通过二氧化碳辅助热解非织造聚合物废弃物生产氢气和甲醇：技术经济分析与生命周期评估

《Chemical Engineering Journal》：Hydrogen and methanol production via CO2-assisted pyrolysis of nonwoven polymer waste: Techno-economic analysis and life cycle assessment

　　李世荣 | 白在镐 | 齐梦 | 趙亨泰 | 李在元
韩国工业技术研究院低碳能源小组，韩国蔚山中区Jongga路55号，44413

**摘要**
随着室内PM2.5控制措施的普及，来自废旧HEPA过滤器的非织造聚合物废物（NPW）预计将增加，但其废弃后的管理仍主要依赖于焚烧，这会导致空气污染物的排放。我们评估了利用二氧化碳（CO2）辅助的热解方法，将NPW转化为合成气（syngas），同时实现CO2的回收利用。与氮气（N2）辅助的热解相比，CO2辅助的热解方法使CO的产量提高了6.5倍，由此设计了三种集成工艺方案：废物制氢（WtH）、多压力摆动吸附（PSA）系统的废物制甲醇（WtMMPSA）以及带有预重整器和单个PSA单元的废物制甲醇（WtMSPSA）。在所有方案中，热解产生的合成气都会经过处理转化为氢气或甲醇；WtH方案通过天然气蒸汽甲烷重整和PSA净化进一步生产氢气；WtMMPSA方案利用分段压缩和两个不同吸附压力的PSA单元来满足合成要求；WtMSPSA方案通过预重整减少CH4和C2H2，并在单个PSA单元中进行选择性CO2去除，这些设计均通过动态吸附模拟得到了验证。技术经济分析和生命周期评估在电网供电和可再生能源（风能、太阳能、水力发电）条件下进行，采用了平准化能源成本（LCOE）和全球变暖潜能（GWP）作为评估指标。敏感性分析表明，电力碳强度和减排信用对净排放量和经济效益有显著影响。在各种电力情景下，WtMSPSA方案实现了最低的LCOE（0.327–0.504美元/千瓦时），并且在使用可再生能源和减排信用的情况下，其GWP最低（?4.77至?5.33千克CO2当量），表明该方案在成本和气候效益方面具有竞争力。

**引言**
细颗粒物（PM2.5）是一种持续的空气污染物，对健康构成严重威胁，因此需要更加严格的空气质量管理[1]。2021年，世界卫生组织（WHO）更新了全球空气质量指南，建议年平均PM2.5浓度不超过5微克/立方米，强调了减少长期暴露的必要性[2]。由于PM2.5既可以直接排放，也可以由前体气体（如NO?、SO?、NH?、VOCs）在大气中二次生成，因此持续的减排需要同时控制暴露源和整体排放[3]。由于人们大部分时间都在室内，通过过滤减少室内PM2.5暴露可以补充室外污染控制措施。在最近的全球健康危机之后，便携式空气净化器和高效过滤装置在室内环境中的使用增加，导致过滤器的消耗量和废弃量持续上升。

在这种政策背景下，便携式空气净化器常被视为减少室内PM2.5暴露的有效手段，但其部署可能会带来较大的经济负担。Han等人[4]估计，要达到最严格的指标（年平均PM2.5浓度≤5微克/立方米），每年总成本约为4.242万亿美元（95%置信区间：1.488–7.202万亿美元）。他们还指出，不同地区的年人均成本存在显著差异：亚洲为870美元（298–1447美元），非洲为433美元（157–752美元），北美为201美元（84–425美元），欧洲为150美元（68–303美元）。便携式空气净化器的广泛使用意味着频繁更换过滤器，从而产生持续的废弃物流。

高效颗粒空气（HEPA）过滤器能去除直径≥0.3微米的颗粒物，至少达到99.97%，广泛应用于便携式空气净化器和建筑通风系统[5]。2021年，HEPA过滤器的全球市场价值为6.48亿美元，预计未来十年内将翻倍[6]。本研究中的NPW来源于废旧HEPA过滤介质，其生成量基于HEPA过滤器的预期使用量和更换频率估算。目前，每年产生的NPW约为1.2×10?吨，未来十年可能增加到约2.4×10?吨。本研究中的NPW特指来自空气过滤介质的聚合物纤维废物，尤其是一次性口罩和HEPA过滤器。

NPW主要由玻璃态和聚合物纤维组成，生物降解性极低，难以分解[7]。传统的处理方法（如焚烧）会释放空气污染物和有毒物质，对环境和健康构成风险[8]。废物焚烧设施将废物转化为热能，为难以堆肥或回收的废物提供处理途径[9]。实际上，焚烧是快速减少碳质材料体积并回收能量的常用方法[10]，但SOx、COx和NOx的排放以及重金属和二噁英等有毒残留物是焚烧的主要环境问题[9, 11]。因此，无氧条件下的热解可以作为处理传染性和有毒物质的替代方法。

