退役風(fēng)機(jī)葉片回收利用技術(shù)方法分析

許仁辭

（廣東能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣州 510000）

0 引言

我國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約10億kW[1]。自2003年起，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段[2]，兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)，隨著20年設(shè)計(jì)使用壽命臨近，早期優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源區(qū)建設(shè)的風(fēng)機(jī)陸續(xù)退役。2018年我國風(fēng)機(jī)葉片的報(bào)廢量超過5700 t，預(yù)計(jì)2023年達(dá)到萬噸級(jí)。2021年，國家能源局發(fā)布《風(fēng)電場(chǎng)改造升級(jí)和退役管理辦法》的征求意見，鼓勵(lì)并網(wǎng)運(yùn)行超15年的風(fēng)電場(chǎng)改造升級(jí)或退役。目前全球范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)葉片廣泛使用的是纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料[3-4]，自然降解需要幾十甚至上百年，燃燒、露天堆放、掩埋等方法會(huì)造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。退役葉片的回收利用已成為未來風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一[5]。

1 退役風(fēng)機(jī)葉片規(guī)模

近20年來[6]，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量保持高速增長(zhǎng)，2015—2020年年均增幅11.4%（見圖1）。截至2020年，裝機(jī)規(guī)模743 GW，2005年投產(chǎn)的約59 GW風(fēng)機(jī)在近5年達(dá)到退役年限。歐洲風(fēng)電行業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告稱，全球總計(jì)超過2500 kt復(fù)合材料用于風(fēng)電領(lǐng)域，到2023年將有40～60 kt風(fēng)電葉片材料面臨報(bào)廢處理。

圖1 2001—2020年風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)規(guī)模與增幅Fig.1 Cumulative scale and growth of wind power installation from 2001 to 2020

我國風(fēng)電起步于20世紀(jì)80年代[7]。從2003年風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)進(jìn)入規(guī)模化、國產(chǎn)化階段[8]，裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅速，2006年出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，連續(xù)4年裝機(jī)容量翻番，“十三五”期間年均增幅14.87%。2021年，全國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到328.48 GW。我國早期投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組多為小機(jī)型，發(fā)電能力落后，2005年投產(chǎn)的約1.25 GW機(jī)組在近5年達(dá)到退役年限，以風(fēng)機(jī)千瓦葉片復(fù)合材料用量15 kg估算，材料處理量高達(dá)萬噸級(jí)。

2 風(fēng)電葉片復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

風(fēng)機(jī)葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的核心部件，包括外殼、主梁帽、夾層腹板等。葉片材料決定了回收利用的工藝方法，先后經(jīng)歷了木材葉片、金屬蒙皮葉片、鋁合金葉片等形式[9]。隨著葉片大型化、輕量化、高性能以及適應(yīng)惡劣環(huán)境的需求，復(fù)合材料葉片應(yīng)運(yùn)而生。目前幾乎所有的商業(yè)化葉片均采用復(fù)合材料，主要材料為基體（樹脂類）和增強(qiáng)體（玻璃纖維GF、碳纖維CF）等[10-12]。

2.1 基體

基體材料以樹脂為主，包括乙烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等，其性能如表1所示。

表1 不同基體材料特性Tab.1 Properties of different matrix materials

2.2 增強(qiáng)體

商業(yè)化葉片增強(qiáng)體多采用玻璃纖維或碳纖維，玻璃纖維是熔融玻璃快速抽拉的細(xì)絲，易成型、抗疲勞、耐腐蝕、耐氣候，應(yīng)用于上下面層。但其密度大，葉片質(zhì)量隨著長(zhǎng)度的增加而增加，對(duì)發(fā)電機(jī)和塔座承載力要求高。5 MW以上機(jī)型的風(fēng)機(jī)葉片（長(zhǎng)度約40 m）很難滿足性能需求。碳纖維力學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維，剛度為玻璃纖維的2～3倍，導(dǎo)電性良好，應(yīng)用于葉尖、葉根等部位，是生產(chǎn)高強(qiáng)度、高鋼度、高承載力的大型葉片的首選材料，但價(jià)格昂貴。國產(chǎn)T300、T700、T800、M40J碳纖維性能已達(dá)到國際同級(jí)別產(chǎn)品水平[13]。有研究者提出采用玻璃-碳纖維混合增強(qiáng)的方案，兼具兩者優(yōu)點(diǎn)。Nodex公司生產(chǎn)出了世界上最大的海上5 MW機(jī)組長(zhǎng)56 m的混合葉片。玄武巖作為新型無機(jī)纖維，耐酸堿、耐高溫，成本低廉，有望成為新型增強(qiáng)體材料。

