馬文靜,張宇彤,,楊春振,胡中發(fā),王中權(quán),孫錦余,譚厚章,王學(xué)斌

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,陜西 西安 710049;2.南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司,廣東 珠海 519000;3.國能(山東)能源環(huán)境有限公司,山東 濟南 250000;4.蘇州大學(xué) 能源學(xué)院,江蘇 蘇州 215006;5.南電能源綜合利用股份有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,能源消耗總量持續(xù)上升,化石能源枯竭和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重,推動全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,使風(fēng)能、太陽能等可再生能源逐漸從補充能源向替代能源轉(zhuǎn)變。其中,風(fēng)能作為國際公認(rèn)的綠色可再生能源備受關(guān)注,風(fēng)力發(fā)電目前已成為成熟的風(fēng)能利用方案,并已有大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用,在可再生能源發(fā)電中具有較強的市場競爭力[1-3]。

我國地域遼闊,資源豐富,風(fēng)能儲量位居世界前列[4]。據(jù)統(tǒng)計我國可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量約10億kW,其中,陸地上風(fēng)能儲量約2.5億kW,海上風(fēng)能儲量約7.5億kW,豐富的風(fēng)能為我國風(fēng)電發(fā)展事業(yè)奠定了良好的資源基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電對于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展有重要作用,是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要支撐。2021年11月,財政部發(fā)布的“2022年可再生能源電價附加補助地方資金預(yù)算”指出,風(fēng)電補貼資金為15.5億元,約占新能源補貼資金的40%。風(fēng)電的快速發(fā)展導(dǎo)致風(fēng)機葉片材料使用頻率大規(guī)模增加,而這些葉片材料使用壽命有限,如何將其合理化回收再利用是當(dāng)前風(fēng)電領(lǐng)域面臨的一大難題。

1 退役風(fēng)機葉片規(guī)模

我國2010—2025年風(fēng)力發(fā)電累計裝機容量[5]如圖1所示。數(shù)據(jù)顯示,過去10 a,我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速增長階段,發(fā)電裝機總?cè)萘坑?010年的2 958萬kW增至2021年的32 848萬kW,預(yù)計到2025年發(fā)電裝機容量可達(dá)53 684萬kW[5]。國家發(fā)展改革委員會關(guān)于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃指出,“十四五”新增風(fēng)電裝機容量將達(dá)2.65億kW,年均新增5 300萬kW,2025年后,中國風(fēng)電年均新增裝機容量應(yīng)不低于6 000萬kW。

圖1 2010—2025年中國風(fēng)力發(fā)電累計裝機容量[5]Fig.1 Cumulative installed capacity of wind power generation in China from 2010 to 2025[5]

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速增長,導(dǎo)致風(fēng)機葉片需求越來越大,這些葉片退役后給環(huán)境帶來的污染不容忽視。風(fēng)機葉片由復(fù)合材料制成,其質(zhì)量與渦輪機轉(zhuǎn)子尺寸有關(guān),而渦輪機轉(zhuǎn)子尺寸與額定功率有關(guān),每兆瓦裝機容量風(fēng)機葉片材料質(zhì)量為12～15 t。不同風(fēng)機葉片尺寸單位額定功率下葉片質(zhì)量如圖2所示,隨額定功率增加,風(fēng)機葉片單位功率下質(zhì)量逐漸增加,但由于葉片生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展,出現(xiàn)更輕的材料及更合理的設(shè)計結(jié)構(gòu),導(dǎo)致超大型海上葉片單位額定功率下葉片質(zhì)量略低于大型葉片[6]。在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展背景下,全球每年風(fēng)機葉片材料使用量如圖3所示,目前全球每年有超過100萬t風(fēng)機葉片投入使用,并且這一數(shù)字將持續(xù)快速增加[6]。盡管葉片制造工藝不斷更新迭代,但其標(biāo)準(zhǔn)壽命仍為20～25 a[7-8],預(yù)計到2050年,全球廢棄風(fēng)機葉片產(chǎn)量可達(dá)4 300萬t。截至2021年年底,我國風(fēng)電裝機容量32 484萬kW,葉片材料約328.5萬t,按生產(chǎn)報廢率為0.5%計算,葉片報廢材料約1.6萬t[6],同時考慮到20 a前裝機葉片面臨退役淘汰,廢棄葉片總量可達(dá)2萬t[9],生產(chǎn)報廢材料主要包括4類(圖4),其中樹脂殘渣約占總廢料的43%[6]。預(yù)計到2040年報廢的風(fēng)機葉片質(zhì)量將增至288萬t左右(圖5)。研究表明,生產(chǎn)1 kg復(fù)合材料所需能量約111.88 MJ/kg[10],因此從全生命周期角度最大限度提高風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益,需回收處理、利用報廢風(fēng)機葉片。針對這一現(xiàn)狀,歐洲風(fēng)能協(xié)會Wind Europe倡議,到2025年在歐盟和英國等主要風(fēng)電市場,禁止使用填埋的方式處理退役風(fēng)機葉片[11]。國家發(fā)改委等八部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快推動工業(yè)資源綜合利用的實施方案》中明確提出推動風(fēng)電葉片、廢舊光伏組件等新興固廢綜合利用技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化利用,探索新興固廢綜合利用技術(shù)路線。國家能源局提出,將在2025年完成風(fēng)電機組退役關(guān)鍵技術(shù)示范,并轉(zhuǎn)入推廣應(yīng)用。然而,由于風(fēng)機葉片所用材料組成極其復(fù)雜,如何規(guī)?；幚泶笞趫髲U風(fēng)機葉片仍是當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)和固廢領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一。

