃的過熱蒸汽對所述碳纖維增強復合材料制品進行加熱。該方法實現碳纖維增強復合材料在高溫下無氧熱分解，以去除碳纖維制品中的樹脂成分，保持碳纖維原絲性能不變。具體來說，加熱時，碳纖維增強復合材料制品暴露于過熱蒸汽之中，從而碳纖維增強復合材料制品被加熱，其中的樹脂逐漸氣化分解至完全被氣化，得到碳纖維原絲，原絲的機械性能完全沒有下降。

優選的，所述過熱蒸汽和處理爐內溫度控制在400～700℃，加熱時間為1～6小時。

本發明還涉及一種本發明的碳纖維增強復合材料再生處理方法采用的專用裝置，所述裝置包括過熱蒸汽發生器、處理爐、油水氣分離裝置、有害氣體處理裝置、污水處理裝置、油處理裝置、溫度控制系統；所述過熱蒸汽發生器、處理爐、油水氣分離裝置依次相連，所述油水氣分離裝置的污水出口與污水處理裝置相連，所述油水氣分離裝置的油出口與油處理裝置相連，所述油水氣分離裝置的可燃氣體出口分別與過熱蒸汽發生器、處理爐相連，所述溫度控制系統分別與過熱蒸汽發生器、處理爐相連，所述過熱蒸汽發生器的有害氣體出口與有害氣體處理裝置相連，所述處理爐中燃燒后的少量有害氣體出口與有害氣體處理裝置相連。處理爐產生的過熱蒸汽及碳纖維增強復合材料分解所產生的混合氣體通過油水氣分離裝置使其分離，可燃氣體可用作循環加熱過熱蒸汽發生器和處理爐的加熱系統使用。少量的污水和油混合物經過油水氣分離器分離并分別通過污水處理裝置、油處理裝置得以分離、凈化。

優選的，所述過熱蒸汽發生器為常壓或微壓(壓力小于0.2mpa)過熱蒸汽發生器。

優選的，所述過熱蒸汽發生器為燃氣過熱蒸汽發生器、微波加熱過熱蒸汽發生器或電加熱過熱蒸汽發生器。電加熱過熱蒸汽發生器采用電加熱水產生過熱蒸汽，微波加熱過熱蒸汽發生器采用微波加熱水產生過熱蒸汽，燃氣過熱蒸汽發生器采用燃氣加熱水產生過熱蒸汽。

優選的，所述燃氣過熱蒸汽發生器采用市場供應的液化氣或是所述油水氣分離裝置分離出的可燃氣體加熱水產生過熱蒸汽。

優選的，所述處理爐內設加熱裝置作為輔助加熱升溫能源。所述加熱裝置為燃氣加熱裝置或電加熱裝置。所述燃氣加熱裝置的燃氣為市場供應的液化氣或是所述油水氣分離裝置分離出的可燃氣體。

優選的，所述裝置還包括貯氣罐，所述貯氣罐與油水氣分離裝置的可燃氣體出口相連。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

1、本發明通過先由過熱蒸汽發生器將水加熱成飽和蒸汽，再加熱成200～1000℃的過熱蒸汽；產生的過熱蒸汽含氧量小于0.3％，過熱蒸汽發生器為常壓或微壓(壓力小于0.2mpa),系統安全可靠，并且溫度可調可控。

2、本發明將過熱蒸汽發生器與處理爐用管道連接，實現了碳纖維增強復合材料的無氧、低壓、溫度可控加熱，從而在不損害碳纖維增強復合材料制品中碳纖維絲或織布性能的情況下，去除掉碳纖維上面的樹脂，使碳纖維原絲再生；去樹脂后的碳纖維織布或絲可以重新上樹脂再做成性能一樣的碳纖維增強復合材料制品。

3、本發明還設計了循環利用碳纖維增強復合材料熱分解產生的可燃氣體裝置和去除有害氣體裝置以及污水、油凈化裝置，從而實現零排放，零污染。

4、本發明制取、循環利用碳纖維增加復合材料中的能量，極大的節約了碳纖維再生成本。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明的原理框架圖；

