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再談風機葉片等復合材料固體廢物焚燒法處置存在的問題
2021-09-15 來源:中國物資再生協會
 一、復合材料固廢回收及綜合利用產業發展狀況
 
1、復合材料產業發展規模
 
我國復合材料自從1958年成立的玻璃鋼小組研制成功第一塊玻璃鋼以來,歷經60余載。目前我國復合材料的產量已經躍居全球第一。產業規模超過了RMB2000億/年左右;帶動上游材料(玻纖、樹脂)產業5000億/年左右銷售額。同時,為航空航天、交通運輸、電子電器、電力絕緣、化工防腐、風力發電、給排水、體育用品、園林景觀、建筑材料及制品等支柱產業提供了強有力的支撐。
 
2、復合材料累計產量及固廢產量
 
2.1 全國復合材料產量及產廢量
 
據不完全統計,我國在冊的復合材料相關企業接近1萬余家。通過國家統計局對復合材料行業規上企業(422家)的產量統計,中國復合材料工業協會(原中國玻璃鋼工業協會)提供的歷年可考數據顯示,截至到2020年,我國復合材料累計產量已經超過了4164.89萬噸。
以上數據為中國復合材料(玻璃鋼)工業協會歷年累計統計數據(規上企業數據)。
 
然而,根據中國合成樹脂協會不飽和聚酯樹脂分會的UP樹脂(不飽和聚酯樹脂)以及環氧樹脂協會的樹脂在纖維增強領域樹脂用量的統計,我國2020年的UP及環氧樹脂在復合材料行業的用量都接近210萬噸。若按此數據初步測算,我國目前復合材料年產量超過600萬噸;累計產量保守估算超過8000萬噸。
 
復合材料材料的制造工藝有模壓、拉擠、纏繞、手糊、真空輔助等主要基礎工藝,經過綜合測算復合材料制造過程的邊角廢料(含報廢產品)約在5%左右。因此,由此估算,我國復合材料邊角廢料年產量約30萬噸左右;累計產量超過400萬噸左右,且逐年增長。復合材料產品的使用壽命普遍估計約在10~30年,據此推斷,2020年我國服役期滿的復合材料產品預計超過600萬噸;2025年將超過1300萬噸;2030年將超過3000萬噸。
 
2.2 風力發電機組復合材料產量及產廢量
 
風力發電機所用復合材料包括風電葉片和機艙罩。經過歷年裝機容量以及經驗數據,按16kg/kwh計算,可以測算逐年風電葉片產量及累計產量;根據葉片設計壽命,可以初步測算風機退役時的量。具體測算見表2。
 
表2:風電葉片及機艙罩產量/報廢率預測
 
 
2020年風電機組用復合材料年產量已經達到114.7萬噸;占全年復合材料總產量的19.1%。“碳達峰、碳中和”要求風電太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上等任務。2021年,全國風電、光伏發電發電量占全社會用電量的比重達到11%左右,后續逐年提高,到2025年達到16.5%左右。到2025年總裝機容量達到5.4億kwh;預計新增復合材料370萬噸。
 
風電復合材料將會得到迅猛的發展,然而,隨著風電機組服役期滿后,大量的風電用復合材料將會被替換下來,根據上表預測,到2025年,累計將有19984噸復合材料固體廢物產生;到2030年將會有302880噸風電用復合材料產生,累計將有715664噸固體廢物產生。
 
二、復合材料現有處理技術及存在的問題
 
目前已經達到產業化階段和正在研究的回收技術有:重復利用法、機械粉碎法、熱解法、化學溶解法(溶劑法)、能量獲取法(電廠焚燒)、水泥窯協同處理法、生物降解法。各種回收技術各有千秋、各有利弊。
 
復合材料邊角廢料及服役到期產品、廢棄產品的處置方式,之前都是以填埋、焚燒為主。
 
熱固性樹脂基復合材料廢棄物常規條件下具有不熔不溶的特性,采取簡單填埋的辦法會浪費大量的土地資源,還會造成水土污染。目前,很多企業為了有限的經濟利益,低價收購風電葉片,并通過拋棄或者電廠焚燒處置的方式進行葉片等復合材料回收;然而,簡單焚燒不僅會產生大量的黑煙和臭氣,對大氣環境造成嚴重污染,焚燒后的殘渣也會對環境造成嚴重污染。
 