圖2 不同風(fēng)機葉片尺寸單位額定功率下葉片質(zhì)量Fig.2 Blade mass per unit rated power for the different turbine size classes

圖3 全球每年風(fēng)機葉片材料使用量Fig.3 Annual wind turbine blade material usage

圖4 生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄材料Fig.4 Manufacturing in-process waste by weight

2 風(fēng)機葉片的材料組成

為保證風(fēng)機葉片的強度和風(fēng)機運轉(zhuǎn)效率,風(fēng)機葉片中大部分材料為高強度復(fù)合材料,將2種或2種以上不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計,以一定比例混合生成。復(fù)合材料可保持各種材料特性的優(yōu)點,相互抵消材料劣勢,獲得原材料無法實現(xiàn)的性能[12-14]。

目前風(fēng)機葉片的主體材料通常為玻璃纖維與樹脂的復(fù)合材料[15]。樹脂類作為基體材料,具有均衡載荷和保護(hù)增強體纖維的作用,包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯基樹脂等熱固性樹脂,其中環(huán)氧樹脂由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能、優(yōu)異的耐腐蝕性和耐久性及優(yōu)良的介電性能,是目前風(fēng)機葉片的主要基體材料。玻璃纖維作為風(fēng)機葉片的增強材料,用于提升其整體機械性能[16]。風(fēng)機葉片從根部到葉尖由3部分組成,分別為內(nèi)側(cè)、跨中和外側(cè)(圖6)[17]。風(fēng)機葉片根部為圓柱體結(jié)構(gòu),由玻璃纖維增強樹脂壓制而成,跨中和葉尖由“三明治”結(jié)構(gòu)疊制而成[18]。風(fēng)機葉片橫截面結(jié)構(gòu)示意如圖7所示,風(fēng)機葉片的主梁采用強度較高的復(fù)合材料,前后緣和腹板采用具有“三明治”結(jié)構(gòu)的夾芯材料?！叭髦巍苯Y(jié)構(gòu)一般由2片薄面板夾著1塊輕質(zhì)的芯材,通過黏合劑膠合在一起,面板通常采用復(fù)合材料,芯材通常采用輕質(zhì)材料,如輕木和聚氯乙烯等[16]。這種復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有抗彎強度高、剛度高、沖擊強度高和耐腐蝕等特點[19]。風(fēng)機葉片的材料組成因制造商不同略有差異,其組成部分的質(zhì)量占比[14,20]如圖8所示,可見風(fēng)機葉片材料中玻璃纖維含量最高,達(dá)70%,其次為樹脂類材料,這些材料的組成元素主要包括Si、O、C、H、N、S、Cl、Ca、Mg和Al等[21]。

圖6 風(fēng)機葉片縱截面示意[18]Fig.6 Diagram of blade longitudinal section[18]

