風力發(fā)電葉片回收技術及發(fā)展展望

陳天嘯

（大唐江蘇發(fā)電有限公司新能源分公司，南京 210011）

0 前言

隨著“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略目標的提出，提高非化石能源占比且大力發(fā)展清潔能源成為實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵途徑。其中新能源領域的風電將迎來歷史性發(fā)展機遇，在未來能源體系中扮演重要的角色。

風力發(fā)電的發(fā)展需要大量風機葉片的支撐。然而，一般風機葉片的標準設計使用壽命約為20～25年［1-2］。Albers［3］等人預測，目前全球大部分已安裝的風機葉片將在2020年至2034年完成其標準壽命。在我國，第一批投入使用的風電葉片預計也將在2025年左右退役。因此，未來全球?qū)霈F(xiàn)一輪風電葉片報廢風潮，帶來大量復合材料廢物垃圾。目前風機葉片使用的碳纖維和玻璃纖維等復合材料降解難度大且回收過程復雜，因此，廢棄葉片的回收再利用受到了廣泛關注［4-8］。

1 風機葉片的結(jié)構(gòu)組成

風機葉片是一種復合結(jié)構(gòu)，由各種不同性能的材料組成。風機葉片典型材料如圖1所示，包括增強纖維、聚合物基質(zhì)、核心、涂層和五金。伴隨著風電行業(yè)的快速發(fā)展，碳纖維（CF），玻璃纖維（GF）以及碳/玻璃(混雜)纖維增強聚合物復合材料因其高強度、高剛度等特殊的力學性能，廣泛應用于風機葉片中，從而實現(xiàn)葉片的輕質(zhì)高強，獲得最佳空氣動力學性能［9-14］。圖2給出了應用于風機葉片的玻璃纖維和碳纖維材料的微觀結(jié)構(gòu)。玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高，但缺點是性脆，耐磨性較差。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，是新一代增強纖維。

圖1 風機葉片結(jié)構(gòu)

圖2 纖維增強復合材料葉片，玻璃纖維（a）和碳纖維（b）

2 風機葉片的回收方法

傳統(tǒng)的填埋或焚燒等方法需在露天堆積，阻礙了資源的再利用，且堆放和填埋占用有價值的空間或者土地，帶來了環(huán)境的污染。同時焚燒也會污染周圍環(huán)境，并且高價值碳纖維無法被再次利用，造成資源浪費。因此，葉片的回收再利用勢在必行。

通常葉片材料的回收方法有機械回收法、熱回收法以及化學回收法，如圖3所示。使用這些方法回收后的葉片材料經(jīng)處理后可應用于其他行業(yè)，實現(xiàn)資源再利用。

圖3 常見葉片復合材料廢棄物回收方法

2.1 機械回收法

機械回收法是主要通過物理方法，將風機葉片中的復合材料切碎、研磨或銑削分割成較小的碎片，然后再進一步研磨成粉末狀材料的回收方法，如圖4所示。機械回收過程中，風機葉片通過帶鋸機切割、研磨成不同形狀，不同大小的廢料。粉碎的部分材料轉(zhuǎn)換成不同大小的顆粒和短纖維，得到的這些顆粒和纖維可回收利用在混凝土，尼龍和聚丙烯基復合材料等，實現(xiàn)風機葉片材料的回收利用。

圖4 廢棄葉片機械回收

Jiang［15］采用了切碎和篩分的方法回收風機葉片中的短纖維，并將短纖維用膠凝基質(zhì)加固混凝土，改善了玻璃纖維混凝土的抗彎強度和抗壓強度。此回收方法可成功用于微混凝土的生產(chǎn)與開發(fā)。Kouparitsas CE［16］等人利用從葉片熱固性復合材料中回收的短纖維制造新型復合材料。通過機械研磨法回收玻璃鋼并進一步分析了纖維尺寸(長度)和環(huán)氧樹脂殘留量，以制備新型復合材料。 Beauson［17］等人通過回收風機葉片復合材料碎片成功得到聚酯樹脂復合材料。

目前，機械回收方法已達到工業(yè)規(guī)模，具有工藝簡單，無有害氣體，成本低等優(yōu)點，且回收的碳纖維還可以應用于建筑行業(yè)。但是該方法處理能力弱，回收纖維的機械性能損失嚴重，回收物市場價值低。

2.2 熱回收法

目前風機葉片復合材料的熱回收法主要有兩種，即熱解法和流化床法?；驹硎峭ㄟ^外部加熱來降解廢棄的復合材料，并將其轉(zhuǎn)化為固體、液體和氣體等產(chǎn)品。在降解過程中由于復合材料中聚合物成分的存在而產(chǎn)生大量的能量，可用于發(fā)電等用途。采用流化床工藝，可使得廢棄的葉片復合材料在熱空氣中固化或在無氧環(huán)境中加熱，其操作溫度條件介于450～700℃，能夠從復合材料中回收玻璃纖維和碳纖維。通過熱回收法回收的碳纖維強度能夠達到原來的70%～90%。

