废塑料制氢：集成热解–重整模拟及面向循环经济的工艺技术与经济(Techno-Economic)分析

《Hydrogen》：Hydrogen from Waste Plastics: Integrated Pyrolysis–Reforming Simulation and Techno-Economic Insights for a Circular Economy Sharif H. Zein, Yvette Kusi Agyemang, Usama Ahmed, Amal Al Saadi, Aditya Putranto and Aishah A. Jalil

　　

塑料废物因其长期滞留于自然环境且缺乏完善的回收设施而成为重大环境问题。将废弃物转化为氢气可同时减少污染并为低碳可持续系统提供清洁能源。本研究采用Aspen HYSYS v14建立了废塑料制氢的集成工艺模型，系统包含热解(pyrolysis)、蒸汽重整(steam reforming)及水–气变换(water–gas shift, WGS)反应，并通过聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)和聚苯乙烯(polystyrene, PS)的伪组分(pseudo?components)模拟分解过程。经优化后，合成气中氢摩尔分数由0.664升至0.733，稳态运行时每小时产氢约651 kg，同时副产可资源化利用的焦炭(char)与热解油(pyrolysis oil)。通过热集成(heat integration)使公用工程能耗降低8%，证明内部能量回收对可持续设计至关重要。工艺技术与经济(techno?economic)分析表明项目内部收益率(internal rate of return, IRR)达39%、投资回收期(payback period)为5.95年，具备财务稳定性。研究表明现代过程模拟技术可支撑兼顾减塑与低碳制氢的清洁工艺系统设计。

论文解读：废塑料集成热解–蒸汽重整–水煤气变换制氢的过程模拟与工艺技术与经济(Techno-Economic)分析

一、研究背景与意义

全球塑料年产量已超过4.6亿吨，约79%的废弃塑料进入填埋场或海洋，造成微塑料污染与生态危害。传统机械回收受限于混合污染及品质劣化，难以处理城市混合废塑料。与此同时，低碳氢需求上升，但主流的天然气蒸汽甲烷重整(steam methane reforming, SMR)伴随高CO?排放。以混合废塑料为原料通过热化学转化制取氢气，既可消纳难回收塑料又能生产低?碳氢，符合循环经济(circular economy)理念。已有研究分别探讨过热解、催化重整或单独进行经济性评估，但缺乏将上游热解、下游蒸汽重整(steam reforming)–水煤气变换(water–gas shift, WGS)–变压吸附(pressure swing adsorption, PSA)纯化、热集成及工艺技术与经济(techno?economic analysis, TEA)纳入同一框架的综合模拟研究。Zein等人因此采用Aspen HYSYS建立混合PE/PP/PS废塑料制氢的全流程稳态模型，开展参数优化、热集成设计与初步经济性评价，该文发表于《Hydrogen》。

二、主要关键技术方法

研究人员以典型混合市政废塑料（PE 60 wt%、PP 30 wt%、PS 10 wt%）为虚拟进料，用乙烯、丙烯和苯乙烯单体属性构建伪组分(pseudo?components)代入Aspen HYSYS v14，选用Peng–Robinson状态方程。热解反应器按全局转化率（90%分解，10%生成焦炭char）简化建模，后续串联蒸汽重整器与水煤气变换反应器（~700 ℃，1 atm），PSA按组分分割器模拟99%纯度H?回收。优化对象为分离器温度（25–50 ℃），热集成回收WGS出口显热预热塑料进料。模型参照Osman等人中试数据验证气体/液体产率（偏差±8%）。基于因子法估算固定投资（CEPCI=798.0，2024年基准），按20年寿命与10%折现率计算净现值(net present value, NPV)、内部收益率(internal rate of return, IRR)及投资回收期(payback period)，氢价取2.94 USD/kg，废塑料成本0.15 USD/kg。

三、研究结果

3.1 产物收率(Product Yields)

对2000 kg·h?1混合塑料进料，模拟得到纯化氢气651.2 kg·h?1（折合年产约5703 t，99%纯度），焦炭438.9 kg·h?1，热解油9.2 kg·h?1。低油产率说明操作条件促使产物向气态偏移，氢气收率为0.326 kg H?/kg塑料，与文献报道的集成系统相当。焦炭与热解油可作吸附剂或低级燃料以提升系统循环经济价值。

3.2 工艺优化(Process Optimization)

固定热解温度333.7 ℃，敏感性分析显示分离器温度由50 ℃降至25 ℃时，气相氢摩尔分数由0.664增至0.733，水蒸气含量由0.122降至0.031，原因是低温促进水和重烃冷凝从而富集氢气，但会增加制冷负荷，需在纯度与能耗间权衡。

3.3 能效与热集成(Energy Efficiency and Heat Integration)

利用WGS出口高温物流（≈700 ℃）预热冷塑料进料，外部公用工程热负荷由3.88×10? kJ·h?1降至3.57×10? kJ·h?1，节能约8%，证实内部热回收对降低运行成本的重要性。

3.4 经济可行性(Economic Feasibility)

固定资本投资(fixed capital investment, FCI)约356万美元，年总操作成本1136万美元。按当前氢价与废塑料成本计，年净利润392万美元，IRR为39%，投资回收期5.95年，20年NPV曲线于第6年转正。敏感性分析表明进料成本为核心驱动因素：±30%波动使IRR变为28%–50%。若将副产焦炭与热解油赋予市场价值可进一步改善经济性。

四、讨论与结论总结

研究人员指出，该集成热解–蒸汽重整–WGS–PSA流程及热集成设计在概念层面证明了混合废塑料制氢的技术可行性与初步经济吸引力。氢气收率与文献相符，优化分离器温度和热回收明显提升系统性能。经济评价属筛选级(screening?level)，未细化PSA回收损失及压缩功耗，后续需详细设计验证。主要不确定性来自废塑料收购价波动及真实焦炭/热解油市场赋值。研究未开展生命周期评价(life cycle assessment, LCA)，建议后续补充以量化减排效益。

结论翻译：本研究证明混合废塑料可通过热解联合重整及水煤气变换反应作为制氢原料。Aspen HYSYS模拟表明，合理优化反应器与分离器工况并实施热集成可提高氢气产量并降低外购能耗。在本研究基础假设下系统表现出正向经济效益，但敏感性分析显示进料成本是决定盈利性的关键。所产热解油与焦炭具备额外资源化潜力。结果证实了废塑料制氢的技术可行性与初步经济前景，可为循环经济及脱碳路径提供参考。未来工作应纳入LCA以评估与传统制氢及塑料处置方式相比的温室气体减排与环境表现。