1、第卷第期 材料科学与工程学报 总第期 文章编号 ：（）风力发电复合材料叶片废弃物的几种处理方法分析张建川，张前峰，蔡红军（上海玻璃钢研究院有限公司，上海；上海培生船艇有限公司，上海；中国人民解放军驻上海航天局中心代表室，上海）【摘要 】在简述风电叶片发展历史同时 ，对叶片制造特点及其相关废弃物来源 、后期数量 、处理必要性与可行性等进行了详细阐述 。随后根据风力发电复合材料叶片废弃物相关特点等 ，从环境影响 、处理费用 、处理所得物用途三方面 ，对物理粉碎法 、材料再循环与能量回收结合法 、水泥制造法 、焚烧热能法四种可能处理方法进行了深入分析 ；分析得出因废弃物本身及处理后可替代物价值较低
2、，进而致使处理时环境效益或有一定优势 ，但经济效益不理想 。最后根据该类废弃物特点及处理分析结论 ，并结合我国实际情况 ，建议后期优先发展水泥制造法 ，适时适地适当发展焚烧热能法 、物理粉碎法 。【关键词 】风力发电 ；复合材料叶片废弃物 ；处理 ；物理粉碎法 ；材料再循环与能量回收结合法 ；水泥制造法 ；焚烧热能法中图分类号 ： 文献标识码 ： ， ， （ ， ，； ， ，； ， ，）【】 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 【】 ； ； ； ； ； ；收稿日期 ：；修订日期 ：作者简介 ：张建川 （），男 ，四川大竹人 ，高级工程师 ，主要从事先进复合材料及
3、其工艺 （手糊 、缠绕 、真空浸胶 、模压 、拉挤 ）、废弃物处理研究 。：。 引言可利用总量为水电倍多的风能 ，目前主要利用形式是风力发电 ，因其绿色 、安全 、无污染 、可再生 、技术难度中等 、成本相对较低等优良特性 ，而逐步成为许多国家在同时解决能源供应紧张 、减少环境污染等难题时的重要选择之一 ，甚至成为荷兰等国后期电力供应的主体 ，近年来其发展势头尤为迅猛 。现代风力发电研究和试点工作始于年代后期 ，而真正利用风能进行商业化发电则始于年代 ，大规模应用则始于年后 ，尤其是年后 。国内外风力发电机组建设情况见表。至今为止 ，风力发电机组设计使用寿命为表 国内外风力发电机组建设情况 ，
4、 年 ，早期装机机组已报废或处于报废状态 ，机组中各类金属的回收再利用早已工业化 ，而报废热固性复合材料叶片 、机舱罩等的工业化处理 ，至今却未能得到很好解 决 。年 左 右 ，北 美 、欧 洲 各 国 从 环保 、资源再利用等角度出发 ，对复合材料废弃物的回收再利用处理分别提出不同的目标 ，否则将限制 、乃至停止其发展 ；由此可见在不久的将来 ，复合材料废弃物的利用化处理将在一定程度上影响或决定其产业的可持续发展 。鉴于风力 发 电 叶 片 的 生 产 、使 用 、报 废 较 为 集中化 ，以及量大 、结构具有代表性 （实心与夹芯结构共存 ）等特点 ，本文着重从环保 、经济等角度 ，对 其废
5、弃物后期工业化处理的几种可行方法进行分析 、比较 。 复合材料叶片制造特点叶片材质从早期的木质 、塑料 、金属 ，过渡到现在的复合材料 ，除部分小型叶片外 ，目前中大型风力叶片主流结构为 “壳体主梁腹板型式 ”，即实心主梁预埋于用软木 、泡沫为夹芯结构的壳体中 ，两壳体用夹芯结构腹板支撑 ，支撑接触点及壳体实心边框通过胶粘剂胶接而成整体叶片 ，壳体厚度呈梯度过渡的实心根端再通过形螺栓等与风力发电机组轮箍连接 ；其中 ，壳体提供气动外形并承担大部分的剪切载荷 ，主梁为主要承载结构 。其生产多采用组装方式 ，即将专用模具分别成型的主梁 、腹板及其它复合材料部件 ，通过一定方式组装在主模具的两壳体上
