廢棄風(fēng)電葉片材料回收與再制造技術(shù)的研究進(jìn)展

收稿日期：2021-11-22

通信作者：陳吉朋（1984—），男，博士、副教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)、綠色制造技術(shù)方面的研究。cjp@njfu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1424 文章編號(hào)：0254-0096（2023）05-0328-08

摘 要：首先，介紹國(guó)內(nèi)外風(fēng)電葉片的使用規(guī)模和退役風(fēng)電葉片趨勢(shì)，闡述國(guó)際上通用的退役風(fēng)電葉片處置方式（堆放、掩埋、回收利用）及其優(yōu)缺點(diǎn)；其次，系統(tǒng)介紹廢棄葉片材料的典型回收利用方法，即機(jī)械回收、熱回收和化學(xué)回收，比較3種典型回收利用方法的技術(shù)特點(diǎn)；然后，總結(jié)了利用退役風(fēng)電葉片進(jìn)行產(chǎn)品再制造的典型案例，包括制備再生復(fù)合材料板材、制造混凝土骨料、制備3D打印耗材等；最后，針對(duì)風(fēng)電材料常見(jiàn)的玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料等的難切削性能，介紹風(fēng)電葉片回收加工技術(shù)與裝備，包括切割加工技術(shù)和裝備、破碎及粉碎加工技術(shù)和設(shè)備等。

關(guān)鍵詞：廢棄；風(fēng)電；葉片；回收；再制造

中圖分類(lèi)號(hào)：TK8；V258 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國(guó)即將迎來(lái)大規(guī)模風(fēng)電葉片退役，退役風(fēng)電葉片的無(wú)害化處理已成為風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。風(fēng)能發(fā)電已成為中國(guó)第三大電力來(lái)源［1-2］。截至2020年底，中國(guó)風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)數(shù)量超過(guò)15萬(wàn)臺(tái)，累計(jì)裝機(jī)容量2.9億kW，累計(jì)并網(wǎng)容量2.8億kW，超額完成了風(fēng)電“十三五”規(guī)劃制定的“到2020年底實(shí)現(xiàn)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.1億kW”的發(fā)展目標(biāo)。2020年，中國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)容量占全部電源裝機(jī)容量的12.8%，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電量4665億kWh，占中國(guó)全部發(fā)電量的6.1%［3］。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)、材料和工藝決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。一般認(rèn)為，每千瓦的風(fēng)電機(jī)組需10 kg的葉片材料。因此，一臺(tái)7.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)約需75 t葉片材料，數(shù)量巨大。全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)代渦輪機(jī)的大小是1980年的100倍。同時(shí)，轉(zhuǎn)子直徑增加了8倍，風(fēng)電葉片長(zhǎng)度超過(guò)了60 m。根據(jù)文獻(xiàn)［4］報(bào)道，長(zhǎng)度60 m的風(fēng)電葉片質(zhì)量超過(guò)15 t，而長(zhǎng)度75 m的葉片質(zhì)量可達(dá)25 t［4］。熱固性纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料（如玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）等）因其重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，成為風(fēng)電機(jī)組葉片的常用制備材料［5］。然而，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的熱固化成形過(guò)程不可逆，材料難以燃燒、降解，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組葉片的回收處理和再利用成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)亟待解決的難題。全球在2021年后，每年有超過(guò)5萬(wàn)t的葉片報(bào)廢。到2025年，全球每年將有超過(guò)10萬(wàn)t風(fēng)電葉片材料需處理。到2034年，每年約22.5萬(wàn)t風(fēng)電葉片材料需回收利用［6］。2020—2050年期間，加拿大每年平均可產(chǎn)生報(bào)廢葉片約0.9萬(wàn)t，至2050年，累計(jì)產(chǎn)生的葉片廢棄物將高達(dá)3萬(wàn)t［7］。

中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)模越來(lái)越大，所使用的風(fēng)電葉片數(shù)量越來(lái)越多。截至2021年底，中國(guó)風(fēng)電葉片的保有量遠(yuǎn)超美國(guó)、歐洲［8］。一般認(rèn)為，風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)壽命一般為20～25 a。中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專(zhuān)業(yè)委員會(huì)（CWEA）等機(jī)構(gòu)的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：2018年中國(guó)的退役風(fēng)電葉片約有3456 t；2025年將達(dá)8112 t；2025年之后，中國(guó)將迎來(lái)退役葉片報(bào)廢潮，退役葉片總量將迅猛增長(zhǎng)；2028年退役總量將達(dá)412784 t；2029年將高達(dá)約715664 t［9］。

