退役风力涡轮机叶片 (WTB) 与煤共燃及共热解特性的实验研究
《Journal of Cleaner Production》：Experimental study on co-combustion and co-pyrolysis characteristics of end-of-life wind turbine blade (WTB) and coal
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时间：2026年09月14日
来源：Journal of Cleaner Production 10.7
编辑推荐：
•对煤与WTB（风力涡轮机叶片）共燃和共热解的详细分析。
•观察到煤与WTB之间存在显著的协同裂解和氧化作用。
•共热解降低了活化能，并将成灰（CR）动力学从F3转变为F2。
•玻璃纤维导致低熔点硅酸盐的形成以及严重的团聚现象。
•共热解促进了芳香族凝聚和无机相转变。
引言
•对煤与WTB（风力涡轮机叶片）共燃和共热解的详细分析。
•观察到煤与WTB之间存在显著的协同裂解和氧化作用。
•共热解降低了活化能，并将成灰（CR）动力学从F3转变为F2。
•玻璃纤维导致低熔点硅酸盐的形成以及严重的团聚现象。
•共热解促进了芳香族凝聚和无机相转变。
引言
随着气候变化和环境风险的日益严峻，以及温室气体大量排放带来的影响，碳排放已成为备受关注的核心议题（Bilgili等，2024；Filonchyk等，2024）。尤其是对化石燃料的过度依赖是碳排放减排压力日益增大的主要原因（Yuan等，2024）。根据统计数据，2023年化石燃料占全球一次能源消费的86.7%，其直接使用的二氧化碳当量排放超过40.8 Gt（Friedlingstein等，2025）。因此，国际社会日益形成共识，推动全球能源系统向多元化、低碳和可再生能源转型。风能被视为最清洁的可再生能源形式之一，因为风力发电机在其服务期内不产生温室气体排放（Das和Nandi，2025）。此外，与化石燃料电厂相比，风力发电机在运行期间可显著减少一氧化碳、二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等空气污染物排放（Li等，2024a；Xue等，2015）。由于显著的环境效益，过去二十年间全球风电装机容量增长迅速，从2000年的17 GW激增至2024年的1133 GW（Gómez等，2026）。
WTB通常被设计为具有20至30年的使用寿命（Cong等，2023）。因此，预计未来几年全球范围内将出现大规模WTB退役潮。据Tyurkay等（2024）估计，每GW已安装风电装机容量大约需要12000吨复合材料。Beauson等（2016）和Liu等（Liu和Barlow，2017）指出，到2033年全球退役WTB的年预计将达到2×10?吨，到2050年将上升至5×10?吨。基于风能协会和主要叶片制造商公开的最佳可用数据集，Liu等（Liu和Barlow，2017）对2050年前全球累计退役WTB总量进行了系统预测。研究结果显示，到2050年，退役WTB的累计总量将达到4.3×10?吨。上述预测表明，退役WTB数量的爆炸性增长对风电产业的绿色发展构成了重大挑战。实现退役WTB的高效处置已成为亟待突破的关键技术瓶颈和产业难题。建立系统化、高效且环保的退役WTB处置框架具有重要意义。
目前，退役WTB的处理方式主要包括填埋（Deeney等，2025；Wang等，2025a）、机械处理（Cheng等，2025；Xu等，2022；Menna等，2025）、热回收（Schindler等，2024；Liu等，2025a；Royuela等，2024）和化学回收（Ahrens等，2023；Hao等，2025）。尽管填埋仍是大多数退役WTB的主要处置方式，但它并非环境可持续的解决方案。WTB中的树脂基体和增强纤维对自然降解具有高度抗性，在填埋场中处置容易释放大量有毒气体（Tayebi等）。欧盟一些成员国已明确禁止复合材料废物的填埋处置。在仍继续实行填埋的地区，作为最终处置方式的填埋费用也显著上升，每吨在�54至�113之间（Nagle等，2020）。
机械处理通过破碎和研磨等过程将退役WTB转化为二次原材料。例如，Superuse Studios已将退役WTB用于游乐场、公交候车亭和方向标识的建造（Medici等）。在丹麦奥尔堡，退役WTB被组装成自行车棚也是类似的应用案例（Pyrzowski等，2024）。然而，此类应用本质上受限于特定场景，且材料消耗率相对较低。目前，该方法尚无法满足大规模处置退役WTB的需求。
化学回收是指利用特定化学反应路径将退役WTB中的有机树脂基体解聚为单体或部分降解为低聚物的过程。该技术主要用于碳纤维增强聚合物（CFRP）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP）的高值化回收，在最大程度上保留纤维形态和力学性能的同时实现基体去除（Kumar和Krishnan，2020）。Mattson等（Mattsson等，2020）提出了一种基于亚临界/超临界水的溶蚀/热水解液化方法，在250～370°C温度和10～17 MPa压力条件下系统研究了催化剂和添加剂对降解效率的影响。Mumtaz等（2023）报道，化学回收方法可实现高达90%的玻璃纤维回收率，并且在特定反应条件下基体也可回收。然而，化学回收过程中产生的副产品和废液存在相当可观的环境风险。化学回收过程通常在高温高压下进行，这使得工业规模化学回收设施和示范装置的建设极为困难（Dorigato，2021）。