2.3 夾層、涂層

夾層位于復(fù)合材料中間，通過固化成型，具有高強(qiáng)度、高剛度、阻燃、耐腐蝕性等特性，一般為PVC泡沫或巴沙輕木。涂層起到改善葉片氣動(dòng)性能，防止沙塵、雨水損害，延長(zhǎng)葉片使用壽命的作用。涂層材料有聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、氟樹脂、有機(jī)硅樹脂和環(huán)氧樹脂，以聚氨酯樹脂使用最多，其耐磨性、柔韌性較好。

3 葉片回收利用技術(shù)進(jìn)展情況

全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)起源于歐洲，歐美國家率先對(duì)葉片回收進(jìn)行了探索，確定了“省資源、再利用、資源化、最終處理”的玻璃鋼廢棄物處理思路。日本制定了玻璃鋼回收利用和促進(jìn)回收利用的法令和政策。美國和德國的物理粉碎法、日本的焚燒熱能利用法等工業(yè)化處理較為成熟。西門子歌美颯可再生能源科技公司、維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)集團(tuán)等國際公司已開展“零廢風(fēng)機(jī)”的研發(fā)，宣稱分別到2040年和2030年實(shí)現(xiàn)葉片100%回收。國內(nèi)工藝、技術(shù)及裝備處于起步階段，以掩埋、焚燒方式居多，零散板材被切割再利用。

3.1 物理法

3.1.1 深埋處理法

該方法是最早期應(yīng)用于回收的方法之一，成本較低，工藝簡(jiǎn)單，過程為拆除葉片金屬連接件、避雷系統(tǒng)、表面油漆、薄膠、塑料等非復(fù)合材料類物質(zhì)，視實(shí)際情況或處理設(shè)施要求將廢棄物切割成特定尺寸或大小不等的塊狀、長(zhǎng)條狀，運(yùn)至規(guī)定地點(diǎn)按照相應(yīng)規(guī)則深理處理。由于復(fù)合材料廢棄物往往大小不等、形態(tài)不一，露天堆放或深埋不僅占地大，而且不易腐爛并析出有毒物質(zhì)，對(duì)土壤、水環(huán)境造成深度、持久污染。歐美日等發(fā)達(dá)國家紛紛立法予以限制或禁止掩埋。

3.1.2 機(jī)械法

該方法是對(duì)葉片進(jìn)行拆切割、清洗、粉碎、分選等機(jī)械處理，獲得一定物理尺寸和幾何形態(tài)材料，二次使用。研究表明，利用高速剪切、沖擊、擠壓以及顆?；ハ嗯鲎沧饔茫诤线m的粉碎工藝參數(shù)下，使熱固性塑料的微觀結(jié)構(gòu)和顆粒形貌發(fā)生變化，可用作填料、拌料、燃料等，如美國通用電氣公司計(jì)劃將退役的風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ牧?。切割后的大塊固體材料也可以直接作為介質(zhì)應(yīng)用于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，如意大利能源公司和瑞士?jī)?chǔ)能公司已開展相關(guān)示范研究。處理后的復(fù)合材料小顆粒，按照不同的粒徑應(yīng)用于不同的場(chǎng)景，如表2所示[14]。

表2 處理后復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域Tab.2 Application fields of treated composite materials

物理法適于處理無污染、不含夾芯材料、富含增強(qiáng)材料類風(fēng)機(jī)復(fù)合材料廢棄物，重點(diǎn)是研究廢棄風(fēng)電葉片的高效切割、破碎和粉碎，以及處理后物料的大規(guī)模應(yīng)用。隨著風(fēng)電葉片的復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的日益擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)更為完善，如剪切出大的板狀、管狀件，可重復(fù)用于小容器、保護(hù)性房屋等。

