关于废塑料与生物质共气化生产富氢合成气的全面综述及技术经济分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：A comprehensive review of waste plastics and biomass co-gasification for hydrogen rich syngas production with techno-economic analysis

　　贝图尔·科拉克·卡拉达格|纳德尔·贾瓦尼|奥兹根·尤塞尔
土耳其卡纳克勒17400，卡纳克勒18三月大学电气与能源系

摘要
本研究对近期相关的共气化研究进行了系统评估，从氢气产量和合成气热值两方面对其进行了定量比较。该研究的主要目的是构建以氢气生产为目标的框架，为工艺合成与设计提供支持。相关文献可分为三类：实验研究、热力学平衡建模（吉布斯自由能最小化）以及动力学建模。文中总结了各类方法在共气化系统中的应用优势与局限性。研究重点分析了塑料类型、气化/氧化介质、床料、混合比例及操作条件等关键设计参数，并致力于将研究结果转化为实用的可操作指南。分析结果表明，从高到低的氢气产量顺序为：高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯。大多数系统的适宜操作温度范围在750–900℃之间，这一温度区间能够在保证较高氢气产量的同时，使合成气热值处于合理水平，并控制焦油生成量。在气化介质方面，与空气或氧气稀释的气化方式相比，蒸汽气化更能提升氢气产量。此外，床料在气化过程中起着关键的催化作用：橄榄石可显著提高H2/CO的比例并减少焦油生成，而白云石则往往能产生碳氢化合物含量更高的气体，且其低热值相对较低。

引言
废物是指在生产和消费过程中产生的、对社会、环境或经济不再具有实用价值的物质。一旦这些物质的利用价值下降，就需要对其进行处理或回收。塑料作为一种聚合物，被广泛应用于各个领域[1]，其优势使得其在从汽车制造到包装行业的诸多领域中得到广泛使用[2,3]。为满足这些领域的需求，塑料的产量不断增加。根据土耳其塑料监测报告，2024年塑料制品的产量为990万吨，预计2025年将为970万吨[4]。根据经济合作与发展组织的数据，2024年中国塑料废物消耗量位居世界第一，达到1.1亿吨[5]，其次是美国和德国[6]。目前，固体废物管理往往存在不足，那些能在环境中长期存在的塑料废物碎片会对生态系统和生物造成危害[7,8]（见图4和图5）。

焚烧是一种处理塑料废物的方法，但它会带来诸多环境问题，如产生灰渣和废气排放。因此，需要更有效的办法来降低塑料污染对环境的影响。虽然回收利用可以让塑料得到再利用，但在实际应用中并不总是可行[9]。不过，将塑料废物转化为高附加值材料既面临诸多挑战，也蕴含着重要机遇[10]。塑料是由石化原料合成的，其热值很高，甚至超过煤炭，与原油的热值几乎相当[11]。正因如此，塑料废物不仅被视为潜在的能源来源，也被视为循环经济体系中用于生产燃料和化学品的宝贵二次原料[12]。

除了塑料废物之外，森林残余物（树枝、树皮、树叶等）、农业废弃物（作物秸秆、稻草以及果蔬残渣）、动物粪便（粪肥及其他动物残留物）、城市有机垃圾（食物残渣）以及食品工业产生的生物质废物，如果处理不当，也会带来环境和经济问题[13]。这些生物质废物具有较高的经济价值。在这方面，热解和气化等工艺被视为解决废物管理难题的同时实现能源回收的有效途径[14]。图1展示了一种用于生物质/塑料气化及共气化过程的通用热力学建模框架，但这一框架并非适用于所有气化系统。在已有的研究中，根据原料类型、反应器结构、气化剂以及工艺目标的不同，采用了不同的建模策略。基于平衡原理的Aspen Plus模型和吉布斯自由能最小化方法被广泛用于估算不同操作条件下的合成气成分；当需要考虑反应速率和转化路径时，则会采用基于动力学的模型；而借助计算流体力学技术的模型则能提供关于反应器流体动力学、温度分布及局部气体成分的空间信息。此外，由于等离子体气化和超临界水气化具有独特的操作条件，这类研究通常需要特定的模型配置。

