综述：生物质和塑料的共热解与共气化用于下一代燃料的生产，以及各种操作参数对其的影响：综述

《Next Energy》：Co-pyrolysis and co-gasification of biomass and plastics for next-generation fuel production and the effect of various operating parameters on it: A review

本研究系统综述了生物质（BM）与塑料协同热解及气化技术，分析不同塑料（PE、PP、PET、PVC）与生物质（木屑、秸秆、坚果壳等）的相互作用机制，探讨温度、混合比例、催化剂等参数对产物分布的影响。研究表明，协同处理可提升油品质量（减少氧含量、增加芳烃），优化气体产率（H?、CO等），并降低焦炭形成。催化剂（如HZSM-5、金属氧化物）显著促进热解裂解和芳构化反应，但需平衡活性位点与结焦效应。不同反应器（固定床、流化床、等离子体）和预处理（热解炭改性）影响产物分布与经济性。最后指出需结合生命周期评估（LCA）和 techno-economic analysis（TEA）推进商业化应用。

　　近年来，随着化石燃料的使用导致温室气体排放和气候变化问题日益严重，寻找替代能源已成为全球能源领域的重要课题。同时，由于石油、天然气和煤炭等传统能源储量有限，向可再生能源转型势在必行。非传统能源来源和废弃物转化为能源（Waste-to-Energy, WtE）技术正逐步受到重视。其中，非生物降解性塑料废弃物因其高能量密度，可以通过热化学处理（如热解和气化）转化为燃料。另一方面，生物质（BM）的热化学转化在合适的森林管理条件下，展现出成为绿色能源的潜力。将塑料与生物质共热解或共气化，不仅能够提高燃料的质量和产量，还能为解决废弃物处理和能源危机提供创新思路。

在这一领域，已有大量研究涉及不同类型的生物质和塑料，但这些研究往往局限于特定的原料组合，使得总结出一个普遍的产物生成趋势变得困难。本文系统地回顾了近期关于生物质与塑料共热解和共气化的研究数据，将结果按照所使用的原料类型和转化过程进行分类，总结了不同原料类型和相对含量下的燃料产率的一般趋势。此外，还讨论了操作温度、气化剂种类、混合比例、反应器类型以及催化剂使用等因素对产物分布的影响，同时深入探讨了催化转化的机制。该综述为理解生物质与塑料共热解和共气化在当前研究中的进展、面临的挑战和潜在应用提供了广泛视角。

在当前的能源需求持续增长的背景下，能源危机和废弃物管理成为全球关注的重点。以印度为例，其政府报告指出，约32%的初级能源来源于生物质，而70%的人口依赖这一能源来源。生物质可以来自森林残余物、农业残余物、能源作物、食品生产及其他工业副产品。例如，甘蔗渣、稻壳、秸秆、棉花秆、椰子壳、大豆壳、脱油饼、咖啡残渣、黄麻废料、花生壳、木屑等是印度主要用于电网发电的生物质原料。每年生物质的可用量接近7.5亿吨，其中约2.3亿吨为过剩资源，具有28吉瓦的发电潜力。此外，将甘蔗渣与塑料共发电的工艺还可以进一步增加14吉瓦的发电能力。

然而，塑料废弃物的管理同样是一个重大的环境挑战。根据最新报告，全球每人的塑料废弃物生成量估计为0.64至1.2公斤/天，预计到2025年将上升至1.42公斤/天，这主要是由于快速城市化和消费主义的发展。每年全球生产的塑料总量超过350亿吨，但其中只有不到25%被回收。特别是在新冠疫情的影响下，数字营销的迅速增长导致包装废弃物激增，这些废弃物主要由塑料、纸板、气泡膜和胶带组成。没有有效的包装废弃物管理机制，医疗废弃物如个人防护装备套件、塑料手套和消毒剂瓶等的增加进一步加剧了塑料废弃物的管理问题。

鉴于此，探索将生物质与塑料共同转化为可再生能源的新方法显得尤为重要。生物质热化学转化包括生物化学、化学和热化学途径，其中热化学途径因其反应速度快、原料种类多样和产率可变等特点而被广泛研究。热化学转化主要分为燃烧（或焚烧）、热解和气化三种方式。燃烧主要是通过化学计量比的氧气完全燃烧原料以产生热量，但会产生有害气体、灰烬和污染物，是其主要缺点。热解则是在无氧条件下加热原料，主要生成油类产物，同时伴随气体和焦炭的形成。气化则是在氧气含量低于化学计量比、温度高于600摄氏度的条件下对原料进行部分氧化，主要生成合成气（Producer Gas）以及少量的液体油和固体焦炭。相比燃烧，气化是一种更清洁的工艺，能够减少污染物的排放。

