CN105820826A - 一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法。首先将废弃硒鼓碳粉干燥，然后在真空环境下加热进行高温无氧热解反应（干燥、抽真空、加热依次进行），得到热解油气和固体残渣（所述固体残渣为残留的二氧化硅和四氧化三铁）。所述热解油气是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，热解油气经过三级分段冷凝，热解油气组分经过逐级液化后分段收集得到液体油。本发明将废弃硒鼓碳粉的热解、冷凝、收集过程连续同步进行，同时实现热解油、气和固体残渣的分类收集，碳粉中有毒有机物得到无害化处理，而且，热解反应速率快、燃料油品质得到明显改善，投资少成本低，填补了废弃硒鼓碳粉资源化技术的空白，具有显著的经济效益和环境效益。

Description

一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化技术领域。更具体地，涉及一种废弃硒鼓碳粉资源化利用的技术，即利用废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法。

背景技术

随着电子信息的加速发展，打印机、复印机和传真机不断更新，硒鼓作为其更换频率最高的耗材，废弃硒鼓数量达到7500万个/年。一只废弃硒鼓中碳粉的残留量可达7.8%，因此有大量的残余碳粉有待处理。碳粉是一种粒径5-12μm的粉末，其主要成分为聚丙烯酸脂-苯乙烯，聚乙烯/聚丙烯石蜡，羟基芳香酸衍生物，四氧化三铁，二氧化硅等。其中聚丙烯酸脂-苯乙烯，聚乙烯/聚丙烯石蜡，羟基芳香酸衍生物为致癌物质。由于碳粉的颗粒粒径非常小，在废旧硒鼓回收过程中很容易弥散到环境中，被人吸入后会严重影响人体的健康。如果组分中含有的高分子有机物进入水体或土壤，会持久性地污染水体和土壤，破坏生态环境甚至进入生物食物链。

目前，废旧硒鼓中碳粉的资源化技术主要是回收再利用。专利《三星系列彩色碳粉收集处理方法》(苏国林等，CN104238330A)；专利《兄弟系列彩色碳粉收集处理方法》(苏国林等，CN104238331A)；专利《HP系列彩色碳粉收集处理方法》(苏国林等，CN104238332A)提出了一种废旧碳粉收集处理方法，通过对碳粉进行烘干，利用过滤筛进行粗筛分和精筛分；将指标测试良好的碳粉进行硒鼓测试，达到使用要求的碳粉重新利用。该方法对残余碳粉有选择性地回收利用，低品质残余碳粉会由于未达到使用标准而无法利用；回收的工业碳粉品质不一，针对特定品牌的废弃碳粉处理方法其回收能力有限。另外，以下发明专利中都提到废弃硒鼓碳粉，但注重废弃硒鼓碳粉的回收与收集，废弃硒鼓碳粉的危害性未被考虑，没有涉及废弃硒鼓碳粉最终处理处置与资源化利用的问题：专利《一种新型硒鼓碳粉回收机装置》（杨金续等，CN204576061U）；专利《废弃碳粉回收装置》（李琼联，CN201780459U）；专利《一种硒鼓回收系统及回收方法》（魏正康等，CN103488070A）；专利《硒鼓残粉回收机》（武海峰，CN202948251U）。再者，专利《废弃碳粉回收方法、回收装置及其再生塑料》(李琼联，CN102339006A)公开了一种以废弃碳粉为原料，与废弃塑料配合制成再生塑料的方法；专利《一种打印机、复印机中废弃碳粉的资源化利用方法》(唐惠东，CN104311879A)中揭示了一种废弃碳粉利用方法，通过对废弃碳粉筛分除杂、活化，作为炭黑的替代品成为橡胶的填充补强剂。然而碳粉中四氧化三铁、二氧化硅转移到塑料、橡胶中会影响其质量；碳粉中聚酯类高分子有机物未得到最终处理，仍有逃逸到环境中的可能，其危害性未得到有效抑制。

因此，研究新型的碳粉资源化处理方法是十分必要的。热解技术是将有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之成为气态、液态或固态可燃物质的分解过程。目前有关废弃硒鼓碳粉资源化技术的专利申请及相关文献报道较少，未见有任何关于通过高效的热解技术处理废弃硒鼓中碳粉的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术中废弃硒鼓碳粉资源化技术的缺陷和不足，提供一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，以最大限度的实现废弃硒鼓碳粉的资源化，同时还具有高效率和环境友好的特点。

