《Sci》：Catalytic Upgrading of Pyrolysis Products from End-of-Life Mining Tires: A Systematic Review of Research Gaps, Process Integration Challenges, and Future Directions
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废弃矿用轮胎因其质量大、硫含量高及结构复杂，构成了重大的废物管理挑战。本综述严格评估了源自矿用及重型轮胎热解产物的催化提质策略，重点关注硫化学、催化剂失活、工艺整合及商业化障碍。研究人员遵循PRISMA 2020框架，利用Scopus、Web of Scien
废弃矿用轮胎因其质量大、硫含量高及结构复杂，构成了重大的废物管理挑战。本综述严格评估了源自矿用及重型轮胎热解产物的催化提质策略，重点关注硫化学、催化剂失活、工艺整合及商业化障碍。研究人员遵循PRISMA 2020框架，利用Scopus、Web of Science、ScienceDirect、SpringerLink及Google Scholar进行了系统性文献检索，涵盖2000年至2026年的出版物。分析表明，矿用轮胎在硫含量、钢丝增强、成灰添加剂及热行为方面与乘用车轮胎存在显著差异，从而导致更严重的催化剂中毒、传热限制及更高的提质要求。当前研究主要关注产品品质的短期改善，而忽视了催化剂稳定性、再生、耐硫性及工业操作条件。非原位催化蒸汽提质因其改进的催化剂保护、操作灵活性及可扩展性，展现出比原位提质更大的潜力。本综述识别出在耐硫催化剂开发、长周期催化剂稳定性评估、反应器-催化剂集成、中试验证、技术经济分析及生命周期可持续性评价等方面的关键研究空白。基于这些发现，提出了一个包含五大战略支柱的未来研究框架：(i) 开发耐硫且可再生的催化剂体系；(ii) 在工业相关条件下进行长期催化性能及失活研究；(iii) 集成式反应器及提质系统优化；(iv) 连续加工技术的中试示范；(v) 全面的技术经济与环境评估。未来的研究方向应聚焦于硫转化路径、催化剂再生机理、先进脱硫策略、矿用轮胎反应器中的热质传递优化，以及通过同步回收燃料、化学品、回收炭黑、钢丝及含硫产物来实现循环经济整合。总体而言，这些研究重点为推动可持续的矿用轮胎资源化利用及在循环经济框架内加速催化热解技术的商业化提供了路线图。
1. 引言
1.1. 全球报废轮胎挑战
报废轮胎（ELTs）是全球工业化与交通增长带来的最顽固固体废物挑战之一，传统处置方式（填埋、堆放、露天焚烧）引发环境和公共健康问题，而热解被视为有前景的循环经济解决方案。然而，由于富硫产物、催化剂失活、反应器限制及工艺整合不足，商业部署仍然有限。
1.2. 矿用轮胎——被忽视的废物流
多数废轮胎热解研究聚焦于乘用车及轻型车辆轮胎，而对非公路（OTR）及矿用轮胎的研究不足。矿用轮胎更重、钢丝增强比例更高、硫浓度更高、成灰添加剂更多、橡胶截面更厚，这些特性带来了独特的热解与提质挑战。
1.3. 矿用轮胎热解油的产品品质局限
矿用轮胎热解油通常呈现高芳香性、高硫浓度、宽沸程及较差的储存稳定性。富硫原料与延长二次裂解反应的结合，导致油品更难处理且更难满足燃料规格，因此直接利用矿用轮胎热解油通常不切实际。
1.4. 催化提质的重要性
催化提质是矿用轮胎热解产物资源化利用的关键需求。催化剂可提升裂解效率、增强产物选择性、减少不良化合物并促进硫转化。然而，同样富含硫和污染物的环境也通过硫中毒、结焦、孔道堵塞及金属沉积加速催化剂失活，这一悖论是商业化的主要障碍之一。
1.5. 本综述的范围与新颖性
本综述批判性地审视了矿用及重型轮胎热解产物催化提质的研究空白。不同于以往聚焦于通用轮胎热解的综述，本研究明确区分矿用轮胎与乘用车轮胎，并强调硫化学、催化剂失活、提质构型及工艺整合挑战，为未来研究提供框架，支持循环经济背景下的可持续矿用轮胎资源化利用。
1.6. 与现有综述的区别及科学新颖性
现有综述多关注通用废轮胎热解系统，未专门针对矿用及重型轮胎原料的独特挑战。矿用轮胎在尺寸、橡胶厚度、钢丝含量、硫浓度、成灰添加剂及热行为上的根本差异，直接影响反应器性能、硫转化机理、催化剂失活路径及提质要求。本综述将这些方面整合到一个以矿用轮胎资源化利用为中心的统一框架中，特别强调硫化学、催化剂中毒机理、结焦、催化剂再生、工艺整合及工业可扩展性。
2. 综述方法
依据PRISMA 2020指南，对Scopus、Web of Science等五个数据库进行了系统性检索，时间跨度为2000至2026年。共识别2487条记录，经去重、筛选后，最终纳入312篇同行评审出版物进行详细分析。研究被分为两类：A类（矿用、超重型、OTR轮胎研究）和B类（常规乘用车、卡车及混合废轮胎研究），并明确指出由矿用轮胎研究直接支持的结论。
3. 矿用轮胎热解的催化提质策略
3.1. 原位催化热解