1、 重復利用技術、機械粉碎法回收技術已經具備落地的條件
 
重復利用指的是,將葉片進行簡單分割,利用其未喪失的性能、功能,進行再次利用。比如:景觀、葉根部分作為疏水排污管道、主梁作為建筑用梁和支撐柱等、腹板做板材、殼體裁成板材做托盤等。目前,該方法是最簡單將復合材料制品的應用周期延長,是對其他材料的替代,給復合材料固廢回收新技術發展留出時間空間。
 
例如:將葉片裁切成條狀,然后組裝成托盤,可以替代大量的木托盤,成本低而節約碳排放。
 
機械粉碎法是通過機械撕碎、粉碎的方式將葉片等復合材料固體廢物做出塊狀、纖維狀、粉末狀等進行綜合利用的方法。該方法運行成本低,最易實現產業化。目前已經有了相對成熟的粉碎生產線,并可以經過多級分選,將不同性質的材料分離出來。所得到的玻纖和粉末可以添加到復合材料產品、抗裂砂漿、建筑板材、石膏板、木塑板、塑料改性制品等。目前該技術方案在木塑產品的應用已經初見成效。
 
2、關于焚燒處置存在的問題
 
通過焚燒處置風電葉片等復合材料固體廢物的方式有兩種:垃圾發電和水泥窯協同處理,其原理都是將有機成分燃燒以獲取能量;但由于高溫都將導致復合材料中玻璃纖維熔化。
 
德國北部建立了一個水泥協同處理廠,該廠每年使用約15,000噸復合材料廢棄物(歐洲的復合材料中玻璃纖維幾乎都是無堿玻璃纖維),其中10,000噸來風電葉片。該工廠的總產能為30,000噸/年,成本約為150歐元/噸(入場費)。但是,WindEurope、Cefic和EuCIA大力支持通過開發替代回收技術來增加和改進復合材料廢物的回收利用,這些技術可以產生更高價值的回收利用物(包括樹脂和纖維),并能夠生產新的復合材料。熱回收或化學回收技術的進一步發展和產業化可能為復合材料使用部門(包括風電行業)提供額外的壽命終止解決方案。
 
2020年9月份《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》實施后,生產企業產生的邊角廢料以及服役期滿的應用領域的復合材料固體廢物,基本已經無法通過填埋來處置。但由于綜合利用的產業化回收技術成本高,效益價值低,產業化難以實現,導致產廢企業選擇垃圾焚燒、電廠焚燒處置。
 
我國水泥窯協同處理目前還沒有產業化處置的基礎。水泥窯協同處理需要對復合材料固體廢物進行粉碎,但如果粉碎后不做均化處理,難以保證纖維復合材料物料的纖維含量的穩定性(葉片固廢中葉根部分和葉尖部分的纖維含量不同;其他復合材料制品纖維含量不同);同時,我國復合材料中玻璃纖維既有無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維,甚至還有大量的高堿玻璃纖維,這將導致水泥中堿金屬物含量、玻璃含量的不穩定,難以保證水泥品質一致性;另外,由于復合材料固體廢物中樹脂含量的不穩定,導致過程中提供能量不穩定造成排放不達標的隱患。若將復合材料固廢粉碎后進行均化處理,其成本更高。水泥窯系統處置從根本上講,是對可再生資源的浪費,無法實現固體廢物的資源化綜合利用,和“碳達峰、碳中和”的目標。
 
2019年國內某知名玻璃企業,在處置太陽能光伏支架(纖維復合材料拉擠制品)時,在爐體內添加光伏支架復合材料固體廢物,結果導致鍋爐爆炸。類似事件在其他企業也出現過。將復合材料固體廢物進行焚燒發電,存在更多的問題:
 
2.1 法律要求:《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》,“第三十六條 產生工業固體廢物的單位應當建立健全工業固體廢物產生、收集、貯存、運輸、利用、處置全過程的污染環境防治責任制度,建立工業固體廢物管理臺賬,如實記錄產生工業固體廢物的種類、數量、流向、貯存、利用、處置等信息,實現工業固體廢物可追溯、可查詢,并采取防治工業固體廢物污染環境的措施。禁止向生活垃圾收集設施中投放工業固體廢物。”
 
明確規定了工業固體廢物與生活垃圾不能混合處理。而復合材料固體廢物目前的處置基本都是交到垃圾發電廠進行摻燒處置。
 
2.2 極大的安全隱患:由于復合材料固體廢物中含有大量的玻璃纖維,在經過1000多度的高溫后,玻璃纖維將會融化成玻璃液態,由于重力原因,其會向下流淌,堵住焚燒爐的篦子,極易造成爆炸。在近些年的企業焚燒行為中,已經發生過兩次的鍋爐爆炸事故。
 
