基于固定床热解装置的废弃风电叶片与生物质共热解

《Journal of Environmental Management》：Co-pyrolysis of waste wind turbine blades and biomass using fixed-bed pyrolysis plant

　　

摘要 本研究旨在利用台式固定床热解装置研究废旧风力涡轮叶片（WTB）和小麦秸秆（WS）生物质的共热解，从而量化代表性产物。共热过程针对由玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂组成的 WTB 进行，并与 WS 按等量混合。为了获得最高产率的高价值油热解产物，转化过程在 450、500 和 550 °C 的不同温度下进行。共热解气态和液态产物分别使用 GC-TCD 和 GC-MS 进行表征，而其固体残渣的组成和形貌则使用 SEM-EDX 进行检查。结果表明，油产量在 450 °C 时显著增加到 33.9 wt%，然后在 550 °C 时显著下降到 22.9 wt%。相比之下，由于油的氧化，在 550 °C 时获得了最高的气态产率 (32.7 wt%)，而在 450 °C 时为 26.9 wt%。与典型的 WTB 热解所得固体残渣 (55 wt%) 相比，固体残渣显著减少 (39 wt%)。1,2-苯二甲酸 (27.12%)、乙酸 (23.88%)、对苯二甲酸二 (2-乙基己基) 酯 (57.54%) 以及 (Z)-1,1'-(1-丁烯 -1,4-二基) 双苯 (23.79%) 是主要化合物，通常用作增塑剂、涂料和胶粘剂生产中的树脂。在冷凝组分中还观察到少量的苯乙烯 (≤15.94%) 以及其他化合物，如 1,1'-(1,3-丙二基) 双苯 (最高 32.01%) 和对苯二甲酸二 (2-乙基己基) 酯 (最高 32.57%)。而气态产物富含 CH4 和 H2 气体，尤其是在高温下。在 500 °C 下回收的纤维与其他条件相比显示出更好的形貌、更清洁的表面和更锋利的边缘。而炭产物富含碳并负载有钙、镁、钾和钠。因此，可以断言共热解是处理 WTB 和 WS 并将其转化为高附加值能量产品和低苯乙烯含量短纤维的有前景的解决方案。

引言 自 1990 年代和 21 世纪初以来，风能已成为支持全球向可持续能源过渡的最广泛使用的可再生能源之一，特别是在欧盟 (EU) (Sun et al., 2024a)。其中，2024 年欧盟地区消耗的总电力中约有 19% 来自风能 (a)。然而，这种基于可再生能源的技术使用寿命少于 25 年，这意味着我们正接近其使用寿命的尽头，从而将其变成由金属部件和废旧风力涡轮叶片 (WTB) 组成的废物 (Beauson et al., 2021)。金属部件占风车重量的约 85%，可以使用几种已开发的机械技术进行拆卸，然后重新整合到生产周期中。而 WTB 则是管理损坏风机的主要挑战，这是由于它们的多层纤维增强聚合物结构、重量重及其不可生物降解的特性 (Wang et al., 2025; Hasheminezhad et al., 2024)。结果，它们通常被填埋或焚烧处置，代表了宝贵资源的重大损失和环境污染 (Dai et al., 2025; Nagle et al., 2020)。这暗示了需要开发新的、环保的技术来回收所有这些材料，包括纤维和树脂。情况预计将变得更加复杂，因为仅欧盟预计到 2030 年就会产生大约 5.7 亿吨风车叶片废物 (b)。因此，需要有效的 WTB 回收解决方案。否则，在考虑安全运行和处置周期时，可再生能源技术将施加重大的气候和环境负担，可能对实现 2050 年欧洲绿色协议和气候中性目标产生负面影响 (Mikropoulos et al., 2025) (见表 1、表 2、表 3、表 4)。

