医疗塑料废物（MPW）热解与蒸汽气化资源回收的实验评估：原料组成、温度与气化气氛对合成气、焦油及碳分配的影响

《Waste Management》：Experimental assessment of medical plastic waste pyrolysis and steam gasification for resource recovery

　　

研究人员对四种代表性医疗塑料废物（MPW）的热化学转化（thermochemical conversion）进行了实验评估；在流化床反应器（fluidized-bed reactor）中比较了热解（pyrolysis）和蒸汽气化（steam gasification）条件；原料组成与操作条件强烈影响合成气（syngas）和焦油（tar）组成；热解条件下碳向气相转化（carbon conversion to the gas phase）率最高达45%；蒸汽气化显著降低固体残余物中的碳滞留（carbon retention）。

研究背景与问题：在循环经济与环境压力下，塑料废物管理成为重要议题；全球塑料消费持续增长，COVID-19疫情期间个人防护装备（PPE）等医疗塑料废物（MPW，medical plastic waste）大量产生，且其潜在感染性限制机械回收，处置多依赖填埋或焚烧。填埋无资源回收，焚烧虽可减容和回收能量，但需控制气体排放和残余灰渣。热化学处理（thermochemical treatment）可将碳质材料转化为高值固、液、气产物，其中热解（pyrolysis，惰性气氛下热分解）倾向生成可冷凝烃类，蒸汽气化（steam gasification，引入水蒸气促进气化）有利永久气体和碳转化，产物为富H₂和CO的合成气（syngas，以H₂和CO为主）。既有研究多集中于单一塑料或孤立操作条件，系统比较代表性MPW类别并在相同条件下同时评价气、可冷凝和固相产物的研究有限，因此研究人员开展本研究。

研究人员在相同实验室规模鼓泡流化床反应器中，对非织造医用纺织品、FFP2口罩、Pasteur吸管和天然乳胶手套四类未使用商业产品进行比较，考察N₂热解与N₂+蒸汽气化、750/800/850°C下永久气体、焦油（tar，可冷凝有机组分）化学族和固体残余碳的分布。结果表明原料组成和操作条件显著影响产物分布与组成；蒸汽气化显著降低固体残余物中的碳滞留；热解条件下碳向气相转化率最高可达约45%。该工作为MPW热化学资源回收和按目标产物优化条件提供了实验依据。

关键方法：采用实验室规模鼓泡流化床反应器，床料为400 g硅砂；温度设750、800、850°C，流化剂分别为N₂（热解）和N₂+蒸汽（蒸汽气化，总入口8 NL min^?1，其中6 NL min^?1 N₂+2 NL min^?1蒸汽）；原料为从制造商购买、未接触患者或生物液体的未使用商业产品，破碎至0.5–1.5 mm，半连续进料。尾气在线测定CO、CO₂、CH₄和H₂；异丙醇?20°C冷凝收集焦油并进行GC–MS（气相色谱-质谱联用）半定量化学族分析；实验后通空气氧化残余碳，以N₂作内标示踪估算气态碳和焦炭碳。无样本队列。

研究结果：
3.1 合成气组成与产生：通过比较四类MPW在三种温度和两种流化剂下的干基尾气组成，研究人员发现H₂、CO、CO₂和CH₄为主要组分，温度和流化剂显著影响其比例。

3.1.1 操作条件的影响：通过对比温度与流化剂发现，非织造纺织品热解时H₂随温度由23.63%降至12.18%，蒸汽下H₂由15.96%升至21.26%；FFP2热解H₂在750°C最高为27.87%，蒸汽800°C时H₂和CO最高；Pasteur吸管热解800°C最优、蒸汽850°C最优；天然乳胶手套各气比例最低，蒸汽显著提高H₂，最大值多在850°C。结论是蒸汽在高温下促进H₂形成，但CO、CO₂和CH₄响应依赖原料与温度。

3.1.2 原料组成的影响：通过横向比较原料，FFP2在两种气氛下CO和H₂最高，热解750°C时H₂为27.87%、CO为19.98%；热解800/850°C时Pasteur吸管H₂最高；PP基非织造纺织品和FFP2结果相近；天然乳胶手套CH₄最高。Pasteur吸管H₂/CO比最高达2.86，天然乳胶手套热解750°C时低位热值（LHV，lower heating value）最高为20.03 MJ Nm^?3。结论是目标气体性质不同，有利操作条件亦不同。