3.2 物理化學(xué)法

物理化學(xué)法一般集材料再循環(huán)與能量回收于一體，有時(shí)可同時(shí)處理幾種不同基體的復(fù)合材料，主要包括熱回收法、化學(xué)回收法。與物理粉碎法相比，物理化學(xué)法中增強(qiáng)纖維損傷較小。

3.2.1 焚燒法

葉片基體中的樹脂具有一定熱值，切割后可以作為煤炭、砂石和黏土等原料的替代品。典型應(yīng)用是水泥聯(lián)合加工，具體方法為：按比例與水泥原料混合后，送入窯爐燃燒，有機(jī)成分燃燒釋放熱能，無機(jī)成分發(fā)生化學(xué)變化成為水泥原材料。與傳統(tǒng)水泥制造工藝相比，該工藝可以使水泥生產(chǎn)中的二氧化碳排放量減少27%，耗水量減少13%，對(duì)水泥性能幾乎無影響。目前該工藝已投入應(yīng)用，如垃圾回收管理公司Geocycle通過協(xié)同處置技術(shù)，1 t葉片廢料可減少110 kg二氧化碳排放，節(jié)省461 kg原材料。但焚燒后的煙氣伴有二噁英、SO2、NOx等有害氣體，需要進(jìn)一步處理，以避免對(duì)環(huán)境造成二次污染。

3.2.2 熱解法

把葉片按處理要求進(jìn)行切割后，在無氧或缺氧條件下，通過丙烷、熱解燃?xì)飧邷兀?00～1000℃）加熱，將材料中的有機(jī)大分子物質(zhì)分解為由烷烴、烯烴及合成氣混合組成的熱解燃?xì)夂皖愃圃蜖畹臒峤馊加?，并殘留纖維、填料、金屬件、焦炭等固體物。

熱解法是較為成熟的復(fù)合材料回收技術(shù)。由于葉片成分差異較小，玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)樹脂熱解工藝相似，熱解生成的熱解氣和熱解油成分相似，增強(qiáng)纖維受高溫、表面氧化作用，力學(xué)性能降低幅度比較大，再利用受到一定的影響。當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要集中在對(duì)玻璃纖維及碳纖維的回收利用上，對(duì)熱解產(chǎn)物回收及污染控制等研究仍不夠深入[15]。

3.2.3 流化床法

利用空氣熱流對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)岱纸?，氣化?fù)合材料中的樹脂。一般采用旋風(fēng)分離器來獲得填料顆粒及纖維。英國諾丁漢大學(xué)率先提出該方法并進(jìn)行系統(tǒng)研究[16]，結(jié)果表明，450℃下回收的再生玻璃纖維強(qiáng)度損失50%，450～500℃下回收的再生碳纖維強(qiáng)度損失25%。碳纖維表面羥基轉(zhuǎn)化為具有較高氧化度的羰基和羧基，碳纖維表面官能團(tuán)的變化不影響再生纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面剪切強(qiáng)度。流化床法纖維拉伸強(qiáng)度降低的原因主要是纖維與固體砂粒、設(shè)備內(nèi)表面之間的摩擦使纖維長(zhǎng)度變短和力學(xué)性能下降，從而影響再利用應(yīng)用范圍[17]。

3.3 化學(xué)回收法

3.3.1 超/亞臨界流體法

液體溫度和壓力處于臨界點(diǎn)或附近時(shí)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的活性、溶解性、流動(dòng)性等性質(zhì)，能分解纖維復(fù)合材料。諾丁漢大學(xué)與巴利亞多利德大學(xué)的研究表明[18]，以氫氧化鉀為催化劑，環(huán)氧樹脂分解率達(dá)到95.3%，碳纖維的拉伸強(qiáng)度為原始纖維的90%～98%。超臨界丙醇可較好地分解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，碳纖維的拉伸強(qiáng)度和剛度是原始纖維的99%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在超臨界水中通過添加氧氣，大大提高了分解速度。碳纖維力學(xué)性能測(cè)試表明，隨著樹脂分解率增加，碳纖維的表面過度氧化，拉伸強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步下降。超/亞臨界流體法具有清潔無污染，再生纖維潔凈、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但工藝條件苛刻，對(duì)反應(yīng)器、反應(yīng)參數(shù)控制要求高，目前處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