2.2.1 熱解法

在廢棄葉片復合材料的各種熱回收方法中，熱解法已發(fā)展到工業(yè)水平。根據(jù)廢舊復合材料和增強材料的類型，在無氧環(huán)境中，400～1000℃的溫度范圍內(nèi)進行加工。廢棄風電葉片熱解回收工藝如圖5所示。首先將廢舊葉片進行粉碎等初步處理，然后在惰性氣氛以及受控溫度下進行聚合物基質(zhì)的分解。通過這種方式，可以將基質(zhì)分解成固體、油、氣體和聚芳烴炭的混合物。而纖維仍保持惰性，隨后可以將其回收。同時，熱解所產(chǎn)生的高熱值液體和氣體可以被收集并用作燃料或二次資源。

圖5 廢棄葉片熱解工藝

Cunliffe［18］等人利用熱解法回收葉片廢棄物中的玻璃纖維。采用氧化法從熱解固體殘渣中回收玻璃纖維作為填料和纖維混合物。Feih［19,20］等人對E-玻璃纖維在熱解溫度下的性能降低進行了研究，分析了溫度和加熱時間對E-玻璃纖維和無硼E-玻璃纖維抗拉強度和破壞機制的影響。結(jié)果表明，熱加工方法回收的玻璃纖維復合材料會降低回收的玻璃纖維的強度。Akesson［21］等人研究了微波熱解法回收風電葉片的玻璃纖維增強復合材料。該實驗從風力機的廢棄葉片中回收了玻璃纖維和油，回收得到的玻璃纖維長度大部分為0～30 mm，有的甚至在30 mm以上，大約52%（質(zhì)量分數(shù)）的纖維長度小于15.7 mm。微波熱解后的玻璃纖維占玻璃纖維增強復合材料初始質(zhì)量的70%，且與未經(jīng)處理的玻璃纖維相比，回收后纖維的拉伸強度損失了25%。Mazzocchetti［22］等人監(jiān)測了氧化對原生碳纖維和熱解纖維的影響。發(fā)現(xiàn)原生碳纖維在氧化過程中更容易受損。Ma［23］等人通過研究證實了蒸汽在降低碳纖維質(zhì)量損失方面的作用。在700℃熱解過程中，氧氣和空氣體積分數(shù)為10%時可分別導致纖維質(zhì)量損失約26%和37%。而在氮氣和蒸汽的存在下，質(zhì)量損失僅為0.22%和0.19%。Hadigheh［24］等人通過優(yōu)化工藝開發(fā)出一種高效節(jié)能的熱解技術，同時可以改善回收碳纖維的表面特性。

2.2.2 流化床回收法

流化床回收法是一種使用熱空氣將基體與嵌入的纖維分離的技術。與其他類似工藝相比，該工藝回收纖維的效率較高［25］。該工藝旨在通過熱或氧化工藝提取熱固性聚合物基質(zhì)，生產(chǎn)清潔的纖維。諾丁漢大學利用流化床技術開發(fā)了纖維增強復合材料的回收技術。該技術能夠從廢棄的玻璃纖維和碳纖維中回收高級纖維［26,27］。然而，回收纖維的抗拉強度降低20%。Guo［28］等人使用流化床在氮氣條件下進行實驗，分析了固體、液體和氣體殘留物產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)液體產(chǎn)率隨著熱解溫度和氣體速度的增加而增加。流化床回收工藝的優(yōu)點在于可以從復合材料中回收玻璃纖維和碳纖維，但是回收后纖維的長度和強度受損，聚合物的回收率低。Ming F［29］等人研究了流化床循環(huán)利用氟氯化碳對能源和環(huán)境的影響。結(jié)果表明，回收碳纖維生產(chǎn)的能量需求相對較少。為了最大限度地降低工藝能量利用率和提高反應器性能，需進一步優(yōu)化流化床循環(huán)工藝。在復合材料應用中使用回收的碳纖維代替原生碳纖維，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。

2.3 化學回收法

化學回收是指通過化學反應將廢棄葉片中的聚合物轉(zhuǎn)化為化學溶劑的過程。典型的化學方法采用超臨界流體，又稱分解法。在特定條件下，在臨界點(閾值)以上，超臨界流體對材料具有低粘度、高擴散常數(shù)的傳質(zhì)速率［30,31］。Yildirir［32］采用溶劑解聚法將碳纖維增強塑料廢料中的樹脂組分解聚回收碳纖維，然后利用間歇式反應器對廢液進行水熱氣化生產(chǎn)燃料氣。與原始碳纖維相比，強度差異較小。Mattsson［33］以亞/超臨界水為基礎，在 250～370℃和1×107～1.7×107 Pa的工藝條件下，對玻璃纖維增強復合材料的溶解過程進行了優(yōu)化研究。發(fā)現(xiàn)，通過這種方法可去除75%的樹脂。 Bai［34］等人在壓力29 MPa～31MPa，反應時間25 min～35 min的條件下，利用超臨界水回收干凈的碳纖維。結(jié)果顯示，回收的清潔碳纖維的強度幾乎等于原始碳纖維。Liu［35］等人以水為反應介質(zhì)對熱固性環(huán)氧復合材料進行化學循環(huán)處理，回收干凈、無缺陷或無裂紋的碳纖維。研究發(fā)現(xiàn)，回收碳纖維的抗拉強度約為原始碳纖維的98.2%。Okajima［36］等人利用超臨界水作為溶劑，碳酸鉀作為催化劑，通過分解廢棄碳纖維增強復合材料，回收酚單體和清潔碳纖維，得到70.9%的酚單體，與原始碳纖維相比，回收碳纖維強度為85%。Sokoli［37］等人利用近臨界水和超臨界丙酮，在溫度為260～300℃、壓強為0.6×107～3×107 Pa且溶劑質(zhì)量濃度在 0.29～2.10 g/mL的條件下從廢棄的玻璃纖維增強復合材料和碳纖維增強復合材料中回收玻璃纖維和碳纖維。結(jié)果表明，從超臨界丙酮中回收的玻璃纖維拉伸強度高達原纖維的89%，從近臨界水中回收的玻璃纖維拉伸強度降低了50%～65%，而使用水和丙酮作為溶劑回收碳纖維可以較好地保留其機械性能。