3.1.3 气相碳分布：以N₂为内标示踪估算气态碳，非织造纺织品热解800°C碳转化约44%，FFP2蒸汽850°C约42%；PP基原料多在28%–40%；Pasteur吸管最低尤其蒸汽条件；天然乳胶手套为16%–30%。结论是相当部分碳留于焦油和/或焦炭。

3.2 固体流分析：焦炭生成与碳分布：通过实验后空气氧化测定反应器滞留碳，热解升温使焦炭碳降低，蒸汽使焦炭碳几乎可忽略；Pasteur吸管热解焦炭碳最高为28%–34%。结论是蒸汽促进残余碳气化，热解条件下碳滞留更明显。

3.3 可冷凝组分表征：通过GC–MS半定量分析焦油化学族，发现温度和气氛影响可冷凝组分相对峰面积分布。

3.3.1 组成与化学族：通过GC–MS半定量峰面积，四类MPW升温均使相对分布向重芳烃如萘衍生物和多环芳烃（PAHs）移动；简单芳烃（苯、甲苯、二甲苯，BTX）相对贡献随温度较稳定，但不同原料间存在差异；天然乳胶手套中BTX相关相对峰面积明显较低。结论是温度和气氛影响化学族分布，但半定量分析不能证明绝对产率或直接转化路径。

3.4 碳分布与未计入部分：通过将入口碳分配为气相、反应器滞留碳和差减未计入部分，发现升温降低焦炭碳，蒸汽几乎消除焦炭碳；蒸汽条件下升温使气相碳略升、未计入部分降，但总体引入蒸汽较热解降低气相碳比例并增加未计入部分；Pasteur吸管热解焦炭碳为28%–34%，加蒸汽后残余碳更多进入未计入部分而非气相。未计入部分不能单独归因于可冷凝物。

3.5 过程限制与环境考量：讨论指出，750–850°C运行和蒸汽生成需显著热能，可冷凝有机物需分离后处理，增加能耗和复杂性；生命周期绩效取决于过程配置和辅助系统，碳捕集封存影响显著，气化路线在合适配置下有资源回收前景；真实混合医疗废物可能含PVC等含氯物质，需关注氯化危险物种；气化条件下多氯二苯并二噁英/二苯并呋喃（PCDD/F）低于直接燃烧，Weiland等报告气化系统HCl和PCDD/F显著较低并捕集颗粒物结合PCDD/F；外推至异质废物需原料表征和排放监测，仅凭实验不能确定整体环境可持续性或脱碳潜力，需能量、生命周期和技术经济评估。

研究结论翻译：本研究对四类代表性MPW在鼓泡流化床反应器中的热化学转化进行了综合实验评估，考察原料组成、操作温度和气化气氛对气、固、可冷凝产物分布与组成的影响。结果表明，惰性条件下升温提高主要气态产物相对比例，通常在800°C达最大，并降低反应器内碳滞留，但该响应依赖废物组成；引入蒸汽可提高若干原料的H₂浓度，并显著降低固体残余物中的碳滞留。半定量GC–MS显示温度和气氛影响鉴定化学族的相对峰面积分布，但不能据此得出绝对可冷凝产物产率结论。气体产物组成主要取决于MPW性质：非织造医用纺织品和FFP2口罩产生富氢气体，天然乳胶手套CH₄和CO₂浓度最高；可冷凝部分中简单芳烃通常相对贡献最高，升温使更缩合芳烃包括萘衍生物和PAHs相对贡献增加。碳分布分析确认蒸汽强烈降低反应器滞留碳，而热解条件下碳滞留显著更高，尤其Pasteur吸管。研究局限包括可冷凝组分半定量表征和未计入碳部分的间接确定，不能绝对量化可冷凝产物产率或完全闭合碳平衡；尽管如此，结果有助于理解不同MPW热化学转化行为并按目标产物优化条件，支持热化学转化作为选定MPW资源回收路径的潜力，但工业实施和整体环境绩效仍需进一步评估能耗、排放和下游产物处理。