气化是一种热转化技术，通过在受控环境中将煤炭、塑料和生物质等含碳材料转化为合成气[16,17]。根据所使用的燃料类型及操作条件，气化反应器产生的合成气可直接作为替代燃料用于内燃机，也可通过费托合成等先进转化途径进一步加工成工程燃料[18]。与焚烧及其他旨在减小体积的处理方法相比，气化不仅能降低空气污染，还能减少废物对环境的危害。在高温条件下进行气化，可以将塑料废物完全转化为清洁且可利用的合成气。大量研究表明，与焚烧相比，气化在处理废物方面具有明显优势[19]。气化是一种在600–1000℃条件下进行的热化学过程，可应用于从小规模到大规模的各种场景[20]。气化过程包含多个阶段，其中最后阶段尤为重要，因为它决定了合成气的产量、整体工艺效率以及碳元素的完全转化率[21]。合成气主要由氢气和一氧化碳组成，还含有少量甲烷、氮气、二氧化碳和水[22]。合成气可以储存起来直接用作燃料，也可进一步转化为液体燃料[23]。

根据气固接触方式以及气化剂的不同，气化炉可分为三种主要类型：夹带流式气化炉、流化床气化炉和固定床气化炉。不同类型的气化装置在设计和应用上存在差异。流化床气化炉通常用于中等规模的生产，固定床气化炉多适用于小规模应用，而夹带流式气化炉则更适合大规模工业生产。在各种气化系统中，氧-蒸汽流化床气化炉因其较高的传热传质速率、能够灵活处理不同含水量的原料以及较高的工艺效率而备受青睐[24]。

将生物质废物和塑料废物进行一体化气化，是一种具有协同效应的途径，它在工艺性能以及环境和经济指标方面都具有显著优势。由于塑料具有较高的热值，它能提高合成气中的一氧化碳和氢气浓度，从而提升合成气的热值；而生物质中的含氧结构及矿物质成分（尤其是碱金属）则有助于释放挥发性成分并促进焦油的熱化学分解[25]。通过这种方式，不仅可以提高气体产量和优化气体成分，还能减少焦油的生成[26]。此外，在同一反应器中同时处理生物质废物和塑料废物，可以实现不同特性的废物集中处理，从而提高资源利用效率，显著优化废物管理效果。已有研究表明，共气化过程中产生的协同效应能够提升气化反应活性，改善合成气成分，并提高整体工艺性能[27]。综上所述，气化技术是一种高效的热化学转化技术，有助于以环保的方式生产低排放能源并实现废物有效管理。

无需专门建设塑料气化厂，只需将塑料废物作为辅助原料与生物质、煤炭或城市固体废物等现有原料一起投入气化过程，即可获得更高的氢气产量和更优质的合成气。热力学模拟和实验研究均表明，增加生物质与塑料的混合比例，能够提升一氧化碳和氢气的产量，同时提高碳转化效率、冷气效率以及合成气的低热值[28,29]。此外，将塑料与煤炭和生物质一起气化，相较于单独气化塑料，能够有效避免结块和进料问题。同时，这种处理方式大多可以在现有的气化设施上进行，仅需进行有限的工艺改造，从而减少了额外的资本投入，实现了效率与成本之间的良好平衡[30,31,32]。

最近的决策分析研究指出，评估塑料废物气化时，不应仅考虑合成气质量，还应综合考量能量、有效能以及环境因素。哈桑扎德等人采用TOPSIS法和灰色关联分析法对不同类型的塑料废物进行了评估，强调了原料选择对于提升气化性能和可持续性的重要性[33]。虽然已有许多研究探讨了利用钙氧化物基吸附剂和蒸汽降低合成气低热值及氢气含量的方法，但针对塑料废物与生物质同时气化这一途径的优化研究仍较为有限。现有研究大多集中在吸附剂辅助工艺和蒸汽添加方面，而关于生物质-塑料混合物共气化对合成气成分、效率及氢气产量的影响研究则相对较少。这凸显出有必要开展全面的研究，系统分析不同工艺参数如何影响合成气的热值和氢气含量，尤其是在使用不同类型生物质和塑料废物的共气化系统中。

