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ES2867390T3 - Procedimiento y aparato para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto - Google Patents

Procedimiento y aparato para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto Download PDF

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ES2867390T3
ES2867390T3 ES17382330T ES17382330T ES2867390T3 ES 2867390 T3 ES2867390 T3 ES 2867390T3 ES 17382330 T ES17382330 T ES 17382330T ES 17382330 T ES17382330 T ES 17382330T ES 2867390 T3 ES2867390 T3 ES 2867390T3
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fibers
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furnace chamber
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Garcia Roger Grau
Garcia Ferran Grau
Garcia Oriol Grau
Gomez Felix Antonio Lopez
Largo Olga Rodriguez
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Bcircular Composites Sl
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
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Abstract

Procedimiento para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto, que comprende las etapas de: - cargar una primera cámara de horno (10) con un volumen del material compuesto (18); - termolizar el material compuesto en la primera cámara de horno (10), dando como resultado una fracción gaseosa que se evacúa de manera continua de la cámara de horno, y un residuo de fibras cubiertas con residuo de carbón (19) que queda en la cámara de horno; - romper la fracción gaseosa de la etapa de termólisis, dando como resultado una mezcla de gases condensables y no condensables; - cargar una segunda cámara de horno (15) con un volumen del material compuesto; - inyectar una corriente de un gas que contiene oxígeno en la primera cámara de horno (10) todavía caliente después de que se ha completado la termólisis en la misma, para quemar el residuo de carbón de las fibras en una combustión exotérmica; - termolizar el material compuesto en la segunda cámara de horno (15), aportando calor la combustión que se está produciendo o que ha tenido lugar en la primera cámara de horno (10), dando como resultado una fracción gaseosa que se evacúa de manera continua de la segunda cámara de horno, y un residuo de fibras cubiertas con residuo de carbón que queda en la segunda cámara de horno; - romper la fracción gaseosa de la etapa de termólisis en la segunda cámara de horno (15), dando como resultado una mezcla de gases condensables y no condensables; - descargar las fibras limpias de la primera cámara de horno (10) y cargar esta última con un volumen del material compuesto; - inyectar una corriente de un gas que contiene oxígeno en la segunda cámara de horno (15) todavía caliente después de que se haya completado la termólisis en la misma, para quemar el residuo de carbón de las fibras en una combustión exotérmica; - termolizar el material compuesto en la primera cámara de horno (10), aportando calor la combustión que se está produciendo o que ha tenido lugar en la segunda cámara de horno (15), dando como resultado una fracción gaseosa que se evacúa de manera continua de la primera cámara de horno, y un residuo de fibras cubiertas con residuo de carbón que queda en la primera cámara de horno; - romper de la fracción gaseosa de la etapa de termólisis en la primera cámara de horno (10), dando como resultado una mezcla de gases condensables y no condensables; - descargar las fibras limpias de la segunda cámara de horno (15) y cargar esta última con un volumen del material compuesto; - inyectar una corriente de un gas que contiene oxígeno en la primera cámara de horno todavía caliente (10) después de que se haya completado la termólisis en la misma, para quemar el residuo de carbón de las fibras en una combustión exotérmica.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y aparato para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto
La presente descripción se refiere a un procedimiento y a un aparato para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto, comprendiendo el aparato una cámara de horno para termolizar un volumen del material compuesto, que es una etapa del procedimiento.
ANTECEDENTES
Un material compuesto es un material formado por dos o más componentes (materiales constituyentes) con diferentes propiedades físicas o químicas que, al combinarse, producen un material (el compuesto) con características diferentes de los componentes individuales y superiores a los mismos. Los componentes individuales se mejoran entre sí, pero permanecen separados y distintos dentro del compuesto. Existen dos categorías principales de materiales constituyentes: una fase continua denominada 'matriz' (o 'aglomerante”) y una fase dispersa denominada 'refuerzo'. El material de matriz rodea y soporta los materiales de refuerzo manteniendo sus posiciones relativas y confiere resistencia térmica y ambiental al material compuesto. Los refuerzos imparten sus propiedades físicas y mecánicas especiales para fortalecer la matriz, por ejemplo, para evitar la propagación de grietas.
