劉慶 聶憶華 龍雷翔 高聞靖（湖南科技大學(xué)）

0 序言

全球的發(fā)展呈現(xiàn)低碳、綠色、環(huán)保、節(jié)能的趨勢(shì)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的“碳達(dá)峰、碳中和”。風(fēng)能是一種清潔和可再生能源，在本世紀(jì)初，建立了成千上萬的風(fēng)力發(fā)電站，且增長(zhǎng)速度在不斷加快。在過去的幾十年，轉(zhuǎn)子的直徑和質(zhì)量也在逐漸地增加，葉片長(zhǎng)度增加了5 倍，質(zhì)量增加了20 倍，額定功率增加了40 倍[1]。風(fēng)力發(fā)電站的設(shè)計(jì)壽命一般為20 年左右，目前大量正在使用的風(fēng)機(jī)均面臨報(bào)廢，且數(shù)量逐年劇增。

風(fēng)機(jī)葉片主要受到重復(fù)多次的風(fēng)荷載而產(chǎn)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(fēng)力下可工作，需要采用高剛度材料[2]。為了提高發(fā)電效率，葉片呈現(xiàn)出輕質(zhì)化。復(fù)合纖維材料由于優(yōu)異的力學(xué)性能和輕質(zhì)量，是葉片材料的不二選擇。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一個(gè)薄殼結(jié)構(gòu)，一般由根部、外殼和加強(qiáng)筋或梁三部分組成，復(fù)合纖維材料在整個(gè)風(fēng)機(jī)葉片中的重量一般占到90%以上[3]。資料顯示，2019年中國(guó)風(fēng)機(jī)葉片行業(yè)碳纖維復(fù)合纖維材料用量超過2萬噸，有專家預(yù)測(cè)全球CFRP 風(fēng)機(jī)葉片廢棄物到2034 年將達(dá)到22.5 萬噸以上[4-5]。復(fù)合纖維材料由于化學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜，回收難度很大，此外，玻璃纖維的價(jià)值低，大眾對(duì)此關(guān)注度不高。

但是，生產(chǎn)復(fù)合纖維材料產(chǎn)生的二氧化碳比生產(chǎn)一般材料如鋼鐵產(chǎn)生的二氧化碳多，能耗和費(fèi)用都較高，以及某些國(guó)家開始征收垃圾填埋稅[6]，這意味著采用恰當(dāng)?shù)姆绞交厥赵倮脧U風(fēng)機(jī)葉片是非常必要的。

1 廢風(fēng)機(jī)葉片處理方式

目前，回收廢風(fēng)機(jī)葉片的方法有機(jī)械法、熱回收、化學(xué)回收以及高壓碎裂。由于廢風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量重、體積大、強(qiáng)度高，不論采用什么方法進(jìn)行處理，均應(yīng)采用機(jī)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(yùn)輸或者就地處理的大小和形狀，再根據(jù)處理方案進(jìn)一步進(jìn)行處理[7]。

1.1 機(jī)械法

機(jī)械法是利用機(jī)械破碎機(jī)將復(fù)合纖維材料切成碎片，可作為填充物、增強(qiáng)劑或者原材料用于生產(chǎn)新塑料或用于水泥生產(chǎn)[8]。一般會(huì)經(jīng)過兩個(gè)階段，第一階段為了方便運(yùn)輸和拆卸金屬部件，將復(fù)合纖維材料切割成50～100mm 的碎片，第二階段將使用高速磨機(jī)進(jìn)行10～50mm 切割[6]。

在機(jī)械回收方法下，廢復(fù)合纖維材料的力學(xué)性能急劇惡化，因此機(jī)械法回收生產(chǎn)的可回收材料只能用于設(shè)計(jì)要求不高的產(chǎn)品[9]。但機(jī)械法比較環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠，能商業(yè)規(guī)?；Ｄ壳皺C(jī)械回收的廢風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合纖維材料已成功運(yùn)用到家具制造、阻尼隔音材料以及代替木材纖維等產(chǎn)業(yè)。

1.2 熱回收

熱回收方法目前大量運(yùn)用的主要有兩類：傳統(tǒng)熱解和微波熱解。

傳統(tǒng)熱解是在無氧環(huán)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(chǎn)生可燃?xì)怏w和石油。但是操作溫度越高，纖維降解的程度越高，復(fù)合纖維材料的力學(xué)性能退化越嚴(yán)重。微波熱解相對(duì)于傳統(tǒng)熱解的關(guān)鍵區(qū)別在于采用微波對(duì)材料進(jìn)行加熱導(dǎo)致分解。它的操作溫度比傳統(tǒng)熱解低，致使復(fù)合纖維材料的降解程度降低，但力學(xué)性能更好[8-9]，同時(shí)降低了操作過程的能量需求。