本发明的目的是提供一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法。

本发明另一目的是提供一种利用废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的系统。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，首先将废弃硒鼓碳粉干燥，然后在真空环境下加热进行高温无氧热解反应（干燥、抽真空、加热依次进行），得到热解油气和固体残渣（所述固体残渣为残留的二氧化硅和四氧化三铁）。

进一步地，所述热解油气经过分段冷凝（组分经过逐级液化）后，分段收集得到液体油。

优选地，所述热解油气是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，所述分段冷凝是三级分段冷凝，冷凝温度根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点分别设定。

更优选地，具体地，上述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，包括如下步骤：

S1.干燥并抽真空：首先将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器中进行干燥，并利用真空泵将热解反应器内抽至真空状态（此时保证碳粉全部留在热解反应器内）；

S2.加热：利用外热式加热元件进行加热，干燥后的废弃硒鼓碳粉在高真空下进行高温无氧热解反应，分别得到热解油气和固体残渣（所述固体残渣为残留的二氧化硅和四氧化三铁）；

S3.分级冷凝：热解油气依次进入三个冷凝器进行三级冷凝，热解油气组分经过逐级液化并收集。

其中，步骤S2所述热解油气是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，蒸发的热解油气和固体残渣实现分离。

优选地，本发明方法的热解过程中真空泵持续工作，将不凝气体收集在集气瓶内；热解反应结束后，将残留的固体残渣收集在储藏罐内。

优选地，所述的冷凝器采用循环水冷却系统，三个冷凝器的冷凝温度根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点设定。

具体地，所述三个冷凝器的冷凝温度分别是30～50摄氏度、170～190摄氏度、280～300摄氏度。

优选地，所述的热解反应器和冷凝器是密闭且连续的，保证热解反应器和冷凝器处于同一真空状态。

优选地，所述的热解反应过程、冷凝收集过程与不凝气体收集过程是连续同步进行的。

优选地，步骤S1所述干燥是使废弃硒鼓碳粉在较低温度下失去水分，避免水分对热解产物的影响

优选地，步骤S1所述抽至真空状态是抽至5×10^-3～1×10^-2帕真空度。

更优选地，步骤S1所述抽至真空状态是抽至6.7×10^-3帕真空度。

优选地，步骤S2所述加热是加热至温度不低于600摄氏度，干燥后的废弃硒鼓碳粉在高真空、不低于600摄氏度下进行无氧热解反应。

更优选地，步骤S2所述加热是加热至600～1500摄氏度。干燥后的废弃硒鼓碳粉在5×10^-3～1×10^-2帕真空度、600～1500摄氏度下进行无氧热解反应。

最优选地，步骤S2所述加热是加热至600～1000摄氏度。干燥后的废弃硒鼓碳粉在6.7×10^-3帕真空度、600～1000摄氏度下进行无氧热解反应。

本发明上述技术方法是将废弃硒鼓碳粉在高温真空环境下进行热解，聚酯类高分子有机物发生碳键断裂反应，得到的低分子有机物在高温下迅速蒸发，和二氧化硅、四氧化三铁固体颗粒分离；进一步将热解得到的气体经冷凝器进行分段冷凝，得到的液体油分段收集，冷凝器优先冷凝蒸发点较高的重质油，其次是蒸发点较低的中质油和轻质油；不凝气体最后被收集在集气瓶内，实现废弃硒鼓碳粉不同组分的连续分离。具体地，该技术主要包含以下几点：

（1）将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器中进行干燥并抽真空，此时保证碳粉全部留在热解反应器内；热解反应器通过外热式加热元件进行加热，热解反应过程中保持温度恒定。

（2）碳粉在高真空下进行高温无氧热解反应，聚酯类高分子有机物发生碳键断裂并在高温下迅速蒸发，得到以低分子有机物为主的热解油气；热解油气和二氧化硅、四氧化三铁固体颗粒实现分离。

（3）经输送管道进入冷凝器内进行三级冷凝，热解油气中的组分经过逐级液化并分段收集在储油罐内。冷凝器的温度设定是液体油分段收集的关键，保证冷凝器出口处的气体温度高于设定的冷凝温度。

