飞机拆解后的循环再利用

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  智能化的再循环
  据美国机队再循环协会(AFRA)统计,近年来每年约有700架飞机在退役之后进行拆卸和再循环。国际航空运输协会(IATA)指出,2018年客机的平均退役年限为25.9年,货机的退役年限为32.5年。
  空客公司与赛峰公司和苏伊士废物处理专业公司(Suez)联合控股的Tarmac Aerosave公司专门从事飞机维修、储存、拆卸和再循环业务。该公司表示,飞机拆解和回收再利用是飞机全寿命周期使用的一部分,为了保持飞机的价值,飞机所有者应该注意保持拆解部件的适航性并遵从环境标准。
  就价值而言,拆解飞机的目的是出售零部件,其中发动机是最贵的部件,即使在服役20年后也是如此。其价值约占报废飞机总销售价格的70%~80%,甚至有时高达85%。
  SGI航空咨询公司认为,除了发动机还有一些其他有价值的部件,按重要性排序依次是起落架、辅助动力装置、发电机等动力装置、飞行控制和导航系统,它们通常也被称为高价值部件,加在一起占除发动机之外机身价值的70%。另外,逃生滑梯和襟翼滑轨也有一定的回收价值。
  德国Moraero飞机拆卸和回收公司的专家表示,不管怎样,拆解过程中总有一些零件必須报废,但报废后需要有完整的文件证明部件已被专业处理和销毁。根据国际航空运输协会(IATA)的规定,在零件报废后,客户应该收到一份“废物处理证明”,以防止未经批准的可疑部件或假冒部件(仿制部件)流入备件市场。
  在备件方面,空客A380最近出现了一个特殊情况。2019年底第一架A380在法国塔布拆解时,二手备件就引发了热切的关注,当时的需求非常强烈,Tarmac公司从每架A380上拆除近6000个部件,数量远高于每架A330拆解的700~1000个。不同寻常的是,拆除了A380后的发动机挂架,还计划再利用。据德国Scope Analysis咨询公司透露,一部新的A380主起落架的价格在2500万美元左右。因此这一“庞然大物”身上的二手部件都非常有价值,可谓是“浑身是宝”。由于A380飞机尺寸庞大,拆解时甚至一度引发了新型工装的开发热潮。
  Tarmac公司在欧洲占有30%的(以件计算)空客和波音飞机拆解市场,在全球占有10%的市场份额。该公司共有40名员工,在西班牙塔尔比斯和特鲁埃尔从事拆解和回收业务,公司自成立以来回收了220架民用飞机和135台发动机。现在,该公司认为新一代飞机除了第一批A380之外,还有许多空客A330和波音777机型也已经进入回收再利用市场。
  IATA在其《飞机退役最佳行业典范手册》(BIPAD)中指出,航空公司通过飞机退役再循环,将这些零部件作为备件出售和再循环,可以优化公司收入。BIPAD手册主要针对飞机所有者和运营商。目前,BIPAD和美国机队再循环协会的《最佳管理典范》手册都是飞机拆解和回收专业公司遵循的行业规范。通常,飞机的残值主要是通过拆卸高价值部件实现的,然后才是回收飞机上的金属材料。
  由于废旧飞机的主要组成部分是铝材,而特种铝合金在市场上又有着巨大的生产需求,因此飞机拆解后的金属回收再利用无疑是明智的。当前,尽管金属分选工艺已有很大改进,但在整个回收利用过程中,仍没有特别经济的方法将不同型号的铝合金分离出来。
  航空铝材的再循环
  假设一架飞机的正常寿命为25年,那么2040年退役的大部分飞机就是今天在役的这些机队,它们基本上仍主要采用铝材制造,因此,在拆解可重复使用的零部件后,回收的重点仍是收集铝材。
  《飞机退役最佳行业典范手册》也称,“在可回收材料中,铝材占比最大,约为60%。在拆解作业之前,要从原始制造商的文件中识别出不同类型的铝合金,使各种铝材能够单独回收,从而获得更高质量的最终产品。”但目前要真正实现这样的目标还面临诸多挑战。