隨著進(jìn)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(jìn)行再利用，回收到的材料力學(xué)性能顯著降低[6]，以及過程所需能耗高。

1.3 化學(xué)回收

化學(xué)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(xué)交聯(lián)鍵的方法，它主要用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，目前不具有工業(yè)規(guī)模[9]。在高溫高壓環(huán)境下，水和醇可以作為分解含有玻璃纖維復(fù)合纖維的溶劑和反應(yīng)物，通過水解使之降解為更小的碎片[10]?；瘜W(xué)回收法可細(xì)分為溶劑解離法、電化學(xué)法、超/亞臨界流體法[11]。

化學(xué)回收不僅僅可以回收到纖維，還可以回收到單體[8]，同時(shí)回收到的纖維質(zhì)量較好。但是該方法相對(duì)來說更具危險(xiǎn)性，包括化學(xué)用品的潛在危險(xiǎn)、對(duì)環(huán)境的危險(xiǎn)以及極端實(shí)驗(yàn)條件的危險(xiǎn)。高溫高壓的反應(yīng)條件也意味著對(duì)于反應(yīng)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(fù)合纖維材料在短時(shí)間內(nèi)受到兩個(gè)電極之間重復(fù)的電脈沖放電而解體。該工業(yè)源自巖土開發(fā)技術(shù)，并已在實(shí)驗(yàn)室和中等規(guī)模生產(chǎn)上運(yùn)用[9]。

該方法相對(duì)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(fēng)機(jī)葉片再利用，將其重新改造成新的產(chǎn)品是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的方法。葉片可以在風(fēng)電場(chǎng)直接加工，也可以直接銷售給加工廠。目前的改造成品結(jié)構(gòu)如游戲結(jié)構(gòu)、街道標(biāo)識(shí)、公共場(chǎng)所造型、家具等[12]。

表1 給出了5 種現(xiàn)有回收方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析。

表1 現(xiàn)有回收方法的優(yōu)缺點(diǎn)

2 廢風(fēng)機(jī)葉片回收再利用產(chǎn)品

目前，國(guó)內(nèi)外有些公司對(duì)于復(fù)合纖維材料回收再利用進(jìn)行了探索，采用了不同的方法生產(chǎn)了很多產(chǎn)品。表2 給出了現(xiàn)有主要公司回收復(fù)合纖維材料及其產(chǎn)品特點(diǎn)。

表2 世界主要公司回收復(fù)合纖維的方法、產(chǎn)品及特點(diǎn)

3 廢風(fēng)機(jī)葉片再利用前景

低碳、綠色、環(huán)保、節(jié)能是本世紀(jì)的主題，各國(guó)各組織都提出了新的要求。廢風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量的急劇增加，傳統(tǒng)的填埋和焚燒處理已經(jīng)不能滿足要求，尋求更好的回收再利用方式已經(jīng)非常緊迫。復(fù)合纖維材料不僅僅運(yùn)用于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，還廣泛用于航空、汽車以及運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)等，其數(shù)量巨大，所以解決廢棄復(fù)合纖維材料的回收再利用問題和制定、實(shí)施有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系是復(fù)合纖維材料行業(yè)的一項(xiàng)重要課題。

廢風(fēng)機(jī)葉片主要包含玻璃纖維、碳纖維等復(fù)合纖維材料，探索回收的廢風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合纖維材料的高值化再利用技術(shù)，是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

廢風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度的平方與風(fēng)機(jī)葉輪捕獲的風(fēng)能和產(chǎn)生的電能成正比[2]，為了提高發(fā)電效率，葉片的長(zhǎng)度在進(jìn)一步增大，葉片材料的力學(xué)性能進(jìn)一步提高。改變風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和材料可能會(huì)帶來更大的可回收潛力。故研究新型復(fù)合纖維材料，提高風(fēng)機(jī)葉片自身力學(xué)性能、延長(zhǎng)使用壽命以及有利于回收也是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

4 小結(jié)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)廢風(fēng)機(jī)葉片回收再利用技術(shù)開展了一定的探索并取得了一定進(jìn)展。不同回收方法具有不同的特點(diǎn)，處理廢風(fēng)機(jī)葉片的操作環(huán)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(yè)化應(yīng)用還有一定難度，高值化回收再利用技術(shù)亟待研發(fā)。今后一方面加強(qiáng)復(fù)合纖維材料的回收再利用技術(shù)研究，另一方面可以研究新材料，在保證滿足風(fēng)機(jī)力學(xué)性能要求的同時(shí)方便回收再利用。