真空熱解在回收風電葉片中的研究

韓昊亮,梁志剛

(國能思達科技有限公司,北京 100081)

我國風電于20世紀80年代起步[1],2003年開始[2],兆瓦級風機進入市場,風電場建設進入規?；?、國產化階段[3]。伴隨國家發展,能源需求日益增長,人們對生態環境保護意識也不斷增強,在20年中,每年不斷產生大量風電新增裝機,風力發電技術不斷提升,風電產品更新換代迅速[4]。

現階段,風電葉片采用真空灌注復合材料制成,服役壽命一般為20年[5],因此在21世紀初安裝的風電機組中,將會從2025年開始逐漸產生大批量退役葉片,到2035年,我國將有至少9萬臺機組退役。歐洲已服役15年以上的機組比例占總機組的28%,在德國、西班牙和丹麥等國家,這一比例高達41%～57%[6]。如何開展退役機組回收處置再利用工作已成為目前風電行業亟須解決的重要問題,其中對風電葉片處置回收尤為困擾。

1 風電葉片回收現狀

1.1 葉片構成及材料

風電葉片是將風能轉化成機械能的核心部件,主要包括殼體、主梁、腹板等。為了實現輕質高強特性,盡最大可能地獲得空氣動力學性能[7-8],葉片主要采用熱固性復合材料制成,以樹脂為基體,采用玻璃纖維活碳纖維作增強體,以PVC或巴薩木為芯材[9],輔以其他涂層或添加劑材料。葉片選材導致葉片服役到期或損壞嚴重,報廢時難以回收,回收過程中還會對生態環境造成一定影響,因而葉片回收再利用和可持續發展方向受限[10]。我國新能源產業飛速發展,該問題的緊急嚴重程度不斷凸顯,2021年7月開始,在國家發改委委托下,中國物資再生協會纖維復合材料再生分會,針對風電設備固體廢棄物(固廢)開展一系列工作,因此風力發電機組相關復合材料固廢綜合利用研究進程不斷加快[11]。

1.2 葉片回收方法

全球風電產業技術起源于歐洲,在風電葉片回收事業上,歐美國家主要以玻纖樹脂風電葉片先行進行探索,基本確定“省資源、再利用、資源化、最終處理”的玻璃鋼廢棄物處理思路[12]。目前國際上通用的退役風電葉片回收方式包括物理回收法、能量回收法、水泥窯協同法、熱解法、定向解聚法。

物理回收將葉片分割成為一定大小的塊狀物,然后投進撕碎機撕碎,再根據應用需要打碎、磨碎成纖維狀、粉末狀等形態,技術簡單,成本低,污染小,但葉片中樹脂成分毫無價值。

能量回收將葉片簡單分割或破碎后投入燃燒爐中進行燃燒處理,產生大量的熱量,進行發電或提供高溫能源,方法簡單,成本低,但因玻纖不燃,熱能不穩定且易產生二次污染,存在鍋爐爆炸安全隱患。

水泥窯協同將葉片破碎后添加到在制水泥中,有機部分作為燃料以提供能量,無機二氧化硅作為水泥組分進行利用,可實現完全處置,但至今工藝不成熟,水泥品質不穩定。

定向解聚通過介質,在常溫或150 ℃左右加熱條件下,將有機成分斷鍵形成新產物,保留纖維,該方法纖維性能保留率高,但降解周期長,催化劑及產物的提純仍待研究發展。

熱解法通過一定高溫厭氧條件下封閉加熱,有機成分分解成有機氣體和液體,將纖維保留,適用范圍廣,但成本較高,回收纖維強度下降,技術仍不成熟。

1.3 熱解工藝研究必要性

國內熱解工業,在輪胎、塑料、木材、生物質等行業,熱解技術及相關產業發展已趨近成熟[13],工業生產已成較大規模,現階段,熱解是處理廢棄物的一種重要方法。風電葉片熱解與這些行業存在一定相關性,在產業發展的道路上具備一定基礎,發展道路更具有參考。采用熱解工藝回收風電葉片,能夠較快地發展為工業生產,并迅速銜接上下游,更好地面對2025年開始的風電機組退役潮。

本文將熱解法運用進風電葉片回收中,首先設計一條葉片熱解工藝并研究熱解參數對葉片熱解效果的影響,然后回收熱解產物,并對熱解產物進行成分測試和熱值、酸度、閃凝點測試。為熱解法處理風機葉片儲備工藝路線,為復材固廢回收產業化、市場化提供技術基礎。

2 試驗方法

試驗設計了一套實驗室規格熱解處理風電葉片的設備和不同工藝參數,包括升華儀、復壁式冷凝管、真空泵、兩臺冷水機和連通管路,結構示意如圖1所示。試驗原料為經過破碎粉碎兩道工序后獲得的粒徑小于8 mm的風電葉片碎塊及粉末。

圖1 試驗設備結構示意圖

稱取原料置入料舟內,放入升華儀,打開真空泵將設備體系內抽置一定壓強后調整抽氣速率,打開冷水機與制冷機,預設加熱溫度與保溫時間,開啟加熱升華儀加熱模塊為常規電加熱,升溫速率為10 ℃/min,待保溫完畢冷卻后收集冷凝熱解油與剩余固體并稱重記錄。