  首先,拆解分类是一项劳动密集型工作,需要大量的手工作业,比如从飞机结构上拆卸铆钉、拆解体积很小的2000系铝合金等等,因此把每一种有细微差别的铝合金都单独回收是一件很不容易的事,而且成本上也很不划算。
  至于是先有飞机拆解公司,还是先有金属分类公司,这个就好像是先有鸡还是先有蛋的问题。在过去,市场上有一些简单的金属分类工厂,如从汽车和电器的混合材料中分拣出黑色金属等回收再利用,后来有一部分这类工厂在一定经验积累的基础上就发展为飞机拆解公司,并开始对飞机拆解金属进行分类。
  再有,飞机上采用的昂贵的铝合金之间存在着许多种类和产量上的明显差别。整体来看,与其他行业相比,飞机回收产生的材料量很小。例如,Tarmac Aerosave公司每年回收的铝材量大约为1000吨,关于这部分材料在航空业中的再利用很难跟踪。
  而且在回收过程中,还有很多技术挑战必须克服。因为再利用的铝材越多,杂质的含量就越高,而飞机用铝合金的化学成分要求非常严格。因此飞机用铝材在回收冶炼过程中必须解决防腐化合物的问题。
  到目前为止,至少2000系铝合金可以与7000系铝合金混合,并在航宇业中重复使用。当然,飞机用铝材也可以回收后用于其他产品。
  对钛合金而言,最终产品的规格非常严格,因此从拆解飞机上回收钛必须在工业生产开始时就将这一问题考虑其中,然后在每个生产阶段,包括检查阶段进行跟踪。因此,回收的钛通常成为钢合金的一部分。
  这也是为何许多OEM想方设法升级飞机用金属的原因。例如,庞巴迪等公司正在设法将金属部件进行升级,目的是使飞机部件寿命期末能够顺利转变为创新型增值产品。在庞巴迪与蒙特利尔大学和魁北克航宇研究创新联盟的一个试点项目中,他们利用飞机部件创造出了各种日用生活品,包括自行车、情境台灯、皮革时尚夹克、折叠桌和挂钟。庞巴迪在对其中一些原型进行了全寿命周期比较评估后发现,对部件进行升级改造比回收再利用产生的环境足迹更小。空客公司的BizLab业务孵化器有两名员工也有类似的理念,他们创建了一家名为“一片天空(A Piece of Sky)”的在线商店,出售利用飞机部件升级改造的家具。   总的来说,回收金属在飞机再循环总价值中的占比很小。但Tarmac公司认为回收金属有助于将飞机的可回收比例保持在89%~91%的水平,而且在塑料和复合材料能够被大量回收之前,金属回收比例不会提高。
  复合材料的再循环
  在复合材料方面,新一代飞机的碳纤维增强型复合材料(CFRP)的回收再利用可能很快实现。因为在新一代飞机中CFRP所占的比例越来越大,它的再利用问题也变得更加重要。CFRP因重量很轻、有利于节油而著称,但是CFRP产品在全寿命周期中的环境足迹却很差,其回收再利用问题被原始制造商所忽视。但今后随着飞机所有者的环保理念越来越强,他们正在将更加环保的原则纳入内部指导方针,所以说复合材料的回收再利用需求正在变得越来越强烈。
  与最初的高性能设计相比,碳纤维目前的回收再利用价值很低。因此,目前的努力方向是回收再利用更多的碳纤维,同时保持其特性。在空客A380的拆解中,由于其复合材料重量占比高达25%,所以当时也引发了Tarmac Aerosave公司對复合材料的回收再利用的兴趣。
  Tarmac Aerosave公司与一些已经设计出碳纤维再循环工艺并能够设法保持碳纤维长度的欧洲公司在接触。因为长度是碳纤维应用的关键,通常需要几十厘米,而且纤维的取向必须一致,才能保证复合材料获得很高的机械性能。
  目前已经开发的再循环工艺涉及到缩短再生纤维。但也有一些公司能够每年生产数十吨可回收的长碳纤维,技术较为成熟。因此碳纤维复合材料的回收再利用这一新生事物迟早会蓬勃发展的,特别是得益于游艇和体育器材等其他制造业的带动,前景较为乐观。


