老舊風(fēng)電機組葉片回收調(diào)研分析報告

【摘要】老舊的風(fēng)電機組的退役處理成為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的重中之重面臨的重要問題。復(fù)合材料作為是風(fēng)機葉片的主要組成材料，本文列舉了一些風(fēng)電葉片復(fù)合材料回收利用的前沿發(fā)展技術(shù)，分析復(fù)合材料回收利用過程的優(yōu)缺點及技術(shù)成本，介紹了風(fēng)電葉片回收利用的技術(shù)發(fā)展前景以及相應(yīng)的回收機制。【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機組；回收利用；復(fù)合材料；風(fēng)電葉片1引言在不同的可再生能源技術(shù)中，風(fēng)能是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，在

2020

年占世界可再生能源總發(fā)電量的

50.56%。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，到

2021年底，全球風(fēng)電裝機容量達(dá)到840GW，增長率為

12.4%。自

2010

年超過美國以來，中國一直是風(fēng)力發(fā)電量最大的國家。在第75屆聯(lián)合國大會上，中國宣布“雙碳”目標(biāo)。習(xí)近平總書記在2020年氣候雄心峰會上宣布到2030年中國的風(fēng)能和太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到1200GW以上，進(jìn)一步表明中國改善能源結(jié)構(gòu)和減少碳排放的決心。提高可再生能源在電力系統(tǒng)中的滲透率是一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)是中國電力行業(yè)發(fā)展的方向?！笆奈濉币?guī)劃中，已確立包括“風(fēng)光儲一體化”的九個清潔能源基地和廣東、福建等五個海上風(fēng)電基地。然而，風(fēng)力發(fā)電并非完全碳中和，在設(shè)備制造階段會產(chǎn)生大量的碳排放。根據(jù)研究，陸上風(fēng)電的生命周期溫室氣體(GHG)

