《Carbon Capture Science & Technology》：Hydrogen and CCHP Generation from Waste via Combined Plasma Gasification and Anaerobic Digestion with CCS: A Techno-Economic and Life Cycle Assessment
编辑推荐：
为解决城市固废（MSW）处置压力与低碳氢能需求的双重挑战，研究人员创新性地提出了一种将等离子体气化（PG）、厌氧消化（AD）与碳捕集与封存（CCS）及冷热电联供（CCHP）深度集成的废塑料与餐厨垃圾协同处理新路径。该研究通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）评估了其性能，结果显示系统在实现0.27–0.70 kg/s氢气产率的同时，平准化制氢成本（LCOH）为3.52-13.37 USD/kg，全球变暖潜值（GWP）范围在-0.159至0.094 kgCO2-eq/kg (废物处理)之间，证实了该集成技术在处理城市废物、生产低碳氢能及实现碳减排方面的技术可行性与环境前景。
全球正面临两大紧迫挑战：一是实现《巴黎协定》温控目标所需的能源领域深度脱碳，二是伴随城市化进程不断增长的城市固体废物（Municipal Solid Waste, MSW）带来的巨大环境压力。传统的废物处理方式如填埋和露天倾倒，不仅占用土地，还会产生甲烷等强效温室气体。与此同时，氢能作为一种清洁的能源载体，被视为能源转型的关键。然而，当前主流的制氢路径，如基于化石能源的工艺或可再生能源电解，在碳排放或成本可扩展性方面仍存在挑战。将目光投向废物，尤其是塑料和餐厨垃圾这两类在MSW中占比较高的组分，或许能为这场变革提供“一石二鸟”的解决方案：既能处理令人头疼的废物，又能生产出有价值的低碳氢能。
尽管已有研究探索利用废物制氢，但多数工作局限于单一废物类型或单一产品（仅产氢）。这忽略了一个重要事实：城市废物本身成分复杂，且单一产氢模式可能无法最大化系统的整体能效和经济性。有没有可能设计一种更“聪明”的系统，能够同时、高效地处理塑料和餐厨垃圾，并在产氢之外，回收其余热用于制冷、供暖和发电，从而大幅提升整体能源利用效率？更进一步，考虑到废塑料中的碳本质来源于化石燃料，如果在处理过程中不加控制，最终仍会以二氧化碳（CO2）形式排放，那么集成碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术就变得至关重要。然而，CCS的集成位置（燃烧前或燃烧后）如何影响整个系统的性能、成本和碳排放，仍需在统一的框架下进行公平比较。
为了回答这些问题，一个来自英国谢菲尔德大学（The University of Sheffield）的研究团队在《Carbon Capture Science & Technology》上发表了一项开创性研究。他们提出并全面评估了一种全新的、高度集成的MSW制氢与冷热电联供（Combined Cooling, Heating and Power, CCHP）系统，该系统创新性地耦合了等离子体气化、厌氧消化、变压吸附提氢、CCS、燃气-蒸汽联合循环以及吸收式制冷机。研究的目标是验证这种“多合一”系统在处理典型城市废物、生产低碳氢能并实现碳中和甚至负碳排方面的技术可行性、经济竞争力和环境效益。