（4）热解反应过程中真空泵持续工作，以甲烷、乙烯、丙烯等为主的不凝气体在真空泵的抽气作用下被收集在集气瓶内。热解反应结束后，反应器内二氧化硅、四氧化三铁等固体残渣在吸粉泵的吸力作用下收集在储藏罐内。

另外，一种利用废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的系统，包括通过输送管依次连接的热解反应器、一级冷凝器、二级冷凝器、三级冷凝器和抽真空装置。

利用该系统热解废弃硒鼓碳粉生产燃料油，首先将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器中进行干燥；利用真空泵将热解反应器内抽真空；再利用外热式加热元件进行加热；干燥、抽真空、加热过程依次进行。碳粉在高真空下进行高温无氧热解反应，分别得到热解油气和残留的二氧化硅、四氧化三铁固体残渣；热解油气主要是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，经油气输送管送入三级冷凝器内进行三级冷凝；三个冷凝器的冷凝温度设定根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点为依据，冷凝器的温度设定是液体油分段收集的关键，热解油气组分经过逐级液化并收集；热解过程中真空泵持续工作，将不凝气体收集在集气瓶内；热解反应结束后，将残留的固体残渣收集在储藏罐内。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中废弃硒鼓碳粉的热解、冷凝、收集过程同步进行，碳粉中不同组分得到分类收集，碳粉中有毒有机物得到无害化处理；

（2）本发明将废弃硒鼓碳粉置于高真空、高温条件下，缩短碳粉在高温区的停留时间，热解反应速率快，避免了燃料油中杂质含量高，碳数分布范围广的问题；配合三级冷凝，燃料油品质得到明显改善；

（3）本发明无需添加其他物质，投资少成本低，填补了废弃硒鼓碳粉资源化技术的空白，具有显著的经济效益和环境效益，应用前景广泛。

附图说明

图1是本发明利用废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油方法的工艺流程图；其中：1为废弃碳粉；2为热解反应器；3为剩余的固体残渣；4为热解油气；5为一级冷凝；6为二级冷凝；7为三级冷凝；8为抽真空装置（如真空泵）；9为不凝气体；10为油气输送管。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，包括如下步骤：

S1.干燥并抽真空：首先将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器中进行干燥，并利用真空泵将热解反应器内抽至真空状态（此时保证碳粉全部留在热解反应器内），即6.7×10^-3帕真空度；蒸发的水分在预抽真空条件下被抽至装置外；

S2.加热：利用外热式加热元件进行加热至温度≥600摄氏度，干燥后的废弃硒鼓碳粉在高真空下进行高温无氧热解反应，分别得到热解油气和固体残渣（所述固体残渣为残留的二氧化硅和四氧化三铁）；

S3.分级冷凝：热解油气进入冷凝器进行三级冷凝，热解油气组分经过逐级液化并收集。

其中，步骤S2所述热解油气是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，蒸发的热解油气和固体残渣实现分离。

该技术是将废弃硒鼓碳粉在高温真空环境下进行热解，聚酯类高分子有机物发生碳键断裂反应，得到的低分子有机物在高温下迅速蒸发，和二氧化硅、四氧化三铁固体颗粒分离；进一步将热解得到的气体经冷凝器进行分段冷凝，得到的液体油分段收集，冷凝器优先冷凝蒸发点较高的重质油，其次是蒸发点较低的中质油和轻质油；不凝气体最后被收集在集气瓶内，实现废弃硒鼓碳粉不同组分的连续分离。具体地，该技术主要包含以下几点：

（1）将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器中进行干燥并抽真空，此时保证碳粉全部留在热解反应器内；热解反应器通过外热式加热元件进行加热，热解反应过程中保持温度恒定。

（2）碳粉在高真空下进行高温无氧热解反应，聚酯类高分子有机物发生碳键断裂并在高温下迅速蒸发，得到以低分子有机物为主的热解油气；热解油气和二氧化硅、四氧化三铁固体颗粒实现分离。

（3）经输送管道进入冷凝器内进行三级冷凝，热解油气中的组分经过逐级液化并分段收集在储油罐内。冷凝器的温度设定是液体油分段收集的关键，保证冷凝器出口处的气体温度高于设定的冷凝温度。