排放量為

8.65gCO2

-eq/kWh，其中設(shè)備生產(chǎn)過程占到

60%以上。研究了中國典型海上風(fēng)電場的生命周期溫室氣體排放，顯示排放強度為

25.5gCO2

-eq/kWh，其中風(fēng)力渦輪電機組和基座礎(chǔ)的生產(chǎn)占77%以上。隨著中國清潔能源轉(zhuǎn)型推進(jìn)，風(fēng)電規(guī)模增加，未來風(fēng)電機組回收問題將會越來越突出。風(fēng)電場的設(shè)計運行壽命和風(fēng)電機組的設(shè)計壽命一般為20年，中國風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展已經(jīng)近進(jìn)入第320個年頭，老一代的風(fēng)機批量機組已經(jīng)開始站在了達(dá)到退役的舞臺上時間。風(fēng)電場的設(shè)計運行壽命和風(fēng)電機組的設(shè)計壽命一般為20年。廢舊光伏組件、風(fēng)電葉片、動力電池等新能源產(chǎn)業(yè)固廢處理乃至再利用，被視為能源綠色發(fā)展的“最后一公里”，特別是隨著風(fēng)電、光伏以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)的井噴式發(fā)展，這些固廢的綜合利用事關(guān)我國能源產(chǎn)業(yè)清潔低碳可持續(xù)發(fā)展，緊迫性日益凸顯。2調(diào)研背景及目的當(dāng)風(fēng)電場的實際工作年限超過設(shè)計要求時，通常有三個解決方法：①技術(shù)改造后繼續(xù)工作；②機組更換后繼續(xù)工作；③關(guān)停風(fēng)電場。這三種模式的影響主要由生產(chǎn)成本和利潤及設(shè)備的可用性決定。因為我國上世紀(jì)90年代建設(shè)的風(fēng)電場所使用的風(fēng)力發(fā)電機組大多是從歐美國家進(jìn)口的，其技術(shù)與中國后期自主研發(fā)的技術(shù)不一致，升級改造過程中存在技術(shù)問題。，很難找到匹配的零部件也會給后續(xù)的維修帶來困難。舊的風(fēng)力發(fā)電機組的容量大多只有幾百千瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前的風(fēng)力發(fā)電機組，改造后能產(chǎn)生的電力和收益較低。所以第一種方式不適用于中國即將面臨退役的風(fēng)電機組。風(fēng)機替代后繼續(xù)運行，俗稱“以大代小”，是指用容量較大的新風(fēng)機替換風(fēng)電場內(nèi)的老風(fēng)機。風(fēng)電場退役不僅意味著關(guān)閉風(fēng)機，還包括拆卸風(fēng)機、運輸部件、拆除地基、恢復(fù)植被等。風(fēng)電場完全關(guān)閉后，有必要對土地區(qū)域進(jìn)行為期兩年的觀察，以確保該區(qū)域能夠恢復(fù)到原來的狀態(tài)。除上述步驟處理方案外，還需要對剩余的部件和材料進(jìn)行技術(shù)評估和價值評估，以便更好地利用它們，挖掘風(fēng)力發(fā)電機的更多剩余價值。以目前行業(yè)內(nèi)葉片回收為例，總結(jié)成熟化的回收方法，并探索未來可行的回收技術(shù)，以豐富和拓展“上大下小”業(yè)務(wù)范圍。3風(fēng)機葉片基本情況風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)、尺寸。風(fēng)機葉片長度早期為30-40m，發(fā)展至今已超100m，單支葉片重量也由幾噸上升到幾十噸。復(fù)合材料在整體風(fēng)機葉片中的比例占了百分之九十以上。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展成熟，幾乎所有的商業(yè)級葉片均采用復(fù)合材料為主體制造，風(fēng)電葉片已成為復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前國內(nèi)外復(fù)合材料葉片發(fā)展趨勢為大型化、輕量化、高性能、低成本化和可持續(xù)發(fā)展的特點。最初，復(fù)合材料風(fēng)電葉片采用的是玻璃纖維(GF)增強不飽和聚酯樹脂(UP)體系，直到目前這仍是大部分葉片采用的材料。但隨著風(fēng)電向功率大型化發(fā)展，葉片也在向大型化發(fā)展。傳統(tǒng)的GF增強UP樹脂體系已滿足不了葉片大型化的要求，考慮材料的低成本化，現(xiàn)在出現(xiàn)了GF與碳纖維(CF)混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，CF的引入不僅能提高風(fēng)電葉片主承力部位的結(jié)構(gòu)強度，對于風(fēng)電葉片的輕量化也有著積極的意義。探討了CF的添加對于復(fù)合材料葉片的影響。22m以下的葉片采用GF，而大于42m的風(fēng)電葉片則采用CF或CF與GF混雜纖維。無論是GF還是CF增強復(fù)合材料都存在難以回收或回收成本高的問題，現(xiàn)在一些風(fēng)電葉片設(shè)計者把目光放在了可回收利用材料風(fēng)電葉片的開發(fā)上，目前主要的可回收材料包括熱塑性復(fù)合材料和先進(jìn)生物質(zhì)復(fù)合材料。4風(fēng)機葉片回收方法目前風(fēng)電葉片廣泛采用的熱固性樹脂基復(fù)合材料回收和利用技術(shù)途徑分為:

