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十五年前瞻布局,如今他们让风电“白色巨人”实现固废增值再生 |
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2022年前后,深耕复合材料回收领域多年的中国科学院山西煤炭化学研究所(简称山西煤化所)研究员侯相林、邓天昇带领的复合材料专项课题组,站在了艰难的十字路口——重大纵向项目长期缺位,又缺少持续的企业合作经费保障,不少实验难以继续开展,团队内部骨干渐渐出现动摇。
侯相林不断为大家分析宏观政策、行业远景,持续打气。同时,业界源源不断的咨询与关注,让团队看到了技术的实际价值。整个团队咬牙坚持攻关,突破传统回收技术瓶颈,创新探索出热固性树脂定向化学解聚新路径,成功将废弃风电叶片转化为高附加值新材料。
如今,这项核心技术正式迈入产业化示范阶段。依托与山西本地企业的深度产学研合作,技术成功落地山西省能源革命重点项目,配套建成千吨级化学解聚产线,具备年处理1000吨退役风电叶片的能力,项目预计2027年正式投产运行。
山西煤化所研究员侯相林(中)、邓天昇(左一)团队在实验室。受访者供图
超前布局
体量庞大、通体洁白的风机叶片,被大众形象地称作风电“白色巨人”。随着国内早期风电机组陆续老化退役,2025年是我国风电叶片规模化退役的关键节点,风电固废处置压力将持续攀升。
风电叶片的热固复合材料固化成型后分子形成稳定网状结构,不能加热熔化,也无法被溶剂溶解。自然降解需数千年,不当处置会持续释放有害物质污染生态。随着环保监管趋严,按照现行固废相关法规与政策要求,退役风电叶片不能再随意填埋。行业现在普遍采用切割、粉碎的物理回收方式,但这套办法只能把叶片打碎,没办法把树脂和玻璃纤维分离开。破碎后的混合料只能低价当作填料使用,再生价值不高。
作为国内最早布局碳纤维及复合材料回收研究的团队之一,侯相林团队深耕材料领域多年,为国内多项碳纤维产业化项目提供核心技术支撑。
2010年,团队便启动热固性复合材料回收相关实验研究。这类材料由小分子原料通过化学键聚合而成,团队的核心研究思路是通过精准技术手段,靶向断裂碳氮键、碳氧键等合成化学键,让固化的高分子树脂逆向还原为小分子单体或低聚物,实现复合材料可逆循环利用。
团队最初开展热固性复合材料回收研究,并非专门针对风电叶片,而是聚焦全行业共性回收难题。“风电叶片之所以备受关注,只是因其体量大、露天摆放,视觉辨识度更高。”侯相林解释说。
“热固性复合材料的应用场景,远比风电领域广泛。”邓天昇介绍,供暖热力管道、冰箱保温层、化工储罐、船舶壳体、人造石台面、密胺仿瓷餐具、电器配件等日常生产生活设施,核心用材均为各类热固性树脂材料。
2013年,成功申请首个环氧树脂化学降解发明专利。彼时,行业尚未关注复合材料固废污染问题,循环利用需求也未凸显,团队已完成了关键技术的超前布局,目前在热固树脂化学降解领域已授权国家发明专利28件,实审阶段约20件。
谈及提前布局的初衷,侯相林表示,这既依托研究所深厚的材料学科积淀,也源于团队对行业趋势的精准预判。树脂源自石油化工,在生产、使用、报废全流程中会产生大量废料边角料,既浪费化石资源,又形成难处置固废,绿色资源化循环是行业和生态发展的必然趋势。
侯相林以“玻纤是钢筋、树脂是水泥”的通俗类比,点出行业回收痛点。传统建筑废料可实现钢筋、水泥完全分离再利用,但玻璃纤维市场附加值低,传统技术仅回收纤维材料,完全舍弃高价值树脂,造成核心资源浪费。针对这一弊端,团队明确了“纤维、树脂双向高质回收”的核心目标,重点攻关树脂定向高质化解聚技术。
反复试错
研究初期,团队先尝试超临界、亚临界有机溶剂降解体系,虽能实现树脂降解,但存在明显缺陷:反应温压条件严苛,设备投入和运行成本高昂,且降解产物复杂无序,再生利用价值低,无法实现产业化应用。