近年来，人们越来越关注利用二氧化碳（CO2）作为反应介质，在300–700°C的热解温度下提高合成气产量[12, 13]。Lee等人[14]发现，在橡胶树残渣的CO2辅助热解中，CO2在500°C以上与挥发性物质反应，使CO产量从19.51毫米摩尔/克增加到24.24毫米摩尔/克；Kwon等人[15]证明，在700°C的多阶段等温条件下，CO2作为反应介质促进了木材-塑料复合废物的热解和部分氧化；Lee等人[16]报告称，在500–700°C范围内，不同CO2浓度（0–80%体积）下，塑料袋废物通过CO2辅助热解转化为富含CO的合成气，并模拟了其在燃气轮机循环中的燃料应用[15]。Lee等人[8]还将CO2应用于NPW的热解，通过集成Al?O?和Ni/Al?O?两种催化剂改进了反应过程。N2和CO2气氛下的对比实验表明，CO2条件下的合成气产量（尤其是CO）约为N2条件下的6.5倍。然而，这些研究仅限于实验室规模，未充分考虑工艺集成和大规模能源环境评估。

热解产生的合成气在现代工业系统中具有重要作用，可通过多种转化工艺加以利用[17–19]。合成气中的氢气可用于高附加值应用（如燃料电池[20, 21]），也可用于甲醇合成，甲醇是许多化学品和燃料生产的关键中间体[22, 23]。近期经济和环境研究表明，通过热解回收混合塑料废物的经济和环境效益因原料准备、市场需求和下游转化方式的不同而有所差异[24]。比较生命周期评估（LCA）显示，塑料废物热解与传统废物处理方式（如带能量回收的焚烧）相比具有显著优势，但具体效益取决于当地情况和能源系统[25]。传统化石基生产路线为最终产品提供了参考基准：例如，未捕集情况下天然气蒸汽重整（SMR）产生的氢气通常具有较高的排放强度，权威数据集总结了不同路线和捕集水平的排放强度[26]。综合考虑这些文献，建议在比较废物转化路径时，将它们置于统一的系统框架和明确的参考案例中[24]。

因此，本研究提出了一种集成工艺，将NPW热解与典型的工业合成气工艺相结合：使用蒸汽甲烷重整（SMR）生产合成气，再通过甲醇合成进一步利用合成气。该工艺同时支持氢气和甲醇的生产，对其技术经济可行性和环境可持续性进行了全面评估。与商业SMR和甲醇合成装置的集成使得NPW热解的大规模应用成为可能，并可评估其工业竞争力。最终产品氢气和甲醇可作为燃料使用，为下游应用提供替代方案，并作为高级能源载体增加价值。这些方案的评估采用了平准化能源成本（LCOE）这一常用的经济指标。此外，还进行了生命周期评估（LCA），以量化使用可再生能源的环境效益，并展示了其清洁生产和减少温室气体的潜力。总体而言，结果表明，所提出的工艺能够在支持长期气候目标的同时提升经济韧性。

**系统描述**
以往的研究仅在实验室规模上探讨了NPW的利用，其工业应用潜力尚未得到充分验证。本研究将NPW热解产生的合成气集成到商业氢气和甲醇生产过程中，并比较了多种工艺方案。工艺模拟使用Aspen Plus和Aspen Adsorption软件进行，集成系统旨在生产氢气和甲醇。

**能源消耗**
图4比较了三种集成方案（WtH、WtMMPSA和WtMSPSA）的能源消耗情况，其中能源需求基于Aspen Plus模拟得出的主要工艺单元的热负荷。WtH方案的总负荷最高（8748千瓦），其中基于MEA的碳捕获（CCS）部分占主导地位（6677千瓦，约76%）。这一结果与溶剂基CO2捕获的固有能源强度一致。

**结论**
本研究评估了利用CO2辅助热解从非织造聚合物废物（NPW）生产氢气和甲醇的技术经济和环境可行性。实验表明，CO2作为反应介质可显著提高CO产量（相比N2辅助热解提高约6.5倍），从而提升合成气作为燃料的适用性。这些发现被应用于三种集成工艺方案（WtH、WtMMPSA和WtMSPSA）中，并进行了建模分析。

**作者贡献声明**
李世荣：撰写初稿、数据可视化、软件开发、方法论设计、数据整理。
白在镐：验证、实验设计、数据分析、概念构建。
齐梦：验证、资源协调、方法论设计、概念构建。
赵亨泰：撰写修订稿、数据可视化、实验设计、概念构建。
李在元：撰写修订稿、数据可视化、项目监督、方法论设计、数据分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）资助的工业技术创新计划（RS-2024-00507471，“开发用于炼油和石化过程的人工智能驱动自动化制造运营优化平台”）的支持。