物理回收方法、化學(xué)回收方法和能量回收方法。4.1物理回收法對于像風(fēng)電葉片這種大型的復(fù)合材料制件，其體積較大，必須進(jìn)行預(yù)切割后，再進(jìn)行粉碎處理。物理回收方法是將廢棄物粉碎或熔融(熱塑性塑料或熱塑性基體復(fù)合材料)后，作為原材料二次使用的方法。該方法成本較低，方法簡單，是目前國內(nèi)外處理廢棄復(fù)合材料最普遍的方法。粉碎法回收復(fù)合材料的最直接利用是材料粉碎后用作填料。4.2化學(xué)回收法化學(xué)回收方法有：熱解法、超臨界流體法、溶解法等。（1）熱解法熱解是在缺氧的自然環(huán)境條件下，把廢舊復(fù)合材料加溫(一般是350~900℃)使之完全溶解。在高熱或缺氧狀態(tài)下形成有機物質(zhì)裂解反應(yīng)，高分子較大的物質(zhì)因為原子與化學(xué)鍵破裂而逐漸形成低分子物質(zhì)，形成大量液體、氣態(tài)或固體形成物，熱斷裂后的物質(zhì)基本有氣、油、碳和水等。該方法的技術(shù)難度較大，對裝置要求也較高。（2）超臨界流體法超臨界流體法是一種全新的回收廢棄熱固性復(fù)合材料新方法。借助超臨界流體法良好的水分解特性和氣體傳遞特性，通過分解或減少高分子污染物，得到氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的產(chǎn)品。目前通用超臨界流體法，分為超臨界水氧化法和超臨界CO2流體法。（3）溶解法溶解法是將復(fù)合材料中的熱固性樹脂解聚使之變?yōu)榭扇苄缘模箯?fù)合材料中的各組分易于分離、回收再利用的一項技術(shù)。此方法能避免復(fù)合材料中的增強材料受到完全破壞，與所回收的增強材料強度保留率及分解法處理條件的溫和程度有關(guān)，此方法獲得的回收率能夠達(dá)到70%。對于S-高強GF、CF等高性能纖維的回收，該方法從成本角度考慮明顯強于物理回收方法。4.3能量回收法能量回收是將含有有機物或完全為有機物的廢棄物通過焚燒等處理，將燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為其它能量的方法。該處理方法簡單，但是焚燒過程中由于燃燒不完全，燃燒過程中容易釋放出有毒氣體和焚燒后的灰分，處理不當(dāng)同樣會對環(huán)境造成二次污染。4.4回收方法工藝流程針對主流回收方法，處理工藝如下圖。圖4.1回收工藝4.5復(fù)合材料回收方法對比總結(jié)以上回收方法，進(jìn)行優(yōu)缺點對比，如下表。表4.1回收方法優(yōu)缺點對比5葉片回收可行性技術(shù)方案根據(jù)上述葉片的物理回收、能量回收發(fā)、化學(xué)回收法的優(yōu)缺點對比，并通過與第三方回收單位的技術(shù)交流，目前主流的葉片回收仍然是物理回收方法。以下為較為成熟的物理回收方案及回收后再利用的應(yīng)用實例。5.1粉碎再成型技術(shù)（1）工藝過程粉碎再成型技術(shù)，是將廢棄材料破碎、碾磨后作為填料制得具有高附加值的增強型材料。該方法是直接利用熱固性復(fù)合材料廢棄物并不改變其化學(xué)性質(zhì)。工藝流程見圖。圖5.1粉碎再成型技術(shù)工藝流程其中拆除主要是去除葉片金屬連接件、避雷系統(tǒng)、生產(chǎn)過程廢棄物薄膜、塑料等非復(fù)合材料類物質(zhì)。切割視實際情況或處理設(shè)施要求將廢棄物切割成10m*2m或大小不等的塊狀、長條狀，再運輸至加工生產(chǎn)線后清潔其表面灰塵、污物。接著進(jìn)行粉碎成10mm*2mm小塊，然后進(jìn)一步碾磨，根據(jù)需要碾磨成60-80目粉末。最關(guān)鍵的是混煉，碾磨后的粉末中添加化學(xué)原料和其它增強材料后進(jìn)行混煉，混煉后擠壓成型工段，根據(jù)需要加成各種形狀的拼裝材料。（2）應(yīng)用場景①將纖維與PP或者PE共混，實現(xiàn)玻璃纖維增強熱塑性材料，造?；蛘咦鰯D出產(chǎn)品，例如：塑木板材（可延伸做拼裝式建筑、景觀、廊橋、座椅等）。②纖維增強樹脂混凝土（以熱固性樹脂為基體，以碎石子、石英石作為骨料的混凝土），再生纖維的加入，可起到增強、降低厚度，降低成本的作用，如電解槽、防腐水渠等。③井蓋（目前工藝存在造價高、強度低等問題）。④粉末做巖板（價值低）。⑤粉末做SMC（玻璃鋼模壓產(chǎn)品），如化糞池、窨井蓋、高鐵內(nèi)飾、整體浴室等。⑥用廢舊玻璃鋼制成拼裝建筑材料。