《Energy Conversion and Management-X》：Process simulation and energy optimization of an integrated plastic waste pyrolysis power plant: A techno-economic study
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为了应对日益严重的塑料污染和能源短缺问题，本研究利用 Aspen Plus 软件，对一座处理能力为 10 吨/小时的混合塑料废弃物热解工厂进行了技术、环境与经济评估。研究设计了两种电力生产方案，并对系统能耗进行了优化。结果表明，方案一（仅利用热解气）可产生 7 MW 净电力，方案二（同时利用热解气与热解油）可产生 39.4 MW 净电力。经济分析显示两种方案均具有较高的盈利能力（投资回收期约2年）。该研究为伊拉克地区塑料废弃物的能源化利用提供了系统的技术经济评估框架，证明了集成化热解发电在解决废弃物管理与电力短缺问题方面的巨大潜力。
塑料污染已成为当今最紧迫的环境问题之一，全球每年产生超过4亿吨塑料垃圾，其中大部分在单次使用后便被丢弃。伊拉克的情况尤为严峻，据估计该国约有63%的塑料废弃物管理不当。与此同时，伊拉克长期面临电力供应短缺的困境，特别是在夏季用电高峰，甚至需要从邻国进口天然气和电力以满足需求。这种双重挑战——日益增长的塑料废弃物和持续的能源赤字——催生了对创新解决方案的迫切需求。将塑料废弃物转化为能源（Waste-to-Energy, WtE）被视为一种有前景的策略，它不仅能缓解垃圾围城的压力，还能创造可再生的替代燃料。其中，热解技术（Pyrolysis）因其能够将长链塑料聚合物裂解为更有价值的油气产品，而备受关注。然而，尽管实验室研究已证明了塑料热解在技术上的可行性，但其在大规模商业化应用方面仍面临挑战，特别是高昂的能源需求和复杂的经济可行性问题。为了填补这一空白，来自伊拉克石油部石油研究与发展中心的研究人员Rusul M. Khazaal、Dhuha A. Abdulaaima和Mohammed A. Shahatha开展了一项研究，旨在通过建立一个集成的、从废塑料到电力的全流程系统模型，评估其在特定区域（伊拉克）大规模应用的可行性。他们的研究成果发表在《Energy Conversion and Management-X》上。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：1. 过程模拟：利用 Aspen Plus V11? 过程模拟软件，构建了一个处理能力为10吨/小时的混合塑料（LDPE、HDPE、PP、PS）热解及发电集成工厂的模型。建模基于团队前期的实验室研究数据，包括原料组成、产品收率和性质等。2. 能量集成与优化：提出了两种电力生产情景。情景一（Scenario 1）仅利用热解产生的气体（Pyro-gas）驱动燃气-蒸汽联合循环发电，并利用热回收蒸汽发生器（HRSG）回收余热，同时对外销售热解油和焦炭。情景二（Scenario 2）则同时利用热解气和热解油进行发电，模拟了额外的燃油锅炉发电设施。研究还通过优化换热网络，利用工艺过程中的余热来预热冷却水，以提高整体能源效率。3. 技术经济分析：运用 Aspen Plus 经济分析器（APEA），结合伊拉克当地的电力价格、水价和塑料废弃物价格等市场数据，对两个情景的资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、投资回收期、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）等关键经济指标进行了详细评估。4. 环境效益评估：量化了两种发电情景下的二氧化碳排放量，并将其与传统的化石燃料发电以及塑料焚烧、填埋等处理方式进行了对比分析。
3.1. 过程性能
模拟结果表明，在470°C、5 bar的条件下，处理10吨/小时的混合塑料废弃物，每小时可产生10.52 m3热解油、3804.2 m3热解气和196 kg焦炭。热解油的产率最高，为75.8%（质量分数）。通过一个包含六级换热器和闪蒸罐的复杂冷却/冷凝系统，实现了烃类蒸汽的高效分离，其中大部分热量通过工艺内循环的冷却水进行回收，最终级冷却器（HX6）设定为1°C以实现油气的最大程度回收。
3.2. 能量优化
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情景一：利用热解气（高位热值HHV为53.97 MJ/kg）驱动联合循环发电。燃气轮机产生13.349 MW的轴功率，热效率约为25%。通过集成HRSG回收燃气轮机排气（727.6°C）的余热产生过热蒸汽，驱动蒸汽轮机额外产生4.7 MW电力，使系统总热效率提升至36%。此外，还利用热解蒸汽冷却过程中产生的余热驱动小型蒸汽轮机，产生额外506 kW电力。扣除热解反应器消耗的6.188 MW、公用工程消耗的5.158 MW及5%的功率损失后，该情景的净电力输出为7 MW。
