综述：微波热解用于低品位有机固体废弃物的升级回收：先进技术及未来展望

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Microwave pyrolysis for low-grade organic solid waste upcycling: State-of-the-art technologies and future perspectives

　　

雷旺|周一 Rou|雷仁|郭彦霞|张凯|王飞|曾丹尼尔·C·W·曾|程芳琴|严建华

中国浙江大学清洁能源利用国家重点实验室，杭州，310027

摘要

微波热解已成为将低品位有机固体废物转化为宝贵资源的一种有前景的技术，在能源效率、产品质量和工艺强化方面表现出显著优势。尽管研究工作不断增多，但在理解基本机制、优化复杂工艺参数以及实现工业应用规模化方面仍存在关键差距。本文系统评估了低品位有机固体废物（包括煤泥、污泥和生物质）微波热解的最新进展，重点关注四个关键方面以解决现有知识空白：（i）微波热解与传统热解的全面比较，揭示了微波热解在诱导选择性加热和促进目标反应路径方面的独特优势；（ii）对微波热解背后机制的深入讨论，重点指出了区分热效应与非热效应的难度以及传统动力学模型的不足；（iii）对关键操作参数对三相产物分布和特性的影响进行彻底评估，并初步构建了针对目标产物的工艺参数关联；（iv）对微波热解的能耗和碳足迹进行评估，强调了工艺效率与产品质量之间的权衡。最后，分析了关键问题及未来前景，重点关注对热解机制理解的不完善、复杂固体废物参数优化的困难、动力学建模和模拟的不足以及工业规模化面临的工程障碍。本文为推动低品位有机固体废物高价值微波热解技术的可持续发展提供了多尺度的理论参考。

引言

全球人口快速增长和工业化进程导致了大量低品位有机固体废物的产生[1]。2024年，全球煤泥产量超过7亿吨，其中中国产量为3亿吨[2]。预计到2025年，中国城市污泥产量将达到9000万吨[3]。农业/林业废弃物也是重要来源，中国每年秸秆、畜禽粪便和林业废弃物的产量分别为8.7亿吨、33亿吨和5亿吨[4]。这些废弃物具有高水分、高粘度和低热值，阻碍了其直接利用。为实现中国的“碳达峰和碳中和”目标，从低品位有机固体废物中提取低碳资源的技术至关重要。热解是一种在厌氧条件下进行的热化学转化过程，可将低品位有机固体废物分解为高价值产物（主要是H₂、CO、CH₄、CO₂）、焦油/生物油和炭/生物炭[5]，同时减少NO_x/SO_x排放，从而实现可持续的资源化利用[6]。

目前，传统的热解工艺技术已经相对成熟。所有热解过程在确定目标产物和产量的前提下，通过改变热解气氛、热解时间、加热速率等参数来形成不同的工艺流程。然而，传统热解存在能耗高、CO₂排放量大、热利用率低、热解效率低以及分离困难等问题，这些已成为行业内的难题。

与传统热解不同，微波热解采用非接触式体积加热方式，具有均匀的热量/质量传递和高能量效率[7]。其选择性加热机制为回收高质量燃料提供了环境和经济优势[8]。在能源危机、环境污染和碳减排目标的背景下，微波热解受到了越来越多的关注。该技术显著提高了低品位有机固体废物的利用效率，展现出广阔的发展和应用前景。因此，本文聚焦于低品位有机固体废物，评估了微波热解技术在资源化利用方面的最新研究进展。我们旨在深入分析热解机制，探讨影响工艺的关键因素，并详细研究产物的特性。最后，当前微波热解技术存在的问题有助于我们识别阻碍其进一步发展的关键问题。本文为推动微波热解技术在低品位有机固体废物中的能源化利用奠定了基础。

节选

微波热解的特性与分析方法

基于微波加热的物理原理和材料的介电特性，本节分析了微波热解中的反应特性和动力学方法。同时，我们也对微波热解在复杂反应机制研究中的数值模拟最新进展和未来前景进行了批判性回顾。

影响微波热解的因素

微波热解受多种参数条件的影响[11,71]，包括低品位有机固体废物的性质、热解温度、微波输入功率、微波吸收剂的使用以及催化剂的应用[72]。

微波热解产物的特性

微波热解可以显著提高热解产物的产量和质量，这些产物可作为增值化学品和燃料进行利用，具有独特的技术优势。为了直观展示这一优势，表8在相同的最终温度和停留时间内，系统比较了微波热解与传统热解在低品位有机固体废物（如煤泥、污泥、生物质）方面的技术性能。

微波热解的能耗评估

微波热解以快速加热和短处理时间为特点，具有高价值燃料利用的显著经济潜力[72,165]。然而，能源成本仍是一个关键问题，低能量利用率限制了其技术进步。微波加热中的能量转换包括两个连续阶段：（ⅰ）将输入电能转化为微波能量；（ⅱ）将产生的微波能量转化为其他形式的能量。

微波热解的批判性分析及未来展望

尽管微波热解技术在低品位有机固体废物资源化利用方面展现出巨大潜力，但对热解机制、影响因素、产物特性和能量效率的系统性分析表明，将该技术从实验室研究推向大规模工业应用仍面临一系列科学和工程挑战。未来研究应重点关注以下核心问题。

结论

本文系统回顾了微波热解技术在低品位有机固体废物（包括煤泥、污泥和生物质）升级和转化方面的研究进展。与传统热解相比，微波热解在非接触式体积加热、快速升温、高能量效率和产品质量提升方面具有独特优势。本文深入探讨了微波热解的内在机制。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52506168、U25A6015、52236008）、中央高校基本科研业务费（项目编号：GZB20250162）、中央高校基本科研业务费（项目编号：226-2024-00225）以及浙江省重点研发计划（项目编号：2025C01176）对本研究的财政支持。