基于此，本研究全面探讨了通过气化技术从塑料废物和塑料中生产氢气的各种相关问题。据现有综述显示，目前尚缺乏针对这一主题的系统性比较研究，这一现状反映了该领域存在的知识空白，也凸显了本研究的创新性。本研究还分析了基于塑料与生物质共气化的塑料废物氢气生产现状，并对不同技术进行了对比评估。

尽管近年来越来越多的实验和建模研究关注生物质-塑料共气化技术，但现有文献在以氢气产出为评价指标方面的研究仍然不足。尤其是2020年以后发表的研究，大多侧重于具体的案例分析或有限的操作条件研究，未能对不同工艺的性能进行以氢气为核心的系统性比较。目前，能够同时分析气化当量比、蒸汽与原料比例、温度、混合物中塑料的比例、床料以及氧化剂等主要工艺和原料因素对合成气热值、氢气产量及成分影响的全面综述仍然较少。大多数现有的综述文章要么分别讨论生物质和塑料的气化问题，要么仅简要提及生物质-塑料共气化，未能将这些参数与氢气产出行为建立定量关联。因此，亟需一篇专门且最新的综合性研究，从氢气生产和工艺设计的角度系统分析近期的生物质-塑料共气化研究。

本研究的主要贡献可归纳为以下几点：
（i）系统整理并比较了2020年至2025年间发表的关于生物质-塑料共气化的研究，重点分析了合成气热值和氢气产量；
（ii）从实验结果出发，结合实际工艺设计需求，重点分析了塑料类型、气化/氧化介质、床料、生物质/塑料混合比例及操作条件等关键工艺参数的作用；
（iii）整合不同研究群体的成果，为塑料选择、氧化剂及温度范围等方面提供了具有指导意义的工艺设计建议，尤其有助于实现最大化氢气产量或提升产物气热值的目标。

在本研究框架下，首先介绍了生物质-塑料共气化的一般背景和理论基础，随后系统回顾了2020年至2025年间的相关研究成果。接着，全面分析了多种操作条件对氢气产量的影响，最后提出了综合评估结果及工艺设计建议。

文献检索主要通过Scopus、Web of Science和ScienceDirect平台进行，同时也在出版社网站和Google Scholar上进行了补充检索。检索范围主要集中在2020年至2025年间发表的研究，不过，那些能为研究提供重要实验、建模或方法论基础的早期基础研究也被纳入考虑范围。搜索词包括“塑料废物气化”“生物质与塑料共气化”“富氢合成气”“合成气成分”“低热值”“高热值”“Aspen Plus气化模型”“超临界水气化”“等离子体气化”以及“流化床气化”等组合。纳入的研究应是那些探讨生物质/塑料气化或共气化，并提供操作条件、气化剂、反应器类型、氢气产量、合成气成分或热值等定量数据的文章。若研究缺乏足够的方法学细节、相关的定量气化数据，或未能清晰说明工艺条件，则被排除在外。

**生物质与塑料共气化的技术方法**
塑料与生物质的共气化通常可通过两种主要方法进行研究：(i)在实验室和试点规模的气化装置中进行的实验研究；(ii)基于详细化学反应机理建立的动力学模型，以及通过吉布斯自由能最小化得出的热力学平衡模型。

**生物质与塑料共气化系统的新进展**
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）以及混合塑料固体废物（PSW）是气化研究中最为常被研究的塑料废物类型。[54,55]由于这些材料在废弃物中的含量较高，因此很适合作为废物转化为能源的原料。凭借其较高的机械强度、化学抗性以及较低的密度，聚丙烯常被用于包装薄膜的生产。

**结论**
通过气化技术处理塑料废物不仅在技术上可行，而且已发展到相当成熟的地步。当前的趋势表明，未来塑料废物与其他燃料如煤炭、生物质及城市固体废物进行共气化的应用将会越来越普遍。相关文献也明确显示，多种类型的塑料都可以通过气化转化为富氢合成气。

**作者贡献声明**
Betul Colak Karadag：数据整理、研究工作、初稿撰写。Nader Javani：概念设计、监督指导、审稿与编辑工作。Ozgun Yucel：概念设计、监督指导、审稿与编辑工作。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。目前，没有作者担任我们提交稿件的该期刊的编辑或编委会成员。