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情景二：同时利用热解气和热解油发电。热解油（HHV为42.93 MJ/kg）在锅炉中燃烧产生热量，驱动蒸汽轮机产生32.9 MW的净电力，热效率为38.9%。结合情景一的燃气发电部分，该情景的总净电力输出达到39.4 MW。研究指出，热解油的功率密度（3.7 kWh/L）高于传统重质燃料油（3.4 kWh/L）。
3.3. 模型验证
将模拟结果与实验室数据进行比较，验证了模型的可靠性。关键参数如油品收率、热值、粘度、比重等的相对误差大多在0-3.8%之间。虽然气体收率的模拟值（20.016%）与实验值（22.24%）存在约11%的差异，但仍在工程可接受的放大误差范围内。能量和质量衡算分析也证实了模型满足热力学定律。
3.4. 环境方面
研究量化了两种情景的碳足迹。情景一的二氧化碳排放量为5.991吨/小时，碳足迹为0.3 kg CO2/kWh。情景二的排放量显著增加至30吨/小时，碳足迹为0.47 kg CO2/kWh，这主要是由于燃烧热解油所致。尽管如此，两者的碳足迹仍低于天然气发电（0.4–0.5 kg CO2/kWh）和重质燃料油发电（0.8–1 kg CO2/kWh）。与塑料焚烧（排放二噁英、氮氧化物等）和填埋（缓慢降解并释放甲烷）等传统处理方式相比，热解发电在减少环境污染和温室气体排放方面具有明显优势。该项目每年可处理约8.76万吨塑料垃圾，避免其进入填埋场。
3.5. 设备成本汇总
经济分析显示，情景一的总资本投资约为2216万美元，情景二约为3208万美元。设备成本中，发电相关设备（如燃气轮机、蒸汽轮机、压缩机、锅炉等）占主导，分别占总资本支出的79%和81%。
3.6. 产品定价
产品定价基于成本加成和市场竞争原则。电力价格参考了伊拉克的工业用电（0.041美元/kWh）和民用电（0.08美元/kWh）价格。热解油定价为0.21美元/升，比当地重质燃料油价格低约22%，以保持市场竞争力。敏感性分析表明，此定价能使情景一在约2年内收回投资。
3.7. 现金流分析
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运营成本：情景一的年运营成本为676万美元，情景二为860万美元。原材料（塑料废弃物）成本是运营成本的最大组成部分。敏感性分析显示，若政府支持免除原料费用，运营成本可大幅降低。
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销售收入与盈利：在采用民用电价（GS）的情况下，情景一和情景二的年销售收入分别可达2680万美元和2940万美元。两个情景的投资回收期均约为2年。
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盈利能力指标：所有情景的内部收益率（IRR）在26%至85%之间，均高于预设的20%的目标收益率。净现值（NPV）分析显示，情景一（民用电价）和情景二（民用电价）的NPV分别约为9200万美元和8800万美元，盈利能力指数（PI）均大于1，表明项目在经济上具有吸引力。值得注意的是，情景二在采用工业电价时表现较差，投资回收期长达约10年。
结论与讨论
本研究成功构建并评估了一个集成的塑料废弃物热解发电厂模型，为大规模塑料废料能源化利用提供了全面的技术经济分析框架。研究证实，通过热解技术将混合塑料废弃物转化为电力在技术上完全可行，并且具有显著的经济和环境效益。
在技术层面，研究提出了两种高效的能源回收方案。仅利用热解气发电的方案（情景一）可产生7 MW净电力，而综合利用热解气和热解油的方案（情景二）则将净电力输出大幅提升至39.4 MW，展示了塑料衍生燃料的高能量密度潜力。能量集成优化，特别是HRSG和工艺内余热回收的应用，有效提升了系统的整体能源效率。
在经济层面，研究紧密结合伊拉克本地市场条件（电价、水价、原料价格），进行了细致的现金流和盈利能力分析。结果表明，在合理的原料成本和产品定价下，特别是参考民用电力价格时，两个投资方案均能在约2年内回收资本，并实现较高的内部收益率和净现值，显示出强大的财务吸引力。这为投资者和决策者提供了清晰的财务预测。
在环境层面，尽管热解发电仍会产生二氧化碳排放，但其碳足迹低于传统的天然气和重质燃料油发电。更重要的是，该技术提供了一种替代塑料焚烧和填埋的解决方案，能够显著减少有害污染物排放，避免塑料在环境中长期累积，同时将废弃物转化为急需的电力资源，实现了“变废为宝”和“一举两得”。
总之，这项研究不仅为伊拉克，也为面临类似塑料污染和能源短缺问题的地区，提供了一条切实可行的塑料废弃物管理及能源化路径。它表明，通过精心的过程设计、能量优化和符合本地实际的经济规划，集成化塑料热解发电可以成为一个兼具环境可持续性和经济盈利性的有前途的技术选择。未来的工作可以进一步探索催化剂的使用以改善产品品质，或与其他可再生能源技术结合，以进一步降低环境足迹。
