[0001] 本
申请要求于2017年6月2日递交的欧洲
专利申请EP17382330.3的优先权。
[0002] 本
发明涉及一种回收包埋在复合材料中的纤维的方法和装置，该装置包括用于作为所述方法步骤的将一定体积的复合材料
热分解的炉室。
背景技术
[0003] 复合材料是由两种以上具有不同的物理或化学性质的组分(构成材料)制成的材料，当组合使用时，这些组分将产生特性不同于且优于单个组分特性的材料(复合物)。各个组分相互增强，但在复合物中保持分离和独立。构成材料主要有两类：称为“基质”(或“
粘合剂”)的连续相，和称为“增强部”的离散相。基质材料通过保持增强部材料的相对
位置来包围并支持增强部材料，并赋予复合物耐热性和耐环境性。增强部发挥其特殊的机械和物理性质以强化基质，例如防止裂纹扩展。
[0004]
聚合物是特别用于纤维增强型塑料(其中纤维构成增强部)的常见基质。最常见的聚合物类复合材料包括
树脂，例如环
氧树脂。例如，复合材料常用于
风力涡轮机的
转子叶片；用于这些复合材料的常见树脂包括聚酯和
环氧树脂，而玻璃纤维和
碳纤维常常用作增强部。
[0005] 鉴于日益增加的环境顾虑，关于如何再循环纤维增强型塑料部件而不是简单地通过仅仅燃烧(这是危险的)或填埋来处理这种部件，已成为重要问题。特别地，由复合材料制成的
风力涡轮机叶片的再循环是一个问题，这是因为叶片的尺寸较大，并且还因为难以安全地将纤维从具有树脂的聚合物中抽离，但是仍然建议尝试
回收纤维增强型塑料中的纤维组分，而不仅仅是将其丢弃，由此能够在新生产的纤维增强型塑料部件(例如新的风力涡轮机叶片)中重新使用这些纤维。
[0006] EP2783764公开了一种包括
热处理的方法，其中在封闭的炉室中在惰性气氛(例如氮气形式)下将复合材料在相对低的
温度下
热解。温度和燃烧条件旨在使基质
气化，同时使纤维基本保持完好无损，从而至少在原理上使再循环成为可能。
发明内容
[0007] 本发明的一个目的是提供一种方法和装置，用于从废弃的纤维增强型塑料部件中高效地再循环纤维，从而使得纤维的回收和再利用成为可能。
[0008] 在第一方面，提供了一种回收包埋在复合材料中的纤维的方法。该方法包括以下步骤：用一定体积的复合材料填装炉室(例如，第一炉室，预期可以有更多的炉室，但不排除单一炉室)；使所述炉室中的复合材料热分解(thermolyzing)，以产生从炉室中连续排出的气态组分和留在炉室中的
覆盖有炭的纤维残余物；将来自热分解步骤的气态组分裂化(cracking)，产生可冷凝气体和不可冷凝气体的混合物；在炉室中完成热分解后，将含氧气体流注入仍然热的炉室中，以在放热燃烧中从纤维上燃烧掉炭。
[0009] 术语“裂化”在本文中用于涵盖在热和催化剂的影响下将复杂分子分裂成更简单的分子的过程。在本文中，将热分解气体裂化为可冷凝和不可冷凝的气体是处理来自热分解的气态残余物的有效方式，因为可冷凝气体可以例如被冷凝并用作
燃料。
[0010] 热分解(或热分解作用)可以是热裂解(pyrolysis)，即在不存在氧气(或任何卤素)的情况下的热分解。热分解或热裂解可以在
真空下进行以使其
加速，例如在0.1至0.9巴下进行。
[0011] 含氧气体可以包含O2和/或O3(臭氧)。使用臭氧可以加快放热燃烧。含氧气体可以是增补有2体积％至20体积％氧气的空气。
[0012] 在一个实例中，炉室的填装可以利用罐笼来完成，可以在炉室外部用复合材料填充罐笼，并可以将其非常快速地装入炉室中，从而可以缩短(甚至最小化)炉室的空隙时间，这将提高过程的
能量效率。
[0013] 在一个实例中，该方法还包括以下步骤：在热分解或热裂解步骤中，使用不可冷凝气体向炉室贡献热量，从而提高过程的能量效率。作为替代或补充，不可冷凝气体可用于废热发电，这也提高了总体能量效率。
[0014] 裂化步骤可以通过使气态组分循环通过还原剂、特别是通过催化剂(例如SiC或沸石)来进行。
