促进碳循环的可持续热化学路径生产烯烃的技术-经济与环境评估

为解决塑料废弃物处理难题和烯烃生产的高碳排放问题，研究人员开展了基于塑料与生物质废弃物共气化生产烯烃的热化学路径研究。通过集成等离子体/自热气化、甲醇合成(MTO)和CO2捕集利用(CCUS)等技术，实现了碳效率最高达97%、能源效率提升至72%，其中两种配置达到碳中和。该研究为化工行业低碳转型提供了系统性解决方案。

　　

塑料已成为现代社会不可或缺的材料，年产量超过4亿吨，但随之而来的废弃物处理问题日益严峻。目前欧盟仅30%的塑料废弃物被回收，且主要依赖机械回收方式存在质量递减和污染敏感等缺陷。更严峻的是，作为塑料原料的轻质烯烃（乙烯和丙烯）主要通过蒸汽石脑油裂解(SNC)生产，该工艺能耗高且每年排放4亿吨CO₂，占化工行业排放的30%。在欧盟"绿色新政"推动下，开发既能处理塑料废弃物又能实现低碳生产的创新技术迫在眉睫。

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队提出了一种革命性的解决方案：通过热化学回收塑料和生物质废弃物生产烯烃。这项发表在《Renewable Energy》的研究创新性地将多种先进技术集成到一个系统中，包括等离子体/自热气化、甲醇合成、甲醇制烯烃(MTO)工艺，并整合了碳捕集利用与封存(CCUS)技术。研究人员采用Aspen Plus?进行化工过程建模，通过OsmoseLua平台实现能量系统优化，建立了包含12个月运行周期的多周期优化模型，全面评估了8种不同配置的技术经济与环境性能。

研究方法上，团队首先建立了包含气化、甲醇合成和MTO工艺的超结构模型。采用PR-BM物性方法进行物料和能量平衡计算，通过实验数据验证了气化炉模型的准确性。针对CO₂管理，设计了包括地质封存、甲烷化和通过rWGS或固体氧化物共电解(co-SOEC)升级为合成气等多种路径。经济评估采用40年工厂寿命和6%的固定年利率，关键性能指标涵盖碳效率、能源效率和CO₂排放等维度。

研究结果展现出显著的技术优势：

1. 1.

   在碳效率方面，集成SOEC的配置将碳效率从传统SNC工艺的55%提升至97%，几乎实现碳的完全循环利用。等离子体气化由于无需燃烧，产生的合成气中CO₂含量更低，有利于后续甲醇合成。

2. 2.

   能源效率从SNC的56%提高到72%，其中自热配置表现更优。通过蒸汽网络回收废热可满足20%的电力需求，在最优配置中自发电比例高达78%。

3. 3.

   环境效益显著，两种配置（Methanation P和rWGS P）实现负碳排放，所有替代配置均消除了直接化石CO₂排放。季节性CO₂储存策略可降低27.2%的电力成本。

4. 4.

   经济性分析显示，preCCS & Inj A是唯一盈利的配置，但SOEC集成配置虽然当前亏损，随着电力成本下降和规模效应显现，rWGS A等配置有望实现盈亏平衡。

讨论部分指出，这项研究的创新价值在于首次系统评估了塑料与生物质共气化生产烯烃的全链条技术路径，特别是将等离子体气化与CO₂升级技术相结合的前沿探索。通过多周期优化方法，有效解决了可再生能源间歇性带来的运行挑战。虽然当前SOEC的高投资成本制约了经济性，但随着技术进步和可再生能源渗透率提高，这些配置将成为化工行业脱碳的关键路径。研究提出的季节性CO₂储存策略为利用波动性可再生能源提供了新思路，而碳循环理念的实践则为塑料经济的可持续发展指明了方向。

该研究的实际应用仍需考虑原料预处理和地域适应性等现实因素。未来随着政策支持力度加大和技术成本下降，这种整合废弃物处理与化学品生产的循环经济模式，有望成为实现欧盟2050碳中和目标的重要技术路径。研究团队建议在可再生能源丰富地区优先示范，并呼吁建立配套的塑料废弃物分类收集体系，为大规模商业化应用创造条件。