圖7 風(fēng)機葉片橫截面示意Fig.7 Diagram of cross section of blade

圖8 風(fēng)機葉片的材料組成[14,20]Fig.8 Wind turbine blades material composition[14,20]

3 退役風(fēng)機葉片的資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展

目前退役風(fēng)機葉片的回收方法主要包括機械加工、直接填埋、化學(xué)溶解、焚燒處理和熱解處理等[22-23]。文獻(xiàn)報道的退役風(fēng)機葉片處理方法、優(yōu)缺點及項目案例[8,14,24-30]見表1。填埋處理是目前報廢風(fēng)機葉片最常用處置方法,但由于其占用大量土地并對環(huán)境造成一定危害,很多國家已經(jīng)逐漸禁止報廢風(fēng)機葉片填埋處理。復(fù)合材料的熱值約30 MJ/kg,相當(dāng)于普通城市生活垃圾的3倍,但風(fēng)機葉片中含有大量玻璃纖維,燃燒較困難,且玻璃纖維干擾煙氣凈化系統(tǒng)?；瘜W(xué)溶解處理、焚燒處理和熱解處理會在一定程度上降低玻璃纖維抗拉強度[24,31]。

表1 不同處理方法的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of different approaches

3.1 機械加工

風(fēng)機葉片廢棄物,因其產(chǎn)品質(zhì)量大、體積大、強度高,在綜合利用前均應(yīng)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[21],變成10～20 cm或其他大小的可用長條狀、塊狀物等,視處理方案要求進(jìn)一步處理。

機械加工是一種相對簡單的處理方法,不改變廢舊風(fēng)機葉片的化學(xué)性質(zhì)而直接利用,包括切割和粉碎等,其處理工藝如圖9所示。對廢舊風(fēng)機進(jìn)行機械加工前,應(yīng)拆除風(fēng)機葉片,根據(jù)實際用途切割或破碎成大小不等的板狀、塊狀、條狀和顆粒狀等[21]。

圖9 機械加工處理工藝流程Fig.9 Mechanical processing process

風(fēng)機葉片主體材料一般為玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料,強度較高,機械性能較好,即使退役后也能保持較好結(jié)構(gòu)質(zhì)量,因此,可采用線鋸或圓鋸方法直接對退役葉片進(jìn)行切割處理[8]。線鋸是將帶有金剛石的鋼絲纏繞在風(fēng)機葉片上切割,可應(yīng)用于所有尺寸的風(fēng)機葉片,該工藝產(chǎn)生粉塵較少,且切口較平滑,輪廓清晰;金剛石圓鋸尺寸范圍較廣,包括手持據(jù)到直徑達(dá)2 m的液壓驅(qū)動控制據(jù),可針對不同尺寸風(fēng)機葉片選擇合適的圓鋸,圓鋸可在風(fēng)機葉片各部位獨立切割,但需對風(fēng)機葉片進(jìn)行多次切割才能得到理想形狀,因此在不同區(qū)段都會產(chǎn)生大量粉塵[8]。不同葉片部分所對應(yīng)的部件用途見表2,根據(jù)不同部位可將其切割出不同形狀,應(yīng)用于不同場合。Superuse Studios建筑事務(wù)所倡議開展了將刀片重新用于城市家具的項目,利用廢棄葉片設(shè)計了游樂場、公交候車亭、公共座位和回收中心的路標(biāo)[32]。這種葉片結(jié)構(gòu)特性廣泛應(yīng)用表明其可被重新利用,同時也可取代原本用于建造的原始材料。

丹麥奧爾堡的城市家具也使用類似葉片部件作為自行車棚材料[33]。這些項目具有特定的使用需求,且對風(fēng)機葉片消耗量小,難以解決當(dāng)前廢舊風(fēng)機葉片的大宗回收處理問題。

切割風(fēng)機葉片時,產(chǎn)生的邊角料、顆粒等可以收集后粉碎回收,用于建筑材料,且粉碎后粒徑不同,用途也不同[34-35]。不同粒徑對應(yīng)的不同應(yīng)用領(lǐng)域[36]見表3,使用高速磨機將材料粉碎至10～0.05 mm 時,可采用空氣、重力或振動技術(shù)將樹脂與纖維分離[7,31],纖維可回收二次使用,但粉碎后纖維表面附有未分離樹脂,機械性能明顯降低[37]。