6、 ，合模加压固化便成整体叶片 ，脱模再进行表面油漆等后处理 。近年来 ，现代风电技术循着 “单机容量增大 、单位千瓦质量减轻 、风能转换效率提高 ”的路径发展 ，机组功率从早期的左右发展到现在的、，与之配套的叶片长度也从早期的几米发展到现在的多米 ，其宽度 、厚度 、总体质量 、成型工艺等均发生较大变化 。风力发电机组功率及叶片长度 、质量 、材质 、成型工艺等相关情况见表。从表可知 ，目前叶片材质为热固性复合材料 ，其质量约占叶片总质量的，其余为金属连接件 、避雷系统等 。此外 ，随着机组功率增大 ，叶片材质也从早期的、，逐步过渡到后期的、；同时成型工艺也由早期湿法手糊成型 ，演变成现在的预
7、浸料法 、树脂灌注法及二者结合后的法等 。 叶片废弃物来源与数量 叶片废弃物来源复合材料叶片废弃物来源主要有两方面 ：一是制造过程产生的废弃物 ，包括增强材料 、预浸料剪裁边角料 ，成型时树脂 、胶粘剂混合物余料及复合材料成型余 材料科学与工程学报年月表 风力发电复合材料叶片相关特性 、 、 、 ， ， ， 、 、 、说明 ：叶片复合材料质量为除金属外的质量 ，包括胶粘剂 、泡沫 、软木 ，其中后 者质量分别约为复合材料质量的 、。料 ，脱模后各种切割飞边 、成型用辅助材料 、表面打磨粉尘等 ，以及因质量问题 、试验等而报废的部件 、叶片 。二是使用废弃物 ，包括使用过程中受损报废和使用寿命结
8、束后报废的叶片 。通常情况下 ，前者数量较少 、种类繁多 、成份复杂 ，平均约占后者的，但其树脂混合物等有机成分含量高于叶片产品 。我国现代风力发电早期多年一直处于样机研制状态 ，基本没形成产业 ，直到年代中后期引进后 ，才逐渐走上商业化征途 ，近年新增 、累计装机容量情况见表。表 年我国风力发电机组装机容量， 叶片废弃物数量图 年我国风力发电复合材料叶片废弃物数量 鉴于我国风力发电复合材料叶片及机舱罩 、整流罩的研制与使用情况 ，为便于废弃物数量计算 ，现做如下假设 ：一是将年前叶片装机容量按处理 ，其余按处理 ；二是综合考虑多种因素及成型工艺后 ，叶片按手糊成型 、树脂含量处理 ，叶片按灌
9、注成型 、树脂含量处理 ，机舱罩 、整流罩按手糊成型 、树脂含量处理 ；三是考虑后期虽然产能增大 ，但因生产技术 、管理等提高而带来的抵消作用 ，叶片生产过程废弃物数量暂按年预计新增装机容量计算并保持不便 ，其树脂混合物含量按处理 ；四是每台机组安装片叶片 、机舱罩和整流罩各件 ，正常使用寿命均为年 ；五是将机舱罩 、整流罩 、生产过程废弃物等质量折合成叶片废弃物 。则计算后我国风力发电复合材料叶片废弃物数量见示意图图（图中数据为总质量 ）。第卷第期 张建川 ，等风力发电复合材料叶片废弃物的几种处理方法分析从图可知 ，年 ，我国风力发电叶片废弃物质量为（含生产废弃物约吨 ），即总体较为稳定 ；
10、随后年从快速增至，即呈跳跃式变化 ，其中 ，废弃树脂 、纤维质量分别 从年 的和增 至年 的和；总体而言 ，废弃物质量变化情况与我国风力发电装机容量变化规律基本一致 。同时 ，结合我国风力发电总体规划等 ，预计废弃物质量将一路增长至年的万吨左右 。此外 ，计算还表明装机容量耗用复合材料平均约。 叶片废弃物处理对风电产业发展的影响风力发电虽为清洁能源 ，但综合考虑其生产过程 、使用阶段及使用寿命结束后所产生的大量待处理热固性复合材料废弃物 ，生产所用各种原材料生产时的能耗与环境影响 ，以及使用寿命期内机组所产生的油污染等 ，使得越来越多的人们对风力发电是否真的清洁产生怀疑 。因此大量待处理复合材