Los polímeros son matrices típicas especialmente utilizadas para plásticos reforzados con fibras, en los que las fibras constituyen el refuerzo. Los materiales compuestos a base de polímeros más comunes comprenden una resina, por ejemplo, resina epoxi. Por ejemplo, los materiales compuestos se utilizan con frecuencia para las palas del rotor de un aerogenerador; las resinas típicas utilizadas para estos materiales compuestos incluyen poliéster y epoxi, mientras que, a menudo, se emplean fibras de vidrio y carbono como refuerzo.
En vista de las crecientes preocupaciones medioambientales, ha surgido una cuestión importante respecto a cómo reciclar los elementos de plástico reforzado con fibra simplemente sin procesar dichos elementos mediante una mera (y peligrosa) combustión o vertido. En particular, el reciclaje de las palas de un aerogenerador fabricadas con materiales compuestos constituye un problema debido a las grandes dimensiones de las palas, y también a la dificultad de separar de manera segura las fibras del polímero con la resina, pero es aconsejable, no obstante, tratar de recuperar el contenido de fibra de los plásticos reforzados con fibra, en lugar de simplemente desecharlo, para reutilizar las fibras en elementos de plástico reforzado con fibra recién producidos, por ejemplo, nuevas palas de aerogeneradores.
EP2783764 describe un procedimiento que consiste en un proceso térmico en el que el material compuesto se piroliza a una temperatura relativamente baja en una cámara de horno cerrada con una atmósfera inactiva, por ejemplo, en forma de nitrógeno. Las condiciones de temperatura y combustión están destinadas a que la matriz se gasifique dejando las fibras más o menos intactas, posibilitando así el reciclado, por lo menos en principio. Además, también cada uno de los documentos US 2004/173239 A1, EP 3 023 478 A2 y EP 1 577 366 A2 describe procedimientos y aparatos de termólisis de acuerdo con la técnica anterior.
DESCRIPCIÓN
Un objeto de la presente descripción es un procedimiento y un aparato para reciclar de manera eficiente fibras de elementos plásticos reforzados con fibras desechados, haciendo que sea factible, de este modo, recuperar y reutilizar las fibras.
El procedimiento y el aparato de la presente invención se definen en las reivindicaciones 1-11 adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
A continuación, se describirán unos ejemplos con referencia a los dibujos adjuntos, no formando parte las figuras 1-4 del alcance del objeto reivindicado, describiendo la figura 5 una realización de acuerdo con la presente invención, en los cuales:
la figura 1 es una vista esquemática de un aparato para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto; la figura 2 es otra vista esquemática del aparato de la figura 1;
la figura 3 es una vista esquemática que ilustra un uso del aparato de la figura 1;
la figura 4 es una vista esquemática que ilustra otro uso del aparato de la figura 1; y
la figura 5 es una vista esquemática de dos cámaras de horno de un aparato para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE EJEMPLOS
El aparato de las figuras 1 y 2 comprende un horno 1 provisto de una cámara de horno 10, un quemador 11 para la cámara 10, una primera salida 12 desde la cámara 10, una entrada 13 hacia la cámara 10 y una segunda salida 14 desde la misma. La primera salida 12 conduce (a través de un conducto) a un elemento reductor 20 que comprende un agente reductor 21, por ejemplo, zeolita o un catalizador de SiC. Curso abajo del catalizador hay un condensador 31 desde el cual pueden conducirse gases no condensables, a través de un filtro 32, hacia el quemador 11.
La entrada 13 permite inyectar una corriente de aire (u otro gas que contenga oxígeno) a la cámara de horno 10, y la segunda salida 14 es para evacuar gases de combustión desde la cámara de horno 10 hacia un separador (por ejemplo, un ciclón) 41 y algunos filtros adicionales 42. El aparato comprende también válvulas adecuadas en los conductos.
El funcionamiento con el aparato es tal como sigue (el objetivo es extraer fibras limpias de una parte desechada formada por un material compuesto a base de polímero con fibras incorporadas, por ejemplo, fibras de vidrio o carbono, por ejemplo, una pala de un aerogenerador extraída):
A. Cortar o golpear la parte de material compuesto en pequeños trozos o fragmentos.
B. Introducir un volumen adecuado de dichos fragmentos 18 (figura 3) en la cámara de horno 10.
C. Pirolizar (o, más generalmente, termolizar) el material compuesto 18 presente en la cámara de horno 10 a una temperatura de 350-600° C, preferiblemente de aproximadamente 550° C, hasta que la matriz (por ejemplo, formada de resina) del material compuesto se haya descompuesto completamente.