表3 不同粒徑退役風(fēng)機葉片材料所對應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域[36]Table 3 Application field of retired wind turbine blades at different particle sizes[36]

機械加工只適用于退役風(fēng)機葉片中的復(fù)合材料處理,無法處理PVC、巴沙木和聚氨酯等物質(zhì),且玻璃纖維增強材料結(jié)構(gòu)特點決定了其切削加工工藝性差,能耗高,在切割過程中產(chǎn)生大量粉塵和噪音,對環(huán)境和身體健康影響極大,風(fēng)機葉片具有凹面結(jié)構(gòu)和不同厚度,難以切割成較均勻的部件[38]。機械處理過程中還普遍存在粉塵和噪音排放不達(dá)標(biāo)、企業(yè)違規(guī)排放等問題,經(jīng)濟效益較低。因此,開發(fā)廢舊風(fēng)機葉片智能切割破碎裝備及邊角料建材化利用技術(shù)十分必要,最大程度上提高單臺設(shè)備日均處理量,降低處理過程中粉塵排放。

3.2 填埋處理

填埋處理因操作簡單、能耗較低,成為處理風(fēng)機葉片的主流方法,具體流程如圖10所示,大量風(fēng)機葉片破碎后,直接進(jìn)入填埋場填埋處理,部分風(fēng)機葉片經(jīng)焚燒處理后,玻璃纖維機械性能下降,無法二次利用,通常填埋處理。由于風(fēng)機葉片中含有有機物質(zhì),填埋過程中會釋放大量有害氣體,且風(fēng)機葉片中的玻璃纖維難以降解,處理過程中占用大量土地,且填埋處理無法產(chǎn)生可循環(huán)利用的物質(zhì),因此許多歐洲國家已明令禁止填埋廢舊風(fēng)機葉片[31,39]。

圖10 填埋處理工藝流程Fig.10 Landfill treatment process

3.3 化學(xué)溶解處理

廢舊風(fēng)機葉片進(jìn)行化學(xué)溶解處理是將復(fù)合材料中的熱固性樹脂解聚變?yōu)榭扇苄?使復(fù)合材料中各組分易于分離、回收再利用。溶劑通常為水、二醇或酮[34],其工藝流程如圖11所示。退役風(fēng)機葉片經(jīng)機械處理后加入化學(xué)試劑進(jìn)行溶解處理,并從中回收可二次利用的玻璃纖維。反應(yīng)溶劑在溫度和壓力的作用下擴散到復(fù)合材料中,破壞樹脂中的特定鍵,從而消除樹脂與纖維之間的交叉結(jié)合。采用化學(xué)溶解處理不僅可從樹脂中回收纖維,還可從樹脂中回收單體[29]。西班牙學(xué)者PIERO-HERNANZ等[40-41]研究表明,樹脂的溶解反應(yīng)是一個非穩(wěn)定的過程,化學(xué)試劑首先擴散到纖維表面,在纖維表面發(fā)生反應(yīng),斷鍵后的小分子產(chǎn)物溶解在溶劑中,解聚過程中,樹脂層的厚度不斷減小,直至與纖維完全分離,從而可回收不溶于溶劑的纖維,且在超臨界水中使用堿性催化劑可使樹脂去除率超過90%,回收的纖維保留了原始纖維85%～99%的強度。

圖11 化學(xué)溶解處理工藝流程Fig.11 Chemical solution treatment process

化學(xué)溶解處理可避免復(fù)合材料中的增強材料受到完全破壞,所回收的增強材料強度保留率與該方法處理條件的溫和程度有關(guān),其玻璃纖維回收率最高可達(dá)90%。然而,由于化學(xué)溶解工藝使用的化學(xué)物質(zhì)可能損害環(huán)境,相比機械和熱回收工藝存在較大環(huán)境風(fēng)險,且溶解過程通常在高溫高壓條件下進(jìn)行,致使目前工業(yè)級的化學(xué)廢料回收場地和示范項目建設(shè)非常困難。化學(xué)溶解技術(shù)過程相對復(fù)雜,處理成本昂貴,目前并未大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用[26]。