[0015] 在一个实例中，可以使用两个炉室，即上述第一炉室和第二炉室，由此所述方法将进一步包括以下步骤：
[0016] -用一定体积的复合材料填装第二炉室；
[0017] -使用在第一炉室中正在发生或已经发生的燃烧所贡献的热量来使第二炉室中的复合材料热分解，以产生从第二炉室中连续排出的气态组分和留在第二炉室中的覆盖有炭的纤维残余物；
[0018] -将来自第二炉室中的热分解步骤的气态组分裂化，产生可冷凝气体和不可冷凝气体的混合物；
[0019] -从第一炉室中取出清洁的纤维，并用一定体积的复合材料填装第一炉室；
[0020] -在第二炉室中完成热分解后，将含氧气体流注入仍然热的第二炉室中，以在放热燃烧中从纤维上燃烧掉炭；
[0021] -使用在第二炉室中正在发生或已经发生的燃烧所贡献的热量来使第一炉室中的复合材料热分解，以产生从第一炉室中连续排出的气态组分和留在第一炉室中的覆盖有炭的纤维残余物；
[0022] -将来自第一炉室中的热分解步骤的气态组分裂化，产生可冷凝气体和不可冷凝气体的混合物；
[0023] -从第二炉室中取出清洁的纤维，并用一定体积的复合材料填装第二炉室；
[0024] -在第一炉室中完成热分解后，将含氧气体流注入仍然热的第一炉室中，以在放热燃烧中从纤维上燃烧掉炭。
[0025] 以此方式，通过在第一炉室和第二炉室之间交替，进一步提高了过程的能量效率。
[0026] 如前所述，热分解可以是热裂解，并且上文(关于一个炉室)说明的其他变量也可以适用于此(两个炉室的情况)。
[0027] 在第二方面，提供了一种执行该两炉室方法的装置。
[0028] 在第三方面，提供了一种用于回收包埋在复合材料中的纤维的装置。该装置包括：炉室，其用于使一定体积的复合材料热分解(或热裂解)，这可以产生上述气态组分；和还原剂(例如催化剂)，其用于使该气态组分裂化，这可以产生上述可冷凝气体和不可冷凝气体的混合物。
[0029] 在任一装置中，一个或多个炉室的加热可以借助于在裂化步骤中产生的不可冷凝气体(至少部分地)作为燃料的气体
燃烧器来进行(可能部分地进行)。但是，也可以设想替代或补充手段来加热炉室，例如
辐射手段、
对流手段、感应手段、
微波手段、
电阻等。
[0030] 本公开的其他优点、性质、方面和特征可以从以下描述的实例中推导出。如果需要，即使没有明确地详细描述，上述特征和/或
权利要求和/或以下实例的描述中公开的特征也可以彼此组合。
附图说明
[0031] 下面将参考附图描述本公开的非限制性实例，在附图中：
[0032] 图1是用于回收包埋在复合材料中的纤维的装置的示意图；
[0033] 图2是图1的装置的另一示意图；
[0034] 图3是示出了图1的装置的使用情况的示意图；
[0035] 图4是示出了图1的装置的另一使用情况的示意图；和
[0036] 图5是用于回收包埋在复合材料中的纤维的装置的两个炉室的示意图。
具体实施方式
[0037] 图1和图2的装置包括：配备有炉室10的炉1，用于室10的燃烧器11，室10的第一出口12，室10的入口13，和室10的第二出口14。第一出口12(通过
导管)通向包含还原剂21(例如沸石或SiC催化剂)的还原部20。催化剂的下游是
冷凝器31，来自冷凝器31的不可冷凝气体可以通过
过滤器32送至燃烧器11。
[0038] 入口13允许将空气流(或其他含氧气体)注入炉室10中，第二出口14用于将燃烧气体从炉室10中排至分离器(例如，旋风分离器)41和一些另外的过滤器42。该装置在导管中还包括合适的
阀。
[0039] 该装置的操作过程如下(目的是从废弃部件(例如拆除的风轮机叶片)中提取出清洁的纤维，该废弃部件由聚合物类复合材料和包埋的纤维(例如是玻璃或
碳纤维)制成)：
[0040] A.将复合物部件切割或捣碎成小
块或碎片。
