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报废潮来了,风机叶片咋整?

发布人:传感器技术时间:2021-09-14来源:工程师
作者 | 李清波


侯相林(左)、邓天昇在查看反应条件。中国科学院山西煤炭化学研究所供图

风力发电机也被称为“白色巨人”,它们高高耸立在荒野、山巅和海岸线,源源不断地将风能转化为电能。最令人瞩目的就是其巨大的叶片——这些长达上百米、重达数十吨的庞然大物,不仅造价高昂,且难以回收利用。
从风电机组服役年限来看,到2025年,我国将迎来一大波风机叶片报废潮;到2030年,我国将有超过3万台风电机组面临换新;而到2035年这一数字将超过9万台。
过期的预浸料、制造过程中产生的下脚料、测试材料以及达到使用寿命的材料,全都面临着回收难题。如何实现风机叶片全生命周期的绿色化、无害化,一直困扰着整个风电行业。
中国科学院山西煤炭化学研究所(以下简称山西煤化所)研究员侯相林团队经过十多年研究,终于掌握了“拆解”风机叶片主要材质——热固性碳纤维树脂复合材料的办法,让这种最“顽固”的固体废料回归本源,补齐了风机叶片绿色回收最关键一环。

“终极材料”坚不可摧


叶片是风力发电机的核心部件之一,占风机成本的20%~30%,所用的复合材料既有较轻的重量,也有较高的强度,还具有抗腐蚀、耐疲劳等优异性能。
风机厂商在叶片外壳上通常采用玻璃纤维增强树脂,叶尖、叶片主梁则采用强度更高的碳纤维。这些复合材料结构极其坚固,而且空气动力性好,可以使叶片更轻、更长,让风机吸收更多的风能。
热固性树脂在叶片中占比超三成,相当于混凝土建筑中的填充物,碳纤维、玻璃纤维等材料则相当于混凝土中的钢筋,占比约七成。两者结合,坚不可摧。
其中,热固性树脂有个外号——“终极材料”。它是一种高分子聚合物材料,在聚合过程后,这种交联结构不能重复加工成型,所以回收利用几乎是不可能完成的任务。
侯相林举例说,普通的热塑性塑料,如农田里的地膜,自然降解需要200~400年,其分子链为线型结构,而热固性树脂的分子链为体型网状结构,是一个刚性的三维网络结构。
前者像竹竿,是线性的;后者像不锈钢梯子,是立体的。以热固性树脂为基础制成的复合材料单位的密度只有钢铁的1/4,同等重量的材料的力学性能却是金属的好几倍。
“终极材料”的“实力”可见一斑。

回收技术需求高涨


风机叶片的寿命约为20~25年,我国本世纪初新建的一批风电机组即将面临退役,加之受风电抢装潮影响和原材料的限制,今年叶片市场甚至供不应求,回收这种高价值材料的技术需求越来越大。
对于这种材料,由于不可降解,填埋会向环境缓慢释放少量芳烃物质,焚烧更不可取,会产生有毒气体,唯有走绿色回收利用这一途径。
有的企业尝试用热塑性树脂代替热固性树脂制造复合材料,有的企业只能回收复合材料里的一部分玻璃纤维。但风电作为一个新兴行业,风机叶片实际处理经验很少,真正要做到产业化,至少还需20年。
记者采访了解到,国内诸多风电机组制造企业为了处理好生产加工叶片产生的废料,会拿出3000元/吨左右的处理费给专业公司,而后者只是将固废切割破碎,将树脂和木质粉料按一定比例混合后经热挤压成型,制成板材,用于公园的板凳、围栏。
热固性树脂并没有因此消失,所谓的“专业处理”也仅仅是半处理,而且给今后的回收造成了更大困难。
2020年9月1日,《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》颁布实施,要求产生工业固体废物的单位应当根据经济、技术条件对工业固体废物加以利用。愈发收紧的固废处理政策,给专业从事固废研究的侯相林团队提供了一个契机。
“这几年,国内在本世纪初装机的一大批风电机组面临集中退役,回收风电叶片里的复合材料应该提上日程了。”侯相林说,“国外研究团队也在紧锣密鼓开展相关研究,特别是风电技术很强的大公司,明知道叶片有很高的价值,但对回收却一筹莫展。” 
实际上,侯相林开展叶片材料回收研究远远早于叶片大规模退役的时间。他所负责的山西煤化所311课题组多年来瞄准热固性树脂开发利用方向,产出一系列研究成果及专利,蕴含了多项国际领先技术,形成了一套极具竞争优势的化学降解综合开发工艺,生产出大量高价值化学品。
这无疑使教科书里的“终极材料”从此不再“终极”。

从暴力破解到精巧拆除


从2019年开始,侯相林团队成员、山西煤化所研究员邓天昇和在读博士生武少弟从十余种催化剂中挑选出性能最优的,全新的催化体系在10千克级别的高压反应釜中连续运行超过300小时,得到了试验关键数据。
今年,“碳纤维增强环氧树脂回收利用”项目获北京地区高校大学生优秀创业团队三等奖。这项技术就是降解碳纤维增强环氧树脂复合材料,致力于从风机叶片中回收高价值的碳纤维。
碳纤维增强环氧树脂的优点多、品质好,但是回收时,优点全部变成“绊脚石”。
侯相林团队采用定向解聚法处理复合材料,通过特定溶剂及催化剂体系,在较温和的条件下将高分子在特定的键位“拆解”开,形成长链热塑高分子或树脂合成单体。这一方法国内首创,也是学术界普遍承认的实现循环经济的好方法。
不同于传统以小分子降解产物为目标的“以破为主”的回收思路,该团队提出选择性断键降解回收热固性树脂的新思路,并利用配位不饱和或弱配位的金属离子选择性地断裂树脂化学键,实现了热固性树脂基复合材料的高效降解和全成分回收。
例如,利用水相体系配位不饱和的锌离子,选择性地断裂环氧树脂的碳氮键,实现了碳纤维增强环氧树脂的高效降解及循环利用。
回收高价值碳纤维最重要的一步是降解或溶解碳纤维增强复合材料中的聚合物组分,回收高价值化学品。“我们在实验室阶段取得了一部分成绩,现在准备进行中试放大。从数据指标看,环氧树脂降解率大于99%,回收率大于95%,碳纤维回收率大于96%,纤维强度损失小于5%,回收的碳纤维单丝强度指标、模量与原丝相差无几。”侯相林表示。
据介绍,回收的树脂产物可制成环氧沥青,进一步处理可以得到双酚A等,每吨市场售价数千元至上万元。高价值化学品使得回收技术“含金量十足”,预期经济效益十分可观。
邓天昇评价道,这套技术有两大优点,较温和的条件下实现树脂降解,耗能少;特定位点选择性断键,产物可控,价值更高。其他回收方法与这种方法相比,前者是暴力破解,后者是精巧拆除。
从废弃PET到纤维增强环氧树脂,从纤维增强不饱和树脂到乙烯基树脂,从聚氨酯材料到密胺树脂,以热固性树脂为主要回收对象的环保技术,在侯相林团队的系列技术加持下,已经可以通过化学回收制备十余种高价值化学品。
“经过十多年的专注科研,我们有信心与企业合作扩大生产规模,早日‘变废为宝’,提取出更多有价值的化学品,创造更大的环保效益和经济效益。”侯相林说。


《中国科学报》 (2021-09-13 第3版 能源化工 原标题为《为“白色巨人”拆解“终极材料”》)


编辑 | 赵路
排版 | 志海


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关键词: 风机

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