《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Research Progress on Pyrolysis in the Recycling of Waste Wind Turbine Blades
编辑推荐：
风力涡轮机叶片（WWTB）处理面临填埋和焚烧的环境问题。热解技术通过高温无氧分解实现材料与能源回收，但需优化机理及工艺参数。本文系统分析热解机理、产物应用及工艺优化，提出协同热解和预处理技术，为规模化应用提供理论支持。
作者：冉友、赵若曦、张峰斌、郝娟、葛珠燕、萨贝雷·纳扎里、王海峰、王帅、何亚群
中国矿业大学化学工程与技术学院，江苏省徐州市221116
摘要
作为最成熟的发电技术之一，风能的广泛采用导致了大规模废弃风力涡轮机叶片（WWTB）的大量产生。如果这些叶片得不到妥善处理，将不可避免地造成资源浪费和环境破坏。传统的处理方法（如填埋）不仅占用宝贵的土地，还会对水和土壤造成污染。焚烧则会进一步加剧空气污染。总之，传统处理方法的最大缺陷在于它们未能将废弃物转化为资源，反而加剧了污染。热解技术作为一种极具前景的方法，不仅具有处理大规模WWTB的潜力，还能将WWTB从废弃物转化为资源。然而，热解技术的工业化应用依赖于对热解机制的精确控制以及对产品的系统化、高附加值转化。本文阐明了WWTB的热解机制，分析了不同变量的影响，确定了产品的应用方向，并整合了当前的创新工艺，为上述两个关键问题提供了见解。在现有工艺中，共热解代表了最有前景的技术路径。然而，热解技术的实际应用不仅需要克服核心技术瓶颈，还依赖于控制经济成本。
引言
废弃风力涡轮机叶片（WWTB）的有效处理已成为一个全球性的环境挑战。随着第一代大规模风力涡轮机进入退役阶段，固体废弃物的激增使得开发有效的回收策略变得尤为紧迫。Krauklis等人的研究表明，社会对复合材料回收的压力日益增大，这主要由四个因素驱动：首先，德国在2009年禁止填埋复合材料，这一政策后来影响了其他国家的类似规定；其次，2019年至2020年间首批大型复合材料风力涡轮机达到使用寿命终点；第三，COVID-19疫情期间飞机退役速度加快；第四，先进复合材料制造工艺的应用范围扩大，过去5到15年间对碳纤维（CF）增强复合材料的 demand 增长了三倍 [1]，[2]。根据《世界能源统计回顾》（2025年版 | 第74版），截至2024年底，全球安装的风力涡轮机容量已接近120吉瓦，同比增长11.3%，如图1(a)所示。图1(b)进一步表明，亚太地区和欧洲仍然是累计安装容量的主导区域。尽管其他地区（不包括中东）目前所占比例较小，但仍在持续快速增长。例如，独联体地区2024年的风力涡轮机安装容量达到了3,256兆瓦，同比增长19.5% [3]。在国家层面，张兴南等人预测，到2026年，中国山西省的退役风力涡轮机叶片数量将达到约5.26×10?吨——这一数字与爱尔兰预计的2040年总量相当。此外，中国正在实施的升级政策（如“用大型涡轮机替换小型涡轮机”）可能会进一步增加这一数字 [4]。这些发展共同凸显了高效和可持续处理WWTB的迫切需求。
WWTB的传统处理方法（如填埋和焚烧）面临重大的环境和实际挑战。填埋受到WWTB数量不断增加的制约——预计到2050年欧洲每年将达到32.5×10?吨——需要大量土地，并加剧了土地使用的竞争。叶片中的热固性树脂和纤维成分难以自然降解，导致长期的环境污染，同时有害成分（如酚类和重金属）有可能渗入土壤和地下水。此外，填埋无法回收有价值的材料，造成不可挽回的资源损失，并且受到越来越多法规的限制，例如德国禁止填埋复合材料 [5]。焚烧虽然能够回收能源，但由于材料的高极限氧指数（25.4），燃烧过程困难 [6]，并且会在浪费可回收成分（如玻璃纤维GF）的同时产生污染 [7]，[8]。这些限制促使人们探索环境兼容性和资源效率更高的替代方案。热解技术作为一种有前景的WWTB资源回收方法应运而生。在高温无氧条件下，它可以将树脂基质热分解为油和气体，同时回收可重复使用的增强纤维（如玻璃或CF），实现材料和能源的回收。大量研究支持其潜力：Krauklis等人强调了热解在材料和能源回收方面的潜力 [1]；葛珠燕等人报告称，环氧树脂（EP）热解可产生含77.57%酚类物质的油和热值为32.79 MJ/Nm3的非冷凝气体，足以维持整个过程 [8]，[9]；Yousef等人展示了从不饱和聚酯树脂基叶片中回收富含苯乙烯的油和GF，并开发了预测模型 [10]，[11]，徐等人表明氮气气氛可以优化纤维质量，两步工艺可提高纤维纯度 [12]。因此，热解为解决填埋和焚烧的缺点提供了可行的途径。