D. Extraer continuamente la fracción gaseosa producida en la pirólisis a través de la primera salida 12, y romper esta fracción gaseosa haciéndola pasar por el agente reductor 21, que se mantiene a una temperatura de 250­ 400° C, preferiblemente de aproximadamente 350° C.
E. Llevar los gases producidos en el proceso de ruptura al condensador 31, donde se enfrían rápidamente (por debajo de 10° C) para obtener dos combustibles diferentes: un gas condensado (es decir, un combustible líquido para comercializarse o utilizarse de cualquier manera) y un gas no condensable que se separa y se lleva hacia el quemador 11, después de ser filtrado a través del filtro 32.
El agente reductor 21 está termorregulado, es decir, su temperatura se controla cuidadosamente para optimizar las reacciones de ruptura. El gas o gases no condensables introducidos en el quemador 11 se queman en el mismo y así aportan energía térmica a la pirólisis (al principio, cuando este combustible reciclado todavía no está disponible, puede utilizarse un combustible externo, por ejemplo, propano) o, alternativamente, en lugar de llevar el gas no condensable al quemador 11, el gas no condensable puede utilizarse para accionar una turbina (no mostrada) en un proceso de cogeneración. Los gases condensados pueden recogerse en diferentes recipientes dependiendo de sus temperaturas de condensación.
Aparte de la fracción gaseosa, el otro resultado de la pirólisis es una acumulación de fibras cubiertas con residuo de carbón 19 (figura 4), y la operación continúa de la siguiente manera:
F. Justo después de que se haya completado la pirólisis, inyectar una corriente de un gas que contenga oxígeno (por ejemplo, aire o aire enriquecido con oxígeno, por ejemplo, aire enriquecido con un 6% de volumen de O2) en la cámara de horno 10, que todavía está muy caliente por la pirólisis (básicamente a su misma temperatura), hasta que el residuo de carbón se quema en una combustión exotérmica, dejando las fibras limpias.
G. Extraer de manera continua la corriente gaseosa combinada de la cámara de horno 10 a través de la segunda salida 14 y llevar dichos gases de combustión al separador 41, por ejemplo, un ciclón, donde se tratan y se filtran adecuadamente (por lo menos parte de los gases de combustión pasan a través de los filtros 42).
La figura 3 muestra los procesos de pirólisis y ruptura (etapas C, D y E). Las válvulas negras en línea continua representan válvulas abiertas y las válvulas blancas representan válvulas cerradas. Las flechas rectas representan flujos de gas y la flecha curva de la parte inferior del condensador 31 representaría un flujo de líquido (en caso de que la válvula inferior correspondiente estuviera abierta).
La figura 4 muestra la combustión exotérmica (etapas F y G); como antes, las válvulas negras en línea continua representan válvulas abiertas y las válvulas blancas representan válvulas cerradas, y las flechas rectas representan flujos de gas. La flecha de múltiples puntas en la cámara 10 representa la combustión del residuo de carbón. La etapa F puede denominarse 'barrido exotérmico'.
La figura 5 muestra otro ejemplo en el que el horno 1 comprende dos cámaras de horno, una primera cámara de horno 10 y una segunda cámara de horno 15. Este aparato puede funcionar en modo discontinuo de la siguiente manera:
I. Cargar cámaras de horno 10 y 15 con respectivos volúmenes de un material compuesto.
II. Pirolizar el material compuesto presente en la primera cámara de horno 10.
III. Barrer exotérmicamente las fibras cubiertas de residuo de carbón en la primera cámara de horno 10.
IV. Pirolizar el material compuesto presente en la segunda cámara de horno 15 utilizando calor de la etapa III; esta pirólisis y el barrido exotérmico de la etapa III pueden comenzar simultáneamente.
V. Descargar las fibras limpias de la primera cámara de horno 10 y cargar un volumen de material compuesto en su interior.
VI. Barrer exotérmicamente las fibras cubiertas de residuo de carbón en la segunda cámara de horno 15.
VII. Pirolizar el material compuesto presente en la primera cámara de horno 10 utilizando calor de la etapa VI; esta pirólisis y el barrido exotérmico de la etapa VI pueden comenzar simultáneamente.
VIII. Descargar las fibras limpias de la segunda cámara de horno 15 y, salvo que finalice la operación por lotes actual, cargar un volumen de material compuesto en la misma.