目前，國(guó)際上通用的退役風(fēng)電葉片處置方式有堆放、掩埋、回收利用等3種［10-14］。文獻(xiàn)［14］重點(diǎn)綜述了退役風(fēng)電葉片管理的各種方法和策略，通過(guò)延長(zhǎng)壽命、重復(fù)使用和回收利用，用于開(kāi)發(fā)新型智能、生物基和可生物降解材料。將退役葉片作為固體廢棄物進(jìn)行露天堆放或者掩埋處理的方法成本低，是全球各國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)普遍采取的處理方法，但該方法造成物質(zhì)和能量損失，且不符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)原理，特別是存儲(chǔ)期間有害元素的浸出，帶來(lái)一系列嚴(yán)重的污染問(wèn)題。1999年以后，歐盟垃圾填埋法令逐步提高了部分危險(xiǎn)廢物的垃圾填埋代價(jià)（Directive， 1999/31/EC； Directive， 1999/31/EC），其中包括葉片等固體廢棄物。自2005年以來(lái)，德國(guó)實(shí)施了關(guān)于未經(jīng)處理的城市固體廢物（MSW）的填埋禁令。對(duì)于有機(jī)物含量高的材料，如含量為30%的風(fēng)電葉片，須采取其他可行的處理方式。英國(guó)法規(guī)（2000/53/EC-a）規(guī)定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)回收和再利用的目標(biāo)為：2006年1月1日前實(shí)現(xiàn)85%的材料回收（最低回收率為80%），2015年1月1日前實(shí)現(xiàn)95%的材料回收（最低回收率為85%）［15］。

風(fēng)力發(fā)電是驅(qū)動(dòng)環(huán)境改善和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要力量，盡管風(fēng)力發(fā)電可作為綠色能源，但風(fēng)電葉片使用壽命結(jié)束后所產(chǎn)生的大量待處理熱固性復(fù)合材料廢棄物卻成為環(huán)境污染的重要來(lái)源［16］。目前，中國(guó)對(duì)復(fù)合材料廢棄物的處理仍主要采取堆放、填埋或簡(jiǎn)單焚燒的方法，這種方法占用土地資源，對(duì)環(huán)境的危害極大。2020年9月1日起施行的《固體廢物污染環(huán)境防治法》，對(duì)固體廢物污染環(huán)境防治提出更嚴(yán)格的要求?？梢?jiàn)，大量待處理復(fù)合材料廢棄物能否回收與再利用，將在一定程度上直接成為風(fēng)電行業(yè)能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵和主要制約因素之一。

1 廢棄風(fēng)電葉片的回收利用方法

1.1 研究概況

針對(duì)報(bào)廢葉片材料的回收方法，國(guó)際上一致認(rèn)為可分為機(jī)械回收（mechanical recycling）、熱回收（thermal recycling）和化學(xué)回收（chemical recycling）3種途徑進(jìn)行循環(huán)利用［17］。其中，機(jī)械回收亦稱(chēng)物理回收（physical recycling）或材料回收（material recycling），熱回收也稱(chēng)為能量回收（energy recovery）。材料回收通常采用粉碎、研磨、研磨和/或粉碎技術(shù)，熱回收通常采用燃燒、氟化床和熱解技術(shù)，而化學(xué)回收主要使用超臨界水或酒精進(jìn)行溶劑分解或在高濃度酸中進(jìn)行化學(xué)降解。

文獻(xiàn)［18-20］給出了機(jī)械回收（材料回收）、熱回收、化學(xué)回收等方法的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。不同的回收方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如：機(jī)械回收（材料回收）和熱回收在處理工程中無(wú)需加入其他化學(xué)物品，而化學(xué)回收則需加入；熱回收設(shè)備成本高，而機(jī)械回收（材料回收）的處理手段有限。

國(guó)際上，研究人員主要采用上述方法進(jìn)行風(fēng)電葉片材料的回收，并將回收物轉(zhuǎn)化為纖維、油（類(lèi)似于石油）和氣體等能源形式［21］。通過(guò)文獻(xiàn)［22-35］分析可知，在2010年之前，更多的研究集中于化學(xué)回收葉片廢料，主要的研究機(jī)構(gòu)來(lái)自英國(guó)、丹麥、西班牙等，如英國(guó)諾丁漢大學(xué)、丹麥科技大學(xué)等。而近年來(lái)，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始嘗試?yán)脵C(jī)械回收的方式處理風(fēng)電葉片。本文重點(diǎn)綜述了退役風(fēng)電葉片的再制造技術(shù)與裝備。

1.2 機(jī)械回收

機(jī)械回收方法是將廢棄物粉碎后作為原材料二次使用的方法。該方法簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)可行，可減少?gòu)U料的尺寸，正成為處理廢棄復(fù)合材料最普遍的方法。機(jī)械回收風(fēng)電葉片的首要程序是將復(fù)合材料進(jìn)行碎化處理。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，碎化的葉片材料大小不盡相同［36］。圖1為風(fēng)電葉片不同程度粉碎后的玻璃纖維SEM圖像［37］。

碎化的葉片材料再制造后形成新的復(fù)合材料，新的材料的力學(xué)性能是考察回收工藝優(yōu)劣的重要指標(biāo)，也是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。華盛頓州立大學(xué)研究者系統(tǒng)測(cè)試了回收風(fēng)電葉片制成的復(fù)合材料的力學(xué)性能，包含斷裂模量（MOR）、彈性模量（MOE）和內(nèi)部粘結(jié)（IB）等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示了樹(shù)脂含量、含水量、磨機(jī)篩網(wǎng)尺寸和密度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［38］。一般認(rèn)為，二次使用的材料力學(xué)性能整體有所下降。丹麥學(xué)者系統(tǒng)研究了添加不同玻璃纖維二次使用材料后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料力學(xué)性能的降低與復(fù)合材料中纖維的含量有關(guān)［33］。加拿大麥吉爾大學(xué)學(xué)者對(duì)風(fēng)電葉片回收的單纖維開(kāi)展拉伸試驗(yàn)，研究結(jié)果同樣證明上述趨勢(shì)［39］。無(wú)論是機(jī)械回收還是熱回收，單纖維的力學(xué)性能均存在一定程度的下降，其中機(jī)械回收下降程度有限，而熱回收下降明顯。