在这方面，研究人员和利益相关者最近开发了几种将材料回收与经济回报和最小环境影响相结合的 WTB 管理技术 (Diez-Ca?amero and Mendoza, 2023)。在这些创新解决方案中，热解作为一种与化学和机械方法相比简单且环保的热技术，近年来在科学界获得了显著关注，用于回收树脂部分作为增值化学产品和短纤维 (Xu et al., 2025; Zhang et al., 2025)。这种方法已经在具有不同聚合物和纤维成分（玻璃纤维和碳纤维）的叶片上进行了测试，并在无氧条件下将树脂热分解为其原始化学化合物方面表现出高性能，特别是在不饱和聚酯树脂 (UPR: 在北欧广泛使用 (Yousef et al., 2023a; Yousef et al., 2023b)) 的情况下，尤其是苯乙烯，以及在环氧树脂的情况下，尤其是苯酚 (Zhang et al., 2024; Ge et al., 2023)。此外，提取具有不同成分的纤维，特别是碳和玻璃纤维，这些纤维通常用于叶片的生产 (Reddy et al., 2021; Mishnaevsky et al., 2017)。由于苯乙烯的高毒性及其被归类为有害污染物 (Gibbs and Mulligan, 1997)，其热分解已在沸石催化剂存在下使用热重分析 (TGA) 作为分析反应器进行了研究。这种方法促进苯乙烯向增值芳香族化学品的转化，对苯、甲苯和乙苯的选择性高达 64%，同时降低了分解过程的活化能 (Eimontas et al., 2023a; Miskolczi et al., 2017)。性能的提升归因于沸石的催化特性，它促进了不良化合物的去除并提高了热解产品质量。它们的高酸度、定义明确的孔结构和形状选择性使沸石成为提高产物选择性和整体过程效率的高效催化剂 (Wang et al., 2026)。与此同时，使用固定层热解装置对 WTB 进行催化转化过程表明，UPR 材料可以分解为气态和增塑成分 (Eimontas et al., 2025)。技术经济评估也显示出从 WTB 热解中提取能量和纤维的强劲经济可行性，预计项目为 1776 万至 1786 万欧元，内部收益率高达 865%，折现回收期在 0.86 到 6.8 年之间 (Yousef, 2026)。然而，该过程仍处于早期阶段，消耗相对大量的催化剂 (50 wt%)，且催化剂的寿命和再生过程仍需进一步研究，以确保其长期有效性而不对其环境性能产生重大影响 (Eimontas et al., 2025; Zsinka et al., 2025)。

为了解决这一挑战，WTB 与不同比例木质生物质 (WB) 混合，并研究了共热解行为。结果表明具有强烈的协同效应，在等量 WTB/WB 混合比例下，WB 的添加使苯乙烯的相对丰度降低了多达 7%，并促进其转化为其他芳香族化合物，如苯甲酸和 2-甲氧基 -4-乙烯基苯酚 (Yousef et al., 2024a)。等量混合比例也证明了 WTB 和 WB 之间具有良好的相容性，正如微分热重结果中出现单一分解峰所证明的那样。此外，WTB/WB 混合物的催化共热解成功促进苯乙烯向苯甲酸的转化 (Yousef et al., 2024b)。这些发现突出了生物质作为一种易得且可再生资源潜力，它可以在热化学转化过程中既作为能源又作为富碳还原剂 (Li et al., 2025)，使其成为 WTB 增值化和减少苯乙烯形成的有前景的共进料料。然而，对上述催化过程规模化的担忧限制了其目前的扩展。共热解过程也已用于处理由环氧树脂制成的 WTB，例如 Jing 等人 (2018) 对污泥的研究以生产富碳产物 (Hu et al., 2017)。另一项研究使用聚氨酯作为共进料料，然后使用 TG/MS 和 Py-GC/MS 方法研究协同效应，结果显示热解反应的表观活化能显著降低，热解油产率增加 (Wu et al., 2024)。而 Ekici 等人 (2025) 研究 WTB 和聚烯烃 (25:75 wt%/wt%) 在圆底罐反应器中的共热解，以改善热解液体产率及其质量 (高达 61.5%) (Ekici et al., 2025)。如所示，共热解过程在处理各种树脂类型的 WTB 方面具有巨大潜力，特别是在欧洲广泛使用的 UPR 情况下 (Yousef et al., 2023a, 2023b)。