  Xcrusher公司也是一家复合材料回收公司,该公司已经开发了一种回收技术,通过预浸碳纤维材料的边角料,充分利用碳纤维的电性能,在纤维中产生千兆瓦量级的电脉冲使树脂升华。该公司表示,经过处理的纤维与新品一样,力学和化学特性都完好无损。电脉冲的持续时间约为1纳秒,因此能效很高。这种工艺生产出的纤维具有恒定的截面和比重,该公司能以1米/秒的速度生产数千米长的连续纤维,计划在未来6个月内实现每年100吨的产能。生产碳纤维卷轴的试点工厂位于巴黎附近的圣欧恩,是苏伊士公司的合作伙伴。
  ELG碳纤维公司正在研究在结构应用中使用再生碳纤维的技术。2019年12月,该公司与英国哈德斯菲尔德大学铁路研究所合作,推出了世界上第一个用这种材料制造的列车转向架,新的总装正在测试中,它比传统转向架轻,优化了垂直和横向刚度。该公司率先采用热解技术从边角料中回收碳纤维,并与波音公司签订合同,回收787和777X使用的CFRP。在热解去除树脂后将纤维切割碾碎,然后用作热塑性复合材料的增强材料。
  汽车业将其用于非织造材料压缩成型,最终的产品是汽车发动机盖和车顶等产品。据ELG介绍,已经有几款车模使用了这种再生纤维,再生碳纤维也正在走向更高价值的应用,再生碳纤维的热塑性塑料正以更好的性价比取代钢和镁。随着汽车向电动方向发展,它们还可以用于电池容器,但电池容器的强度和轻量化非常关键。
  ELG公司表示,现在阻止再生碳纤维在机身中重复使用的是其漫长的认证过程。未来顺利认证后预计将首先用于如客舱内饰等非关键部件。尽管再生碳纤维保留了碳纤维复合材料的大部分性能,且其再次应用对纤维的长度要求可以较短,但如果要应用于机身,必须证明其满足机械要求。


  未来,拆解飞机的材料可能成为ELG热解工艺流程的原料,这无疑是一种进步,因为就环境足迹控制而言,一个行业最好是能将自己的材料实现再利用,而不是将材料出口到另外的行业。
  事实上,再循环业务在近期发展的决定因素是遵守环境保护法并成为回收再利用的最佳管理实践,这样不仅可以延长飞机资产的寿命,还有助于提升飞机所有者的环保公众形象。
  IATA的《飞机退役最佳行业典范手册》强调,飞机资产需要采取更好的做法,而不是将其封存在沙漠中、没有经过维护/净化的飞机,以及在机场弃置的飞机,或拆解后只回收铝,毕竟这些飞机上还有其他可回收材料,如电子元件或塑料。
  另外,拆解阶段产生的危险品必须做到安全控制,同样,再循环企业也必须控制向空气中的排放,例如锯切割阶段含有重金属的油漆粉尘,排放到土壤中的物质不得含有燃料或废水。
  Tarmac公司一直使用水冷却的金刚石线切割框架,该系统被认为比常用的液压钳更清洁,更安全,且消除了火灾的隐患。该公司还创建了一种移动式切割设施,可以在封闭的环境中加工窄体机身,从而避免石棉等有害物质的扩散。这种移动设备还可以被船运到退役飞机所在地,因为有的退役飞机在恶劣条件下停放太久,所以不能再飞了,只能原地拆解。据称,采用该设施的第一份合同是法国的63架军用飞机。
  (航天工程大学昌平士官学校王朝晖 译自AW&ST)

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