1.3 化學(xué)回收

葉片材料化學(xué)回收首先將復(fù)合廢料破碎至25 mm大小，然后送入使用砂床和預(yù)熱空氣運(yùn)行的流化床反應(yīng)器。反應(yīng)堆在450 ℃下運(yùn)行，適用于聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料，最高可達(dá)550 ℃，可用于環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料?；厥盏睦w維干凈，平均長(zhǎng)度為6～10 mm。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，回收的玻璃纖維在450 ℃時(shí)拉伸強(qiáng)度降低50%，而碳纖維經(jīng)550 ℃熱處理后降解程度較低（剛度損失20%）［27，40］。

如圖2所示，葉片材料一般在400～500 ℃以回收熱解油為主，在600～700 ℃以回收熱解氣為主［6］。復(fù)合材料廢棄物中的玻璃纖維在熱解的高溫下力學(xué)性能下降，進(jìn)一步研磨后，可與其他固體副產(chǎn)物研磨粉料一起用作填料。

圖3為風(fēng)電葉片熱解前后對(duì)比，葉片以熱解和氣化的形式進(jìn)行熱回收和材料回收，纖維失去了其原始抗拉強(qiáng)度的絕大部分［6］。盡管最終產(chǎn)品非常同質(zhì)，但化學(xué)回收的技術(shù)設(shè)備的成本很高。熱解過(guò)程中，在300～1000 ℃的高溫下解聚。在沒(méi)有氧氣的情況下，聚合物分解生成油、氣體和焦炭產(chǎn)品，留下固體殘?jiān)４送?，纖維被回收。必須注意的是，較高的溫度會(huì)影響最終的纖維質(zhì)量。其優(yōu)點(diǎn)是，潛在的所有副產(chǎn)品都是可用的。關(guān)于成功解聚的非常重要的參數(shù)是溫度控制以及過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格較高，熱解回收在經(jīng)濟(jì)上更為可行。

溫度、添加物等對(duì)化學(xué)裂解過(guò)程至關(guān)重要。文獻(xiàn)［24］報(bào)道了通過(guò)不同溫度下的熱解過(guò)程回收的實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)關(guān)注的是該過(guò)程中獲得液體和氣體燃料的成分、質(zhì)量和潛在的再生方法，它們?cè)?00 ℃以上未觀察到明顯的溫度影響效應(yīng)。文獻(xiàn)［41］使用超臨界水作為溶劑、碳酸鉀作為催化劑，在400 ℃、20 MPa的壓強(qiáng)下對(duì)廢棄葉片材料進(jìn)行回收處理，回收獲得了70.9%的酚類(lèi)單體。此外，還有大量文獻(xiàn)［42-47］報(bào)道了相關(guān)的研究。盡管化學(xué)回收長(zhǎng)期以來(lái)是國(guó)外學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，但化學(xué)回收設(shè)備復(fù)雜、容易產(chǎn)生有害氣體，被認(rèn)為是最不環(huán)保的回收方法。這也是造成機(jī)械回收越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界的重視的原因之一。

1.4 熱回收

熱回收早在2005年便在德國(guó)和丹麥等國(guó)家得到了成功應(yīng)用，一般將廢棄葉片材料與固體垃圾混合，同時(shí)處理垃圾和葉片復(fù)合材料［15，27］。幾乎所有的聚合物材料都有一定的熱值，這些熱值可轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)文獻(xiàn)［15］報(bào)道，熱回收由于要混入適當(dāng)?shù)睦?，與垃圾同時(shí)燃燒，其燃燒過(guò)程容易涉及有毒有害氣體的排放，因此相關(guān)應(yīng)用及研究相對(duì)較少。

2 風(fēng)電葉片的再制造產(chǎn)品

2.1 制造新的復(fù)合材料板材

如圖4所示，文獻(xiàn)［48］對(duì)風(fēng)電葉片的材料通過(guò)錘式粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎、研磨，然后熱壓成型，熱壓溫度和時(shí)間分別為138 ℃和5 min，最終制成再生板材。研究人員評(píng)估了精制顆粒尺寸、水分含量和樹(shù)脂含量對(duì)回收復(fù)合材料性能的影響。浸泡2 h后，復(fù)合材料的最大吸水量為2.7%，與木基刨花板相比，吸水率降低84%。浸泡24 h后，最大吸水率為8.24%。研究表明，回收風(fēng)電葉片以制備高附加值的高性能復(fù)合材料具有可行性。