圖2為用可燃氣體加熱的過熱蒸汽發生器的結構圖；

圖3為用微波加熱的過熱蒸汽發生器的結構圖；

圖4為處理爐的結構示意圖；

其中，1為過熱蒸汽發生器，2為處理爐，3為油水氣分離裝置，4為有害氣體處理裝置，5為污水處理裝置，6為油處理裝置，7為溫度控制系統，8為貯氣罐，9為碳纖維增強復合材料，10為市售燃氣鍋爐，11為燃氣加熱器，12為飽和蒸汽進氣口，13為內膽，14為外膽，15為保溫層，16為外殼，17為外殼加強筋，18為排水閥門，19為過熱蒸汽控制系統，20為過熱蒸汽出氣口，21為燃氣鍋爐，22為飽和蒸汽進口，23為石英管道，24為過熱蒸汽出口，25為微波加熱裝置，26為微波加熱過熱蒸汽發生器保溫層，27為微波加熱過熱蒸汽發生器外殼，28為過熱蒸汽溫度控制系統，30為過熱蒸汽入口，31為處理爐保溫層，32為處理爐內壁，33為燃氣加熱裝置，34為爐內溫度控制系統，35為處理爐爐蓋，36為處理爐內膽，37為處理爐出氣口。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發明進行詳細說明。聲明：以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都是屬于本發明的保護范圍。

實施例

本發明閉環設備系統如圖1所示，包括過熱蒸汽發生器1、處理爐2、油水氣分離裝置3、有害氣體處理裝置4、污水處理裝置5、油處理裝置6、溫度控制系統7；所述過熱蒸汽發生器1、處理爐2、油水氣分離裝置3依次相連，所述油水氣分離裝置3的污水出口與污水處理裝置5相連，所述油水氣分離裝置3的油出口與油處理裝置6相連，所述油處理裝置3的可燃氣體出口分別與過熱蒸汽發生器1、處理爐2相連，所述溫度控制系統7分別與過熱蒸汽發生器1、處理爐2相連，所述過熱蒸汽發生器1和處理爐2中燃燒后的有害氣體出口與有害氣體處理裝置4相連。處理爐2產生的過熱蒸汽及爐內碳纖維增強復合材料9分解所產生的混合氣體通過油水氣分離裝置3使其分離，可燃氣體可用作循環加熱過熱蒸汽發生器和處理爐的加熱系統使用。少量的污水和油混合物經過油水氣分離器3分離并分別通過污水處理裝置5、油處理裝置6得以分離、凈化。

