利用电磁感应加热技术对废弃风力涡轮机叶片进行节能热解处理，以提高酚类产品的选择性

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Energy-efficient pyrolysis of waste wind turbine blades toward enhanced phenolic product selectivity using electromagnetic induction heating

　　

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  加热方法会影响热解产物的分布。
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  电感应加热（EIH）可以提高双酚A（BPA）的选择性。
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  EIH可以缩短热解时间。
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  EIH的电能消耗较低。
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  EIH可以降低回收纤维中的残余碳含量。

引言

当今社会的快速发展在很大程度上依赖于传统的化石能源。然而，这种依赖导致了一系列气候和环境问题，如气候变率和温室效应[1][2]。为此，中国制定了“双碳”目标，即到2030年实现碳排放峰值，到2060年实现碳中和[3][4][5]。为了按时实现这些目标，大力发展清洁能源至关重要，而风能作为清洁能源的重要分支，在清洁能源产业链中的份额稳步增长[6][7][8]。到2025年，中国的风电装机容量达到10.5-11.5兆瓦（MW），其中陆上风电占9.5-10.0兆瓦，海上风电预计将达到1-1.5兆瓦[9]。随着风电行业的持续发展，许多风力涡轮机逐渐达到使用寿命终点，需要报废。在报废材料中，风力涡轮机叶片（WWTB）因其有机成分和有价值的纤维而具有很高的回收潜力，因此开发清洁、绿色和高效的WWTB回收方法是一个亟待解决的问题[10][11]。

WWTB通常采用机械回收、化学回收和热回收方法进行回收处理[12][13][14][15][16][17][18]。机械回收方法通过切割或粉碎WWTB来破碎它们，然后进行进一步利用[19][20]。然而，这种方法的附加值较低，且粉碎过程中产生的粉尘对环境构成威胁。化学回收方法利用特定的溶剂和反应条件来回收WWTB中的有机成分和纤维[21]。虽然这种方法可以产生更清洁、机械性能更好的回收纤维，但化学试剂的广泛使用会带来环境风险。此外，不同的树脂基材需要不同的化学试剂和反应条件，这限制了其在工业规模上的应用。热回收方法是在厌氧或惰性气氛中将WWTB加热到一定温度，使其分解，产生气体产物、液体产物和固体产物。气体产物可用作燃料，液体产物可以进一步分离和纯化以获得小分子化合物，固体产物在回收后可以得到清洁的玻璃纤维（GF）或碳纤维（CF）[22][23][24]。

固定床反应器（FBR）是用于WWTB热解的最常用和最受欢迎的方法之一[25][26][27]。在使用FBR研究WWTB热解方面取得了显著进展。例如，观察发现，提高热解温度、延长停留时间和减小原料颗粒大小可以在FBR中促进液体产物向气体产物的转化[15]。Xu等人[27]使用FBR在不同气氛下对WWTB进行了热解。他们的结果表明，H₂O加速了环氧树脂的分解并增强了残余碳的氧化活性，而CO₂抑制了环氧树脂的裂解，导致树脂和碳的积累增加，进而加剧了GF表面缺陷的扩散，使其拉伸强度下降。在另一项研究中，使用管式炉对WWTB进行热解时发现，碳纤维和环氧树脂之间的协同作用影响了树脂的热解过程[28]。传统的FBR热解方法能耗较高。随着风能等清洁能源的快速发展，使用电能作为热源为热解提供了有力支持。因此，开发使用绿色电能的WWTB热解路线是减少对化石能源依赖的一种潜在途径。

