廢風機葉片材料回收再利用現狀及前景分析

劉慶 聶憶華 龍雷翔 高聞靖（湖南科技大學）

0 序言

全球的發展呈現低碳、綠色、環保、節能的趨勢，力爭實現預期的“碳達峰、碳中和”。風能是一種清潔和可再生能源，在本世紀初，建立了成千上萬的風力發電站，且增長速度在不斷加快。在過去的幾十年，轉子的直徑和質量也在逐漸地增加，葉片長度增加了5 倍，質量增加了20 倍，額定功率增加了40 倍[1]。風力發電站的設計壽命一般為20 年左右，目前大量正在使用的風機均面臨報廢，且數量逐年劇增。

風機葉片主要受到重復多次的風荷載而產生高周期疲勞，抗疲勞性能是選擇材料的重要考慮因素。葉片也需要能夠保證在極端風力下可工作，需要采用高剛度材料[2]。為了提高發電效率，葉片呈現出輕質化。復合纖維材料由于優異的力學性能和輕質量，是葉片材料的不二選擇。風力發電機葉片是一個薄殼結構，一般由根部、外殼和加強筋或梁三部分組成，復合纖維材料在整個風機葉片中的重量一般占到90%以上[3]。資料顯示，2019年中國風機葉片行業碳纖維復合纖維材料用量超過2萬噸，有專家預測全球CFRP 風機葉片廢棄物到2034 年將達到22.5 萬噸以上[4-5]。復合纖維材料由于化學性質比較復雜，回收難度很大，此外，玻璃纖維的價值低，大眾對此關注度不高。

但是，生產復合纖維材料產生的二氧化碳比生產一般材料如鋼鐵產生的二氧化碳多，能耗和費用都較高，以及某些國家開始征收垃圾填埋稅[6]，這意味著采用恰當的方式回收再利用廢風機葉片是非常必要的。

1 廢風機葉片處理方式

目前，回收廢風機葉片的方法有機械法、熱回收、化學回收以及高壓碎裂。由于廢風機葉片質量重、體積大、強度高，不論采用什么方法進行處理，均應采用機械切割和沖擊、剪切、擠壓、摩擦、低溫或濕式破碎等措施，將其變成方便運輸或者就地處理的大小和形狀，再根據處理方案進一步進行處理[7]。

1.1 機械法

機械法是利用機械破碎機將復合纖維材料切成碎片，可作為填充物、增強劑或者原材料用于生產新塑料或用于水泥生產[8]。一般會經過兩個階段，第一階段為了方便運輸和拆卸金屬部件，將復合纖維材料切割成50～100mm 的碎片，第二階段將使用高速磨機進行10～50mm 切割[6]。

在機械回收方法下，廢復合纖維材料的力學性能急劇惡化，因此機械法回收生產的可回收材料只能用于設計要求不高的產品[9]。但機械法比較環保、工藝簡單、經濟可靠，能商業規?；?。目前機械回收的廢風機葉片復合纖維材料已成功運用到家具制造、阻尼隔音材料以及代替木材纖維等產業。

1.2 熱回收

熱回收方法目前大量運用的主要有兩類：傳統熱解和微波熱解。

傳統熱解是在無氧環境下加熱需要分解的廢物。高溫加工可以將玻璃纖維或碳纖維從聚合物基體中分離出來，主要產生可燃氣體和石油。但是操作溫度越高，纖維降解的程度越高，復合纖維材料的力學性能退化越嚴重。微波熱解相對于傳統熱解的關鍵區別在于采用微波對材料進行加熱導致分解。它的操作溫度比傳統熱解低，致使復合纖維材料的降解程度降低，但力學性能更好[8-9]，同時降低了操作過程的能量需求。

隨著進一步探索，熱回收除了上述兩種方法，流化床也是一種可行的方法。但是熱回收總體來說，很難從廢料中回收單體進行再利用，回收到的材料力學性能顯著降低[6]，以及過程所需能耗高。

1.3 化學回收

化學回收是一種利用催化劑或者添加劑組成的溶劑來分解聚合物中存在的化學交聯鍵的方法，它主要用于實驗室環境，目前不具有工業規模[9]。在高溫高壓環境下，水和醇可以作為分解含有玻璃纖維復合纖維的溶劑和反應物，通過水解使之降解為更小的碎片[10]?；瘜W回收法可細分為溶劑解離法、電化學法、超/亞臨界流體法[11]。

化學回收不僅僅可以回收到纖維，還可以回收到單體[8]，同時回收到的纖維質量較好。但是該方法相對來說更具危險性，包括化學用品的潛在危險、對環境的危險以及極端實驗條件的危險。高溫高壓的反應條件也意味著對于反應器的要求也高，必須能承受高溫、高壓、高腐蝕。

1.4 高壓碎裂

高壓碎裂是使復合纖維材料在短時間內受到兩個電極之間重復的電脈沖放電而解體。該工業源自巖土開發技術，并已在實驗室和中等規模生產上運用[9]。

該方法相對于其他方法來說，更加清潔，纖維上的樹脂含量低，纖維百分比高，但是回收過程需要的能耗高[6]。

1.5 重新使用

廢風機葉片再利用，將其重新改造成新的產品是最簡單、最經濟的方法。葉片可以在風電場直接加工，也可以直接銷售給加工廠。目前的改造成品結構如游戲結構、街道標識、公共場所造型、家具等[12]。

表1 給出了5 種現有回收方法的優缺點分析。

表1 現有回收方法的優缺點

2 廢風機葉片回收再利用產品

目前，國內外有些公司對于復合纖維材料回收再利用進行了探索，采用了不同的方法生產了很多產品。表2 給出了現有主要公司回收復合纖維材料及其產品特點。

表2 世界主要公司回收復合纖維的方法、產品及特點

3 廢風機葉片再利用前景

低碳、綠色、環保、節能是本世紀的主題，各國各組織都提出了新的要求。廢風機葉片數量的急劇增加，傳統的填埋和焚燒處理已經不能滿足要求，尋求更好的回收再利用方式已經非常緊迫。復合纖維材料不僅僅運用于風電產業，還廣泛用于航空、汽車以及運動產業等，其數量巨大，所以解決廢棄復合纖維材料的回收再利用問題和制定、實施有關標準體系是復合纖維材料行業的一項重要課題。

廢風機葉片主要包含玻璃纖維、碳纖維等復合纖維材料，探索回收的廢風機葉片復合纖維材料的高值化再利用技術，是一個值得關注的問題。

廢風機葉片長度的平方與風機葉輪捕獲的風能和產生的電能成正比[2]，為了提高發電效率，葉片的長度在進一步增大，葉片材料的力學性能進一步提高。改變風機葉片的設計和材料可能會帶來更大的可回收潛力。故研究新型復合纖維材料，提高風機葉片自身力學性能、延長使用壽命以及有利于回收也是一個值得關注的問題。

4 小結

目前，國內外對廢風機葉片回收再利用技術開展了一定的探索并取得了一定進展。不同回收方法具有不同的特點，處理廢風機葉片的操作環境一般為高溫、高壓、高腐蝕，且回收到的材料性能與原始材料相比下降大，大面積商業化應用還有一定難度，高值化回收再利用技術亟待研發。今后一方面加強復合纖維材料的回收再利用技術研究，另一方面可以研究新材料，在保證滿足風機力學性能要求的同時方便回收再利用。