圖5.2粉碎再成型技術(shù)應(yīng)用生產(chǎn)線建設(shè)一條生產(chǎn)能力1.5萬噸/年的玻璃鋼增強板材生產(chǎn)線，投資約4000-5000萬元。每噸玻璃鋼粉約可摻入加工成33平米玻璃鋼增強板材，板材售價160元/平米。將60目玻璃鋼粉按35%比例替代木材原料，每噸板材可節(jié)省580元。該生產(chǎn)線利潤約2000萬元/年，內(nèi)部收益率達(dá)26.6%。（3）方法小結(jié)優(yōu)點：①能夠根據(jù)需要制備各種形狀，容易形成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；②強度可以通過調(diào)整工藝條件達(dá)到要求；③無需細(xì)化篩分粉碎材料，降低了制造難度；④原材料基本都能被消納，無剔除的二次廢料。缺點：①工藝過程相對復(fù)雜；②填料配比較低。5.2直接制拼裝型材（1）直接制拼裝型材工藝過程圖5.3直接拼裝型材工藝流程（2）應(yīng)用場景風(fēng)機葉片通過分割獲得腹板板材、主梁、葉根、蒙皮等，根據(jù)不同部位的不同結(jié)構(gòu)，進(jìn)行切割或簡單加工，制作成需要的應(yīng)用產(chǎn)品，主要應(yīng)用場景：做煤礦電纜橋架（做煤礦橋架敲打無火花，減少安全隱患）。把葉根切割連接做涵管、頂管。做玻璃鋼網(wǎng)箱，海洋養(yǎng)殖紫菜。將主梁切割成絕緣墊片（用小塊，量比較大）。將主梁、葉根切割加工成絕緣拉桿。腹板制成標(biāo)準(zhǔn)板，可做箱體板，保溫箱、保溫板材。將葉根切成檁條，用于葡萄架等支撐和承重檁條等。切割成的板材，可做臨時房屋。利用廢棄風(fēng)機葉片加工成公園板凳、柵欄及防腐花盆等；利用廢棄風(fēng)機葉片加工成復(fù)合材料圍板箱及復(fù)合材料托盤等。（3）方法小結(jié)優(yōu)點：直接利用材料原有的機械強度，加工難度和工藝相對簡單。缺點：①廢舊風(fēng)機葉片僅部分能夠應(yīng)用，利用率低；②加工主要承重部件時，需重新校驗強度；③加工標(biāo)準(zhǔn)件精度較低。5.3做填充料將廢舊玻璃鋼或風(fēng)機葉片破碎、根據(jù)不同材料及粒徑分20離分類作為不同應(yīng)用場景的填料。（1）應(yīng)用場景①13-10mm玻纖做砂漿填充材料，增加抗裂性和抗?jié)B性，價值2000元/噸；②代替網(wǎng)格布，添加到石膏板中，起到增強的作用；③長纖維做BMC增強材料，代替部分或全部原絲玻璃纖維，價值3000-4000元/噸；④利用分離的巴沙木，將巴沙木與混凝土，制成海綿城市用透水磚。（2）研究案例使用廢舊玻璃鋼粉填充聚丙烯材料時，大大改善了聚丙烯的伸縮、變形和柔韌性。在廢舊玻璃鋼粉的總質(zhì)量百分比上達(dá)到了百分之三十，材料的拉伸強度、變形強度以及柔韌性分別超過了10.4MPa、14.1MPa和95.5，大大超過了純聚丙烯。通過對表層偶合加工后的廢玻璃鋼粉，進(jìn)一步提高了對聚乙烯的牽拉、扭曲和柔韌力。當(dāng)表層偶合加工后的廢玻璃鋼粉的總質(zhì)量百分比達(dá)到百分之二十后，復(fù)合材料的牽拉能力、扭曲能力和柔韌力將分別達(dá)18.5MPa、19.0MPa和94。外國也有實驗案例，將酚醛環(huán)氧樹脂玻璃鋼廢棄物采用錘磨機研磨、針磨機、球磨機等方法粉碎，把粉碎后的玻璃鋼碎料重新加入到玻纖增強酚醛環(huán)氧樹脂中，試驗結(jié)果表明，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分之四-百分之十二加入76-200μm的細(xì)粒子，或以質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分之十五加入240-600μm的大粒子，均對其動力學(xué)特征沒有了較大影響。研究利用粉碎后的玻璃鋼內(nèi)粉用作填充料，利用乙烯基酯樹脂作為主體物質(zhì)，作為水泥建筑地板、玻璃鋼平臺和人行道的防腐面層。同時研究把粉碎后的玻璃鋼粉料作為填充料按配比加入到環(huán)氧樹脂砼中，然后澆筑成泵基礎(chǔ)、地槽和樹脂混凝土槽等裝置，以改善環(huán)氧樹脂材料砼的抗壓縮性能、強度和耐裂性。同濟(jì)大學(xué)復(fù)合材料研究所研究團(tuán)隊提出利用WGFRP粒料部分取代夾砂管（RPM管）芯層中的石英砂，成功制備出了玻璃纖維增強塑料夾砂管。（3）方法小結(jié)優(yōu)點：應(yīng)用簡單，對原材料要求低，制造容易。