移动热解资源化城市树木落叶：技术经济与环境可行性评估

《Resources》：Valorization of Municipal Tree Leaf Waste via Mobile Pyrolysis: Techno-Economic and Environmental Feasibility Assessment

　　

研究人员在沙特阿拉伯朱拜勒工业城（Jubail Industrial City）开展了一项城市树木落叶资源化的案例研究。当前的处置方式主要依赖填埋，导致资源损失和温室气体排放。本研究评估了移动式热解站对城市树木落叶进行资源化的技术、经济和环境可行性。实验室慢速热解实验在350 °C下进行2 h，按重量计产生64.67%生物炭、6.67%生物油和28.67%不可冷凝气体。这些发现指导了车载移动式热解站的概念设计，整合了质量与能量平衡、设备尺寸确定、工艺工程、安全、技术经济和环境评估。在年处理湿叶生物质1252.8 t的规模下，该站年产约622.4 t生物炭、64.2 t生物油和275.9 t不可冷凝气体。总资本投资估计为484,522美元。研究人员评估了三种经济情景。在高价生物炭情景下（售价2.15美元 kg^?1），初始满负荷年收入为138.9万美元，10年净现值（NPV）为619万美元，内部收益率（IRR）为155.1%，投资回收期为0.81年。在低价生物炭情景下（售价1.075美元 kg^?1），NPV降至211万美元，IRR降至67.1%，回收期增至1.88年。在相同低价生物炭和运营支出（OPEX）增加50%的情况下，NPV仍为正值122万美元，IRR为44.6%，回收期为2.64年。环境评估考察了两种生物炭碳封存情景。使用全额计算的碳封存信用，年净环境效益为7036.79 t CO₂e；而保守的50%碳封存敏感性情景相对于当前填埋处置方式提供6489.96 t CO₂e的效益。这些发现支持移动热解作为沙特阿拉伯城市树木落叶资源化的一种技术可行、经济韧性和环境可持续策略。

**研究背景与目的**

全球城市绿化废物持续增加，现有填埋、露天堆放或露天焚烧等处置方式导致温室气体（GHG）排放、资源浪费和环境退化。沙特阿拉伯朱拜勒工业城（Jubail Industrial City）为减少工业区空气污染而实施大规模植树和景观维护，由此产生大量树叶、枝干和草屑等生物废物，目前主要送往填埋场，造成占地、分解产生甲烷和运输排放，同时损失了可回收生物质。热解可在限氧条件下将木质纤维素生物质转化为生物炭、生物油和不可冷凝气体；其中生物炭可用于土壤改良、碳封存和污染物吸附，生物油和不可冷凝气体可作为可再生能源载体。传统集中式热解设施面临低密度生物质收集运输成本高、储存变质等问题，移动式热解可在源头附近处理，从而减少运输成本、燃料消耗和温室气体排放。目前相关研究多限于实验室或固定设施，缺乏将实验产率与完整过程工程、经济与环境可持续性相结合的研究，尤其在沙特海湾工业城市树木废物管理领域。为此，研究人员选择朱拜勒工业城作为案例，评估车载移动热解站处理城市树木落叶的技术、经济和环境可行性，以支持沙特2030愿景循环经济目标。

**研究开展与主要结论**

研究人员从朱拜勒工业城三个不同地点的绿化维护作业中采集树木废物样品，主要树种包括Conocarpus erectus、Phoenix dactylifera和Washingtonia robusta。树叶含水率平均为23.2%，枝干为12.4%，草屑为28.6%。将树叶干燥、粉碎至0.5–1.0 cm后，在350 °C、停留时间2 h的限氧管式炉中进行实验室慢速热解，重复三次得到生物炭64.67%、生物油6.67%、不可冷凝气体28.67%（质量分数）。基于这些产率，研究人员设计了分上下双层的车载移动热解站概念，集成进料、粉碎、干燥、螺旋热解反应器、燃烧器、旋风分离器、冷凝/冷冻、生物油储罐、生物炭收集和PLC/HMI控制系统，并完成质量衡算、能量衡算、设备尺寸确定、工艺流程图（PFD）、管道及仪表图（P&ID）、安全评价、技术经济评估和环境评估。结果表明，在年处理1252.8 t湿叶生物质时，该站年产约622.4 t生物炭、64.2 t生物油和275.9 t不可冷凝气体；总资本投资（CAPEX）为484,522美元；三种经济情景下净现值均为正；相对于填埋，年净环境效益为7036.79或6489.96 t CO₂e。因此认为移动热解是沙特城市树木落叶资源化的技术可行、经济韧性和环境可持续策略。

