废风机叶片材料回收再利用现状及前景分析

刘庆 聂忆华 龙雷翔 高闻靖（湖南科技大学）

0 序言

全球的发展呈现低碳、绿色、环保、节能的趋势，力争实现预期的“碳达峰、碳中和”。风能是一种清洁和可再生能源，在本世纪初，建立了成千上万的风力发电站，且增长速度在不断加快。在过去的几十年，转子的直径和质量也在逐渐地增加，叶片长度增加了5 倍，质量增加了20 倍，额定功率增加了40 倍[1]。风力发电站的设计寿命一般为20 年左右，目前大量正在使用的风机均面临报废，且数量逐年剧增。

风机叶片主要受到重复多次的风荷载而产生高周期疲劳，抗疲劳性能是选择材料的重要考虑因素。叶片也需要能够保证在极端风力下可工作，需要采用高刚度材料[2]。为了提高发电效率，叶片呈现出轻质化。复合纤维材料由于优异的力学性能和轻质量，是叶片材料的不二选择。风力发电机叶片是一个薄壳结构，一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成，复合纤维材料在整个风机叶片中的重量一般占到90%以上[3]。资料显示，2019年中国风机叶片行业碳纤维复合纤维材料用量超过2万吨，有专家预测全球CFRP 风机叶片废弃物到2034 年将达到22.5 万吨以上[4-5]。复合纤维材料由于化学性质比较复杂，回收难度很大，此外，玻璃纤维的价值低，大众对此关注度不高。

但是，生产复合纤维材料产生的二氧化碳比生产一般材料如钢铁产生的二氧化碳多，能耗和费用都较高，以及某些国家开始征收垃圾填埋税[6]，这意味着采用恰当的方式回收再利用废风机叶片是非常必要的。

1 废风机叶片处理方式

目前，回收废风机叶片的方法有机械法、热回收、化学回收以及高压碎裂。由于废风机叶片质量重、体积大、强度高，不论采用什么方法进行处理，均应采用机械切割和冲击、剪切、挤压、摩擦、低温或湿式破碎等措施，将其变成方便运输或者就地处理的大小和形状，再根据处理方案进一步进行处理[7]。

1.1 机械法

机械法是利用机械破碎机将复合纤维材料切成碎片，可作为填充物、增强剂或者原材料用于生产新塑料或用于水泥生产[8]。一般会经过两个阶段，第一阶段为了方便运输和拆卸金属部件，将复合纤维材料切割成50～100mm 的碎片，第二阶段将使用高速磨机进行10～50mm 切割[6]。

在机械回收方法下，废复合纤维材料的力学性能急剧恶化，因此机械法回收生产的可回收材料只能用于设计要求不高的产品[9]。但机械法比较环保、工艺简单、经济可靠，能商业规模化。目前机械回收的废风机叶片复合纤维材料已成功运用到家具制造、阻尼隔音材料以及代替木材纤维等产业。

1.2 热回收

热回收方法目前大量运用的主要有两类：传统热解和微波热解。

传统热解是在无氧环境下加热需要分解的废物。高温加工可以将玻璃纤维或碳纤维从聚合物基体中分离出来，主要产生可燃气体和石油。但是操作温度越高，纤维降解的程度越高，复合纤维材料的力学性能退化越严重。微波热解相对于传统热解的关键区别在于采用微波对材料进行加热导致分解。它的操作温度比传统热解低，致使复合纤维材料的降解程度降低，但力学性能更好[8-9]，同时降低了操作过程的能量需求。

随着进一步探索，热回收除了上述两种方法，流化床也是一种可行的方法。但是热回收总体来说，很难从废料中回收单体进行再利用，回收到的材料力学性能显著降低[6]，以及过程所需能耗高。

1.3 化学回收

化学回收是一种利用催化剂或者添加剂组成的溶剂来分解聚合物中存在的化学交联键的方法，它主要用于实验室环境，目前不具有工业规模[9]。在高温高压环境下，水和醇可以作为分解含有玻璃纤维复合纤维的溶剂和反应物，通过水解使之降解为更小的碎片[10]。化学回收法可细分为溶剂解离法、电化学法、超/亚临界流体法[11]。

化学回收不仅仅可以回收到纤维，还可以回收到单体[8]，同时回收到的纤维质量较好。但是该方法相对来说更具危险性，包括化学用品的潜在危险、对环境的危险以及极端实验条件的危险。高温高压的反应条件也意味着对于反应器的要求也高，必须能承受高温、高压、高腐蚀。

1.4 高压碎裂

高压碎裂是使复合纤维材料在短时间内受到两个电极之间重复的电脉冲放电而解体。该工业源自岩土开发技术，并已在实验室和中等规模生产上运用[9]。

该方法相对于其他方法来说，更加清洁，纤维上的树脂含量低，纤维百分比高，但是回收过程需要的能耗高[6]。

1.5 重新使用

废风机叶片再利用，将其重新改造成新的产品是最简单、最经济的方法。叶片可以在风电场直接加工，也可以直接销售给加工厂。目前的改造成品结构如游戏结构、街道标识、公共场所造型、家具等[12]。

表1 给出了5 种现有回收方法的优缺点分析。

表1 现有回收方法的优缺点

2 废风机叶片回收再利用产品

目前，国内外有些公司对于复合纤维材料回收再利用进行了探索，采用了不同的方法生产了很多产品。表2 给出了现有主要公司回收复合纤维材料及其产品特点。

表2 世界主要公司回收复合纤维的方法、产品及特点

3 废风机叶片再利用前景

低碳、绿色、环保、节能是本世纪的主题，各国各组织都提出了新的要求。废风机叶片数量的急剧增加，传统的填埋和焚烧处理已经不能满足要求，寻求更好的回收再利用方式已经非常紧迫。复合纤维材料不仅仅运用于风电产业，还广泛用于航空、汽车以及运动产业等，其数量巨大，所以解决废弃复合纤维材料的回收再利用问题和制定、实施有关标准体系是复合纤维材料行业的一项重要课题。

废风机叶片主要包含玻璃纤维、碳纤维等复合纤维材料，探索回收的废风机叶片复合纤维材料的高值化再利用技术，是一个值得关注的问题。

废风机叶片长度的平方与风机叶轮捕获的风能和产生的电能成正比[2]，为了提高发电效率，叶片的长度在进一步增大，叶片材料的力学性能进一步提高。改变风机叶片的设计和材料可能会带来更大的可回收潜力。故研究新型复合纤维材料，提高风机叶片自身力学性能、延长使用寿命以及有利于回收也是一个值得关注的问题。

4 小结

目前，国内外对废风机叶片回收再利用技术开展了一定的探索并取得了一定进展。不同回收方法具有不同的特点，处理废风机叶片的操作环境一般为高温、高压、高腐蚀，且回收到的材料性能与原始材料相比下降大，大面积商业化应用还有一定难度，高值化回收再利用技术亟待研发。今后一方面加强复合纤维材料的回收再利用技术研究，另一方面可以研究新材料，在保证满足风机力学性能要求的同时方便回收再利用。