如圖5所示，文獻(xiàn)［49］利用廢舊風(fēng)電葉片制備了板材，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用該再生板材為原料，制造了其他產(chǎn)品，如運(yùn)動(dòng)滑板等。此外，文獻(xiàn)［18］報(bào)道了利用再生板材制造家具產(chǎn)品；文獻(xiàn)［50］報(bào)道了利用廢棄風(fēng)電葉片制造汽車(chē)立柱等。

2.2 制造混凝土骨料

文獻(xiàn)［51］研究了利用風(fēng)電葉片廢料制造混凝土骨料的可行性。首先將葉片廢料進(jìn)行切割、破碎，形成2.5和1.3 cm的方塊，再將方塊和混凝土混合，制成圓柱形樣件（如圖6），進(jìn)行性能測(cè)試。在整個(gè)90 d的固化周期中，霧室中的變化幾乎為零。霧室樣本的變化范圍為0.02%～0.03%。而儲(chǔ)存在熱水浴中的材料顯示出7、28、90 d的明顯膨脹，盡管它們剛開(kāi)始時(shí)膨脹幅度較小，在7 d測(cè)量時(shí)值大于霧室。熱浴樣品的膨脹值在0.27%～0.33%。研究結(jié)果證明使用風(fēng)電葉片制成的復(fù)合材料可作為混凝土骨料。

文獻(xiàn)［52］也開(kāi)展了類(lèi)似的研究。分別用體積分?jǐn)?shù)為5%和10%的葉片回收材料作為粗骨料，制備混凝土材料（如圖7）?？估瓘?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料對(duì)新拌混凝土的穩(wěn)定性和工作性無(wú)負(fù)面影響，并且可帶來(lái)材料能量吸收能力（韌性）的顯著增加。盡管帶有橫向排列纖維骨架改善了混凝土的機(jī)械性能，但如果可優(yōu)化其排列方向，則混凝土的預(yù)期力學(xué)性能將進(jìn)一步改善。

2.3 制造3D打印耗材

如圖8所示，文獻(xiàn)［53］報(bào)道了利用風(fēng)電葉片回收制造3D打印耗材的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，復(fù)合材料的比模量和抗拉強(qiáng)度分別比使用未經(jīng)處理的玻璃纖維高18%和19%。其主要原因是由于再生纖維的表面部分被環(huán)氧樹(shù)脂顆粒覆蓋，允許聚乳酸（PLA）和環(huán)氧樹(shù)脂分子之間的良好相互作用，從而改善了纖維和PLA兩者之間的界面結(jié)合。

3 風(fēng)電葉片回收加工技術(shù)與裝備

3.1 風(fēng)電葉片的切割加工裝備

葉片復(fù)合材料廢棄物在分撿出金屬等異物解體后，首先要進(jìn)行切割。作為難切割加工材料之一，如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片的高效、低成本切割加工也是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)之一。切削加工是風(fēng)電葉片及纖維復(fù)合材料的主要加工方法［54］。在切削工藝上，文獻(xiàn)［55-58］報(bào)道了葉片材料的車(chē)削特性、切割特性、鉆削特性、磨削特性。文獻(xiàn)［59］報(bào)道了日本開(kāi)發(fā)的大型復(fù)合材料自動(dòng)切割裝置，其組成及工作原理為：將砂輪片安裝在旋轉(zhuǎn)刀上組成切斷機(jī)，再將切斷機(jī)安裝在拱形框架上，并使用仿型裝置識(shí)別被切割制品的形狀，然后進(jìn)行切割。該裝置的切割速度為l m/min，可切割10 T級(jí)玻璃纖維復(fù)合材料。將上述切割裝置安裝在油壓鏟車(chē)等機(jī)械上，即可成為移動(dòng)式自動(dòng)切割裝置，可移動(dòng)到必需的處理地點(diǎn)進(jìn)行切割。文獻(xiàn)［60］針對(duì)廢棄風(fēng)電葉片體積大、難以處理、污染環(huán)境的關(guān)鍵問(wèn)題，將金剛石繩切割技術(shù)應(yīng)用于廢棄風(fēng)電葉片的切割處理，并設(shè)計(jì)制造了由橫向切割部件、縱向切割部件、卷?yè)P(yáng)機(jī)、工作臺(tái)、導(dǎo)軌、移動(dòng)小車(chē)、冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成的一種新型高效廢棄葉片切割裝置，可將完整的葉片高效切割成塊狀。

除傳統(tǒng)的切割加工方法之外，西班牙學(xué)者研究了碳纖維復(fù)合材料的高壓水射流切割性能：射流壓強(qiáng)為250 MPa，切割速度為300 mm/min時(shí)，切割效率可達(dá)170 g/min，并可獲得較高的表面質(zhì)量（如圖9）［61］。文獻(xiàn)［62］利用高壓磨料水射流研究了碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料的切割性能，也可得到較好的表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra可達(dá)1.48 μm。此外，也有學(xué)者研究了風(fēng)電復(fù)合葉片材料的激光切割加工技術(shù)，如：文獻(xiàn)［63］利用激光切割碳纖維復(fù)合材料；文獻(xiàn)［64］研究了玻璃纖維復(fù)合材料的激光切割加工特性。高壓水射流切割、激光切割在航空航天、極端制造等領(lǐng)域已經(jīng)具有大規(guī)模的應(yīng)用，為風(fēng)電葉片材料的高效切割加工提供了新的手段。

