废弃印刷线路板热解能耗实验研究

郭晓娟，左远志，秦贯丰，杨晓西

(东莞理工学院 能源与化工系，广东 东莞523808)

随着信息产业的发展和技术的更新，印刷线路板的产量不仅数量惊人 ，而且还有上升趋势［1］。研究表明:热解法处理废弃印刷线路板不产生二恶英等剧毒气体，产生低毒小分子含溴气体可依据物理特性分离后作为化工原料回收;热解油含溴量低，可直接作燃料回收［2］。但是在回收方法的选择中不仅要考虑环境因素，还要考虑回收的经济效益，毕竟线路板热解需要消耗大量的热量。目前，国内外对废弃物回收的经济性做了相关探讨［3］，但是对于电子废弃物热解的研究多集中在热解产物特性分析［4－6］或热解产物脱溴方面［7－10］，而对热解能耗的研究鲜有报道［11］。开展线路板热解能耗的研究，不仅可以为热解炉的设计提供基础数据，也为将来综合考虑环境、经济两方面因素而建立的固体废弃物回收评价系统提供基础信息。

1 热解实验装置

实验样品选取深圳恩达科技有限公司生产的FR4型和Teflon型印刷线路板。FR4型线路板是目前使用最多的一类印刷线路板，Teflon印刷线路板是一种很有潜力的印刷板［12］。

图1为固定床热解装置示意图。实验电阻炉采用天津市天骄实验电炉厂生产的型号SX3－4－10的带程序温控的电阻炉。装置6、7实现热解产物的收集;装置10是青岛电度表厂生产的单相电度表，测量精度0.1 kWh，设置的目的是获得线路板热解能耗分析数据。研究表明:FR4线路板热解温区为300～400℃［13］，Teflon板 热 解 温 区 为500～600℃［14］。因此对于两种板型的线路板实验步骤分别为:

图1 固定床热解实验装置示意图

(1)将约39.67 g的FR4板放入热解炉进行热解实验，电阻炉程序控制温度设置为两段:1→2，程序升温段，初始温度20℃，终温500℃，升温时间48 min;2→3，恒温段，保持500℃恒温30 min。记录试验前后电表读数。试验结束，将固体产物取出，清洁热解炉反应器后将反应器放入电阻炉内进行空烧，电阻炉程序控制温度设置条件同上。记录试验前后电表读数。

(2)将约88.62 g的Teflon板放入热解炉，进行热解实验，电阻炉程序控制温度设置为两段:1→2，程序升温段，初始温度30℃，终温700℃，升温时间67 min;2→3，恒温段，保持700℃恒温30 min。记录试验前后电表读数。热解试验结束，将固体产物取出，清洁热解炉反应器后将反应器放入电阻炉内进行空烧，电阻炉程序温控设置条件同上。记录实验前后电表读数。

2 热解能耗分析

将放试样前的电表读数记为P1，设定温度控制系统进行线路板热解试验后电表读数记为P2，线路板热解过程的总能耗记为Qa，则Qa包括三部分

式中Qa——总能耗/kJ，Qa=3 600(P2－P1);

Q1——线路板热解反应热，物料发生热解反应过程中吸收的热量/kJ;

Q2——热解反应系统的热容/kJ;

Q3——电阻炉散热损失/kJ。

2.1 电阻炉散热损失Q3

电阻炉散热损失是随系统的温度变化而变化的。当空烧炉子时，加热炉子至某一温度下，使炉温保持此温度恒定。当达到此温度初始时刻，由于炉子的热容作用，需要吸收大量热量，这时电阻炉的电压表、电流表指针均出现较大波动。待一定时间后，系统与外界达到了热平衡，电压表和电流表指针仅有微小波动甚至不动。此时，电阻炉的耗电量就是此温度下电阻炉保持炉膛恒温所消耗的能量即散热损失，通过电表的读数就可以得到电阻炉此温度下的热损失。从200～800℃，每隔100℃取一个测点计算瞬时散热损失。由于篇幅所限，仅给出400～800℃温度下的瞬时散热损失随时间变化规律，如图2～图6所示。

图2 400℃时散热损失变化规律

图3 500℃时散热损失变化规律

图4 600℃时散热损失变化规律

图5 700℃时散热损失变化规律

由图2～图6可知，电阻炉设定不同温度，瞬时散热损失值基本保持在某一数值范围内上下微小波动。随着设定温度的上升，瞬时散热损失也越来越大。400℃时，平均热损失仅为352.90 W，而800℃达到了609.52 W。对所测散热平均损失数据与炉温关系进行曲线多项式拟合，拟合结果表明散热损失值与温度曲线接近一条直线，拟合等式