2014年,团队提出“定向解聚”理念,希望通过精准断裂特定化学键,可控产出高附加值产物,破解传统技术弊端。
科研攻坚之路布满坎坷。邓天昇回忆,团队首次实验便成功实现树脂降解,但后续多次重复试验均宣告失败,这让团队一度陷入迷茫。叠加经费短缺、项目停滞的困境,团队士气备受打击。
“那段时间格外煎熬,科研道路上,这样的难关时常会遇上。每当大家感到迷茫,侯老师总会站出来鼓舞众人,带领大家理清思路、找到目标。”邓天昇说。
为找到问题根源,团队耗时两三个月全面排查实验流程与设备参数,最终发现症结在于实验原料未完全浸没于反应体系。修正操作规范后,这一技术难题顺利攻克。
但新的挑战接踵而至,团队长时间卡在两大核心问题:如何筛选温和、低成本的催化体系,实现化学键精准定向断裂;如何实现催化剂高效分离,在压降成本的同时,保障降解产物的后续利用价值。
十余年间,技术迭代循序渐进。团队从早期仅能产出类似沥青的低聚物,到近两年通过技术体系升级,成功高效获取双酚A等高价值单体材料。后续团队再度突破,摒弃高成本有机溶剂体系,创新研发低成本水基催化体系,大幅压缩设备投资和生产运行成本。
2023年,当实验室跑出降解率超99%、纤维强度损失低于5%的核心优异数据时,团队成员倍感振奋。“让人激动的不是亮眼的数据,而是证明我们坚持多年的科研思路,完全可行。”侯相林说道。
废弃风电叶片化学解聚回收高值化学品展示。受访者供图
邓天昇告诉《中国科学报》,目前,团队核心技术达到国内领先、国际先进水平。相较于韩国企业每公斤10美金的碳纤维回收成本,团队技术可将废旧叶片单吨处理成本控制在1000至2000元,成本优势显著。同时,团队相继攻克密胺树脂、不饱和树脂等多品类热固性树脂升级回收技术,真正实现低值固废向高附加值新材料的转化。
企业主动找来
2023年,在山西省举行的一场循环经济协会论坛上,侯相林的技术路演吸引了山西省安装集团股份有限公司(以下简称山西安装集团)新能源与固废处理领域负责人赵文婧的关注。
赵文婧当场判断该技术操作性、经济性兼具落地价值。彼时,山西安装集团已有风电叶片物理法处置规划,但该路线再生产品附加值偏低。企业决定将侯相林团队的化学降解技术作为战略储备,携手推进技术中试放大与产业化落地。
双方迅速达成合作共识。针对实验室点状试验、缺乏全链条工艺数据的短板,由企业牵头开展全工艺流程设计,联合两所高校及行业专家完成全套工艺包论证,同时对接装备制造企业,定制适配新工艺的专用设备,稳步推进产业化前置工作。
从2025年开始,国内风电退役潮到来,风电叶片、光伏板、废旧动力电池组成的新能源固废“新三样”,成为国家绿色低碳产业的重点发力方向,市场对高质回收技术的需求愈发迫切。
而侯相林团队的提前布局,以及赵文婧的“慧眼识才”在产业转型的当头表现出了巨大价值。
2025年,依托山西省重大专项“揭榜挂帅”项目支撑,双方启动共建千吨级化学解聚产线项目,年可处理1000吨退役风电叶片,适配约50组风机叶片处置需求,项目计划2027年正式投产。“这是公司未来重点布局的发展方向,我们对项目前景充满信心。”赵文婧表示。
眼下,团队正全力构建复合材料全生命周期绿色循环体系,践行“材料从哪里来、回到哪里去”的循环理念。邓天昇介绍,团队持续优化技术,推动回收后的玻纤、碳纤、树脂全部回流风电、新能源原生应用领域,同时将技术覆盖风机机舱罩、碳纤维主梁等全品类风电复合材料部件。
回顾漫长的科研岁月,侯相林告诉《中国科学报》,科研切忌跟风逐热,要瞄准具备长期价值的研究方向,深耕细作、坐住冷板凳。前期扎实的技术积累,是后续产业化落地、规避行业弯路的核心基础。未来,团队还将持续升级回收体系,拓展多品类热固性固废高质再生场景,持续提升产物附加值,拓宽技术产业化应用边界。
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