3.2 風(fēng)電葉片的破碎/粉碎加工裝備

葉片復(fù)合材料廢棄物粉碎再利用時(shí)，可采用切割機(jī)切斷，再用切碎機(jī)微粉碎， 然后篩選分開(kāi)得到數(shù)微米至數(shù)十微米的微粉碎物。破碎和粉碎可采用剪斷切碎、攪拌磨碎、高速?zèng)_擊破壞等方式。文獻(xiàn)［59］報(bào)道了旋轉(zhuǎn)金剛石旋轉(zhuǎn)刀微粉化處理裝置和輥式研磨機(jī)。前者利用氣缸將待粉碎的熱固性玻璃鋼廢料持續(xù)推靠到旋轉(zhuǎn)的金剛石刀具上，可將廢舊材料被一次粉碎到10～100 μm，該方法已在多國(guó)申請(qǐng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)；后者可從上部將廢舊材料投入到旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)狀粉碎臺(tái)上，采用液壓方法，在粉碎輥和粉碎臺(tái)將廢舊材料粉碎。被粉碎的微細(xì)粒子由氣流過(guò)濾器回收，粗粒子在粉碎輥和粉碎臺(tái)再次被粉碎，處理后粉末的粒徑達(dá)到5～10 μm。

此外，國(guó)外學(xué)者在風(fēng)電葉片循環(huán)利用的研究中報(bào)道了部分相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝備。比如，圖10為加拿大麥吉爾大學(xué)Rahimizadeh等［65］利用風(fēng)電葉片復(fù)合材料制備3D打印耗材的加工設(shè)備。圖11為加拿大謝布魯克大學(xué)Baturkin等［66］利用風(fēng)電葉片復(fù)合材料制備混凝土的加工設(shè)備。

4 結(jié) 論

如何利用風(fēng)電葉片的再生材料生產(chǎn)新產(chǎn)品，是各國(guó)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。風(fēng)電葉片再生材料可用于生產(chǎn)板材，進(jìn)一步可制作與板材相關(guān)的制品，如桌椅板凳、滑雪板等。實(shí)際上，風(fēng)電葉片再生板材在中國(guó)也有廣闊的應(yīng)用空間，如用于環(huán)保節(jié)能的建筑外墻、室內(nèi)地板、節(jié)能建筑材料等，甚至可作為功能復(fù)合材料?？梢?jiàn)，風(fēng)電葉片復(fù)合材料的再生產(chǎn)品的存在空間巨大，可結(jié)合技術(shù)和市場(chǎng)需求進(jìn)一步發(fā)掘。

風(fēng)電葉片的切割、破碎、粉碎機(jī)制復(fù)雜。為面對(duì)大規(guī)模風(fēng)電葉片退役，現(xiàn)有的小型化裝備將難以滿(mǎn)足批量化、規(guī)?；⑦B續(xù)化破碎和粉碎加工要求。因此，一方面需積極研究材料的破碎和粉碎機(jī)制，提高現(xiàn)有粉碎和破碎裝備的作業(yè)能效，在此基礎(chǔ)上研究粉碎或破碎產(chǎn)物的調(diào)控方法；另一方面也需積極研究和借鑒國(guó)外報(bào)道的成熟粉碎裝備，開(kāi)展創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的風(fēng)電葉片再生產(chǎn)品的制造裝備多基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和科學(xué)研究需求而開(kāi)發(fā)。篩選或提出可行的、有潛力的退役風(fēng)電葉片再生產(chǎn)品，并積極研究相關(guān)產(chǎn)品的制造工藝和制造裝備，將推動(dòng)退役風(fēng)電葉片的再制造的技術(shù)水平，為風(fēng)電葉片廢棄材料提供合適的循環(huán)利用之路，促進(jìn)風(fēng)電能源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的和諧與可持續(xù)發(fā)展。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ JIANG L P， WANG C X， HUANG Y H， et al. Growth in wind and sun： integrating variable generation in China［J］. IEEE power and energy magazine， 2015， 13（6）： 40-49.

［2］ REN F R， TIAN Z， XIAO Q W， et al. Efficiency evaluation and comparative study of regional wind power industry" in" China" based" on" CO2" emission" reduction［J］. Preprints， 2019， 12（8）： 1-24.

［3］ 北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)組委員. 風(fēng)電回顧與展望2021［C］//北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)專(zhuān)刊， 北京， 中國(guó)， 2021.

Member of the group of Beijing international wind energy conference and exhibition. Review and prospect of wind power ［C］//Special Issue of Beijing International Wind Energy Conference and Exhibition， Bejing， China， 2021.

［4］ LARSEN" K." Recycling" "wind［J］." Reinforced" plastics， 2009， 53（1）： 20-23， 25.

［5］ CHEN J L， WANG J H， NI A Q. Recycling and reuse of composite materials for wind turbine blades： an overview［J］. Journal of reinforced plastics and composites， 2019， 38（12）： 567-577.

［6］ LARSEN K. Recycling wind turbine blades［J］. Renewable energy focus， 2009， 9（7）： 70-73.