式中T——电阻炉设定炉温/℃;

W3——瞬时散热损失/kW。

2.2 热解反应系统热容Q2和热解反应热Q1的计算

热解系统装置的热容和热解反应热也是随温度变化的物理量，很难通过实验手段测量得到。本研究采用差减法计算热解反应热和热解反应系统热容。

(1)热解反应热Q1

式中Q1——热解反应热/kJ;

Qa——可以通过固定床实验装置中的电表测量数据差值获得/kJ;

Qb——在相同的温度控制设置条件下，热解系统装置未加实验样品空烧所耗能量/kJ，

Qb=Q2+Q3，此项数值也可通过固定床实验装置中的电表测量差值获得。

(2)热解系统装置的热容Q2

虽然热解系统热容很难通过实验测得，但是可通过以下等式计算得到

式中Q3——散热损失/kJ。

假设电阻炉程序温度控制设计为两段温度段:

①1→2，升温段，初温温度T0，初始时刻0终温Te，终温时刻tm;

②2→3，保温段，温度升到Te后，系统保温时间t k。

在升温段温度与时间的关系式

电阻炉散热损失

式中 β'——电阻炉平均升温速率/℃·min－1。

3 FR4线路板热解油气热值分析

通过固定床热解实验装置，FR4线路板热解产生71.60%的固体产物，18.23%的热解油，10.71%的热解气［15］。热解油采用氧弹式量热仪检测其热值，热解气体产物的热值通过各种气体产物的质量百分比来核算。测量和计算结果为:每公斤FR4线路板热解油热值约为4.50 MJ，热解气热值约为2.39 MJ。

4 热解能耗分析结果

按上述介绍的方法计算热解反应热、电阻炉散热损失、系统热容等数据，计算结果见表1。计算结果表明:热解几十克的FR4线路板和Teflon线路板所需热解反应热占总能耗的24.68%和14.58%;热解反应系统热容占总能耗的比例分别为20.75%和39.59%;电阻炉散热损失的比例分别为54.66%和45.82%。若把系统热容和散热损失之和定义热解反应系统热损失，则系统热损失分别高达75.42%和85.42%。热损失在热解能耗中所占比例较大，减小热损失是减小热解能耗的首要措施。综合分析产生此现象的原因:电阻炉的温度设计过分保证有机物的充分热解是热解反应热的能耗比例偏低的主要原因。在实验中发现:对于FR4板，在热解炉温度约350℃时，有大量的气体、热解油产生，此现象持续3 min左右，陆续有少量气体产生，在约400℃以后，几乎没有气体和热解油产生，说明线路板热解基本完成。而电阻炉程序温控设计热解终温500℃，且保持30 min恒温，这样散热损失能耗加大。对于Telfon板，在热解炉温度约560℃时，有大量的气体，此现象持续几分钟，陆续有少量气体产生，在约650℃以后，几乎没有气体产生，说明线路板热解基本完成。而电阻炉程序温控设计热解终温700℃，且保持30 min恒温。因此在工程实践中，设计合理的加热方式保证线路板受热均匀和自动化监控停炉、起炉控制是节能的关键措施之一。

表1 热解能量数据计算一览表

热解温度越高，热损失越大，对于本文的研究Teflon板热解终温700℃，热损失5 904 kJ，而FR4板热解终温仅500℃，热损失2 387.65 kJ。因此在工程设计中，尽可能设计较低的热解温度且增加单炉的线路板处理量，以减少热损失在总能耗中的比例。热损失包括散热损失和系统热容。本文的实验研究表明:散热损失在热损失中的比例较大，因此，做好电阻炉或者热解炉的保温工作是减小能耗的有效措施。由式(6)，减小散热损失可通过减小平均升温速率来实现。每千克FR4板热解气和油的热值仅占热解反应热34.98%，如果热解反应连续进行，仅靠热解油和气能量不足以维持反应的进行，还要依靠其它方式热源来维持。

5 结论

本文通过对热解反应过程中的能耗分析，可得出如下结论:

(1)FR4、Teflon型线路板热解反应热分别为19.692 MJ/kg和11.374 MJ/kg，热解反应耗能较大。对于FR4板来说，回收的热解气和油作为燃料回收，热量仅为反应热的34.98%，不足以维持热解反应的持续进行。

(2)对于本文实验研究中所用的加热设备来说，热损失较大。在工程实践中，如何开发热损失小，热效率高的炉型是热解技术解决的问题之一。另外，一方面，应开展线路板催化热解研究，以尽量实现线路板较低的热解温度，减小热解反应热，同时也可以减小系统热容和散热损失。同时，减小平均升温速率是提高热解技术处理废弃印刷线路板经济性的有效措施。

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