11、料废弃物能否回收与再利用 ，将在一定程度上直接成为风电行业能否可持续发展的关键和主要制约因素之一 。 叶片废弃物处理的必要性与可行性 处理的必要性除早期木质 、铝合金 、布蒙皮等小型叶片可直接回收处理外 ，我国年代起商业化应用的中大型复合材料叶片及其配套机舱罩 、整流罩等 ，如按年设计使用寿命计算 ，则年起便陆续退役成废弃物 ，因不能重复利用且材质为耐腐蚀性热固性复合材料 ，它不能自然降解 ，将长期成为潜在的持续有机污染物 。使用寿命结束叶片如按整体紧密堆放高 进 行 掩 埋 或 堆 放 处 理 ，则占 地 约，在百年不烂同时析出的有毒物质将进一步污染土壤 、地下水系统等 ，而这将为后期环境等
12、相关法规所逐渐禁止 ；同时近年来树脂原料中的苯乙烯更被证实能强烈地吸附在颗粒上 ，在借助水生 、陆生食物链后形成环境激素类似物 ，食用后能引起男子生殖能力下降和女性化速度加剧 、女性生殖系统癌变等，；如直接焚烧处理 ，则放出大量热 、有毒气体和烟尘 。生产阶段废弃物因成分复杂 、蓬松等而在堆放用地 、危害 、污染等方面比前者更甚 。此外 ，废弃物中的热固性树脂 、纤维等材料 ，其生产原料来源于石油 、粘土 、矿石等不可再生资源 ，而我国又是一个人均水 、土地 、矿产资源十分匮乏的国家（分别约为世界人均的、）。因此如用常规方式进行处理 ，不但不能或难以彻底处理 ，而且还将再次造成极大的环境污染和
13、资源浪费 ，并相悖于我国资源节约型 、环境友好型可持续发展战略 。综上所述 ，复合材料叶片废弃物的处理 ，既是一件非常棘手的问题 ，也是一个迫在眉睫的巨大挑战 ，更事关我国风电产业的可持续发展 。 处理的可行性随着对复合材料废弃物危害性认识的日益加深 ，以及环保要求的不断提高 ，其回收处理呼声越来越强烈 。为此 ，世界发达国家对其回收再利用十分重视 ，如美国在年代即开展热分解回收法可行性研究 ；日本通产省于年设立玻璃钢再资源化处理委员会 ，并下设调查 、标准化 、切断破碎 、粉料利用和热塑性玻璃钢处理等七个技术分会 ，自年起 ，制订了多部有关玻璃钢回收利用和促进回收利用的法令和政策 ；欧美确定
14、了以 “省资源 、再利用 、资源化 、最终处理 ”为指导方针的玻璃钢废弃物处理思路 。目前 ，美国和德国的物理粉碎法 、日本的焚烧热能利用法等工业化处理较为成熟 ，瑞士等在处理技术研究方面较为系统 、深入 ，究其原因主要得益于其严厉的环保法规 、配套的回收和税收政策 ，极大地促进了回收再利用技术的提高和商业化应用的推进 。国内玻璃钢废弃物回收再利用工作始于年前后 ，目前整体水平尚处于起步阶段 ，大体情况为 ：年 ，北京玻璃钢研究设计院 （简称 “北玻院 ”）承担了国家科技部 “热固性复合材料 （）综合处理与再生技术研究项目 ”，研究将废弃物作为填料用于材料中 ，并对粉碎设备 、回收填料处理 、
15、添加量进行了研究 。年秋 ，玻璃钢行业在河北枣强县召开了 “可持续发展 固体废弃料回收利用 ”现场会 。近年来 ，玻璃钢行业开展了 “玻璃钢废弃物处理与回收利用 ”意向调查 ，与北玻院合作开展了玻璃钢废弃物综合处理与再生技术研究 ，与中国水泥协会共同探讨了将玻璃钢废弃物用于水泥窑烧结试验的可能性 ；中材科技风电叶片股份有限公司和北玻院合作研究了焚烧法处理 、回收叶片制造过程废弃物 ；此外 ，河北枣强县等还将废弃物粉碎料用于手糊制品等 。总体而言 ，目前国内填埋 、露天燃烧约占总量的以上 ，回收再利用处理以物理粉碎法为主 ，辅之少量简单粗放的水泥焚烧法 ，但处理技术的深入性 、系统性乃至其基础性