缺點：非終端產(chǎn)品、無標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品、市場應(yīng)用受限。5.4具有可行性的回收專利技術(shù)通過查詢專利目錄，近年來有可能具備產(chǎn)業(yè)化的回收利用技術(shù)：（1）一種廢舊樹脂基復(fù)合材料玻璃鋼回收工藝（專利號：CN113799295A）此方法制備的模壓玻璃鋼產(chǎn)品拉伸強度符合GB1447-83、壓縮強度符合GB1448-83、彎曲強度符合GB1449-83、沖擊韌性符合GB1451-83、巴氏硬度符合GB3854-83?？梢栽趥鹘y(tǒng)的玻璃鋼應(yīng)用行業(yè)重新流轉(zhuǎn)。（2）基于玻璃鋼回收料的三明治結(jié)構(gòu)夾層板及其制備方法（專利號CN112590339A）一種基于玻璃鋼回收料的三明治結(jié)構(gòu)夾層板，所述三明治結(jié)構(gòu)夾層板包括芯材及位于芯材兩側(cè)表面的表層面板，所述表層面板與芯材之間通過若干增強纖維材料層粘接固定，此方法生產(chǎn)的夾層板能夠廣泛用于隔音隔熱材料領(lǐng)域。5.5技術(shù)方案總結(jié)（1）技術(shù)路線圖結(jié)合風(fēng)機葉片的實際材料構(gòu)成，整理廢棄風(fēng)機葉片的回收技術(shù)路線如圖。圖5.4技術(shù)路線總結(jié)（2）技術(shù)路線的成本信息及對比分析上述各種老舊葉片的回收處理成本分為一般處置成本和二次加工成本，一般處置成本即風(fēng)機葉片現(xiàn)場切割、運輸、破碎等。二次加工成本則是制作成板房、光伏支架或各種添加劑等成型產(chǎn)品的成本。而各種技術(shù)路線的收益即為葉片回收收益+產(chǎn)品收益-總成本，除此之外還應(yīng)考慮固定設(shè)備的成本費用。綜上幾種回收方法，對比其優(yōu)缺點如下:廢舊風(fēng)機葉片具備梯級利用條件，目前采用物理回收方法相對更為廣泛和成熟，如即擠壓、切割、粉碎造粒等。該工藝既經(jīng)濟(jì)又能有效的重復(fù)利用玻璃鋼廢舊料，可最大化延續(xù)廢舊風(fēng)機葉片壽命和價值。結(jié)合集團(tuán)公司產(chǎn)業(yè)需求可將廢舊葉片制成光伏支架、煤礦電纜橋架、海洋牧場網(wǎng)箱等，可實現(xiàn)集團(tuán)公司內(nèi)部消納。化學(xué)回收工藝中溶劑法，在一定溫度下通過溶劑加催化劑的環(huán)境實現(xiàn)玻璃纖維和樹脂分離，樹脂回收率可達(dá)80%以上，玻纖維回收率可達(dá)90%以上，纖維強度損失小于5%，可直接回收利用，但技術(shù)難度大，成本高，有環(huán)保風(fēng)險。熱解法、焚燒法涉及高溫，易產(chǎn)生有毒有害氣體，污染環(huán)境，技術(shù)難度大，目前還有待攻克。表5.1技術(shù)路線成本分析（目前廢舊風(fēng)機葉片回收費用（風(fēng)電企業(yè)付費給第三方處置企業(yè)）約2500-3500元/噸，本報告按3000元/噸。風(fēng)機葉片現(xiàn)場切割費用約1400元/噸，運輸費用按1200公里計算約29800元/噸，破碎磨粉至80目的費用約700元/噸。擠壓型材費用約1900元/噸（包括加工成本及其他添加劑），熱塑性材料暫定聚乙烯，處理1t玻璃鋼粉的聚乙烯成本約3857元/噸。處理1t玻璃鋼粉的加工費用為1900*1/0.7=2714元/噸。切割+板材制光伏支架精加工工序，按2300元/噸預(yù)估。熱解回收精處理按500元/噸，固體產(chǎn)物按200元/噸回收。熱解一噸可節(jié)省煤耗0.7噸，煤價按800元/噸，取節(jié)約煤耗500元/噸。溶解法回收中溶劑消耗率按0.5%，催化劑消耗率按1%，則溶解法精處理成本約為2700元/噸。焚燒回收的固體產(chǎn)物按200元/噸。焚燒一噸可節(jié)省煤耗0.7噸，煤價按800元/噸，取節(jié)約煤耗500元/噸）回收費用+銷售收入-綜合成本=項目收益。以擠壓型材為例，假定玻璃鋼利用率為90%，則回收產(chǎn)物收入為0.9*6500*1/0.7=8357元/噸?！竟夥Ъ軆r格按6500元/噸】每年2萬噸的收益為3772萬元。以切割+板材為例，假定玻璃鋼利用率為50%，則產(chǎn)物收入為6500*0.5=3250元/噸。每年處理2萬噸的收益為3500萬元。）6總結(jié)回收方法對比總結(jié)(1)不同方式的回收成本均低于目前市場處置廢舊風(fēng)機葉片費用，目