热回收主要包括两种转化过程：燃烧和热解。燃烧过程可实现WTB中可燃组分（如巴沙木、聚氯乙烯（PVC）和胶黏剂）的能量回收。然而，WTB中不可燃玻璃纤维的高含量显著降低了其热值（Diez-Ca?amero和Mendoza，2023）。该过程还可能伴随二噁英等有毒污染物的潜在排放（Sokoli等，2016）。目前，水泥窑协同处置（Li和Kang，2025；Zhang等，2025）和燃煤处置（Xiong等，2022；Li等，2024b）被视为有前景的大规模回收方法。Xiong等（2022）验证了WTB与煤共燃的可行性，其研究表明装机容量超过300 MW的燃煤发电机组可以处理半径200 km以内的WTB。值得注意的是，当前研究仍集中于纤维增强复合材料燃烧行为的初步调查。对于WTB单独燃烧以及与煤共燃过程中关键燃烧参数（如着火温度、燃尽温度和活化能）的系统表征仍存在不足。热解是指在无氧气氛下WTB中有机大分子的裂解，产生热解气（包括CH?、CO和H?）、油和固体残余物（包括玻璃纤维、金属部件和焦炭）（Xu等，2023）。特别是热解气的热值可达20–25 MJ/Nm3，而油富含酚类和苯乙烯化合物，具有资源回收潜力（Royuela等，2024）。目前相关研究主要集中在WTB的典型组分上，包括GFRP（Xu等，2025）、CFRP（Tian等，2026）、碳纤维/不饱和聚酯树脂（Yousef等，2024）、玻璃纤维/环氧树脂（Ge等，2025）、热塑性聚氨酯（Ge等，2025）和碳纤维（Jiang等，2025）。然而，对实际退役WTB衍生的复合材料热解特性及其与煤共热解协同机制的综合性研究仍极为匮乏。总之，无论涉及燃烧还是热解过程，针对实际退役WTB衍生复合材料及其耦合煤样的热行为均缺乏系统性研究，这已成为阻碍技术突破和工程应用的关键瓶颈。
目前，对于复合材料废物的规模化处理能力和处理技术仍缺乏全面认识。尽管已开展了一系列实验室规模研究，但由于技术和经济限制，尚未建立成熟的工业规模退役WTB处置路径。大多数现有研究聚焦于单一复合材料组分，如树脂或玻璃纤维，或模型化合物，而对实际退役WTB衍生材料热化学转化的系统调查及其与煤的相互作用仍然有限。本研究使用经物理处理的退役WTB样品，保留了真实退役叶片的代表性多组分组成和复合结构，而非孤立的聚合物或无机组分。采用垂直两级炉和热重-傅里叶变换红外光谱仪（TG-FTIR），结合动力学和灰分表征技术，系统地研究了在宽混合比范围内WTB/煤混合料的热解和燃烧行为。本工作的创新之处在于建立了一个整合性实验框架，将混合比、热转化行为、反应动力学、气态产物、灰分转变和初步污染物排放联系在一起。研究结果揭示了煤与WTB在共处理过程中的非线性相互作用，包括解挥发和燃烧特征的变化以及特定混合料表观活化能的降低。此外，XRF、XRD和SEM-EDS分析阐明了WTB衍生的玻璃纤维、高温硅酸盐相形成、玻璃纤维软化与灰分颗粒团聚之间的关系，为WTB/煤共燃中潜在的结渣和积灰行为提供了机制见解。沉降炉实验中的定量NO和NO?测量进一步提供了工程导向条件下污染物排放行为的初步实验证据。通过燃烧和热解两种热处理路径的全面对比分析，研究揭示了WTB-煤混合样品在热化学转化过程中的产物分布特征和动力学特性，为WTB高效热回收工艺的开发提供了具有工程价值的基础数据和理论支持。
材料
本研究所使用的退役WTB和煤样品采集自中国甘肃省酒泉市。WTB样品经过一系列预处理工艺（包括切割、破碎、磁选和研磨）后交付。由于WTB组成差异，从这批WTB中选取了三种代表性样品，分别标记为WTB-1、WTB-2和WTB-3。对每种样品进行单独分析，以评估其热行为和动力学。
灰分产率和成分分析
不同温度和混合比下样品的灰分产率和形貌如图2所示。每个报道的条件均在相同实验条件下测试两次。煤样品在575°C至1000°C之间的灰分产率较低，为7.6～8.6%，并随温度升高略有下降。在该温度范围内，大多数有机组分已被去除。残余灰分主要由固有矿物组成，包括铝硅酸盐和碳酸盐。方解石……
结论
本研究调查了退役WTB衍生复合材料及其煤混合样品在热解和燃烧过程中的热失重行为和产物演化规律。采用了一系列表征技术，并对燃烧和热解过程进行了全面对比分析。WTB-煤混合样品在热化学转化过程中的产物分布特征和动力学特性……
CRediT作者贡献声明
Yuan Tianlin：撰写——初稿，调查。Mao Dongxue：调查。Ma Guowei：资源。Dai Liangxu：调查。Zhou Dingwen：调查。Wu Mengjie：调查。Du Yongbo：撰写——审阅与编辑。Wang Chang'an：撰写——审阅与编辑。Che Defu：项目管理。
利益冲突声明
作者声明不存在已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（52176129）的资助。
Tianlin Yuan | Dongxue Mao | Guowei Ma | Liangxu Dai | Dingwen Zhou | Mengjie Wu | Yongbo Du | Chang'an Wang | Defu Che
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