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科普 | 约190GW将过质保期!退役后的风机叶片如何处理才更“清洁”?

国际能源网能源资讯频道  来源:风电头条  作者:简一  日期:2017-11-22

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十三五”风电发展规划提出,至2020年,风电装机总容量将超过2亿千瓦!照此推算,未来五年,退役风机的数目也会达到一个新的高度!

据统计:至2016年,每年约有16GW-18GW风机质保到期,2017和2018年其增长规模将分别达到27GW和32GW,至2020年累计约190GW!

而随着风电技术的发展,风电机组叶片长度逐渐增长,以便捕获更多的风能。近年来,大叶片毫无疑问成为趋势,但是退役后的叶片如果处理成为难题。

风能是目前全球公认的清洁能源之一,然而退役风机的处理是否也是清洁就不一定了……

早在2014年的时候,英国的研究人员调查了500多个风电场,发现在20世纪90年代建成的老式风电机组,在19年后仍然可以发出3/4的功率。他们的结论是,大多数风电机组运行的时间应该能够比预期更长,大约在25年后才需要升级换代。

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众所周知,在某些时候再好的事情也必将结束。推动风电产业前进的关键是要持续地获得清洁能源效益,但同时也需要考虑机组退役后该如何处理。虽然目前全球的退役风电机组数量仍然很低,但是随着风电产业的大规模发展必将持续增长。

大多数风电机组的部件都是可回收的,其中包括基础、塔筒、齿轮箱和发电机。但是风电机组叶片却由于其构成的成分而难以回收。大多数的风电机组叶片是由复合材料构成,利用各种材料的互补特性。目前的风电机组叶片通常是由聚合物基质与玻璃纤维或碳纤维加固材料组成。这些复合材料的优点是气动性能优异,并且轻便耐用,但其缺点是难以回收。

最新的风机叶片的尺寸是20世纪80年代的100倍。这段时间内叶片的直径增加了8倍,叶片度已经超过6米。各国大力推进风电行业的发展,这势必会造成废弃叶片产量的增多,那么采用何种方法处废弃叶片才能使风能成为一种更加绿色的能源呢?

风机叶片通常含有纤维增强材料(如玻璃纤维或碳纤维)、塑料聚合物(聚酯或环氧乙烯树脂)、夹心材料(PVC、PET或巴沙木)和涂层(聚氨酯)。随片尺寸的增大,叶片生产所需的材料数量也在不断增。

据估计每1kW的新机容量就需要10千克叶片材料。因此1台7.5MW的风机约需要75吨的叶片材料。风机叶片的使用寿命大约为20——25年。因此如何处废弃叶片就成了问题。

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据推测每年要处纤维复合材料重量将达到20.4亿吨以上。风电行业相对来讲是一个新兴行业,在风机叶片的实际处经验很少,尤其是海上风力发电机。因此风电统如果想得足够的拆除、分离、处实际经验,可能需要20年以上的时间。现有的处废弃风机叶片的方法有:垃圾掩埋、焚烧或回收。

1、垃圾掩埋和焚烧处理

第一种方式在那些致力于减少垃圾掩埋数量的国家基本上已经过时了(如德国)。不过目前中国采用最多的还是垃圾掩埋处理,通常最常用的方式是焚烧:在所谓的(CHP)工厂内,利用焚烧产生的来发电,为区域加统供。但是60%的废料在焚烧之后只是变为灰烬。由于复合材料中含有无机物质,这些灰烬可能含有污染物质,根据其类型和后处,灰烬要么进行掩埋要么回收后作为替代材料。无机物质还会产生危险的废气,其中留的细小玻纤维可能会导致烟气清洁过程出现问题,主要是在灰尘过滤设备中。风机叶片在进入焚烧厂前还需进行拆解和粉碎,从能耗和排放角度来说,这进一步增加了环境的压力。此外,在焚烧过程中还会引起工人健康和安全方面的问题。

2、叶片回收处理

回收则是一种环保的处理。回收材料制成的新的更叶片可以取代旧的叶片。但是目前风机叶片回收方法还很少,只有30%的纤维增强塑料(FRP)可以回收再用,制成新的FRP,而大多数则是作为水泥行业的添加材料。过去的几年,全球各企业就风机叶片的回收问题进行了大量研究项目,推出了许多创新产品。

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3、叶片回收技术

2003——2005年,兰电工材料协会(KEMA)和波兰工业化学品研究院(ICRI)共同领导了一个项目,研究玻钢(FRP)的机械回收,即将材料粉碎。此项目利用一台具有“按需切割”功能的混合粉碎机,以每小时处2.5吨物料的速度,将玻钢(FRP)粉碎成15——25mm的度,而且对纤维内部结构的损伤很小。为了避免粉碎过程中发生危险。粉碎之后通过一种再活化方法对纤维的品质进行改良。将其与一种新基体进行化学粘结来实现更好的性能。

另一种技术是由HAMOS公司开发的纤维度分离技术,可以去除杂质。粉碎后的玻钢(FRP)废料在重新利用过程中的一个问题就是纤维与树脂的重新粘结。因为粉碎的纤维上经常带有留的树脂,因此粘结起来就更加困难。只有回收的纤维要比原始纤维更,它才能与新基体更好的粘结。对于风机叶片的回收来说,还需要增加一个步骤,即在现场将叶片切割成大块,以便于运输。切割是通过目前广泛应用的粉碎手(起重机或挖掘机末端连接的粉碎/抓取设备)完成的。但是复合材料回收物的需求并不像钢材那样强劲,其应用前景非常有限。另一个问题就是回收的纤维比原来的纤维短,表面还带有“原来的”树脂,更难以使其在一定方向上排列。