3.4 焚燒處理

目前風(fēng)機葉片焚燒處理主要包括2條路線:① 通過焚燒風(fēng)機葉片回收熱能加熱蒸汽用來發(fā)電或供熱,② 將風(fēng)機葉片在水泥窯中共燒,其中風(fēng)機葉片中的可燃成分經(jīng)燃燒后可提供熱量,玻璃纖維作為生產(chǎn)熟料水泥的原材料。

廢舊風(fēng)機葉片焚燒處理的一種典型工藝流程如圖12所示,風(fēng)機葉片首先按要求經(jīng)切割、破碎后產(chǎn)生25 mm塊狀物,隨后送入焚燒爐中燃燒,燃燒產(chǎn)生大量高溫?zé)煔饧訜崴魵鈳悠啓C做功發(fā)電或直接對外供熱。目前,針對復(fù)合材料的焚燒研究主要集中在流化床燃燒工藝[8]。風(fēng)機葉片破碎成小塊后送入流化床燃燒器,溫度在450～550 ℃,燃燒后固體殘渣中玻璃纖維平均長度在6～10 mm,焚燒后的纖維呈短小蓬松狀,與原始纖維相比機械性能大幅下降,二次利用率低,通常填埋處理。廢舊風(fēng)機葉片中大量玻璃纖維抑制其著火和燃燒,釋放的熱量較低,煙氣中存在的玻璃纖維還會破壞氣體凈化系統(tǒng)[27-28]。焚燒法可實現(xiàn)風(fēng)機葉片大部分可燃材料燃燒,如巴沙木、PVC、涂料和黏合劑等,但產(chǎn)生有害氣體,煙氣需深度凈化處理才可排放。

將風(fēng)機葉片經(jīng)破碎后由水泥窯協(xié)同處理是較理想的處理方法,具體工藝流程如圖13所示。葉片在現(xiàn)場被切割成1.5 cm3,用鉸接式卡車運送到接收水泥廠,將其粉碎成小于40 mm3碎塊,取出金屬組件后按一定比例與其他水泥原料混合,送入窯爐燃燒。廢棄葉片中可燃成分燃燒釋放熱能供燒結(jié)水泥使用,而玻璃纖維等固體殘渣則可作為熟料水泥原材料[42]。研究表明,每噸葉片廢料可替代600 kg煤燃料,相當(dāng)于4.16 GJ能量[24],并且玻璃纖維等無機物作為水泥原材料而得到二次利用,可減少CO2排放127 kg[43]。然而,由于復(fù)合材料中硼的存在,摻混比例大于10%可能減緩水泥固化時間,因此需嚴(yán)格控制廢舊風(fēng)機葉片的摻混比例[29,39]。廢舊風(fēng)機葉片在窯爐高溫區(qū)域(800～1 500 ℃)停留時間較長,可燃組分可完全燃燒利用,且釋放的煙氣中基本無二噁英。目前,國際上部分水泥相關(guān)企業(yè)已著手水泥窯協(xié)同處理廢舊風(fēng)機葉片投資,其中Holcim公司已在德國投資建設(shè)用于報廢風(fēng)機葉片回收的水泥廠[25],垃圾回收管理公司Geocycle旗下水泥廠采用協(xié)同處置技術(shù)實現(xiàn)葉片廢料資源化利用并且部分替代了水泥生產(chǎn)過程中的化石燃料和其他原材料[25]。

