全球風(fēng)機葉片的數(shù)量及尺寸都在迅速增長。最新的風(fēng)機葉片的尺寸是20世紀(jì)80年代的100倍。這段時間內(nèi)葉片的直徑增加了8倍,葉片長度已經(jīng)超過6米。各國大力推進風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展,這勢必會造成廢棄葉片產(chǎn)量的增多,那么采用何種方法處理廢棄葉片才能使風(fēng)能成為一種更加綠色的能源呢?風(fēng)機葉片通常含有纖維增強材料(如玻璃纖維或碳纖維)、塑料聚合物(聚酯或環(huán)氧乙烯樹脂)、夾心材料(PVC、PET或巴沙木)和涂層(聚氨酯)。隨著葉片尺寸的增大,葉片生產(chǎn)所需的材料數(shù)量也在不斷增長。據(jù)估計每1kW的新裝裝機容量就需要10千克葉片材料。因此1臺7.5MW的風(fēng)機約需要75噸的葉片材料。風(fēng)機葉片的使用壽命大約為20~25年。因此如何處理廢棄葉片就成了問題。據(jù)推測每年要處理的纖維復(fù)合材料重量將達到20.4億噸以上。風(fēng)電行業(yè)相對來講是一個新興行業(yè),在風(fēng)機葉片的實際處理方面經(jīng)驗很少,尤其是海上風(fēng)力發(fā)電機。因此風(fēng)電系統(tǒng)如果想獲得足夠的拆除、分離、處理等方面的實際經(jīng)驗,可能需要20年以上的時間。現(xiàn)有的處理廢棄風(fēng)機葉片的方法有:垃圾掩埋、焚燒或回收。
第一種方式在那些致力于減少垃圾掩埋數(shù)量的國家基本上已經(jīng)過時了(如德國)。不過目前中國采用最多的還是垃圾掩埋方式。最常用的處理方式是焚燒。在所謂的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)工廠內(nèi),利用焚燒產(chǎn)生的熱來發(fā)電,為區(qū)域加熱系統(tǒng)供熱。但是60%的廢料在焚燒之后只是變?yōu)榛覡a。由于復(fù)合材料中含有無機物質(zhì),這些灰燼可能含有污染物質(zhì),根據(jù)其類型和后處理方法的不同,灰燼要么進行掩埋要么回收后作為替代材料。無機物質(zhì)還會產(chǎn)生危險的廢氣,其中殘留的細小玻璃纖維可能會導(dǎo)致煙氣清潔過程出現(xiàn)問題,主要是在灰塵過濾設(shè)備中。風(fēng)機葉片在進入焚燒廠前還需進行拆解和粉碎,從能耗和排放角度來說,這進一步增加了環(huán)境的壓力。此外,在焚燒過程中還會引起工人健康和安全方面的問題?;厥談t是一種環(huán)保的處理方式?;厥詹牧现瞥傻男碌母咝У娜~片可以取代舊的葉片。但是目前成熟的風(fēng)機葉片回收方法還很少,只有30%的纖維增強塑料(FRP)可以回收再用,制成新的FRP,而大多數(shù)則是作為水泥行業(yè)的添加材料。過去的幾年,全球各企業(yè)就風(fēng)機葉片的回收問題進行了大量研究項目,推出了許多創(chuàng)新產(chǎn)品。
2003~2005年,荷蘭電工材料協(xié)會(KEMA)和波蘭工業(yè)化學(xué)品研究院(ICRI)共同領(lǐng)導(dǎo)了一個項目,研究玻璃鋼(FRP)的機械回收,即將材料粉碎然后再回收利用。此項目利用一臺具有“按需切割”功能的混合粉碎機,以每小時處理2.5噸物料的速度,將玻璃鋼(FRP)粉碎成15~25mm的長度,而且對纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷很小。為了避免粉碎過程中發(fā)生危險。粉碎之后通過一種再活化方法對纖維的品質(zhì)進行改良。將其與一種新基體進行化學(xué)粘結(jié)來實現(xiàn)更好的性能。另一種技術(shù)是由HAMOS公司開發(fā)的纖維長度分離技術(shù),可以去除雜質(zhì)。粉碎后的玻璃鋼(FRP)廢料在重新利用過程中的一個問題就是纖維與樹脂的重新粘結(jié)。因為粉碎的纖維上經(jīng)常帶有殘留的樹脂,因此粘結(jié)起來就更加困難。只有回收的纖維要比原始纖維更長,它才能與新基體更好的粘結(jié)。對于風(fēng)機葉片的回收來說,還需要增加一個步驟,即在現(xiàn)場將葉片切割成大塊,以便于運輸。切割是通過目前廣泛應(yīng)用的粉碎手(起重機或挖掘機末端連接的粉碎/抓取設(shè)備)完成的。但是復(fù)合材料回收物的需求并不像鋼材那樣強勁,其應(yīng)用前景非常有限。另一個問題就是回收的纖維比原來的纖維短,表面還帶有“原來的”樹脂,更難以使其在一定方向上排列。