**主要关键技术方法**

关键技术方法包括：（1）原料采集与工业分析：从朱拜勒工业城三个不同地点采集树木废物，按ASTM D-3172测定水分、挥发分、灰分和固定碳含量。（2）实验室慢速热解：树叶经干燥和粉碎后，在350 °C、停留2 h、限氧条件下于管式炉中热解，通过质量衡算确定产物产率。（3）过程设计与工程：基于实验产率开展质量/能量衡算、设备尺寸计算、PFD/P&ID设计和危险识别与风险评估（HIRA）。（4）技术经济评估：设置三种情景，采用贴现现金流法计算NPV、IRR、投资回收期、盈亏平衡量等指标。（5）环境评估：依据IPCC指南，将移动热解与填埋路线进行边界限定的温室气体对比核算，并设置生物炭碳封存全额与50%敏感性情景。

**3.1 原料表征**

朱拜勒工业城每年产生约50,000 t树木和绿化废物，其中约60%为枝干、30%为树叶、10%为草屑。树叶因密度低、全年稳定供应、粒径和组成较均匀，且年产量约15,000 t，被选为主要热解原料。工业分析显示，树叶水分23.2%、灰分8.5%、挥发分62.1%、固定碳6.2%；枝干挥发分和固定碳最高、水分最低；草屑灰分和水分最高。树叶水分超过直接进料推荐值，需预先干燥。

**3.2 热解产率**

实验室热解实验在350 °C和2 h停留时间下重复进行，生物炭产率为64.67%，生物油为6.67%，不可冷凝气体为28.67%。高生物炭产率符合低温慢速热解特征，也与文献报道的30%–70%范围上限接近，表明朱拜勒树叶木质素含量相对较高。生物油被视为副产品，不可冷凝气体可作为补充燃料。研究人员建议在放大前开展中试验证。

**3.3 移动热解站**

**3.3.1 工艺描述**

移动热解站采用上下双层布局。上层包括进料斗、粉碎单元、干燥系统和输送设备；下层包括螺旋热解反应器、燃烧器系统、旋风分离器、冷凝/冷冻段、生物油储罐、生物炭收集单元和过程控制系统。设计参数为年运行300天、每天4批、每批循环时间2 h；反应器内径1.4 m、长度4.2 m，长径比1:3。

**3.3.2 质量平衡分析**

每批投入1044 kg湿叶生物质，干燥后剩余802 kg干生物质；热解产生518.7 kg生物炭、53.5 kg生物油和229.9 kg不可冷凝气体，质量闭合率达99.99%。按年计，处理1252.8 t湿叶生物质可产622.4 t生物炭、64.2 t生物油和275.9 t不可冷凝气体。

**3.3.3 设备尺寸分析**

所有主要设备的处理能力均满足要求且不超出车载空间限制。例如，料斗容积4.24 m³，粉碎机能力652 kg h^?1并有25%设计余量，干燥器容积2.87 m³，螺旋反应器尺寸4.20 m×1.40 m×1.40 m，燃烧室容积3.53 m³并有8%余量。上层设备总长9.88 m，下层设备总长12.25 m，整体布置适合卡车平台。

**3.3.4 能量分析**

每批总热需求为1156.5 MJ，其中干燥器627.2 MJ（54.2%），反应器529.3 MJ（45.8%）。干燥器热负荷主要来自水分蒸发潜热（546.2 MJ/批）。若按假设的低位热值（LHV）5 MJ kg^?1和75%燃烧效率计算，不可冷凝气体最大可提供约862.1 MJ/批；即使不给气体能量信用，用枝干生物质补充燃料也能满足全部热需求。因此概念性热可行性不依赖于气体能量回收，但需中试直接测量气体组成和燃烧性能。

**3.3.5 移动单元机械工程验证**

移动单元的完整机械和汽车工程验证不属于本研究范围。在制造和上路前，需专门开展车轴载荷分布、总车重合规、振动隔离、热屏蔽、消防安全和维修通道等机械工程包验证。

**3.4 工艺设计与仪表控制**

P&ID成功集成了生物质处理、热转化、产品回收、公用工程和过程控制系统。仪表包括温度、压力、流量和液位变送器（TT、PT、FT、LT），连接到PLC/HMI控制系统，并设置燃烧器燃料流量、干燥器温度、螺旋进料和冷冻水流量四个主要控制回路，以及隔离阀、止回阀、阻火器、泄压装置和紧急停机逻辑。