为了开展这项复杂系统的研究，作者团队主要运用了以下几种关键技术方法：首先，他们基于印度尼西亚Benowo填埋场的实际废物数据，设定了塑料废物（5 kg/s）和餐厨垃圾（13.97 kg/s）的进料速率，并利用流程模拟软件Aspen Plus对整个集成工艺进行了详细的建模与模拟，这是评估系统质量与能量平衡的基础。其次，他们设定了两个核心情景（Scenario）：情景1集成燃烧前CCS（在氢气提纯前捕集CO2），情景2集成燃烧后CCS（在发电余热利用后捕集CO2）；并在每个情景下设计了三个案例（Case），以比较不同的上游废物处理策略：Case 1中塑料通过等离子体气化处理，餐厨垃圾通过厌氧消化处理，产生的合成气和沼气混合后进入下游制氢；Case 2将两种废物混合后直接进行等离子体气化；Case 3在Case 1的基础上，在沼气与合成气混合前，先对其进行蒸汽甲烷重整以增加氢气产量。基于模拟结果，研究团队进一步进行了技术经济分析和生命周期评估。技术经济分析通过计算平准化制氢成本来评估经济性，而生命周期评估则用于量化系统从“摇篮到坟墓”的全球变暖潜值等环境影响。
研究结果
1. 技术性能分析
研究显示，在所有案例和情景下，系统可产出0.27至0.70 kg/s的氢气。系统的整体能源效率和?效率分别在23%–43%和17%–36%之间。具体来看，采用燃烧前CCS的情景1通常比采用燃烧后CCS的情景2具有更高的能源效率，这是因为燃烧前捕集在更高CO2浓度下进行，能耗相对较低。在不同处理案例中，Case 3（增加了沼气蒸汽重整步骤）通常能获得最高的氢气产率，因为它提前将沼气中的甲烷转化为氢气和CO2。而Case 2（废物混合气化）由于需要额外能量干燥高含水率的餐厨垃圾，其效率通常最低。
2. 经济性分析
平准化制氢成本的范围为3.52至13.37 USD/kg。其中，采用燃烧前CCS的情景1，其LCOH普遍低于采用燃烧后CCS的情景2，这主要是因为燃烧后捕集由于烟气中CO2浓度低，捕集能耗和成本更高。在废物处理策略上，Case 1（分离处理）通常比Case 2（混合处理）更具经济性。研究还指出，系统通过出售副产品（如冷、热、炉渣）以及获取垃圾处理费和碳信用额，可以显著抵消部分成本，使制氢成本更具竞争力。
3. 环境影响分析
生命周期评估得出的全球变暖潜值结果非常引人注目，其范围在-0.159至0.094 kgCO2-eq/kg (废物处理) 之间。负值意味着该系统实现了净的碳移除，即处理废物的过程不仅没有向大气净增加CO2，反而通过捕集和封存，从生命周期角度看消除了部分碳排放。这主要归功于CCS对化石碳（来自塑料）的封存，以及系统对生物质碳（来自餐厨垃圾）的有效管理。同样，燃烧前CCS配置（情景1）的环境表现通常优于燃烧后CCS（情景2）。
结论与讨论
本研究成功地提出并评估了一种将等离子体气化、厌氧消化、CCS与CCHP深度耦合的城市固废制氢创新系统。研究结论表明：
- 1.
技术可行性与效率：该系统能够高效协同处理塑料和餐厨垃圾，生产出高纯度氢气，并实现冷、热、电的联产，整体能源效率可达较高水平。其中，对废物进行分离处理（塑料气化、餐厨垃圾厌氧消化）比混合处理更具能效优势。
- 2.
经济性潜力：在考虑副产品收益、垃圾处理费和碳信用的情况下，该技术路线的平准化制氢成本可进入具有潜在竞争力的区间。燃烧前CCS配置因其更低的捕集能耗，在经济性上通常优于燃烧后CCS。
- 3.
卓越的环境效益：该系统的核心环境价值在于其能够实现“负碳”处理废物。通过捕集和封存废物中的化石碳，整个系统在生命周期内可以呈现净的CO2移除效果，这对于应对气候变化具有重要意义。
这项研究的重要意义在于，它首次在同一个框架内系统地评估了废物协同处理、多联产能源回收与不同CCS策略的集成效果，为解决城市废物管理和低碳能源供应的双重挑战提供了一个具有前瞻性和可扩展性的技术蓝图。研究表明，通过巧妙的工艺集成，我们不仅可以“变废为宝”生产清洁氢能，还能将废物处理设施转变为潜在的“碳汇”，为发展中国家乃至全球的可持续氢能部署和循环经济发展提供了强有力的技术选项。