电感应加热（EIH）作为一种高效且非接触式的加热方法，可以实现快速加热[29][30][31][32]。由于其短时间内的高效率，EIH在煤炭、塑料、生物质等的热解研究中得到了广泛应用和研究[33][34][35][36][37][38][39]。例如，通过EIH对秸秆和烟煤混合物进行热解时，观察到热解过程中的协同效应可以减少焦炭产量，提高挥发性产物的产量，并且两种材料的质量比会影响协同效应[35]。Wong等人[39]研究了在感应加热下塑料的热解，发现塑料在10分钟内完全转化为蜡和少量气体产物。Yan等人[29]开发了一种感应加热流化床反应器，使用钨棒进行生物质的自热热解，产生了局部高温区，从而增强了质量和热传递过程，降低了固体和液体的产量，提高了合成气的产量。Li等人[40]使用两阶段感应加热反应器对玉米秸秆进行了气化。研究发现，将热解分为两个阶段（第一阶段使用铁棒，第二阶段使用钢网）不仅迅速将热解温度升高到1000°C以上，还能在蒸汽条件下快速将油脂、焦炭和焦转化为合成气。这些发现突显了EIH在固体废物热解处理中的可行性和优势，包括提高热解效率、增强热传递和改变产物分布[41]。与FBR相比，EIH热解技术具有节能和效率更高的优点。例如，使用EIH进行生物炭诱导的塑料热解可高效产生氢气，氢气产量增加了40.7%，电能消耗减少了35.7%[38]。然而，据我们所知，与FBR相比，关于EIH在WWTB热解中的应用报告较少，也没有全面比较EIH与传统FBR的研究。因此，揭示不同加热方法（EIH和FBR）的效果不仅有助于探索EIH的潜在优势，也为WWTB的热解回收应用提供了实际指导。

本研究应用EIH对WWTB进行了热解，并特别关注了其与传统FBR在产物分布、残余碳含量、回收纤维的机械性能以及电能消耗方面的比较。通过EIH和FBR对玻璃纤维增强聚合物（GFRP）和碳纤维增强聚合物（CFRP）进行了热解。与FBR相比，EIH可以提高热解效率，具有“高效短时间”的特点，同时减少了液体产物的二次裂解。EIH促进了液体产物中的酚类化合物的形成，并抑制了BPA的热分解。此外，EIH通常降低了固体产物中的残余碳含量。更重要的是，与FBR相比，EIH使单位质量的电能消耗降低了53.3%-56.7%，热解时间缩短了91.9%。这项工作可以为使用EIH进行WWTB的绿色闭环回收过程提供重要指导和参考。

章节片段

材料与试剂

本研究使用的WWTB来自中国河北省的一个风电场。使用了GFRP和CFRP材料。制备了不同尺寸的WWTB样本，包括粉末和块状样本。粉末样本是通过将WWTB（GFRP和CFRP）破碎成固体粉末制成的，分别命名为W-P-GF和W-P-CF。块状样本是通过将WWTB（GFRP和CFRP）切割成截面面积为100平方毫米（mm²、长度为70±2毫米的矩形块制成的，分别命名为

热解产物的比较

热解参数的选择在实验过程中起着关键作用。关于粉末和块状样本的热解参数确定的详细讨论见支持信息（图S1和S2）。图3(a)和(b)分别展示了在FBR和EIH条件下W-B-CF、W-B-GF、W-P-CF和W-P-GF的气体、液体和固体产物的产量分布。结果表明，在FBR条件下，W-B-GF的表现相对

结论

本研究采用EIH和FBR对WWTB进行了热解回收，特别关注了加热方式对热解性能的影响。系统研究了不同形式（粉末和块状）和类型（GFRP和CFRP）的WWTB热解产物的分布。实验结果显示，两种加热方法在液体产物和固体残留物分布上存在显著差异。

作者贡献声明

刘全胜：资源准备。周华聪：写作 – 审稿与编辑，概念设计。 Ban彦鹏：监督，资源协调。沈皓龙：软件支持。李娜：项目管理。郝建秀：监督。李哲翰：写作 – 初稿撰写，数据分析，概念设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（22468035, 22468036, 22368038, 22308048）、内蒙古自治区自然科学基金（2024QN02018, 2025MS02030）、内蒙古自治区一流学科研究专项（YLXKZX-NGD-045）、内蒙古自治区引进高层次人才研究基金以及内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目的财政支持

Zhehan Li|Aolong Shen|Yanpeng Ban|Jianxiu Hao|Na Li|Huacong Zhou|Quansheng Liu