圖13 水泥窯協(xié)同處理工藝流程Fig.13 Cooperative treatment of cement kiln process

3.5 熱解處理

熱解法處理風(fēng)機葉片的原理是將風(fēng)機葉片按處理要求拆除和切割,然后在無氧或缺氧環(huán)境中加熱,使其有機大分子物質(zhì)分解為烷烴烯烴及合成氣混合組成的熱解燃?xì)?并殘留纖維、金屬件、焦炭等固體物,分離后每種回收物均可進(jìn)一步再利用[44-45]。熱解可在不同類型反應(yīng)器中進(jìn)行,如固定床反應(yīng)器、螺旋熱解器、回轉(zhuǎn)窯或流化床反應(yīng)器,其中流化床和回轉(zhuǎn)窯最適合用作熱解反應(yīng)器[27]。熱解處理具體工藝流程如圖14所示,退役風(fēng)機葉片經(jīng)拆除和切割等機械處理后成小塊直接送入熱解爐,熱解產(chǎn)物為熱解油氣以及玻璃纖維和少量碳構(gòu)成的固體殘渣。廢棄風(fēng)機葉片熱解溫度為450～700 ℃,取決于用于風(fēng)機葉片中的樹脂類型,其中聚酯樹脂在400～450 ℃分解,而環(huán)氧樹脂則在500～550 ℃分解[46]。熱解溫度越高,對纖維的破壞力越大,使其難以替代原始纖維材料。通常風(fēng)機葉片的熱解溫度在500～550 ℃,雖然此時殘留的玻璃纖維與原始纖維相比材料性能降低50%以上,但熱解處理仍是目前能完整保留玻璃纖維拉伸強度的最佳方法。由于基體材料熱解成多種相對簡單的化學(xué)物質(zhì),可同時處理幾種不同基體的復(fù)合材料廢棄物,適用于處理含油漆、膠黏劑等污染或含混雜纖維的復(fù)合材料。

圖14 熱解處理工藝流程Fig.14 Pyrolysis process

TORRES[47]等研究了溫度對復(fù)合材料熱解產(chǎn)物的影響,發(fā)現(xiàn)熱解溫度在400 ℃以上時,溫度對熱解產(chǎn)物的影響并不明顯,其液相產(chǎn)物主要為C5～C20的芳香族化合物。韓國學(xué)者YUN[48]和意大利學(xué)者GIORGINI等[49]研究了纖維增強樹脂和纖維增強塑料熱解特性,發(fā)現(xiàn)熱解過程氣相產(chǎn)物主要成分包括H2、CH4、CO和CO2等,而液相產(chǎn)物主要成分包括苯、甲苯和乙苯等。玻璃纖維增強樹脂在550 ℃下熱解前后的微觀結(jié)構(gòu)如圖15所示,可見玻璃纖維經(jīng)熱解處理回收后表面有炭層附著,熱解后的纖維表面不再光滑,較原始纖維抗拉強度降低50%左右[50]。盡管玻璃纖維經(jīng)熱解處理回收后機械性能明顯下降,但熱導(dǎo)率約0.041 W/(m·K),與商用隔熱材料熱導(dǎo)率(0.037 W/(m·K))[51]相當(dāng)。此外,SUN等[52]發(fā)現(xiàn)熱解后的玻璃纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的吸聲能力,平均吸聲系數(shù)為0.8,與商用隔音板(1.0)相當(dāng)。因此,風(fēng)機葉片經(jīng)熱解處理回收的玻璃纖維適合用作隔熱和隔音等材料。相比機械加工、填埋處理和化學(xué)溶解處理等,熱解法可徹底處理廢舊風(fēng)機葉片,具有減容、減量、資源化等優(yōu)點。然而,目前風(fēng)機葉片熱解處理費用較高,且熱解產(chǎn)物難以利用,使風(fēng)機葉片熱解處理的經(jīng)濟效益較差。因此,提高風(fēng)機葉片熱解處理的經(jīng)濟效益關(guān)鍵在于降低處理成本,充分發(fā)揮熱解產(chǎn)物的價值。熱解產(chǎn)生的油氣燃燒為熱解過程供能,實現(xiàn)熱解過程能量自給自足,經(jīng)熱解處理后獲得的再生玻璃纖維雖然機械性能顯著低于原始纖維,但隔音隔熱性能與原始纖維相當(dāng),因此,再生纖維可用于生產(chǎn)隔音或隔熱板。