16、研究 ，与国外差距较大 。目前 ，用物理粉碎法回收玻璃纤维复合材料废弃物已工业化 、商业化运作 ；试验表明物理化学法处理后剩余定长玻璃纤维的力学性能等损失不大 ，而溶剂法处理的略高于初始状态；鉴于国内外业界状况及处理基础 ，综合表明现有处理技术对玻璃纤维复合材料 材料科学与工程学报年月废弃物进行回收再利用是可行的 。再加上叶片产业特色所带来的生产 、使用及待处理规模化与集群效应等 ，使其废弃物处理易实现集中化 、工业化 、商业化 。 叶片废弃物处理 处理方法及相关简述目前复合材料废弃物处理可行方法有种，根据前述暂不考虑掩埋或堆放 、重复使用 、露天或直接焚烧 ，则余下机械材料再循环法 （物理粉
17、碎法 ）、材料再循环与能量回收结合法 （物理化学法 ，分热解和化学回收类 ）、水泥制造法 、焚烧热能法种 ，均适于处理叶片 、机舱罩 、整流罩及其生产阶段等风力发电类复合材料废弃物 ；与待处理废弃物种类相对应的处理方法 、最终物及其可能用途见表。以下重点分析叶片废弃物工业化处理 ，其余废弃物处理相同或类似 。表 风力发电类复合材料废弃物几种工业化处理方法 ， ， ， ， ， ， ， 说明 ：废弃物已固化 ；如没固化 ，则应采取措施进行处理 。不含碳纤维 ，如部件或局部碳纤维含量，建议对其按碳纤维类复合材料废弃物处理，以增加其处理效益 。 分析基础叶片废弃物主要材质为玻璃纤维 、玻璃纤维 、碳纤
18、维等增强材料 ，聚酯 、聚氨酯 、乙烯基 、环氧树脂 、胶粘剂等聚合物基体混合物 ，、软木 、竹质等夹芯材料 ，避雷 、连接系统等金属件和表面聚氨酯涂料大类 ，其中表面涂料视为有害物质 ；除金属件外 ，其余材质所含主要元素为、等 。对于复合材料叶片废弃物 ，无论采用何种处理方法 ，处理时各工序均会消耗一定能量 、产生一定环境影响 、发生一定处理费用 ，均有处理最终所得物与拟替代物之间的价值比 ，而这些将共同决定处理方法的优劣和合适与否 。因此可将始终贯穿于每种处理方法中的费用 、环境影响 、处理所得物用途种因素 ，作为种处理方法对比分析的基础 。处理过程能量消耗源于处理设备用燃油或以煤电为主的
19、电力 （人力暂未考虑 ），故处理时会产生一定的大气污染 。综合考虑多种因素后 ，分析时只考虑处理中产生的、三类气体对环境的影响 。此外 ，分析时所有废弃物运输距离假定为、三 种 情 形 ，意 味 着 就 地 处 理 ，、意味着运输后集中统一处理 。 叶片废弃物处理对于叶片废弃物 ，因产品重 、体积大 、强度高 ，不论采用何种方法处理 ，均应采用机械切割和冲击 、剪切 、挤压 、摩擦 、低温或湿式破碎等措施 ，将其变成或其它大小的可用长条状 、块状物等 ，再视处理方案要求做进一步处理 。 物理粉碎法本法不改变废弃物化学性质而直接利用 ，除对待处理废弃物要求较高外 ，处理成本较低 、方法简单 ，是
20、目前唯一商业化的处理法 。其处理原理是 ：采取一系列切割 、粉碎 碾磨等措施 ，逐步减小废弃物尺寸 ，直至达到可作为填料使用要求为止 ，进而实现废弃物的资源化再利用 。再利用时可能会导致材料性能降低 、改变工艺成型性能和造成替代使用成本提高等 ，因而添加数量 、应用领域受到一定限制 。其处理工艺为 ：废弃物拆除切割清洁分类压缩运输粉碎 碾磨分离作为填料使用 。各工序简述如下 ：拆除主要是去除叶片金属连接件 、避雷系统 、表面油漆 （喷砂法等 ），或生产过程废弃物薄膜 、塑料等非复合材料类物质 ；切割视实际情况或处理设施要求将废弃物切割成或大小不等的块状 、长条状 ；清洁是对其表面灰尘 、污物等
21、采取适当措施处理 ；接着以是否含夹芯材料等进行废弃物分类 、减容化压缩以便运输 ；随后进行粉碎 、分离 （按粒径大小 ）、包装 、替代其它材料作为填料使用 。处理中 ，为防止细小颗粒粉碎时因金属件碰撞所产生火花引起有机粉尘燃烧 、爆炸第卷第期 张建川 ，等风力发电复合材料叶片废弃物的几种处理方法分析等 ，粉碎前应尽可能拆除金属件 ，并注意粉尘净化处理 。此外 ，拆除 、清洁工序中产生的粉尘 、灰尘的处理暂不考虑 。物理粉碎法相关处理效果见表。从表可知 ，处理所得最终物替代作填料表 物理粉碎法处理叶片废弃物 ￥ 说明 ：环境冲击 （）又名环境影响 ，本文为材料制造 、废弃物处理活动中 ，消耗能量