这样就难以按照需求增加产品的强度,例如汽车保险杠。但是汽车行业并没有停止回收和再用其本身的废弃物。玻纤维硬度较、粉碎过程需要大量的能源,因此这种填料的价值是很低的,很难让它产生经济效益,除非能找到一种更廉价的能源。

溶剂分解作用进行化学回收也是一种回收方法。采用这种方法,玻纤的大部分拉伸强度可以保留下来,部分塑料材料还可以作为新的原材料。但是采用具有侵蚀性的危险化学品进行回收并未得到提倡,而且这种方法的成本较高。

另外一种方法是采用温解和气化方法对量和材料进行回收。尽管纤维丧失了原来的“大部分”拉伸强度,而且技术成本很,但是终端产品非常纯,塑料中的能也以电能和能的形式得以回收回收过程如下:使用液压剪切机或类似的工具将废弃物在现场切割成便于运输的尺寸;到达工厂后,这些部件进一步被粉碎成手掌大小的块;材料被连续送入500℃温的无氧回转炉内,塑料被温分解成合成气体;气体用于电力生产,也用于加回转炉;在二级回转炉内,玻纤维材料在大气存在的条件下得以净化;利用磁铁除并回收金属;去除玻纤材料余物中的灰尘;混有少量聚丙烯纤维的玻纤维通过炉子后,PP纤维融化并连接到玻纤上形成稳定的绝缘板。温解产品主要是耐的绝缘材料。

这些纤维还可以用作填料、粘性涂料、塑性部件、沥青和混凝土中的增强材料,以及新玻纤维的原材料。复合材料中所含有的能可用于发电和为工艺过程供电。回收的玻钢(GRP)风机叶片材料不能再用在新叶片中,因为回收的玻纤维总是比原始玻纤强度低,因此风电行业不能使用回收的增强纤维。碳纤维与玻纤不同,从预浸环氧树脂/碳纤材料中回收碳纤维,回收到的碳纤维的E模量没有改变,而最终的拉伸强度只降低了5%。尽管叶片回收各企业对风机叶片处径上取得了明显成功,但是由于成本问题,相关项目并未得到很好的发展。

由于废弃叶片在回收上面临巨大挑战,因此一些机构开始研发新的叶片生产方法,以简化废弃叶片的处艺。由汽车行业我们不难发现塑性材料更易回收,因此在风机叶片中尝试使用塑性基体的复合材料。但是塑性材料制成的兆瓦级叶片是否具备足够的力学性能和物还没有得到证实。对于5kW左右的小型风机,可以使用一些模塑成型的增强型塑性材料或其它塑材料。

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这种情况下,叶片的回收就会容易的多。越来越多的风机公司开始采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫,这是一种可完全回收的塑性结构泡沫,回收后还可以再利用。将其粉碎并混合到新产品中后,仍能保持相同的性能和强度。目前,AlcanAirex已经对其PET泡沫AIREXT91实现了回收。

风机叶片的回收仍问题,不过,关于玻纤维增强材料(GRP)的回收方法以及回收后的材料可能的应用领域的研究已经有了进展。

以下是退役叶片回收利用的几个具体案例:

方案1:建设现代建筑

在2012年,荷兰率先将退役风电机组叶片用作儿童公园的构筑物。

如今,荷兰设计公司SuperuseStudios则进一步将退役叶片用于城市建筑(如公共座椅)和户外遮蔽场所(如公交候车亭)。

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根据他们网站的介绍,SuperuseStudios还被邀请成为丹麦Genvind财团的合作伙伴,该财团拥有如Vestas等20家机构在内。该财团的主要目标是找到处理风电机组报废(部件)的解决方案。

方案2:通过化学物质分离再循环

在一个被称为“Dreamwind”的研究项目中,一个丹麦奥胡斯大学的科学家团队正在开发一种化学物质,该物质将有可能将风电机组叶片复合材料进行分离,而这正是解决风电机组叶片循环利用的主要问题。(点击参见《丹麦研究风电叶片回收技术》)

方案3:切碎后再利用

华盛顿州立大学正在与西雅图的全球玻璃纤维解决方案公司(GFS)共同开展退役叶片复合玻璃纤维材料的回收和制造工作。

GFS先将风电机组叶片切碎成手掌大小的碎片,然后再由华盛顿州立大学的研究人员进行提炼并加工成新的型复合材料。经过测试,华盛顿州立大学的团队发现,新材料可以与许多木质复合材料相媲美。

回收后的叶片可以用于不同的途径,从地砖到塑料路面障碍。

方案4:粉碎后作燃料

目前,德国保持着世界上唯一的工业规模的工厂,用来处理风电机组叶片。就像在华盛顿州立大学的研究人员那样,先将退役叶片切成小块,然后再敲碎成碎屑,并与其他废料共同作为水泥厂的燃料。

方案5:在二手市场出售

另外,退役的叶片也可以在二手市场出售,用于小型风电机组。

风电机组业主也可以通过上网,在网上市场出售风电机组部件。例如,在SparesinMotion上搜索“叶片”,就可以找到一个叶片的列表,其中最旧的是1997的叶片。

在我国,退役叶片处理难题也在不断突破,今年,重庆通用工业集团攻克材料回收再造世界难题环保风电叶片领先全球。(来源:复材应用技术)

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