［7］ HENG H， MENG F， MCKECHNIE J. Wind turbine blade wastes" "and" the" environmental" impacts" "in" Canada［J］. Waste management， 2021， 133： 59-70.

［8］ LIU P， BARLOW C Y. Wind turbine blade waste in 2050［J］. Waste management， 2017， 62： 229-240.

［9］ 張玲玲. 風(fēng)電葉退役后何去何從［N］. 中國(guó)建材報(bào)， 2021-07-08.

ZHANG L L. Where to go after the retirement of wind power blades［N］. China Building Materials News， 2021-07-08.

［10］ KORNIEJENKO K， KOZUB B， B?K A， et al. Tackling the circular economy challenges： composites recycling： used" tyres， wind" turbine" blades，" and" solar" panels［J］. Journal of composites science， 2021， 5（9）： 243.

［11］ SHARMA H B， VANAPALLI K R， BARNWAL V K， et al. Evaluation of heavy metal leaching under simulated disposal conditions and formulation of strategies for handling" "solar" "panel" "waste［J］." Science" "of" "the" "total environment， 2021， 780： 146645.

［12］ 許冬梅， 張興林， 荊濤. 廢舊熱固性復(fù)合材料綠色回收利用關(guān)鍵技術(shù)研究： 以風(fēng)電行業(yè)廢棄風(fēng)葉片為例［J］. 環(huán)境保護(hù)， 2019， 47（20）： 54-56.

XU D M， ZHANG X L， JING T. Research on key technologies of recycling and utilization of waste thermosetting composites such as waste wind blades in China’s wind power industry［J］. Environmental protection， 2019， 47（20）： 54-56.

［13］ ANDRé A， KULLBERG J， NYGREN D， et al. Re-use of wind turbine blade for construction and infrastructure applications［C］//IOP" " "Conference" " "Series：" " "Materials Science and Engineering， Roskilde， Denmark， 2020， 942（1）： 012015.

［14］ MISHNAEVSKY L. Sustainable end-of-life management of wind turbine blades： overview of current and coming solutions［J］. Materials， 2021， 14（5）： 1124.

［15］ CHERRINGTON R， GOODSHIP V， MEREDITH J， et al. Producer responsibility： defining the incentive for recycling" composite" wind" turbine" blades" "in" Europe［J］. Energy policy， 2012， 47： 13-21.

［16］ NAGLE A J， DELANEY E L， BANK L C， et al. A comparative life cycle assessment between landfilling and co-processing" of" waste" from" decommissioned" Irish" wind turbine blades［J］. Journal of cleaner production， 2020， 277： 123321.

［17］ PAULSEN E B， ENEVOLDSEN P. A multidisciplinary review of recycling methods for end-of-life wind turbine blades［J］. Energies， 2021， 14（14）： 4247.

［18］ KRAUKLIS A E， KARL C W， GAGANI A I ， et al. Composite material recycling technology： state-of-the-art and sustainable development for the 2020s［J］. Journal of composites science， 2021， 5（1）： 28.

［19］ UTEKAR S， SURIYA V K， MORE N， et al. Comprehensive study of recycling of thermosetting polymer composites： driving" force，" challenges" and" methods［J］. Composites part B： engineering， 2021， 207： 108596.

［20］ NAVARRO C A， GIFFIN C R， ZHANG B Y， et al. A structural" chemistry" look" at" composites" recycling［J］. Materials horizons， 2020， 7（10）： 2479-2486.

［21］ RANI M， CHOUDHARY P， KRISHNAN V， et al. A review on recycling and reuse methods for carbon fiber/glass fiber composites waste from wind turbine blades［J］. Composites part B： engineering， 2021， 215： 108768.

［22］ KENNERLEY J R， KELLY R M， FENWICK N J， et al. The characterisation and reuse of glass fibres recycled from scrap composites by the action of a fluidised bed process［J］. Composites part A： applied science and manufacturing， 1998， 29（7）： 839-845.

［23］ PICKERING S J， KELLY R M， KENNERLEY J R， et al. A fluidised-bed process for the recovery of glass fibres from scrap thermoset composites［J］. Composites science and technology， 2000， 60（4）： 509-523.

［24］ TORRES A， DE MARCO I， CABALLERO B M， et al. Recycling by pyrolysis of thermoset composites： characteristics of the liquid and gaseous fuels obtained［J］. Fuel， 2000， 79（8）： 897-902.

［25］ CUNLIFFE A M， JONES N， WILLIAMS P T. Recycling of fibre-reinforced polymeric waste by pyrolysis： thermo-gravimetric and bench-scale investigations［J］. Journal of analytical and applied pyrolysis， 2003， 70（2）： 315-338.

［26］ HYDE J R， LESTER E， KINGMAN S， et al. Supercritical propanol， a possible route to composite carbon fibre recovery： a viability study［J］. Composites part A： applied science and manufacturing， 2006， 37（11）： 2171-2175.

［27］ PICKERING S J. Recycling technologies for thermoset composite materials： current status［J］. Composites part A： applied science and manufacturing， 2006， 37（8）： 1206-1215.

