由于塑料成本低廉、应用范围广泛且化学成分多样，它们已成为现代社会不可或缺的一部分，这导致了塑料产量的迅速增长[1,2]。1950年全球年塑料产量约为200万吨，到2019年增加到3.68亿吨，并预计到2050年将超过12亿吨[3,4]。COVID-19的传播导致一次性物品的使用大幅增加，从而引发了全球对塑料废物管理的关注[5]。然而，只有少量产生的塑料废物被回收，大部分被送往垃圾填埋场。在美国，2021年产生的4000万吨塑料废物中，至少有85%被送往垃圾填埋场[6]。由于塑料的耐久性很强，其降解过程缓慢，塑料废物在垃圾填埋场的不断堆积造成了严重的环境问题[7],[8],[9]。
塑料的生产蕴含的能量为每千克62-108 MJ，包括原材料的能量，这远高于纸张、木材、玻璃和金属（铝除外）[10]。大多数塑料（如HDPE、LDPE、PP、PET）每千克还含有18-44 MJ的能量，这高于大多数煤炭的热值[11]。这种高能量含量使得塑料废物成为潜在的能量来源，已有许多研究探讨了利用塑料废物作为能源的可行性。已有研究关注基于城市塑料废物（MPW）气化生产氢气和甲醇的经济和环境可行性[12]。此外，还有研究通过整合蒸汽气化和蒸汽甲烷重整的额外能量，利用塑料废物作为原料生产高附加值物质（如氢气、甲醇、乙醇等）的经济可行性[13,14]。还有一项研究通过太阳能辅助的塑料（PET）吸附增强气化过程，对生产氢气和苯的经济和热力学可行性进行了分析[15]。除了单一原料系统外，还有多项研究探讨了不同比例混合废弃塑料和生物质共气化的性能，以分析其对碳转化效率和合成气组成的协同效应[16,17]。
目前，由于成本较低和技术成熟度较高，大部分氢气是通过蒸汽甲烷重整（SMR）生产的。然而，SMR也伴随着大量的温室气体（GHG）排放，这引发了对其环境可持续性的担忧[18]。为了解决这些挑战，人们正在积极探索碳足迹更低的替代氢气生产技术。其中，化学循环技术作为一个有前景的候选方案出现，它在生产氢气的过程中能够实现二氧化碳（CO?）的分离，从而无需能耗较高的下游捕集过程即可生产出低排放、高纯度的氢气[19,20]。
化学循环通常可以分为直接化学循环和合成气化学循环两种类型，在后者中，通过气化产生的合成气被引入化学循环系统[21]。化学循环技术基于两个步骤：还原和氧化。在还原步骤中，氧气载体发生部分或完全还原，根据工艺配置的不同，可以实现二氧化碳的分离并产生氢气或合成气[22,23]。这种内在的二氧化碳分离机制消除了对传统下游二氧化碳捕集单元的需求，使化学循环区别于需要二氧化碳捕集系统的传统氢气生产路径（如SMR或气化过程）。在随后的氧化步骤中，还原后的氧气载体通过与空气或蒸汽反应再生，然后循环回还原反应器。利用这种氧化还原机制，目前正在进行多种基于化学循环的工艺研究，旨在实现低碳燃料生产、二氧化碳捕集和工艺强化。
已经使用多种原料对化学循环系统进行了广泛研究。Khan等人报告称，使用天然气的三反应器化学循环系统的成本低于传统的SMR工艺[24]。Chisalita等人报告称，使用煤炭作为原料的三反应器化学循环工艺在环境性能上优于传统SMR工艺[25]。也有研究报道了使用煤炭作为原料的三反应器化学循环系统的经济和环境效益[26,27]。此外，还有研究表明，使用焦炉煤气作为原料通过化学循环生产甲醇和氨气，其热力学效率高于部分氧化重整等传统技术[28]。
最近的研究集中在利用废弃塑料作为原料的化学循环工艺上，以支持可持续生产。直接化学循环生物质产生的氢气已被研究作为甲醇和氨气合成的原料，重点关注工艺性能、经济可行性和熵效率[21,29]。利用等离子气化食品废物产生的合成气的化学循环也被研究作为比传统等离子气化生产氢气更环保和更高效的替代方案[30]。还有研究比较了使用直接化学循环废弃塑料生产甲醇和氨气的经济可行性与基于传统化石燃料的工艺[31]。然而，关于使用废弃塑料通过化学循环生产氢气的研究仍然有限。据作者所知，尚未有将化学循环氢气生产过程与废弃塑料气化产生的合成气结合的研究，相关的经济、环境和热力学影响也尚未明确。由于所提出的系统可以将废弃塑料转化为氢气，它不仅为缓解塑料填埋问题提供了有前景的途径，还有助于满足未来的能源需求。
为了解决这一空白，本研究设计并评估了两种工艺配置：一种是在废弃塑料气化后集成化学循环氢气生产，另一种是不包含化学循环步骤的工艺。工艺模拟和优化使用了Aspen Plus（V14）和MATLAB（R2024a）软件进行。为了评估包含和不包含化学循环的工艺性能，进行了局部敏感性分析（LSA）和全局敏感性分析（GSA），以确定关键工艺参数的影响。基于LSA和GSA的结果，使用经济、环境和熵相关标准进行了多目标优化。然后利用优化结果比较了两种工艺路线的性能。最后，使用不同类型的废弃塑料（HDPE、LDPE、PP和PET）作为原料进行了一系列额外的评估，以评估所提出系统的稳健性和适用性。
