在循环经济中，将塑料废弃物转化为烯烃：水热液化与热解的技术经济性及生命周期对比

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《Journal of Cleaner Production》：Plastics waste to olefins in a circular economy: Techno-economic and life cycle comparison of hydrothermal liquefaction and pyrolysis

【字体：大中小】 时间：2025年10月23日 来源：Journal of Cleaner Production 10

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　　本研究对比了聚烯烃废料选择性化学回收的两条热化学路径——水解热解（HTL-SC）与热解-蒸汽裂解（PYR-SC），通过Aspen Plus和openLCA软件进行 techno-economic分析（TEA）和生命周期评估（LCA）。结果显示，HTL-SC在450°C、230 bar和30分钟优化条件下，乙烯和丙烯的收率分别为39.4 wt%和19.9 wt%，整体能源效率68.1%，成本分别为1.55和3.07欧元/千克，投资回报率8.2%，回收期3.05年。PYR-SC在600°C下产率较低，但投资回报率13.7%，回收期1.82年。HTL-SC碳排放较传统方法降低，但设备成本高企，而PYR-SC运营成本更高但经济性更优。两者均优于化石基路线，为循环经济提供新方案。

　　近年来，全球塑料产量显著增长，这不仅与人口增加和消费模式变化有关，也引发了对塑料废弃物处理和资源再利用的广泛关注。塑料废弃物的处理方式包括机械回收、化学回收和能源化利用等，其中化学回收因能更有效地处理混合塑料垃圾而备受关注。本研究聚焦于两种具有前景的热化学转化技术：水热液化（HTL）和裂解集成蒸汽裂解（PYR-SC），探讨它们在塑料废弃物升级回收中的应用潜力，特别是在生产轻质烯烃（如乙烯和丙烯）方面的可行性。通过采用Aspen Plus v12和openLCA 2.0软件，分别进行了技术经济分析（TEA）和生命周期分析（LCA），以评估两种技术的经济性和环境影响。

水热液化（HTL）是一种在高温高压下进行的转化过程，其特点是利用水作为反应介质，通常在水的临界点以上（温度超过400°C，压力超过300 bar），以促进有机物的分解。这种过程无需对原料进行干燥，有助于减少预处理步骤的能耗。在HTL过程中，水不仅作为溶剂，还作为催化剂，有助于提高反应效率和产物的产率。通过优化反应条件，HTL-SC工艺在450°C、230 bar和30分钟的停留时间下，能够生产出39.4 wt%的乙烯和19.9 wt%的丙烯。此外，HTL-SC工艺的整体能量效率达到68.1%，比PYR-SC工艺高约4.5%。这种更高的能量效率和产物产率，使得HTL-SC在经济性方面表现出色，其乙烯和丙烯的生产成本分别为1.55 €/kg和3.07 €/kg。从环境角度来看，LCA结果显示，HTL-SC和PYR-SC两种工艺的碳排放量都低于配备碳捕集与封存（CCS）系统的传统石油化学工艺，这表明它们在实现行业脱碳方面具有潜力。

相比之下，裂解集成蒸汽裂解（PYR-SC）工艺在较低压力下进行，通常在氮气等惰性气氛中进行，温度范围在600到800°C之间。PYR-SC工艺在优化条件下能够实现较高的烯烃产率，例如在600°C时达到最大值。然而，由于其较高的资本支出（CAPEX）和运营成本（OPEX），PYR-SC的经济回报率（ROI）和投资回收期（P）表现优于HTL-SC。例如，PYR-SC的ROI为13.7%，投资回收期为1.8年，而HTL-SC的ROI为8.2%，投资回收期为3.05年。这表明PYR-SC在经济性方面更具吸引力，但HTL-SC在能量效率和产物产率上表现更优。

从经济性分析来看，HTL-SC和PYR-SC两种工艺的总成本和运营成本有所不同。HTL-SC的资本支出较高，主要源于高压反应器的高成本，而PYR-SC的资本支出较低，但运营成本相对较高，尤其是由于乙二醇的使用。通过详细的成本分析，HTL-SC的乙烯和丙烯的水平化成本（LCOEH和LCOP）分别为1.55 €/kg和3.07 €/kg，而PYR-SC的水平化成本分别为3.07 €/kg和2.48 €/kg。尽管PYR-SC的运营成本较高，但其较低的资本支出和较高的投资回报率使其在经济性上更具优势。此外，PYR-SC还能够产生氧气作为副产品，其水平化成本为0.36 €/kg，接近市场价，这为工艺的经济性提供了额外的支持。

从环境影响的角度来看，LCA结果表明，HTL-SC和PYR-SC两种工艺的环境足迹均低于传统石油化学工艺。然而，HTL-SC的环境影响更为显著，主要由于其在建设阶段对建筑材料（如钢铁和混凝土）的高需求。HTL-SC的全球变暖潜能（GWP）和酸化潜能（AP）分别比PYR-SC高，这可能与过程中的燃烧排放有关。此外，PYR-SC在人类毒性潜能（HTP）和臭氧消耗潜能（ODP）方面表现更优，这可能与其较低的建筑材料使用和更高效的分离过程有关。通过优化工艺条件，如控制反应温度、停留时间和水与原料的比例，可以进一步降低环境影响，提高工艺的可持续性。

在研究中，还对参数进行了敏感性分析，以评估不同操作条件对产物产率和经济性的影响。结果显示，增加烯烃的生产比例会导致产品成本上升，从而影响其市场竞争力。因此，需要在工艺设计中找到一个平衡点，既能保证较高的产物产率，又能维持较低的成本。此外，研究还指出，通过使用可再生能源、减少化石燃料依赖、采用环保材料和优化过程设计，可以进一步降低HTL-SC和PYR-SC工艺的环境足迹。

综上所述，HTL-SC和PYR-SC两种工艺在塑料废弃物升级回收方面各有优势。HTL-SC在能量效率和产物产率上表现更优，而PYR-SC在经济性上更具吸引力。然而，两种工艺的环境影响都与建设阶段和运行阶段的能源消耗密切相关，因此，优化能源使用和材料选择是实现可持续性的重要途径。未来的研究可以进一步探索这两种工艺的全生命周期评估，以更全面地了解其对环境的影响，并通过政策支持和技术创新，推动塑料废弃物升级回收技术的商业化应用。

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