在共热解和共气化过程中，原料的种类和比例对产物的组成和数量有着显著影响。热解油的生成受到原料类型和混合比例的制约，其特性如氢氧比（H/C）、高热值（HHV）和几乎不含氧元素，使其成为发动机燃料的理想选择。然而，生物质热解油富含氧合化合物，呈酸性，并随着时间推移表现出不稳定性及腐蚀性。与塑料共热解可能有助于改善生物质油的质量，通过减少氧合化合物和增强油的稳定性。此外，塑料可能作为氢源，有助于生物质热解油的生成。气化过程中，由于塑料的热解可能产生黑碳和设备堵塞等问题，而生物质作为单一原料的气化则面临原料供应不一致和分布分散的挑战。共气化则能够通过生物质提供的焦炭促进气化反应，提高气体产率。同时，通过调整原料比例，可以定制共转化产物的组成。

本文还系统分析了不同原料组合和转化工艺下的共热解和共气化过程。在热解过程中，塑料与生物质的混合能够增强热解油的产率和质量，具体表现取决于原料的类型和混合比例。例如，高密度聚乙烯（HDPE）与纤维素的热解过程能够提高气体产率，同时减少焦炭的形成。然而，随着塑料含量的增加，氢气和二氧化碳的产率会有所下降，而碳氢气体的产率则会提高。此外，研究显示，较小的原料粒径（<75微米）能够增强热解过程中原料的相互作用，提高产物的产率。生物质热解油的组成主要依赖于原料类型，例如，聚乙烯（PE）与生物质热解油主要由长链柴油型烃类和醇类组成，而聚苯乙烯（PS）与生物质共热解油则富含芳香族化合物如苯乙烯、其二聚体和三聚体、甲苯和乙基苯。而聚氯乙烯（PVC）的加入则能够减少热解油中的氧含量，同时提高其热值，这可能是因为PVC释放的盐酸（HCl）促进了生物质纤维素的脱水和交联反应，从而增强了焦炭的形成。

在共气化过程中，研究发现加入生物质能够提高气化性能和气体产率，同时减少焦炭和烟气的生成。这可能是由于生物质的热解过程能够促进塑料的水解和裂解反应，从而生成更多的气体。此外，生物质的热解产物还能够与塑料衍生的碳氢化合物发生反应，形成更稳定的气体产物。例如，木质纤维素与聚乙烯（PE）共气化过程中，氢气和一氧化碳的产率会随着温度的升高而增加，而甲烷和碳氢化合物的产率则会减少。这一现象可能与高温下生物质衍生的酸性物质促进塑料裂解有关。

催化剂的使用是共热解和共气化过程中提高产物质量和产率的关键因素之一。催化剂能够降低反应的活化能，提高反应速率，同时减少副产物的生成。例如，HZSM-5催化剂能够显著促进生物质和塑料的热解反应，提高芳香族化合物的产率，同时减少含氧化合物和水的生成。此外，不同的催化剂如金属氧化物、碱性材料和酸碱复合催化剂，能够通过不同的反应路径（如氢转移、Diels-Alder反应和碳氢池机制）影响产物的组成和产率。例如，使用Fe/AC催化剂能够提高轻质烯烃和芳香族化合物的产率，同时减少焦炭的生成。而CaO作为催化剂能够促进水煤气变换反应，从而提高氢气的产率。

尽管共热解和共气化在实验室条件下表现出良好的效果，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，生物质的可用性和多样性受到地域和季节性因素的影响，这可能影响到热化学转化的效率和产率。其次，塑料废弃物的处理通常需要在热化学转化前进行分类，这在实际操作中可能增加成本。此外，共热解和共气化过程中，原料的混合比例、温度、气化剂种类和反应器设计都需要根据具体情况进行优化，这增加了工艺设计的复杂性。最后，虽然共热解和共气化能够减少污染物排放，但其商业可行性仍需进一步研究，包括技术经济分析（TEA）和生命周期分析（LCA）等。

总的来说，生物质与塑料共热解和共气化作为一种废物管理与能源生产相结合的策略，具有广阔的应用前景。通过优化工艺参数和催化剂选择，可以提高产物的质量和产率，减少环境污染。此外，随着技术的发展和政策的支持，共热解和共气化有望成为未来能源转型的重要手段，特别是在资源有限、环境脆弱的偏远地区，能够有效实现废弃物资源化利用和可再生能源生产。