原位催化热解涉及催化剂与固体轮胎原料在热解反应器内的直接物理接触。对于矿用及OTR轮胎，该方法面临严重局限：高硫负荷导致金属基和酸性沸石催化剂快速活性位点中毒；强酸性促进过度结焦；钢丝、ZnO及矿物质的存在加剧催化剂降解。现有研究多为短时批次实验，侧重于初始产率提升，而非催化剂寿命或规模化性能。因此，原位催化对于矿用轮胎而言，在工业上受到制约。
3.2. 非原位蒸汽提质
非原位蒸汽提质将热分解与催化转化分离，催化剂置于下游独立反应器中。其主要优势包括：气相选择性使催化剂免受固体杂质侵害；便于硫管理；催化剂隔离与可再生性强；可实现热解与提质条件的独立优化。尽管仍存在结焦问题，但非原位提质目前代表了矿用轮胎热解最具可行性的催化路径。
4. 矿用轮胎热解中的反应器集成挑战
4.1. 传热限制
矿用轮胎尺寸大、含钢量高、橡胶层厚，造成显著的传热阻力，导致温度梯度、不均匀分解及不完全脱挥发分。需要采用回转窑、螺旋反应器、流化床或加热惰性介质反应器等先进设计来改善传热。
4.2. 停留时间与产品质量
蒸气停留时间显著影响二次反应路径。过长会加剧二次裂解、芳构化及硫浓缩，降低油收率并增加多环芳烃（PAHs）含量；过短则限制催化提质效果。需在停留时间与催化活性间取得平衡。
5. 催化剂类别与性能局限
5.1. 沸石催化剂
HZSM-5等沸石催化剂具有微孔结构和高B酸位点，能有效促进裂解和芳构化，生成苯、甲苯、乙苯、二甲苯（BTEX）。但其微孔结构易因结焦而失活，尤其在处理矿用轮胎产生的重质芳香蒸气时更为严重。
5.2. 金属负载催化剂
镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）等金属催化剂可促进加氢转移反应，抑制结焦并改善液体燃料品质。然而，硫中毒是其首要挑战，硫化物会强烈吸附于金属活性位点，导致不可逆失活。
5.3. 捕硫型与碳基催化剂
碱性金属氧化物（如CaO、MgO、ZnO）可作为硫吸附剂，形成稳定金属硫化物，减轻催化剂中毒。碳基催化剂（如活性炭、生物炭）具有良好的热稳定性和抗硫失活能力。但这些材料催化活性通常较低。未来发展聚焦于结合强催化活性与耐硫性的杂化催化剂。
6. 硫化学与脱硫挑战
6.1. 传统加氢脱硫（HDS）的局限性
轮胎热解油成分复杂，富含芳香烃、PAHs及难脱除的噻吩类硫化物，且硫浓度高，导致HDS过程需要更苛刻的条件，氢耗大，催化剂失活快，经济性差。
6.2. 硫化硫的独特性
矿用轮胎中的硫源于硫化过程，以交联键形式存在于聚合物网络中。热解时，这些硫桥断裂，生成H2S、硫醇、噻吩等多种含硫物种，其中芳香族硫化物结构稳定，难以催化脱除，且易导致催化剂中毒和结焦。
6.3. 硫管理的研究空白
现有研究多侧重产油率和反应器性能，对硫转化路径和集成脱硫策略关注不足。未来需优先开发耐硫催化剂、原位捕硫技术、催化剂再生策略以及集成式提质系统。
6.4. 为什么传统HDS逻辑对轮胎衍生油无效
轮胎油高度芳香、缺氢、富硫，其低H/C比和高PAHs浓度会竞争消耗氢气，同时高硫浓度超过催化剂最佳硫化态，导致催化剂快速失活。金属和灰分杂质进一步毒化催化剂。
6.5. 为什么硫化硫从根本上不同于炼厂硫
石油中的硫来自生物前体，分散于烃基质中；而轮胎中的硫是在硫化过程中人为引入的，形成交联网络。热解时，这种结构性硫经历断键、自由基重组等过程，生成难氢解的难熔性含硫PAHs。
6.6. 适用于矿用轮胎原料的反应器适用性比较评估
回转窑被认为最适合矿用轮胎热解，因其能处理大颗粒、耐受钢丝且具备工业可扩展性。流化床受限于原料预处理要求。螺旋反应器虽控制性好，但设备磨损严重。加热惰性介质反应器传热均匀，但操作复杂。
7. 矿用轮胎催化热解的未来研究框架
7.1. 耐硫催化剂开发
需开发具有介孔结构的等级沸石、双功能催化剂、核壳结构催化剂以及碳基催化剂，以兼顾耐硫性、抗结焦性与催化活性。
7.2. 长周期催化剂稳定性研究
应开展超过50至100小时的连续运行实验，评估催化剂耐久性，并系统研究氧化、溶剂洗涤等再生策略对催化剂结构和性能的影响。
7.3. 集成式反应器-催化剂设计
需综合考虑蒸气停留时间、传热特性、催化剂布置与硫管理策略，实现反应器与催化剂的协同优化。
7.4. 中试规模验证
迫切需要采用真实矿用轮胎原料的连续式中试装置，以验证催化剂稳定性、硫管理、传热行为及产品品质，降低技术不确定性。
7.5. 技术经济与环境评估
应将技术经济分析（TEA）和生命周期评价（LCA）纳入研究，评估资本成本、运营费用、能源消耗及温室气体排放，确保工艺的经济竞争力和环境可持续性。
7.6. 循环经济整合
应从单一燃料生产转向全组分资源回收，包括热解油（燃料/化工原料）、回收炭黑（rCB）、钢丝及硫产品，构建综合性的循环经济平台。
8. 结论
矿用轮胎热解商业化的主要障碍不再是热转化可行性，而是产品品质差、硫诱导的催化剂失活及热解-提质系统集成不足。催化提质是实现其资源化利用的必要条件。未来需发展耐硫催化剂体系、长周期测试协议、先进再生策略及专用于矿用轮胎的集成式热解-提质框架，将废物转化为有价值的燃料、化学品和碳材料。
