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(shè)進入規(guī)?；?、國產(chǎn)化階段[3]。伴隨國家發(fā)展,能源需求日益增長,人們對生態(tài)環(huán)境保護意識也不斷增強,在20年中,每年不斷產(chǎn)生大量風電新增裝機,風力發(fā)電技術(shù)不斷提升,風電產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速[4]。

現(xiàn)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(chǎn)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(yè)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(xiàn)狀

1.1 葉片構(gòu)成及材料

風電葉片是將風能轉(zhuǎn)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(xiàn)輕質(zhì)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(tài)環(huán)境造成一定影響,因而葉片回收再利用和可持續(xù)發(fā)展方向受限[10]。我國新能源產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)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(fā)改委委托下,中國物資再生協(xié)會纖維復合材料再生分會,針對風電設(shè)備固體廢棄物(固廢)開展一系列工作,因此風力發(fā)電機組相關(guān)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(chǎn)業(yè)技術(shù)起源于歐洲,在風電葉片回收事業(yè)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(xié)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(jù)應用需要打碎、磨碎成纖維狀、粉末狀等形態(tài),技術(shù)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(chǎn)生大量的熱量,進行發(fā)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(wěn)定且易產(chǎn)生二次污染,存在鍋爐爆炸安全隱患。

水泥窯協(xié)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(xiàn)完全處置,但至今工藝不成熟,水泥品質(zhì)不穩(wěn)定。

定向解聚通過介質(zhì),在常溫或150 ℃左右加熱條件下,將有機成分斷鍵形成新產(chǎn)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(chǎn)物的提純?nèi)源芯堪l(fā)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(shù)仍不成熟。

1.3 熱解工藝研究必要性

國內(nèi)熱解工業(yè),在輪胎、塑料、木材、生物質(zhì)等行業(yè),熱解技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展已趨近成熟[13],工業(yè)生產(chǎn)已成較大規(guī)模,現(xiàn)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(yè)存在一定相關(guān)性,在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路上具備一定基礎(chǔ),發(fā)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(fā)展為工業(yè)生產(chǎn),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(shè)計一條葉片熱解工藝并研究熱解參數(shù)對葉片熱解效果的影響,然后回收熱解產(chǎn)物,并對熱解產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化、市場化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 試驗方法

試驗設(shè)計了一套實驗室規(guī)格熱解處理風電葉片的設(shè)備和不同工藝參數(shù),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(jié)構(gòu)示意如圖1所示。試驗原料為經(jīng)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(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

稱取原料置入料舟內(nèi),放入升華儀,打開真空泵將設(shè)備體系內(nèi)抽置一定壓強后調(diào)整抽氣速率,打開冷水機與制冷機,預設(shè)加熱溫度與保溫時間,開啟加熱升華儀加熱模塊為常規(guī)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(shè)置如下。

1)加熱溫度:溫度設(shè)置為300、400、500、600 ℃,通過結(jié)果得到最佳區(qū)間后,設(shè)置420、440、460、480 ℃。其他參數(shù)設(shè)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(shè)置為25、15、5、0 ℃。其他參數(shù)設(shè)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(shè)置為60、90、120 min。其他參數(shù)設(shè)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(shè)備能力因素,真空壓強設(shè)置為1～100 Pa、100 Pa～1 kPa、1～10 kPa等3個區(qū)間。其他參數(shù)設(shè)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(zhì)量損失。

3 試驗結(jié)果

3.1 不同參數(shù)下產(chǎn)物占比

對各試驗條件下樣本進行稱重統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 熱解溫度-產(chǎn)物關(guān)系圖

由圖2可知,熱解反應在300 ℃時即可開始發(fā)生,但300 ℃時熱解反應慢,剩余固體較多,產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率低。隨著溫度升高,剩余固體含量占比穩(wěn)定在70%,這一數(shù)據(jù)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(zhì)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(chǎn)生的熱解氣占比先上升后下降,在400 ℃時,為最大產(chǎn)量點,而熱解油產(chǎn)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(chǎn)物中,固體產(chǎn)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(chǎn)生的氣體冷凝速率、冷凝效率增加,可有效避免部分熱解產(chǎn)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(xù)在環(huán)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(chǎn)中可忽略不計。

a) 冷凝溫度-產(chǎn)物關(guān)系圖

由圖4可知,真空度條件對反應產(chǎn)物影響顯著,隨著真空度的降低,熱解氣產(chǎn)量降低,熱解油產(chǎn)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(tài)通常不予考慮,同時已有研究得知:常壓下熱解揮發(fā)性產(chǎn)物不能及時離開高溫反應區(qū),熱解揮發(fā)性產(chǎn)物進一步斷鍵成小分子量物質(zhì)而得不到冷凝,氣體產(chǎn)物產(chǎn)率增加。

圖4 真空度-產(chǎn)物關(guān)系圖

3.2 產(chǎn)物組分

收集的熱解油樣品經(jīng)紅外測譜與氣質(zhì)測譜后數(shù)據(jù)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(zhì)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(zhì)量)表

4 分析與討論

隨著熱解溫度的升高,固體產(chǎn)率逐漸降低并趨于平穩(wěn),因為葉片中反應的為樹脂組分,玻纖成分并不發(fā)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(nèi),熱解溫度越高,熱解油的產(chǎn)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(chǎn)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(yè)生產(chǎn)中大量的焦化現(xiàn)象將影響設(shè)備安全性。

當體系真空度上升時,液體產(chǎn)物減少,氣體產(chǎn)物增加,其原因如下:一方面,為保證體系內(nèi)一定的真空壓力,熱解反應中真空泵一直處于工作狀態(tài),若反應區(qū)真空度較高,熱解出的揮發(fā)性氣體會被迅速抽離反應體系,經(jīng)過冷凝區(qū)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(zhì)的沸點降低,致使熱解油的產(chǎn)率下降。因此選擇合適的熱解體系壓力可以獲得最髙的產(chǎn)油率。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)從工業(yè)生產(chǎn)角度考慮,葉片熱解適宜的工藝參數(shù)如下:熱解溫度區(qū)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(chǎn)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(yè)價值。

3)退役的風電葉片回收再利用已成為困擾新能源產(chǎn)業(yè)向縱深發(fā)展的難題。因此熱解工藝的研究為后續(xù)發(fā)展成為回收產(chǎn)業(yè)提供理論基礎(chǔ),對延伸風電產(chǎn)業(yè)鏈條、促進老舊風電項目轉(zhuǎn)型升級、推進生態(tài)文明建設(shè)均有重要意義。