3.3.2 溶劑法

復(fù)合材料中的熱固性樹脂為網(wǎng)狀高分子交聯(lián)鏈結(jié)構(gòu)，一般不溶于有機(jī)溶劑。溶劑法是在加熱或加壓條件下利用催化劑使樹脂中的炭氮鍵斷開，轉(zhuǎn)化為線狀高分子后溶于溶劑（其技術(shù)參數(shù)見表3）。與其他方法相比，按照該方法回收纖維損傷很小，表面幾乎無殘留樹脂，在某些條件下甚至可以替代不連續(xù)的原始纖維。溶解復(fù)合材料的有機(jī)溶劑有酮、醇、醚、砜、酰，催化劑有FeCl3、AlCl3、ZnCl2等。溶劑法操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件較為溫和，常用的溶劑如表3所示。但存在有機(jī)溶劑使用量大、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、混合液處理復(fù)雜的缺點(diǎn)，工業(yè)化應(yīng)用有待研究[19-20]。

表3 溶劑法技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical Parameters of Solvent Method

4 結(jié)論與建議

4.1 面臨的問題

總體來看，國內(nèi)外初步形成機(jī)械粉碎法、熱解法、化學(xué)降解法等多種技術(shù)路線，尚未有經(jīng)濟(jì)可行的大規(guī)模回收風(fēng)機(jī)葉片的方案，主要原因有：

（1）經(jīng)濟(jì)方面。目前葉片回收市場(chǎng)規(guī)模小，回收包括現(xiàn)場(chǎng)切割、運(yùn)輸、再加工等環(huán)節(jié)，規(guī)?；?xiàng)目多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，葉片切割與運(yùn)輸成本較高，加之回收利用價(jià)值低，綜合成本高。

（2）技術(shù)方面。熱固性復(fù)合材料難以回收利用，工藝復(fù)雜，循環(huán)利用、高值化技術(shù)缺乏；上下游產(chǎn)業(yè)循環(huán)設(shè)計(jì)脫節(jié)，行業(yè)內(nèi)部缺乏統(tǒng)一的綠色設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 建議

我國已發(fā)展成為全球風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模最大的國家，在“雙碳”目標(biāo)政策的推動(dòng)下，未來風(fēng)電行業(yè)裝機(jī)將進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)也會(huì)迎來風(fēng)機(jī)陸續(xù)退役浪潮。傳統(tǒng)的掩埋、焚燒、作坊式的回收利用方式很難適應(yīng)新時(shí)期綠色低碳發(fā)展理念，需要從以下方面統(tǒng)籌規(guī)劃退役風(fēng)機(jī)葉片的綠色回收利用。

（1）制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及政策：借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加快制訂退役風(fēng)機(jī)葉片固性復(fù)合材料回收技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，健全相關(guān)環(huán)保法規(guī)、配套的回收和財(cái)政政策，促進(jìn)構(gòu)建綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。

（2）跨行業(yè)協(xié)同推進(jìn)：建立葉片綠色回收利用生態(tài)圈，推動(dòng)風(fēng)電行業(yè)與材料、建筑、供熱等多領(lǐng)域跨行業(yè)合作，創(chuàng)新模式，形成設(shè)備制造、使用、回收再利用的閉環(huán)生態(tài)鏈，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

（3）行業(yè)上下游協(xié)調(diào)發(fā)展：樹立風(fēng)機(jī)葉片全壽命周期理念，將設(shè)計(jì)、測(cè)試、維護(hù)、改造升級(jí)和適當(dāng)?shù)幕厥绽眉夹g(shù)結(jié)合起來，從設(shè)計(jì)之初進(jìn)行全產(chǎn)業(yè)鏈布局，保障葉片整個(gè)使用壽命內(nèi)回收材料的最大價(jià)值。

（4）技術(shù)研發(fā)：目前現(xiàn)行的退役風(fēng)機(jī)葉片先進(jìn)回收利用方法，各有利有弊，尚不能滿足規(guī)模化、商業(yè)化需求。應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片科技研發(fā)包括新型熱塑材料，結(jié)合已有的物理化學(xué)法，探索更多有效的回收利用方法和試點(diǎn)項(xiàng)目。