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复合材料风机叶片的回收有多难?只有三成得以再利用
发布时间:2017-01-06   浏览次数:193

全球风机叶片的数量及尺寸都在迅速增长。最新的风机叶片的尺寸是20世纪80年代的100倍。这段时间内叶片的直径增加了8倍,叶片长度已经超过6米。各国大力推进风电行业的发展,这势必会造成废弃叶片产量的增多,那么采用何种方法处理废弃叶片才能使风能成为一种更加绿色的能源呢?

 

风机叶片通常含有纤维增强材料(如玻璃纤维或碳纤维)、塑料聚合物(聚酯或环氧乙烯树脂)、夹心材料(PVC、PET或巴沙木)和涂层(聚氨酯)。随着叶片尺寸的增大,叶片生产所需的材料数量也在不断增长。

据估计每1kW的新装装机容量就需要10千克叶片材料。因此1台7.5MW的风机约需要75吨的叶片材料。风机叶片的使用寿命大约为20~25年。因此如何处理废弃叶片就成了问题。据推测每年要处理的纤维复合材料重量将达到20.4亿吨以上。风电行业相对来讲是一个新兴行业,在风机叶片的实际处理方面经验很少,尤其是海上风力发电机。因此风电系统如果想获得足够的拆除、分离、处理等方面的实际经验,可能需要20年以上的时间。现有的处理废弃风机叶片的方法有:垃圾掩埋、焚烧或回收。

 

第一种方式在那些致力于减少垃圾掩埋数量的国家基本上已经过时了(如德国)。不过目前中国采用最多的还是垃圾掩埋方式。最常用的处理方式是焚烧。在所谓的热电联产(CHP)工厂内,利用焚烧产生的热来发电,为区域加热系统供热。但是60%的废料在焚烧之后只是变为灰烬。由于复合材料中含有无机物质,这些灰烬可能含有污染物质,根据其类型和后处理方法的不同,灰烬要么进行掩埋要么回收后作为替代材料。无机物质还会产生危险的废气,其中残留的细小玻璃纤维可能会导致烟气清洁过程出现问题,主要是在灰尘过滤设备中。风机叶片在进入焚烧厂前还需进行拆解和粉碎,从能耗和排放角度来说,这进一步增加了环境的压力。此外,在焚烧过程中还会引起工人健康和安全方面的问题。

 

回收则是一种环保的处理方式。回收材料制成的新的更高效的叶片可以取代旧的叶片。但是目前成熟的风机叶片回收方法还很少,只有30%的纤维增强塑料(FRP)可以回收再用,制成新的FRP,而大多数则是作为水泥行业的添加材料。过去的几年,全球各企业就风机叶片的回收问题进行了大量研究项目,推出了许多创新产品。

2003~2005年,荷兰电工材料协会(KEMA)和波兰工业化学品研究院(ICRI)共同领导了一个项目,研究玻璃钢(FRP)的机械回收,即将材料粉碎然后再回收利用。此项目利用一台具有“按需切割”功能的混合粉碎机,以每小时处理2.5吨物料的速度,将玻璃钢(FRP)粉碎成15~25mm的长度,而且对纤维内部结构的损伤很小。为了避免粉碎过程中发生危险。粉碎之后通过一种再活化方法对纤维的品质进行改良。将其与一种新基体进行化学粘结来实现更好的性能。

 

另一种技术是由HAMOS公司开发的纤维长度分离技术,可以去除杂质。粉碎后的玻璃钢(FRP)废料在重新利用过程中的一个问题就是纤维与树脂的重新粘结。因为粉碎的纤维上经常带有残留的树脂,因此粘结起来就更加困难。只有回收的纤维要比原始纤维更长,它才能与新基体更好的粘结。对于风机叶片的回收来说,还需要增加一个步骤,即在现场将叶片切割成大块,以便于运输。切割是通过目前广泛应用的粉碎手(起重机或挖掘机末端连接的粉碎/抓取设备)完成的。但是复合材料回收物的需求并不像钢材那样强劲,其应用前景非常有限。另一个问题就是回收的纤维比原来的纤维短,表面还带有“原来的”树脂,更难以使其在一定方向上排列。

这样就难以按照需求增加产品的强度,例如汽车保险杠。但是汽车行业并没有停止回收和再用其本身的废弃物。玻璃纤维硬度较高、粉碎过程需要大量的能源,因此这种填料的价值是很低的,很难让它产生经济效益,除非能找到一种更廉价的能源。溶剂分解作用进行化学回收也是一种回收方法。采用这种方法,玻纤的大部分拉伸强度可以保留下来,部分塑料材料还可以作为新的原材料。但是采用具有侵蚀性的危险化学品进行回收并未得到提倡,而且这种方法的成本较高。另外一种方法是采用高温热解和气化方法对热量和材料进行回收。尽管纤维丧失了原来的“大部分”拉伸强度,而且技术成本很高,但是终端产品非常纯,塑料中的热能也以电能和热能的形式得以回收回收过程如下:使用液压剪切机或类似的工具将废弃物在现场切割成便于运输的尺寸;到达工厂后,这些部件进一步被粉碎成手掌大小的块;材料被连续送入500℃高温的无氧回转炉内,塑料被高温分解成合成气体;气体用于电力生产,也用于加热回转炉;在二级回转炉内,玻璃纤维材料在大气存在的条件下得以净化;利用磁铁筛除并回收金属;去除玻纤材料残余物中的灰尘;混有少量聚丙烯纤维的玻璃纤维通过炉子后,PP纤维融化并连接到玻纤上形成稳定的绝缘板。高温热解产品主要是耐热的绝缘材料。

这些纤维还可以用作填料、粘性涂料、热塑性部件、沥青和混凝土中的增强材料,以及新玻璃纤维的原材料。复合材料中所含有的热能可用于发电和为工艺过程供电。回收的玻璃钢(GRP)风机叶片材料不能再用在新叶片中,因为回收的玻璃纤维总是比原始玻纤强度低,因此风电行业不能使用回收的增强纤维。碳纤维与玻纤不同,从预浸环氧树脂/碳纤材料中回收碳纤维,回收到的碳纤维的E模量没有改变,而最终的拉伸强度只降低了5%。尽管叶片回收各企业对风机叶片处理方法及回收途径上取得了明显成功,但是由于成本问题,相关项目并未得到很好的发展。

由于废弃叶片在回收上面临着巨大挑战,因此一些机构开始研发新的叶片生产方法,以简化废弃叶片的处理及回收工艺。由汽车行业我们不难发现热塑性材料更易回收,因此在风机叶片中尝试使用热塑性基体的复合材料。但是热塑性材料制成的兆瓦级叶片是否具备足够的力学性能和物理性能还没有得到证实。对于5kW左右的小型风机,可以使用一些模塑成型的增强型热塑性材料或其它热塑材料。这种情况下,叶片的回收就会容易的多。越来越多的风机公司开始采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫,这是一种可完全回收的热塑性结构泡沫,回收后还可以再利用。将其粉碎并混合到新产品中后,仍能保持相同的性能和强度。目前,AlcanAirex已经对其PET泡沫AIREXT91实现了回收。风机叶片的回收仍然存在很多问题,不过,关于玻璃纤维增强材料(GRP)的回收方法以及回收后的材料可能的应用领域的研究已经有了进展。


来源:荣格
 关键词:风力发电
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