[0041] B.将适当体积的这种碎片18(图3)引入炉室10中。
[0042] C.在350℃至600℃、优选约550℃的温度下使存在于炉室10中的复合材料18热裂解(或更一般地，热化)，直到复合材料的基质(例如，由树脂制成的基质)完全分解。
[0043] D.通过第一出口12连续提取在热裂解中产生的气态组分，并使该气态组分通过还原剂21以使其裂化，其中还原剂21保持在250℃至400℃、优选约350℃的温度下。
[0044] E.将裂化过程中产生的气体送入冷凝器31，在此使其迅速冷却(至低于10℃)以获得两种不同的燃料：冷凝气体(即，待出售或以任何方式使用的
液体燃料)，和不可冷凝气体，其经过过滤器32过滤后被分离出并送入燃烧器11。
[0045] 还原剂21是恒温的，即，其温度被小心控制以优化裂化反应。送入燃烧器11中的一种或多种不可冷凝气体在其中燃烧，从而为热裂解贡献
热能(开始时，当这种再循环的燃料尚不可用时，可以使用外部燃料，例如丙烷)，或者，并不将不可冷凝气体送入燃烧器11，而是可以将不可冷凝气体用于在废热发电过程中驱动涡轮机(未示出)。冷凝的气体可以根据它们的冷凝温度而收集在不同的容器中。
[0046] 除了气态组分外，热裂解的另一产物是一堆覆盖有炭的纤维19(图4)，操作过程如下继续：
[0047] F.在热裂解刚刚完成之后，将含氧气体流(例如空气或增氧空气，例如增补了6体积％的O2的空气)注入在热裂解后仍然非常热(基本处于同一温度)的炉室10中，直至炭在放热燃烧中烧尽，留下清洁的纤维。
[0048] G.通过第二出口14从炉室10中连续抽出已燃烧的气体流，并将该燃烧气体送入分离器41(例如旋风分离器)中，在此对其进行适当的处理和过滤(将至少一部分燃烧气体运送通过过滤器42)。
[0049] 图3显示了热裂解和裂化过程(步骤C、D和E)。黑色实心阀代表打开的阀，白色阀代表关闭的阀。直线箭头代表气体流，冷凝器31底部的曲线箭头代表液体流(在相应的底部阀打开的情况下)。
[0050] 图4示出了放热燃烧(步骤F和G)；如前所述，黑色实心阀代表打开的阀，白色阀代表关闭的阀，直线箭头表示气体流。室10中的多点箭头表示炭燃烧。步骤F可称为“放热清扫”。
[0051] 图5显示了另一个实例，其中炉1包括两个炉室，第一炉室10和第二炉室15。该装置可以按分批模式操作如下：
[0052] I.用相应体积的复合材料填装炉室10和15。
[0053] II.使存在于第一炉室10中的复合材料热裂解。
[0054] III.对第一炉室10中的炭覆盖的纤维进行放热清扫。
[0055] IV.利用来自步骤III的热量使存在于第二炉室15中的复合材料热裂解；该热裂解和步骤III的放热清扫可以同时开始。
[0056] V.从第一炉室10中取出清洁的纤维，并在其中填装一定体积的复合材料。
[0057] VI.对第二炉室15中的炭覆盖的纤维进行放热清扫。
[0058] VII.利用来自步骤VI的热量使存在于第一炉室10中的复合材料热裂解；该热裂解和步骤VI的放热清扫可以同时开始。
[0059] VIII.从第二炉室15中取出清洁的纤维，除非当前的批次操作完成，否则在其中填装一定体积的复合材料。
[0060] IX.从第III步继续。
[0061] 在实验实例中，再循环的清洁纤维与最初包含在复合材料中的纤维的重量比估计为约95％，这表明了上述方法的有效性。此外，该方法还产生了能量(来自不可冷凝气体)和燃料(可冷凝气体)。
[0062] 尽管本文仅公开了数个实例，但是其他替代、
修改、使用和/或等同方案也是可能的。此外，所描述的实例的所有可能的组合也包括在内。因此，本发明的范围不应限于特定实例，而是应当仅由对所附权利要求的公正阅读来确定。如果与附图相关的附图标记出现在权利要求的括号中，则它们仅试图增加权利要求的可理解性，而不应解释为限制权利要求的范围。