（4）热解反应过程中真空泵持续工作，以甲烷、乙烯、丙烯等为主的不凝气体在真空泵的抽气作用下被收集在集气瓶内。热解反应结束后，反应器内二氧化硅、四氧化三铁等固体残渣在吸粉泵的吸力作用下收集在储藏罐内。

实施例2

一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的系统，工艺流程如图1所示。

将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器（2）中进行干燥；利用真空泵（8）将热解反应器内抽真空；利用外热式加热元件进行加热。干燥、抽真空、加热过程依次进行。

碳粉在高真空下进行高温无氧热解反应，分别得到热解油气和残留的二氧化硅、四氧化三铁固体残渣（3）；热解油气主要是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，经油气输送管送入冷凝器内进行三级冷凝（5、6、7）；三个冷凝器的冷凝温度设定根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点为依据，冷凝器的温度设定是液体油分段收集的关键，热解油气组分经过逐级液化并收集；热解过程中真空泵持续工作，将不凝气体（9）收集在集气瓶内；热解反应结束后，将残留的固体残渣收集在储藏罐内。

根据本发明的方法，采用干燥方式可提高碳粉的C/H比和C/O比，以减少焦炭和二氧化碳等二次产物的产生。碳粉组分中的二氧化硅、四氧化三铁颗粒起到凝结核心作用，可作为二次产物焦炭附着的载体，减少焦炭在反应器内表面的附着。

根据本发明的方法，热解反应与冷凝回收过程同步且连续进行，热解反应得到的热解油气进入冷凝器内进行三级冷凝。3个冷凝器采用串联方式，各级冷凝器中油气的液化收集单独进行，各级冷凝器的温度设定和控制是关键。

实施例3

1、从某固废处理中心获取收集废弃硒鼓碳粉，取300g碳粉样品，送入热解反应器内，利用实施例2所述系统进行热解，热解温度设定在700摄氏度，三级冷凝温度分别设定为40摄氏度、180摄氏度、290摄氏度。最终获得三种油气。

2、废弃硒鼓碳粉组分中的聚酯类物质主要为聚丙烯酸酯-聚苯乙烯经过上述热解处理后，利用高效液相色谱对重质油进行油品分析，利用气相色谱对中质油、轻质油进行油品分析。

结果显示，其中，重质油产率较小，组分中包括少量苯乙烯和丙烯酸酯的高聚物，可能是在升温过程中熔融蒸发所致；中质油的组分主要为苯乙烯单体、丙烯酸酯单体及其衍生物；轻质油中包含多种烯烃。

3、另外，经过测定，获得的重质油、中质油和轻质油的品质良好。

Claims (10)

1.一种废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，首先将废弃硒鼓碳粉干燥，然后在真空环境下加热进行高温无氧热解反应，得到热解油气和固体残渣。

2.根据权利要求1所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，所述热解油气经过分段冷凝，分段收集得到液体油。

3.根据权利要求2所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，所述热解油气是重质油、中质油和轻质油的汽化状态，所述分段冷凝是三级分段冷凝，冷凝温度根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点分别设定。

4.根据权利要求1～3任一所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.干燥并抽真空：首先将废弃硒鼓碳粉送入热解反应器中进行干燥，并将热解反应器内抽至真空状态；

S2.加热：利用外热式加热元件进行加热，干燥后的废弃硒鼓碳粉在高真空下进行高温无氧热解反应，分别得到热解油气和固体残渣；

S3.分级冷凝：热解油气依次进入三个冷凝器进行三级冷凝，热解油气组分经过逐级液化并收集。

5.根据权利要求4所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，热解过程中真空泵持续工作，将不凝气体收集在集气瓶内；热解反应结束后，将残留的固体残渣收集在储藏罐内。

6.根据权利要求4所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，所述的冷凝器采用循环水冷却系统，三个冷凝器的冷凝温度根据重质油、中质油和轻质油的冷凝点设定。

7.根据权利要求4所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，所述的热解反应器和冷凝器是密闭且连续的，保证热解反应器和冷凝器处于同一真空状态。

8.根据权利要求4所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，所述的热解反应过程、冷凝收集过程与不凝气体收集过程是连续同步进行的。

9.根据权利要求4所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，步骤S1所述抽至真空状态是抽至5×10^-3～1×10^-2帕真空度。

10.根据权利要求4所述废弃硒鼓碳粉热解生产燃料油的方法，其特征在于，步骤S2所述加热是加热至温度不低于600摄氏度。