IX. Continuar desde la etapa III.
En ejemplos experimentales, se estimó que la relación de peso entre fibras limpias recicladas y las fibras contenidas inicialmente en el material compuesto era de aproximadamente de un 95%, lo que muestra la eficacia del procedimiento descrito anteriormente. Además, el procedimiento adicionalmente produce energía (a partir de los gases no condensables) y combustible (los gases condensables).
Aunque solamente se han descrito aquí varios ejemplos, son posibles otras alternativas, modificaciones y/o usos de los mismos. Por tanto, el alcance de la presente descripción no debería limitarse por ejemplos particulares, sino que debería determinarse únicamente mediante una lectura adecuada de las siguientes reivindicaciones. Si en una reivindicación hay signos de referencia entre paréntesis relacionados con los dibujos, éstos son únicamente para intentar aumentar la inteligibilidad de la reivindicación y no deben interpretarse como una limitación del alcance de la reivindicación.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para recuperar fibras incorporadas en un material compuesto, que comprende las etapas de: - cargar una primera cámara de horno (10) con un volumen del material compuesto (18);
- termolizar el material compuesto en la primera cámara de horno (10), dando como resultado una fracción gaseosa que se evacúa de manera continua de la cámara de horno, y un residuo de fibras cubiertas con residuo de carbón (19) que queda en la cámara de horno;
- romper la fracción gaseosa de la etapa de termólisis, dando como resultado una mezcla de gases condensables y no condensables;
- cargar una segunda cámara de horno (15) con un volumen del material compuesto;
- inyectar una corriente de un gas que contiene oxígeno en la primera cámara de horno (10) todavía caliente después de que se ha completado la termólisis en la misma, para quemar el residuo de carbón de las fibras en una combustión exotérmica;
- termolizar el material compuesto en la segunda cámara de horno (15), aportando calor la combustión que se está produciendo o que ha tenido lugar en la primera cámara de horno (10), dando como resultado una fracción gaseosa que se evacúa de manera continua de la segunda cámara de horno, y un residuo de fibras cubiertas con residuo de carbón que queda en la segunda cámara de horno;
- romper la fracción gaseosa de la etapa de termólisis en la segunda cámara de horno (15), dando como resultado una mezcla de gases condensables y no condensables;
- descargar las fibras limpias de la primera cámara de horno (10) y cargar esta última con un volumen del material compuesto;
- inyectar una corriente de un gas que contiene oxígeno en la segunda cámara de horno (15) todavía caliente después de que se haya completado la termólisis en la misma, para quemar el residuo de carbón de las fibras en una combustión exotérmica;
- termolizar el material compuesto en la primera cámara de horno (10), aportando calor la combustión que se está produciendo o que ha tenido lugar en la segunda cámara de horno (15), dando como resultado una fracción gaseosa que se evacúa de manera continua de la primera cámara de horno, y un residuo de fibras cubiertas con residuo de carbón que queda en la primera cámara de horno;
- romper de la fracción gaseosa de la etapa de termólisis en la primera cámara de horno (10), dando como resultado una mezcla de gases condensables y no condensables;
- descargar las fibras limpias de la segunda cámara de horno (15) y cargar esta última con un volumen del material compuesto;
- inyectar una corriente de un gas que contiene oxígeno en la primera cámara de horno todavía caliente (10) después de que se haya completado la termólisis en la misma, para quemar el residuo de carbón de las fibras en una combustión exotérmica.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la termólisis es una pirólisis.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de que la etapa de ruptura se realiza haciendo circular la fracción gaseosa a través de un agente reductor (21).
4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende la etapa de utilizar el gas o gases no condensables para aportar calor a la primera o segunda cámara de horno (10; 15) en la etapa de termólisis.
5. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la termólisis se realiza al vacío.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por el hecho de que por lo menos una etapa de pirólisis se realiza con la primera o segunda cámara de horno (10; 15) a una temperatura de 350-600°C.
7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el gas que contiene oxígeno utilizado en por lo menos una etapa de combustión es aire enriquecido con un 2-20% en volumen de oxígeno.
8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado por el hecho de que el agente reductor (21) se mantiene a una temperatura de 250-400°C.
9. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que por lo menos una etapa de termólisis dura entre 1 y 4 horas.
10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que por lo menos una etapa de combustión dura entre 1 y 4 horas.
11. Aparato para llevar a cabo el procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende un horno (1) que tiene la primera cámara de horno (10) y la segunda cámara de horno (15) y un elemento reductor (20) para ruptura, en el que la primera y la segunda cámara de horno están configuradas para llevar a cabo el procedimiento de la reivindicación 1.
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