［28］ PI?ERO-HERNANZ R， GARCíA-SERNA J， DODDS C， et al. Chemical recycling of carbon fibre composites using alcohols under subcritical and supercritical conditions［J］. The journal of supercritical fluids， 2008， 46（1）： 83-92.

［29］ PALMER J， SAVAGE L， GHITA O R， et al. Sheet moulding compound （SMC） from carbon fibre recyclate［J］. Composites part A： applied science and manufacturing， 2010， 41（9）： 1232-1237.

［30］ BAI Y P， WANG Z， FENG L Q. Chemical recycling of carbon fibers reinforced epoxy resin composites in oxygen in supercritical water［J］. Materials amp; design， 2010， 31（2）： 999-1002.

［31］ PIMENTA S， PINHO S T. Recycling carbon fibre reinforced polymers for structural applications： technology review and market outlook［J］. Waste management， 2011， 31（2）： 378-392.

［32］ TURNER T A， PICKERING S J， WARRIOR N A. Development of recycled carbon fibre moulding compounds-preparation" " " of" " " waste" " " composites［J］. Composites part B： engineering， 2011， 42（3）： 517-525.

［33］ BEAUSON J， LILHOLT H， BR?NDSTED P. Recycling solid" "residues" "recovered" "from" "glass" "fibre-reinforced composites：a review applied to wind turbine blade materials［J］." " Journal" " of" " reinforced" " plastics" " and composites， 2014， 33（16）： 1542-1556.

［34］ GARCíA D， VEGAS I， CACHO I. Mechanical recycling of" " GFRP" " waste" " as" " short-fiber" " reinforcements" " in microconcrete［J］. Construction and building materials， 2014， 64： 293-300.

［35］ RODIN H III， NASSIRI S， ENGLUND K， et al. Recycled glass fiber reinforced polymer composites incorporated in mortar" " "for" " "improved" " "mechanical" " "performance［J］. Construction and building materials， 2018， 187： 738-751.

［36］ PALMER J， GHITA O R， SAVAGE L， et al. Successful closed-loop" " recycling" " of" " thermoset" " composites［J］. Composites part A： applied science and manufacturing， 2009， 40（4）： 490-498.

［37］ BEAUSON J， MADSEN B， TONCELLI C， et al. Recycling of shredded composites from wind turbine blades" " in" " new" " thermoset" " polymer" " composites［J］. Composites part A： applied science and manufacturing， 2016， 90： 390-399.

［38］ MAMANPUSH S H， TABATABAEI A T， LI H， et al. Data on the mechanical properties of recycled wind turbine blade composites［J］. Data in brief， 2018， 19： 230-235.

［39］ RAHIMIZADEH A， TAHIR M， FAYAZBAKHSH K， et al. Tensile properties and interfacial shear strength of recycled" fibers" from" "wind" turbine" waste［J］. Composites part A： applied science and manufacturing， 2020， 131： 105786.

［40］ DORIGATO A. Recycling of thermosetting composites for wind" "blade" "application［J］." "Advanced" "industrial" "and engineering polymer research， 2021， 4（2）：116-132.

［41］ OKAJIMA I， HIRAMATSU M， SAKO T. Recycling of carbon fiber reinforced plastics using subcritical water［J］. Advanced materials research， 2011， 222： 243-246.

［42］ KALKANIS K， PSOMOPOULOS C S， KAMINARIS S， et al. Wind turbine blade composite materials-end of life treatment methods［J］. Energy procedia， 2019， 157： 1136-1143.

［43］ JUNY Y C， CHO J W. Crystallization and molecular relaxation of poly（ethylene terephthalate） annealed in supercritical" carbon" dioxide［J］." Fibers" and" polymers， 2005， 6（4）： 284-288.

［44］ KIM Y N， KIM Y O， KIM S Y， et al. Application of supercritical" water" for" green" recycling" of" epoxy-based carbon fiber reinforced plastic［J］. Composites science and technology， 2019， 173： 66-72.

［45］ BLEDZKI A， SPAUDE R， EHRENSTEIN G W. Corrosion phenomena in glass fibers and glass fiber reinforced thermosetting" " resins［J］." " Composites" " science" " and technology， 1985， 23（4）： 263-285.

［46］ YANG Y X， BOOM R， IRION B， et al. Recycling of composite" " materials［J］." " Chemical" " engineering" " and processing： process intensification， 2012， 51： 53-68.

［47］ WANG H， LIU Y Q， LI Z X， et al. Glycolysis of poly（ethylene" terephthalate） catalyzed" by" ionic" liquids［J］. European polymer journal， 2009， 45（5）： 1535-1544.

［48］ MAMANPUSH S H， LI H， ENGLUND K， et al. Recycled wind turbine blades as a feedstock for second generation composites［J］. Waste management， 2018， 76： 708-714.

［49］ COUSINS D S， SUZUKI Y， MURRAY R E， et al. Recycling glass fiber thermoplastic composites from wind turbine blades［J］. Journal of cleaner production， 2019， 209： 1252-1263.

［50］ BEAUSON J， BR?NDSTED P. Wind turbine blades： an end of life perspective［J］. MARE-WINT： new materials and reliability in offshore wind turbine technology， 2016： 421-432.