除了热解之外，还有其他几种WWTB的处理方法，包括填埋、焚烧、机械回收和化学溶剂萃取。每种方法都有其优缺点，表1对此进行了对比总结。例如，机械回收通常产生的产品附加值较低，无法充分利用原始复合材料的优异机械性能。相比之下，热解在运营成本、工艺可行性和回收产品价值之间取得了良好的平衡，使其成为可持续WWTB管理的领先候选方法。值得注意的是，从土地使用的角度来看，采用热解代替填埋可以减少高达131%的土地占用，这突显了其独立于能源考虑的环境优势 [13]。不同处理方法的优缺点在表1中进行了总结。
目前关于退役风力涡轮机叶片回收的研究在热解技术和资源利用方面取得了显著进展。关于热解技术的研究广泛探讨了材料组成、结构和工艺参数对热解特性的影响，揭示了不同气氛（N?、CO?、空气）对热解动力学和产品分布的调控机制 [14]，[15]，[16]。此外，热解-氧化工艺参数（如温度、停留时间和加热速率）已经得到优化，以提高GF的回收率和性能保留率（例如，实现了高达51.2%的强度恢复率）[15]，[17]。在资源利用方面，研究集中在将回收材料应用于增强复合材料（例如，使聚丙烯和聚乳酸基体的机械性能提高了16.44%–66.11%）[18]，在水泥窑中共处理，以及催化热解将废弃物转化为高价值化学品（例如，实现了高达96.27%的酚类选择性）[19]。此外，还开发了级联回收策略和循环经济模型，以最大化经济和环境效益 [20]。然而，仍需解决技术挑战，如控制热解过程中的氮和氯污染物以及缺乏产业链协调。未来的工作应侧重于多学科整合和政策支持，以促进大规模应用，尽管仍有许多未解决的问题。大多数研究仅针对组成固定的退役风力涡轮机叶片，导致对多组分材料共热解行为的探索不足。此外，关于热解过程中污染物形成机制和控制方法的研究仍然很少。在此背景下，本文旨在回顾自2020年以来关于退役风力涡轮机叶片热解技术的研究进展，重点关注三个主要方面：热解机制、产品特性和利用以及工艺优化。与现有研究相比，本文全面分析了不同树脂基质类型和热解工艺参数对产品分布和质量的影响。此外，它还探讨了共热解过程中的协同效应、创新预处理技术以及产品的高价值利用途径。目标是系统地概述整个退役风力涡轮机叶片热解过程的当前研究现状，并确定未来的优化方向。
章节片段
风力涡轮机叶片的结构和材料
典型的风力涡轮机叶片材料组成如图2所示 [21]。主要组成部分包括叶片表皮、叶片腹板、翼梁盖和叶片根部。叶片表皮涂有外表面涂层，翼梁盖、叶片腹板和叶片表皮之间的接缝处使用了粘合剂 [22]，[23]。风力涡轮机叶片结构的化学组成和热稳定性比较见表2。
表面涂层由凝胶和油漆组成，采用EP或聚酯制成，以减轻雨水的影响
传统热解机制
葛珠燕等人在不同气氛下对两种纯纤维进行了热解实验。他们发现，在非氧化气氛中，两种纤维的质量变化都不明显（Δm < 5%）；然而，在氧化气氛（空气）中，GF保持稳定，而CF在600 ℃时开始剧烈燃烧，导致质量损失显著（Δm = 98.47%）[8]。这一结果表明，在非氧化气氛中纤维的热解程度很小。
回收纤维
回收纤维的含量可以达到70%甚至更高。这取决于风力涡轮机叶片中纤维的质量分数。由于纤维性质稳定，它们在热解过程中几乎不会损失质量，这一点也在模型混合物的实验中得到了验证 [79]，[80]，[81]。通过热解回收的纤维相对纯净。少量来自树脂基质的残留碳和来自核心材料的木炭会附着在纤维表面，但这些可以去除
经济可行性和挑战
WWTB的热解在经济上面临严峻挑战。主要原因是高昂的处理成本与回收产品价值之间的巨大差距。工艺技术的限制进一步加剧了这一问题。
从处理成本来看，热解技术需要大量的前期投资。设备运行和维护成本也较高。例如，热解过程中产生的污染物需要多阶段净化系统来满足环保要求
结论
实验室环境中WWTB的热解处理研究现已成熟。再生纤维的性能显著下降。EP热解油含有酚类物质和芳香化合物，而各种原材料风力涡轮机叶片的热解气体主要由低分子量烃类组成。热解温度通常稳定在500℃左右。为了回收纯纤维，必须引入氧气以去除表面杂质
作者贡献声明
郝娟：方法论、调查。葛珠燕：资源、方法论。萨贝雷·纳扎里：方法论、概念化。冉友：写作——审稿与编辑、初稿撰写。赵若曦：写作——审稿与编辑、方法论。张峰斌：方法论、资金筹集。王海峰：写作——审稿与编辑、方法论。王帅：方法论、调查。何亚群：方法论、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢新疆维吾尔自治区天池引进计划（编号2025XGYTCYC04）的财政支持。