綜上所述，化學回收方法采用各種綠色化學溶劑和催化劑回收玻璃纖維和碳纖維。纖維長度長，表面光滑干凈，具有較好的拉伸和彎曲強度。但是大部分溶劑昂貴，廢液的化學成分復雜，其處理也是一個很大的挑戰(zhàn)。另外，化學回收法反應時間長，流程復雜，很難工業(yè)化應用。

2.4 3種回收方法優(yōu)缺點對比

表1給出了3種廢棄葉片回收方法的優(yōu)缺點比較?；瘜W回收法中不同的復合材料需要特定的溶劑，因此該方法暫時不具有普適性。目前已達到工業(yè)規(guī)模的是機械回收法和熱回收法。盡管各種方法在回收時都對葉片材料尺寸有要求，回收得到的纖維長度也有一定限制，但熱回收法相較于機械回收法對纖維性能影響較小，故熱回收法是具有一定前景的回收方式。

表1 各回收方式特點比較

表2給出了各種回收方法的效能對比。從表2可看出，所有的回收方式都能加工玻璃纖維和碳纖維。其中，機械回收的技術成熟度相對較高，但其廢棄物管理能力較低。化學回收方式的管理能力高，但其初投資最高。綜合來看，熱回收方式不僅相對成熟，所需投資較低，而且擁有優(yōu)秀的廢棄物管理能力。

表2 各回收方式效能對比

3 葉片回收產(chǎn)品再利用

目前，廢棄風電葉片回收技術已形成了機械回收、熱回收以及化學回收等多種技術路線。表3總結(jié)了不同回收方法獲得的回收產(chǎn)品的再利用方向。從表中可以看出，機械回收可以獲得富含玻璃纖維及碳纖維的碎片，但其再利用的應用范圍有限。目前可行的再利用途徑是將碎片作為填料引入新的復合材料，如混凝土、瀝青或涂層中。熱回收法和化學回收法回收得到的纖維應用范圍較廣，可作為液體燃料、燃氣等，也可應用于木制或金屬框架、燃料電池、工業(yè)涂料和防靜電地板等行業(yè)，實現(xiàn)高價值資源的充分利用。

表3 不同回收方法獲得的回收產(chǎn)品的再利用方向

圖6給出了各種回收藝相關成本以及剩余材料價值（以歐元為單位）。從圖中可以看出，機械回收方式的工藝成本最低，但其回收的剩余碳纖維及玻璃纖維價值也相對較低。熱解法、流化床以及化學分解方法均能較好回收剩余的碳纖維，但玻璃纖維的回收能力較弱。綜合來看，機械方法是目前最適合的玻璃纖維回收方法，其他可以回收玻璃纖維材料的工藝仍然過于昂貴且此類方法更多依賴于碳纖維材料，生產(chǎn)成本遠高于剩余玻璃纖維價值。

圖6 各回收方式工藝相關成本和剩余材料價值

國內(nèi)外有些公司對于復合纖維材料回收再利用進行了大量的探索，采用了不同的方法生產(chǎn)了很多產(chǎn)品。表4給出了現(xiàn)有主要公司回收復合纖維材料及其產(chǎn)品特點。

表4 世界主要公司回收復合纖維的方法、產(chǎn)品及特點［2］

4 結(jié)論

介紹了當前國內(nèi)外風電葉片復合材料的回收利用方法，闡述了不同回收方法的研究進展并對機械回收、熱回收和化學回收方法進行了比較，對各種回收技術的優(yōu)缺點進行了分析。對比研究發(fā)現(xiàn)，機械回收方法工藝簡單，成本低，但破壞纖維的機械性能，回收物價值較低。熱回收和化學回收可有效保留材料的性能，但兩者成本較高，反應時間較長，污染嚴重等問題，目前難以工業(yè)化。

為實現(xiàn)風電行業(yè)綠色健康發(fā)展，風電葉片的高效循環(huán)回收利用是風電行業(yè)需重點突破的難題。為此，需持續(xù)研究葉片回收處理技術，以降低成本和提高回收效率，實現(xiàn)綠色無污染回收，同時重視回收產(chǎn)品的資源化利用。