本文中,試驗變量為加熱溫度、冷卻溫度、保溫時間和真空度,每組樣品500 g,試驗組設置如下。

1)加熱溫度:溫度設置為300、400、500、600 ℃,通過結果得到最佳區間后,設置420、440、460、480 ℃。其他參數設置如下:真空度1 kPa,升溫速率10 ℃/min,保溫時間1 h,冷凝溫度15 ℃。

2)冷卻溫度:溫度設置為25、15、5、0 ℃。其他參數設置如下:真空度1 kPa,保溫時間1 h,加熱溫度400 ℃。

3)保溫時間:時間設置為60、90、120 min。其他參數設置如下:真空度1 kPa,加熱溫度400 ℃,冷卻溫度15 ℃。

4)真空度:由于設備能力因素,真空壓強設置為1～100 Pa、100 Pa～1 kPa、1～10 kPa等3個區間。其他參數設置如下:加熱溫度400 ℃,冷卻溫度15 ℃,保溫時間1 h。

每組試驗待冷卻后,稱重收集到的熱解油和加熱完剩余的固體成分,再通過氣相測譜測定所得熱解油成分組成。將剩余固體灼燒,測定質量損失。

3 試驗結果

3.1 不同參數下產物占比

對各試驗條件下樣本進行稱重統計,統計結果如圖2～圖4所示。

圖2 熱解溫度-產物關系圖

由圖2可知,熱解反應在300 ℃時即可開始發生,但300 ℃時熱解反應慢,剩余固體較多,產物轉化率低。隨著溫度升高,剩余固體含量占比穩定在70%,這一數據與制造風電葉片的材料,即玻纖樹脂基復合材料其基體與增強體的質量占比特性吻合。同時可以看出,隨著熱解反應溫度的升高,產生的熱解氣占比先上升后下降,在400 ℃時,為最大產量點,而熱解油產量隨著溫度升高逐漸升高。

由圖3可知,隨著冷凝溫度的降低,在熱解產物中,固體產物含量基本保持不變,熱解氣含量以微小的趨勢逐漸降低,熱解油含量緩慢上升,這是因為隨著冷凝溫度的降低,熱解產生的氣體冷凝速率、冷凝效率增加,可有效避免部分熱解產生的熱解油分子再次分解。而隨著保溫時間的延長,熱解油含量降低,熱解氣含量升高,因為隨著保溫時間的延長,未冷凝的熱解油分子會繼續在環境中分解。但這兩種影響因素對熱解反應的影響并不明顯,若在生產中可忽略不計。

a) 冷凝溫度-產物關系圖

由圖4可知,真空度條件對反應產物影響顯著,隨著真空度的降低,熱解氣產量降低,熱解油產量升高,但為保證試驗安全性,同時隔絕氧氣存在,熱解反應均需要一定條件微負壓條件,常壓狀態通常不予考慮,同時已有研究得知:常壓下熱解揮發性產物不能及時離開高溫反應區,熱解揮發性產物進一步斷鍵成小分子量物質而得不到冷凝,氣體產物產率增加。

圖4 真空度-產物關系圖

3.2 產物組分

收集的熱解油樣品經紅外測譜與氣質測譜后數據如圖5所示。

a) 熱解油濃縮紅外FTIR譜圖

通過圖譜可以看出,熱解油樣品中檢測出27種有機化合物組分,主要組成及質量占比見表1。其他組分為甲苯、鄰甲酚、十氫喹啉、香芹酚等多種有機化合物,含量均小于2%。

表1 熱解油主要成分及占比(質量)表

4 分析與討論

隨著熱解溫度的升高,固體產率逐漸降低并趨于平穩,因為葉片中反應的為樹脂組分,玻纖成分并不發生反應。熱解后剩余的固體碎料為黑褐色,這是因為樹脂的熱解反應中,會不斷生成熱解炭,析出在不參加反應的玻纖表面。反應前后,剩余粉料固體的外形與尺寸與原料相比基本不變,因炭的析出,粉料間帶有微小的粘連。熱解溫度是影響熱解反應的最主要因素,在本文的研究范圍內,熱解溫度越高,熱解油的產率越高。但是將熱解溫度升高意味著消耗更多的能源,而熱解油產率只有微小的提升。另一方面,當熱解溫度升高時,熱解反應的焦化程度增加,在工業生產中大量的焦化現象將影響設備安全性。

當體系真空度上升時,液體產物減少,氣體產物增加,其原因如下:一方面,為保證體系內一定的真空壓力,熱解反應中真空泵一直處于工作狀態,若反應區真空度較高,熱解出的揮發性氣體會被迅速抽離反應體系,經過冷凝區時沒有充足的接觸面積與接觸時間來不及換熱;另一方面,熱解油是一個復雜的有機混合物,在較高負壓下物質的沸點降低,致使熱解油的產率下降。因此選擇合適的熱解體系壓力可以獲得最髙的產油率。

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)從工業生產角度考慮,葉片熱解適宜的工藝參數如下:熱解溫度區間450～500 ℃,冷凝溫度20 ℃,保溫時間60～90 min,真空度10 kPa。

2)熱解工藝處理風機葉片最多可以獲得3種回收產物,分別為:純凈玻纖、熱解氣、熱解油。其中,熱解油為多種有機化合物組成的混合物,具有一定的工業價值。

3)退役的風電葉片回收再利用已成為困擾新能源產業向縱深發展的難題。因此熱解工藝的研究為后續發展成為回收產業提供理論基礎,對延伸風電產業鏈條、促進老舊風電項目轉型升級、推進生態文明建設均有重要意義。