《Energy Conversion and Management》：Electrification of gasification-based chemical recycling – A techno-economic assessment
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基于气化的化学回收可作为关键技术之一，用于闭合不可回收塑料废物及其他难处理废物流的碳循环，以减少排放并为化学工业提供碳源。然而，气化过程链由于固有的CO2生成，导致产品中的碳回收率有限。可通过电气化来抵消这一影响，即通过将等离子体集成到气
基于气化的化学回收可作为关键技术之一，用于闭合不可回收塑料废物及其他难处理废物流的碳循环，以减少排放并为化学工业提供碳源。然而，气化过程链由于固有的CO2生成，导致产品中的碳回收率有限。可通过电气化来抵消这一影响，即通过将等离子体集成到气化中，或将电解氢集成到过程链中。针对代表性塑料废物分选残余物流，研究人员将这些电气化路径与非电气化气化进行比较，并基于热力学建模从技术经济角度进行评估。结果表明，电气化有潜力将主要产品的碳回收率提高30至47个百分点，氢气可实现几乎完全回收。经济上，等离子体气化更有利，净现值高出20%，而氢气路径的净现值降低50%，两者均与非电气化参考案例对比。此外，在所有电气化案例中，等离子体气化的平准化生产成本最低，约为635欧元/吨甲醇。电力成本被确定为关键影响参数。这些发现表明，将等离子体集成到废物气化过程链中是未来低排放废物管理的有前途路径。
**论文解读：基于气化的化学回收电气化技术经济评估**
**研究背景与问题**
现代社会的废物管理面临核心挑战，特别是塑料包装废物中48.35%通过焚烧处理（德国数据），导致大量温室气体排放。传统机械回收主要针对纯净物料，而混合、污染且成分不稳定的废物流难以处理。化学回收技术，尤其是气化，被视为处理此类废物的有前途路径，因其原料灵活且产品多样，可生产合成气用于甲醇等化学品。然而，气化过程链存在固有碳损失：气化过程中CO
2生成，且下游水煤气变换（WGS）反应会额外产生CO
2，导致仅30-50%的原料碳保留到甲醇产品中。因此，需要创新方法减少排放并提高资源效率。电气化——通过等离子体直接集成或通过电解氢间接集成——被提议作为替代化石燃料燃烧加热的减碳策略。但直接与间接电气化路径的全面定量比较尚缺，本研究旨在填补这一空白，评估不同电气化路径在碳减排和甲醇生产成本方面的表现。研究发表在《Energy Conversion and Management》。
**关键技术方法**
研究人员使用Aspen Plus软件进行热力学建模，生成五种过程链的热量和物料平衡。关键方法包括：①固定床气化器建模，采用绝热平衡方法，出口温度1500°C，通过氧气或等离子体控制热输入；②合成气处理链，包括淬火洗涤、两段式变换单元、Rectisol法酸性气体脱除（除去CO
2和硫）及甲醇合成（Lurgi型反应器）；③效率参数：等离子体系统效率90%，碱性电解效率70%（基于高位热值）；④经济评估基于Bare Erect Cost（BEC）容量缩放，结合Monte Carlo模拟和敏感性分析，考虑德国框架条件（如电力成本100�/MWh、CO
2价格100�/t、废物处理费-100�/t、甲醇市场价795�/t含50%再生溢价）。
**研究结果**
**3.1 技术评估**
- **碳回收率（CRR）**：非电气化（no-EL）案例为52%，等离子体（PLAS）和氢气（H2）案例升至82%，而等离子体+氢气（PL+H2）和最大氢气（H2max）案例达到约99%（近乎完全回收）。
- **产品能量产率（PEY）**：PLAS案例在所有电气化案例中最高，H2和H2max案例低于no-EL案例，表明电解效率较低导致整体能量效率下降。
- **能量回收需求（ERD）**：电解路径每避免（或利用）1 kg CO
2的能量需求高于等离子体路径，反映其效率劣势。
**3.2 经济评估**
- **资本支出（CAPEX）**：PLAS案例与no-EL案例CAPEX相近，因等离子体取代氧气气化，省去了空分装置；电解案例CAPEX显著增加，电解系统投资占H2max案例约一半。
- **运营支出（OPEX）**：甲醇销售收入随碳回收率增加而增加，但电力成本随电气化程度升高而上升，PLAS和PL+H2案例净收益最高，H2和H2max案例净收益低于no-EL。
- **净现值（NPV）**：所有案例NPV为正，PLAS案例NPV最高（优于no-EL），H2和H2max案例NPV显著较低。
- **平准化生产成本（LCOP）**：no-EL最低（515�/t），PLAS为635�/t，PL+H2为776�/t，H2和H2max案例更高。
- **平准化废物处理成本（LCWT）**：除H2max外均为负值，表明运营商可支付原料费用，其中PLAS案例每吨废物收入最高。
- **平准化碳减排成本（LCCA）**：PLAS案例为-123�/t（盈利增加），H2和H2max案例约315-342�/t，PL+H2案例为41�/t。
**3.3 敏感性与Monte Carlo分析**
- **敏感性分析**：电力成本（CoE）对所有电气化案例影响最大，CO
2价格对no-EL案例影响最大。等离子体/电解效率影响较小。在低CoE（50�/MWh）下，所有电气化案例LCOP低于795�/t阈值。
- **Monte Carlo模拟**：PLAS案例在基线和低CoE场景下具有最高概率（93%和100%）实现低于795�/t的LCOP；H2max案例不确定性最大（标准差±307�/t）。高CoE场景下所有电气化案例概率低于4%。
**讨论与结论**
研究结论指出：电气化是减少废物气化CO
2排放的有效途径，等离子体集成（PLAS）在NPV上优于非电气化案例，且LCOP在电气化案例中最低（635�/t）。电解路径因高投资和电力成本经济性较差。关键影响因素是电力价格，需低至62�/MWh（PLAS）至23�/MWh（H2max）才能实现与no-EL相竞争。政策应关注残余废物流的材料化利用，而非当前的能量回收。技术发展需提高等离子体系统的可扩展性、可用性、效率和电极寿命，以及电解系统的规模化和成本降低。未来研究应关注验证建模、具体案例研究和环境维度评估。