廢舊風(fēng)機葉片中含有大量有機物質(zhì),在熱解過程中可產(chǎn)生大量熱解油氣,將熱解油氣全部或部分燃燒可為熱解提供能量,實現(xiàn)系統(tǒng)自維持,具體工藝流程路線如圖16(a)所示。廢舊風(fēng)機葉片經(jīng)破碎機破碎預(yù)處理后送入熱解爐中熱解,產(chǎn)生大量可燃油氣和玻璃纖維。產(chǎn)生的玻璃纖維表面存在少量熱解碳附著,質(zhì)量占比一般小于3%。熱解碳的附著導(dǎo)致玻璃纖維表面不再光滑,機械強度降低,二次利用率下降,因此可對其進(jìn)行脫碳處理。將熱解后玻璃纖維在空氣氣氛下500 ℃保溫30 min,可去除其表面熱解碳?？紤]到全部熱解氣燃燒產(chǎn)生的熱量一般難以維持廢舊風(fēng)機葉片熱解,因此需引入約30%的熱解油與熱解氣一同燃燒為熱解提供能量。Aspen Plus軟件模擬的風(fēng)機葉片熱解和部分燃燒的工藝流程如圖16(b)所示。模擬設(shè)置熱解溫度為500 ℃,熱解產(chǎn)生的全部熱解氣與約30%熱解油進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒為熱解提供熱量,熱風(fēng)爐出口煙氣溫度為1 000 ℃,經(jīng)過計算可以得到,該條件下廢舊風(fēng)機葉片在熱解過程中可實現(xiàn)能量自給自足。該工藝為目前長期工業(yè)化運行的200 t/d多源有機固廢無氧熱解的示范項目,目前系統(tǒng)運行良好[53-54]。若采用該熱解-燃燒工藝對廢舊風(fēng)機葉片進(jìn)行處理,可以得到熱解油與玻璃纖維產(chǎn)物,實現(xiàn)熱解過程能量自給自足,從而大幅降低熱解處理成本。

4 結(jié)語與展望

1)通過對目前已有風(fēng)機葉片處置工藝文獻(xiàn)調(diào)研和分析,發(fā)現(xiàn)目前廢舊風(fēng)機葉片的處理方法并不成熟,處理方法并未大規(guī)模應(yīng)用,主要原因是風(fēng)機葉片在處理工序上處理費用較高,且處理產(chǎn)物價值本身較低,其可替代物價值更低,進(jìn)而導(dǎo)致目前處理風(fēng)機葉片經(jīng)濟效益較差。

2)當(dāng)前處理退役風(fēng)機葉片應(yīng)充分考慮各處理方法的優(yōu)缺點,利用現(xiàn)有工業(yè)技術(shù),最大程度實現(xiàn)廢棄資源的最大化利用。填埋處理無法實現(xiàn)資源化回收,占用大量土地,對環(huán)境造成一定負(fù)面影響,因此,應(yīng)盡可能減少退役風(fēng)機葉片的填埋處理;機械處理雖操作難度較小,但對風(fēng)機葉片形狀要求較高,處理過程中產(chǎn)生大量粉塵,難以實現(xiàn)規(guī)?；幚?開發(fā)廢舊風(fēng)機葉片智能切割設(shè)備及邊角料建材化利用對該處理方法的普及十分重要;化學(xué)溶解處理可最大程度上保留玻璃纖維的原始強度,但回收過程與化學(xué)物質(zhì)處理較復(fù)雜,存在較大環(huán)境風(fēng)險,且處理成本較高,導(dǎo)致目前工業(yè)級示范項目建設(shè)非常困難。

3)退役風(fēng)機葉片的焚燒處理包括2條路線:① 通過回收風(fēng)機葉片中的熱能加熱蒸汽或供熱;② 將其在水泥窯中共燒。路線①雖然利用了風(fēng)機葉片中的熱能,但玻璃纖維經(jīng)焚燒后,機械性能大幅下降,通常被填埋處理,水泥窯協(xié)同處理可將廢棄物充分利用,不產(chǎn)生二噁英等有害氣體,且有效降低水泥生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放,應(yīng)優(yōu)先發(fā)展水泥窯協(xié)同處理法。但風(fēng)機葉片的摻混比例會對水泥質(zhì)量造成影響,探究其最佳摻混比例,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量,對水泥窯協(xié)同處置的發(fā)展十分必要。其次熱解處理雖能耗較高,但對玻璃纖維的損傷較小,且產(chǎn)生熱值較高的油氣,可實現(xiàn)減量、減容及物質(zhì)回收的目的,因此可適當(dāng)發(fā)展熱解處理法,完全熱解的同時盡可能減小對玻璃纖維的損傷。在該過程中,可將熱解產(chǎn)生的油氣進(jìn)行燃燒為熱解提供能量,實現(xiàn)熱解過程能量自給自足,充分發(fā)揮熱解產(chǎn)物的價值,降低處理成本,從而實現(xiàn)退役風(fēng)機葉片資源最大化利用。