2.3 極大的環境排放不達標隱患:由于復合材料邊角廢料及制品中樹脂含量不一致,導致有機成分在燃燒過程中所提供的熱量不穩定,這將無法保證爐體內溫度的不穩定,有機物會出現燃燒不充分的現象,將會產生大量的有毒有害有機小分子物,導致排放不達標。
 
2.4 增加碳排放量:復合材料的基體樹脂是有機高分子相當于燃料油的碳排放系數,碳排放系數約3.1705kgCO2/kg。這種處理方式大大增加了碳排放量,不利于“3060”目標的實現。
 
2.5 對資源極大浪費:復合材料固體廢物包含了樹脂有機高分子成分和玻璃纖維成分。如果進行焚燒后,玻璃纖維將成為無法利用的廢物只能進行填埋,再次占用土地資源;若通過重復利用或者機械粉碎法,可以發揮其保留的功能性能,繼續應用到相關領域,可節約資源能源。當化學降解技術產業化后,樹脂高分子成分將會被降解成新的高分子材料,降解后得到的纖維強度損傷小,可以繼續作為增強材料應有的相關領域,這將大大節約化石資源和礦產資源,同時對“雙碳”目標的實現做出巨大貢獻。
 
2.6 回收企業擾亂市場,監管難度大:通過垃圾焚燒處置復合材料固體廢物的企業,沒有回收能力,充其量只是固廢的“二傳手”。
 
這將違反《固廢法》中“第三十七條 產生工業固體廢物的單位委托他人運輸、利用、處置工業固體廢物的,應當對受托方的主體資格和技術能力進行核實,依法簽訂書面合同,在合同中約定污染防治要求。
 
受托方運輸、利用、處置工業固體廢物,應當依照有關法律法規的規定和合同約定履行污染防治要求,并將運輸、利用、處置情況告知產生工業固體廢物的單位。
 
產生工業固體廢物的單位違反本條第一款規定的,除依照有關法律法規的規定予以處罰外,還應當與造成環境污染和生態破壞的受托方承擔連帶責任。”的要求,其中產廢企業將會有法律風險。
 
2.7 阻礙纖維復合材料固體廢物回收綜合利用產業發展
 
由于目前電廠焚燒以風電葉片為代表的復合材料固體廢物,其處置成本低;而綜合利用企業現階段成本高,這就導致正規回收綜合利用企業面臨無法收集到固體廢物材料。這將從源頭扼殺風電葉片等復合材料固體廢物資源化利用產業發展。根本無法實現資源化利用、無害化處置。
 
然而,纖維復合材料再生產業的發展資源化的關鍵是回收物的綜合利用,隨著粉碎添加應用面的擴張,高值化應用完全可以實現;隨著化學降解技術的發展,有機高分子和玻纖固體廢物“吃干榨凈”的模式,必將實現。
 
三、葉片回收產業必由之路
 
國家能源結構調整的戰略調整,“3060”清潔能源的發展目標,導致風電葉片等復合材料固體廢物的資源化利用被推到了風口浪尖上,若是風電葉片等復合材料固體廢物的處置得不到很好的解決,將會直接影響風能清潔能源的發展。因此,如何正確引導并向資源化利用是行業發展的關鍵。
 
風電葉片的回收綜合利用階段必須經過收集、處置和綜合利用開發。目前由于處置和綜合利用企業無法得到葉片資源(焚燒處置的成本比重復利用、機械粉碎等回收方法低),導致綜合利用的開發無法實現產業化,阻礙了葉片回收的資源化發展之路。無論重復利用、機械焚燒、熱解、化學降解等,都無可避免的要采用機械粉碎的過程方法,也只有經過機械粉碎、玻纖和樹脂粉末的分離,才能更進準、更高值化的應用到下游產品領域,保證下游產品的質量穩定性,當下游綜合利用產品產生大的效益價值,才能實現復合材料固體廢物的資源化利用,才能降低產廢企業的成本,最終實現出售固廢資源而不是花錢處置。
 
目前,江蘇某企業已經實現通過機械粉碎,將葉片等復合材料固體廢物粉碎成纖維狀、粉末狀回收物,并將回收物添加到木塑產品中,代替部分木粉,不但實現了產品成本的降低,同時還提高了產品的質量,產生了一定的效益價值。
 
對于風電葉片復合材料固體廢物,應該由產廢單位與回收處置單位、綜合利用單位組成利益共同體,降低過程成本,加快風電葉片復合材料固體廢物資源化綜合利用的進程,早日實現葉片生產、應用、退役、處置、綜合利用全壽命過程的閉環,并實現復合材料的重生,產生新的效益價值。
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