［51］ FOX T R. Recycling wind turbine blade composite material as" " aggregate" " in" " concrete［D］." " Ames：" " Iowa" " State University， 2016.

［52］ YAZDANBAKHSH A， BANK L C， RIEDER K A， et al. Concrete with discrete slender elements from mechanically recycled wind turbine blades［J］. Resources， conservation and recycling， 2018， 128： 11-21.

［53］ RAHIMIZADEH A， KALMAN J， HENRI R， et al. Recycled glass fiber composites from wind turbine waste for 3D printing feedstock： effects of fiber content and interface on mechanical performance［J］. Materials， 2019， 12（23）： 3929.

［54］ AN S O， LEE E S， NOH S L. A study on the cutting characteristics of glass fiber reinforced plastics with respect to tool materials and geometries［J］. Journal of materials processing technology， 1997， 68（1）： 60-67.

［55］ CHANG C S. Turning of glass-fiber reinforced plastics materials with chamfered main cutting edge carbide tools［J］. Journal of materials processing technology， 2006， 180（1-3）： 117-129.

［56］ GILL S K， GUPTA M， SATSANGI P S. Prediction of cutting forces in machining of unidirectional glass fiber reinforced plastics composite［J］. Frontiers of mechanical engineering， 2013， 8（2）： 187-200.

［57］ KAVAD B V， PANDEY A B， TADAVI M V， et al. A review paper on effects of drilling on glass fiber reinforced plastic［J］. Procedia technology， 2014， 14： 457-464.

［58］ KODAMA H， OKAZAKI S， JIANG Y F， et al. Thermal influence on surface layer of carbon fiber reinforced plastic （CFRP） in grinding［J］. Precision engineering， 2020， 65： 53-63.

［59］ 高橋儀德， 白淳岳， 張淑萍， 等. 日本廢舊復(fù)合材料再生利用現(xiàn)狀［J］. 纖維復(fù)合材料， 2007（1）： 59-62.

TAKAHASHI YIDE， BAI C Y， ZHANG S P， et al. Current status for wasted FRP recycling in Japan［J］. Fiber composites， 2007（1）： 59-62.

［60］ 于雪梅， 朱曉華， 劉衛(wèi)生， 等. 廢棄風(fēng)電葉片切割裝置設(shè)計(jì)及破碎料的應(yīng)用［J］. 工程塑料應(yīng)用， 2018， 46（6）： 60-64.

YU X M， ZHU X H， LIU W S， et al. Design of cutting device for wasted wind turbine blades and application of debris［J］. Engineering plastics application， 2018， 46（6）： 60-64.

［61］ BANON F， SAMBRUNO A， BATISTA M， et al. Study of the surface quality of carbon fiber-reinforced thermoplastic matrix composite （CFRTP） machined by abrasive water jet （AWJM）［J］." "The" "international" "journal" "of" "advanced manufacturing technology， 2020， 107： 3299-3313.

［62］ JESTHI D K， NAYAK R K. Sensitivity analysis of abrasive air-jet machining parameters on machinability of carbon and glass fiber reinforced hybrid composites［J］. Materials today communications， 2020， 25： 101624.

［63］ OHKUBO T， TSUKAMOTO M， SATO Y J. Numerical simulation of laser beam cutting of carbon fiber reinforced plastics［J］. Physics procedia， 2014， 56： 1165-1170.

［64］ ELTAWAHNI H A， OLABI A G， BASMAGE O M， et al. CO2" laser" cutting" of" glass" fiber-reinforced" plastics［J］. Reference module in materials science and materials， 2020， 1： 145-159.

［65］ RAHIMIZADEH A， KALMAN J， FAYAZBAKHSH K， et al. Recycling of fiberglass wind turbine blades into reinforced filaments for use in additive manufacturing［J］. Composites part B： engineering， 2019， 175： 107101.

［66］ BATURKIN D， HISSEINE O A， MASMOUDI R， et al. Valorization of recycled FRP materials from wind turbine blades" "in" "concrete［J］." "Resources，" "conservation" "and recycling， 2021， 174： 105807.

PROGRESS ON RECYCLING METHODS AND REMANUFACTURING

TECHNOLOGY OF WASTE WIND TURBINE BLADES

Chen Jipeng，Wang Ji’an，Zhang Yuqiu，Zhou Hongping

（School of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract：Firstly， the application scale of wind power blades at home and abroad and the trend of decommissioned wind power blades are introduced， and the international common disposal methods of decommissioned wind power blades（stacking， burying， and recycling） and their advantages and disadvantages are described. Secondly， the typical recycling methods of waste blade materials， namely mechanical recycling， thermal recycling， and chemical recycling， are systematically introduced， and the technical characteristics of the above three typical recycling methods are compared. Thirdly， the typical cases of product remanufacturing using retired wind power blades are summarized， including the preparation of recycled composite plates， the manufacture of concrete aggregates， the preparation of 3D printing consumables， etc. Finally， aiming at the difficult cutting performance of common wind power materials such as glass fiber composites and carbon fiber composites， the recycling processing technology and equipment of wind power blades are introduced， including cutting processing technology and equipment， crushing and crushing processing technology and equipment， etc.

Keywords：waste； wind power； blades； recycling； remanufacturing