在欧洲可用的各种生物质资源中，小麦秸秆 (WS) 是最丰富的农业残留物之一，年可用量约为 1.44 亿吨。其高含量的半纤维素、纤维素和木质素使其成为生产生物能源的有吸引力原料。此外，WS 在共热解过程中与富氢、缺氧塑料材料表现出强烈的协同相互作用，促进氢转移反应，从而促进源自 WTB 的苯乙烯和其他芳香族化合物的降解 (https://projects.research-and-innovation.ec.europa.eu/en/horizon-magazine/wheat-straw-waste-could-be-basis-greener-chemicals; Zhu et al., 2026)。尽管有这些优势，WTB 和 WS 的共热解尚未得到研究。以前关于 WB 和 WTB 共热解的研究仅限于分析规模技术，主要是 TGA 结合气相色谱 - 质谱联用 (GC-MS)，这仅提供了对降解行为和挥发性化合物成分的基本见解，但没有量化热解产物的实际产率 (Yousef et al., 2024a, 2024b)。对产物分布和成分的可靠评估需要在台式规模上进行实验，它可以产生代表性的油、气、炭和回收纤维数量，以便进行后续的表征、过程优化以及技术经济和环境评估。因此，本研究利用实验室规模固定床热解反应器研究 WTB 和 WS 的共热解。共热解实验使用 1:1 (wt/wt) WTB/WS 混合物在不同反应温度下进行，以评估它们对所得共热解产物产率、成分和质量的影响。

章节片段
材料 当前研究使用的 WTB 原料是一种玻璃纤维 (60 wt%) 增强 UPR (40 wt%) 复合材料，由丹麦欧洲能源公司以小切割面板 (1.5 m2) 形式提供。根据我们小组以前进行的物理化学 (元素和工业分析) 测量，提供的 WTB 面板包含 < 0.01 wt% (氮), 61.09 wt% (碳), 4.22 wt% (氢), < 0.01 wt% (硫), 34.69 wt% (氧), 0.64 wt% (水分), 87.04 wt% (挥发分), 9.90 wt% (固定碳),
产率和共热解产物分布 一旦 WTB/WS 混合物的共热解及其固体残渣的后续处理完成，即使改变共热解分解温度，也获得了三种主要产物。这些产物分为三个主要部分：液体 (包括重质和冷凝组分), 气态，和固体残渣 (包括回收玻璃纤维和炭)。它们的各自产率及相应的标准偏差作为实验变异性的度量，是

结论 本研究考察了等量混合比例的 WTB/WS 混合物的共热解。处理使用台式固定床热解单元在 450、500 和 550 °C 的温度下进行。使用 GC-TCD、GC-MS 和 SEM-EDX 监测温度对共热解产物的影响。估计油热解产量在 22.77% (550 °C) - 33.87% (450 °C) 范围内，富含用于增塑剂、涂料和胶粘剂 (如对苯二甲酸) 的化学化合物，
CRediT 作者贡献声明
Samy Yousef: 概念化，数据整理，形式分析，资金获取，调查，方法论，项目管理，资源，软件，监督，验证，可视化，写作 – 初稿，写作 – 审阅与编辑。Justas Eimontas: 概念化，数据整理，形式分析，资源。K?stutis Zakarauskas: 概念化，数据整理，形式分析，调查。Nerijus Striūgas: 概念化，数据整理，形式分析，资源。
竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或可能看似影响本论文中报告工作的个人关系。
Samy Yousef|Justas Eimontas|K?stutis Zakarauskas|Nerijus Striūgas
立陶宛，LT-51424，考纳斯，考纳斯理工大学，机械工程与设计学院，生产工程系