**3.5 安全评价**

采用5×5半定量风险矩阵进行危险识别与风险评估（HIRA），覆盖14个主要工艺区域。初始评估发现可燃粉尘积聚、反应器氧气进入或超压、气体管路CO/CH₄泄漏回火、维护或受限空间作业为极端风险。在采取密封进料、氧含量监测、泄压装置、气体检测、阻火器、紧急停机、联锁、上锁挂牌、通风和消防等措施后，所有极端风险均降至中低风险，表明该移动热解站可安全运行。

**3.6 技术经济评估结果**

CAPEX为484,522美元，其中设备与机械占42.8%，安装、车辆和基础设施占37.8%。基准满负荷年运营支出（OPEX）为265,252美元。情景1（生物炭售价2.15美元 kg^?1）初始满负荷年收入为1,389,158美元，10年NPV为6,191,040美元，IRR为155.1%，回收期0.81年；情景2（售价1.075美元 kg^?1）NPV为2,114,387美元，IRR为67.1%，回收期1.88年；情景3（低价加OPEX增加50%）NPV仍为1,220,043美元，IRR为44.6%，回收期2.64年。经济表现对生物炭售价和运营成本高度敏感，但三种情景均保持财务可行性。

**3.7 环境评估**

以年处理1252.8 t湿叶生物质为基准，填埋基线排放约为5940 t CO₂e yr^?1，主要来自填埋甲烷。移动热解情景中，满额碳封存信用约1094 t CO₂e yr^?1，生物油替代信用约57.5 t CO₂e yr^?1，净排放约?1097 t CO₂e yr^?1，相对于填埋避免排放约7037 t CO₂e yr^?1；50%碳封存敏感性情景避免排放约6490 t CO₂e yr^?1。该评估为边界限定的对比性GHG核算，而非完整生命周期评估（LCA），生物炭碳封存贡献基于假定的60%碳含量和80%稳定性系数，需实验表征验证。

**总结讨论**

讨论指出，移动热解站在技术上可行，但能量自给率仍存在不确定性；不可冷凝气体回收可降低辅助燃料需求，但需通过中试直接测量气体组成、实际低位热值、焦油含量、燃烧器效率和火焰稳定性来验证。经济结果对生物炭售价和产率高度敏感；本研究表现优于文献报道的移动快速热解装置，主要归因于高生物炭产率（64.67%）和假设的高售价，投资决策前需进行市场验证和中试确认。环境核算属于边界限定的对比性核算而非完整LCA，设备生产、维护、退役、移动单元迁移、焦油处理、灰渣管理以及生物炭长期归宿未纳入边界，未来需开展完整LCA。

**研究结论翻译**

本研究评估了沙特阿拉伯朱拜勒工业城城市树木废物资源化移动热解站的技术、经济和环境可行性。在350 °C和停留时间2 h下进行的实验室热解实验得到64.67 wt.%生物炭、6.67 wt.%生物油和28.67 wt.%不可冷凝气体，确认了树叶生物质适合热化学转化。基于实验结果，通过质量与能量衡算、设备尺寸计算、过程设计、安全评价、技术经济分析和环境评估，设计并评估了一个完整的移动热解站。该系统能够年处理1252.8 t湿叶生物质，年产约622.4 t生物炭、64.2 t生物油和275.9 t不可冷凝气体。设备尺寸和过程设计结果确认了将所有主要工艺单元集成在车载平台上的技术可行性。技术经济评估表明，所有三种情景均呈现正财务绩效。总资本投资为484,522美元。在情景1（高价生物炭，售价2.15美元 kg^?1）下，初始满负荷年收入为138.9万美元，10年NPV为619万美元，IRR为155.1%，回收期为0.81年。在情景2（低价生物炭，售价1.075美元 kg^?1）下，NPV降至211万美元，IRR降至67.1%，回收期增至1.88年。在保守的情景3（1.075美元 kg^?1生物炭价格加上OPEX增加50%）下，项目仍保持正NPV 122万美元，IRR 44.6%，回收期2.64年。在有限边界条件下，环境评估也保持有利：全额碳封存情景提供年净环境效益7036.79 t CO₂e，而50%碳封存敏感性情景提供6489.96 t CO₂e，均与当前填埋处置方式相比。总体而言，结果表明移动热解代表了一种在朱拜勒工业城实现城市生物废物资源化的技术可行、经济可盈利且环境可持续的方法。未来工作应侧重于中试验证和详细生命周期评估，以支持商业部署。