這樣就難以按照需求增加產(chǎn)品的強度,例如汽車保險杠。但是汽車行業(yè)并沒有停止回收和再用其本身的廢棄物。玻璃纖維硬度較高、粉碎過程需要大量的能源,因此這種填料的價值是很低的,很難讓它產(chǎn)生經(jīng)濟效益,除非能找到一種更廉價的能源。溶劑分解作用進行化學(xué)回收也是一種回收方法。采用這種方法,玻纖的大部分拉伸強度可以保留下來,部分塑料材料還可以作為新的原材料。但是采用具有侵蝕性的危險化學(xué)品進行回收并未得到提倡,而且這種方法的成本較高。另外一種方法是采用高溫?zé)峤夂蜌饣椒▽崃亢筒牧线M行回收。盡管纖維喪失了原來的“大部分”拉伸強度,而且技術(shù)成本很高,但是終端產(chǎn)品非常純,塑料中的熱能也以電能和熱能的形式得以回收回收過程如下:使用液壓剪切機或類似的工具將廢棄物在現(xiàn)場切割成便于運輸?shù)某叽纾坏竭_工廠后,這些部件進一步被粉碎成手掌大小的塊;材料被連續(xù)送入500℃高溫的無氧回轉(zhuǎn)爐內(nèi),塑料被高溫分解成合成氣體;氣體用于電力生產(chǎn),也用于加熱回轉(zhuǎn)爐;在二級回轉(zhuǎn)爐內(nèi),玻璃纖維材料在大氣存在的條件下得以凈化;利用磁鐵篩除并回收金屬;去除玻纖材料殘余物中的灰塵;混有少量聚丙烯纖維的玻璃纖維通過爐子后,PP纖維融化并連接到玻纖上形成穩(wěn)定的絕緣板。高溫?zé)峤猱a(chǎn)品主要是耐熱的絕緣材料。
這些纖維還可以用作填料、粘性涂料、熱塑性部件、瀝青和混凝土中的增強材料,以及新玻璃纖維的原材料。復(fù)合材料中所含有的熱能可用于發(fā)電和為工藝過程供電。回收的玻璃鋼(GRP)風(fēng)機葉片材料不能再用在新葉片中,因為回收的玻璃纖維總是比原始玻纖強度低,因此風(fēng)電行業(yè)不能使用回收的增強纖維。碳纖維與玻纖不同,從預(yù)浸環(huán)氧樹脂/碳纖材料中回收碳纖維,回收到的碳纖維的E模量沒有改變,而最終的拉伸強度只降低了5%。盡管葉片回收各企業(yè)對風(fēng)機葉片處理方法及回收途徑上取得了明顯成功,但是由于成本問題,相關(guān)項目并未得到很好的發(fā)展。目前為止,丹麥大多數(shù)的磨損葉片和生產(chǎn)廢料都采用掩埋處理的方法,這是最廉價解決方案?,F(xiàn)在對葉片回收問題存在幾種不同的觀點,有人認(rèn)為葉片回收的根本問題所在并非材料本身,而是缺乏足夠份額廢料,因此,各商家在對回收項目進行投資上存在資金困難。也有人認(rèn)為:采用熱固性復(fù)合材料的行業(yè)希望生產(chǎn)出持久耐用的產(chǎn)品,并期待未來幾年能有新的回收技術(shù)出現(xiàn)。就熱固性材料及其化學(xué)性質(zhì)而言,很難發(fā)現(xiàn)有什么好的回收方法。因此,熱固性復(fù)合材料的回收是一個重大的挑戰(zhàn)。
然而不論從環(huán)境還是經(jīng)濟角度出發(fā),葉片的回收都會成為一個更加重要的問題。目前的葉片廢棄物的流向還是難以控制,因此必須找到一個解決方案。各國希望走復(fù)合材料廢棄物的商業(yè)之路,逐步向可持續(xù)性方向發(fā)展。由于廢棄葉片在回收上面臨著巨大挑戰(zhàn),因此一些機構(gòu)開始研發(fā)新的葉片生產(chǎn)方法,以簡化廢棄葉片的處理及回收工藝。由汽車行業(yè)我們不難發(fā)現(xiàn)熱塑性材料更易回收,因此在風(fēng)機葉片中嘗試使用熱塑性基體的復(fù)合材料。但是熱塑性材料制成的兆瓦級葉片是否具備足夠的力學(xué)性能和物理性能還沒有得到證實。對于5kW左右的小型風(fēng)機,可以使用一些模塑成型的增強型熱塑性材料或其它熱塑材料。這種情況下,葉片的回收就會容易的多。越來越多的風(fēng)機公司開始采用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫,這是一種可完全回收的熱塑性結(jié)構(gòu)泡沫,回收后還可以再利用。將其粉碎并混合到新產(chǎn)品中后,仍能保持相同的性能和強度。目前,AlcanAirex已經(jīng)對其PET泡沫AIREXT91實現(xiàn)了回收。風(fēng)機葉片的回收仍然存在很多問題,不過,關(guān)于玻璃纖維增強材料(GRP)的回收方法以及回收后的材料可能的應(yīng)用領(lǐng)域的研究已經(jīng)有了進展。