22、所排放废气使大气等生态环境不可避免地出现一定程度的波动干扰 ，如环境污染 、失衡 、破坏等不良影响 ； 通常用环境负载单位 （ ，）表示 。各种废气对环境的影响通过一定方式计算后便得总的环境冲击值 。拆除工序中的环境影响主要来源于表面油漆 、金属件拆除时的能量消耗 。其它运输距离时 ，除需压缩外 ，所导致的运输费用和环境影响可根据距离远近按比例调整 。表中替代 填料 （目 ）及后面短切玻璃纤维 、煤 、建筑废弃物等价格 ，根据近期市场行情确定 。时 ，如将直径、纤维长度的粉料用于替代制造平板 、波型板及其它板材等 ，则其环境效益无优势 ，且经济效益为负 ，即该种替代方式为亏损替代 ；如将尺寸的
23、颗粒物替代石灰石用于水泥混凝土 ，则因其价格更低而替代效益更差 ；如通过多次处理将其粉碎成粒度更小的粉料 ，用其替代元 的目粉料 ，不但经济效益仍为负 ，而且还将进一步增加处理时的环境影响和处理费用 。此外 ，结合处理工艺 、表可知 ，如就地处理 ，则压缩 、运输工序可省略 ，相应处理费用 、环境影响可分别降低约、；再进一步改进处理技术等 ，并加上金属件回收再利用价值 ，则平均处理费用可再降低元 ；如再考虑相应处理补贴 、优惠政策等 ，在环境影响虽无优势情况下 ，仍可实现商业化处理 。 物理化学法本法集材料再循环与能量回收于一体 ，是处理复合材料废弃物最彻底 、最有潜力的一种方法 ，通常分热解
24、法 、化学回收法类 ；考虑处理量大可能造成的废水再污染等因素 ，本文只考虑前者 。热解法处理原理是 ：将废弃物按处理要求进行切割 ，然后在无氧 、缺氧或相对缺氧条件下 ，通过丙烷 、热解燃气等高温 （）加热作用，使其有机大分子物质分解为由烷烃烯烃及合成气混合组成的热解燃气 、类似原油状的热解燃油 ，并残留纤维 、填料 、金属件 、焦碳等固体物 ，分离后每种回收物均可进一步再利用 。目前 ，转窑 、液化床热裂解法最为有效 ，其中液化床法是近年来开展研究最多的一种处理方法。与物理粉碎法相比 ，本法中增强纤维可较大长度 、较小损伤地保存下来 ，因而用途更广 ；同时由于基体材料热分解成多种相对简单的化
25、学物质 ，因而可同时处理几种不同基体的复合材料废弃物 ，尤其适于处理含油漆 、胶粘剂等污染或含混杂纤维的热固性复合材料部件 。处理时热解产物与热解温度有关 ，如在时以产生燃油为主 ，在时以燃气为主。此外 ，当处理温度时 ，处理产生的燃气热能除能满足整个后续处理继续进行外 ，多余燃气还可通过管道供锅炉及内燃机混合使用 ，固体残余物中 材料科学与工程学报年月纤维 、填料可用于、和热塑性塑料等 。叶片废弃物热解处理产物及相关情况见表。热解处理工艺为 ：废弃物拆除切割分类压缩运输热裂解裂解残余物处理 。各工序内容简述如下 ：拆除主要是去除废弃叶片中较大的金属部件 、生产过程废弃物薄膜等 ；随后按处理设备和运输要求切割 、分类废弃物 ，压缩后运送到工厂进行热裂解 ；分离处理裂解残余物时 ，因纤维强度下降约，多用于强度要求不高的产品 。相关处理效果见表。表 叶片废弃物热解处理产物及相关情况 ￥ ， ， ， 说明 ：天然气密度为 ，工业用单价为元。重油单价为 元 。表 热解法处理叶片废弃物 ￥ 说明 ：表中废弃物处理费用根据液化床法确定 ，其它物理化学法处理费用应不相同 。该处将叶片用胶粘剂中的填料平均分配 ，同时将处理残余物等质量替代相关材料 ，并以此计算环境影