各個子系統由管道、閥門、調節器連接，并配備有必要的壓力、溫度顯示器。下面結合碳纖維增強復合材料再生處理工藝闡述本發明閉環系統的工作原理。

第一步：將碳纖維增強復合材料放入處理爐2內，合上爐蓋。

第二步：將溫度控制系統7的過熱蒸汽溫度調節至設定溫度(400～700℃)，將溫度控制系統7的處理爐內溫度調節至設定溫度(400～700℃)。

第三步：向過熱蒸汽發生器1內通水，加熱水產生飽和蒸汽，再加熱產生高溫過熱蒸汽，并產生設定溫度的過熱蒸汽。

第四步：設定溫度的過熱蒸汽通過管道通入處理爐2內，同時使處理爐2也加熱。

第五步：碳纖維增強復合材料9暴露于400～700℃過熱蒸汽中。

第六步：碳纖維增強復合材料9在400～700℃下開始分解，碳纖維制品不氧化，不燃燒，處理爐內微壓力，安全可靠。

第七步：將碳纖維增強復合材料9在設定溫度下保溫1～6小時，以至碳纖維制品中的樹脂全部氣化。

第八步：處理爐2內的碳纖維增強復合材料9制品所分解的可燃氣體和過熱蒸汽混合氣體通過管道、閥門進入油水氣分離裝置3。

第九步：混合氣體被油水氣分離裝置3冷卻分離后，可燃氣體通過管道、閥門進入過熱蒸汽發生器1和處理爐2中燃燒作為熱源使用。

第十步：少量的污水經過污水處理裝置5得以凈化。

第十一步：少量的油經過油處理裝置6得以凈化。

第十二步：冷卻水被加熱可他用。

第十三步：可燃氣體經燃燒后少量不燃氣體通入有害氣體處理裝置4得以處理。

第十四步：過剩的可燃氣體也可存入貯氣罐8內待使用。

第十五步：關掉熱源，待處理爐2自然冷卻至200℃以下，打開處理爐2爐蓋，取出碳纖維原絲。

上述過熱蒸汽發生器可選用燃氣過熱蒸汽發生器。燃氣過熱蒸汽發生器結構圖如圖2所示，包括外殼16、內膽13外側和外膽14內側構成的過熱蒸汽通道、內膽13內置的燃氣加熱器11、與燃氣加熱器11相連的過熱蒸汽控制系統19、設于外殼16與外膽14之間的保溫層15以及排水閥門18；所述排水閥門18與過熱蒸汽通道底部相通。外殼16上還設有外殼加強筋17。所述內膽13、外膽14和燃氣加熱器11均為兩個，內膽13均嵌套在外膽14內側,燃氣加熱器11均設于內膽13內部；第一內膽外側和第一外膽內側構成的第一過熱蒸汽通道與第二內膽外側和第二外膽內側構成的第二過熱蒸汽通道相連通。市售燃氣鍋爐10產生的飽和蒸汽經飽和蒸汽進氣口12依次進入第一過熱蒸汽通道、第二過熱蒸汽通道，產生的過熱蒸汽經過熱蒸汽出氣口20輸送至處理爐。

燃氣過熱蒸汽發生器工作原理為：

由市售燃氣鍋爐10產生100～200℃的飽和蒸汽，飽和蒸汽由飽和蒸汽進氣口12進入內膽13和外膽14組成的管道，此管道由燃氣加熱器11加熱，加熱溫度由過熱蒸汽控制系統19設定、控制。產生的過熱蒸汽由過熱蒸汽出氣口20通入處理爐內。

上述過熱蒸汽發生器還可選用微波加熱過熱蒸汽發生器。微波加熱過熱蒸汽發生器結構圖如圖3所示，包括微波加熱過熱蒸汽發生器外殼27、外至內依次設置的微波加熱過熱蒸汽發生器保溫層26、微波加熱裝置25和石英管道23，以及與微波加熱裝置25相連的過熱蒸汽溫度控制系統28。燃氣鍋爐21產生的飽和蒸汽經飽和蒸汽進口22進入石英管道23，通過過熱蒸汽溫度控制系統28控制微波加熱裝置25對管道內的飽和蒸汽進行加熱產生過熱蒸汽，經過熱蒸汽出口24進入處理爐。

微波加熱過熱蒸汽發生器工作原理為：

由市售燃氣鍋爐21產生100～200℃飽和蒸汽，飽和蒸汽經飽和蒸汽進口22通入石英材料制成的石英管道23內，管道四周有微波加熱裝置25，微波加熱石英管道23內的飽和蒸汽，使產生200～1000℃的高溫過熱蒸汽，200～1000℃的過熱蒸汽由過熱蒸汽出口24進入處理爐內。

處理爐的結構圖如圖4所示，由外至內依次包括處理爐保溫層31、處理爐內壁32、處理爐內膽36，還包括設置在處理爐上方的處理爐爐蓋35、設置在處理爐底部的處理爐出氣口37、設置在處理爐內壁32與處理爐內膽36之間的燃氣加熱裝置33、過熱蒸汽入口30與處理爐內膽36連通，處理爐內膽36與處理爐爐蓋35之間的腔室設置有爐內溫度控制系統34的測溫探頭。

處理爐工作原理為：

由過熱蒸汽發生器1產生的高溫過熱蒸汽由過熱蒸汽入口30通入處理爐2內，加熱放置在爐內的碳纖維增強復合材料9，高溫過熱蒸汽既是熱源，也是傳熱介質，碳纖維增強復合材料9中的樹脂隨著溫度的升高而逐步汽化分解，分解的可燃氣體和過熱蒸汽混合物由處理爐出氣口37排入油氣水分離裝置3。在某一溫度保持一定時間，碳纖維復合材料9中的樹脂會全部分解。因為是無氧加熱，處理后的碳纖維原絲性能不變。在加熱升溫過程中，為了加速升溫，處理爐內裝有燃氣加熱裝置33作為輔助加熱。

碳纖維增強復合材料處理前，制品強度高、重量輕；處理后織布，碳纖維制品中的樹脂全部去除，織布干凈、柔順，可以重新上樹脂；處理后原絲，原絲干凈、柔順，機械強度沒有下降。

碳纖維增強復合材料處理前后碳纖維單絲的強度對比如表1所示：

表1

備注：表1中所述的強度是指相對強度(相對值)。

由表1的數據對比可知，碳纖維增強復合材料再生后單絲平均強度達到原絲強度的98％以上，對單絲性能沒有影響。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。