综述：利用等离子体热解实现石化残留物的价值转化：技术进展、商业应用途径及与循环经济的融合——一篇综述性文章

《Chemical Engineering Research and Design》：Plasma pyrolysis for valorizing petrochemical residues: Technical advances, commercial pathways, and circular economy integration — A critical review

　　

摘要

全球能源体系仍严重依赖化石燃料，2024年592艾焦的能源总量中就有86.6%来自化石燃料，这就迫切需要解决炼油过程中产生的有害残留物问题。本综述探讨了等离子体热解作为一种潜在的脱碳技术，它能够将这些废物转化为有价值的产物，同时将排放量降至最低。在实验室研究中，热等离子体可通过极高温度实现超过99%的体积缩减，而非热等离子体则能在产生氢气和碳材料的同时，减少高达95%的能量消耗（这一优势是在实验室规模的甲烷研究中所观察到的，对于液体残留物而言尚未得到验证）。缺氧环境可消除大部分有毒物质排放，从而实现近乎零碳排放的氢气生产，不过燃料中的氮元素仍可能产生氮氧化物。在针对液体炼油残留物的研究中，目前尚无关于非热等离子体与热等离子体在能源效率方面的对比数据，所有关于非热等离子体优势的描述都是从甲烷或轻质烃类研究中推断出来的。在假设以甲烷类为原料的实验室研究中，非热等离子体在能源效率方面有望比传统技术低30–50%，而且对于典型的重质残留物来说，所生产的氢气每吨碳黑可带来25–50美元的收益（按每吨氢气3000–5000美元计算，假设每吨碳黑可产生0.05–0.10千克氢气）。如果将这种技术与可再生能源微电网结合使用，在条件适宜的地区理论上可实现90–95%的清洁能源占比，从而将碳强度降低90%以上，同时使等离子体热解成为稳定电网的可用能源——不过目前还不存在这样的集成装置。以一个年处理量50,000吨的示范性设施为例，按照某种假设条件，该设施每年可避免约172,500–290,000吨二氧化碳当量的排放（这些数值仅为估算，且基于多种尚未经过商业验证的假设）。与熔融金属、催化和电化学处理方法相比，等离子体技术具有更强的原料适应性，适合在炼油厂中使用，但目前还没有商业规模的装置采用等离子体热解技术处理液体炼油残留物，这项技术在特定应用领域的成熟度仍处于4–6阶段（即从实验室研究到试点示范阶段）。通过综合工艺效率、生命周期评估以及技术经济分析，并充分考虑相关限制因素，本综述表明，只要能在商业规模上克服诸多技术和经济障碍，等离子体热解有望成为连接当前碳氢化合物经济与未来低碳、以材料为导向的循环经济之间的重要桥梁。

引言

原油是全球能源的命脉。根据能源研究所2025年的数据，2024年全球总能源供应量达到了前所未有的592.22艾焦。其中化石燃料——包括石油、天然气和煤炭——占据了86.58%的份额，其中石油的贡献最大，为199.05艾焦，其次是天然气148.60艾焦，煤炭为165.06艾焦。石油占全球总能源供应量的33.61%。全球太阳能消耗量为7.72艾焦，风能消耗量为9.04艾焦。风能和太阳能加起来仅占全球总能源供应量的2.83%，这表明，即便在原油开采技术上有所改进，依然会对现实世界产生巨大影响。表1展示了按燃料分类的全球总能源供应量（数据来自能源研究所，2025年）。2024年，化石燃料的占比为87%。虽然风能和太阳能的发展速度很快，但它们的占比仅为2.87%（包括生物质能和地热能在内的所有可再生能源占比为5.53%）。这种持续的主导地位凸显出尽快实现现有碳氢化合物产业链脱碳的紧迫性，而非寄希望于快速用其他能源替代化石燃料。

原油是由多种碳氢化合物和微量元素组成的复杂混合物，按重量计算，大约84–87%为碳，11–14%为氢（Speight，2006）。虽然炼油过程能够高效地从较轻质的原油中提取出有价值的燃料，但较重质的原油及其残留物虽然富含碳，却极难处理（Wauquier，1995）。目前用于处理这些残留物的传统方法往往效率低下，还会对环境造成危害。例如，传统的石油残留物处理方式，如填埋、土地处理/利用以及焚烧，往往因为缺乏预处理、大量废物无法回收以及过度依赖处置而非处理等原因而效率不高，同时还会通过地下水污染、土壤退化以及苯、重金属、多环芳烃等有毒物质的渗漏对环境造成危害（EPA，1996）。Pauzi和Shah在2022年进行的综述研究了石油污泥（一种重要的炼油残留物）的传统处理方法，如填埋、稳定/固化以及焚烧，指出了这些方法的不足之处，包括运输、处理和处置成本高昂，无法减少废物体积或回收资源，还会因多环芳烃、重金属等有毒物质导致土壤和地下水污染，存在渗漏风险，还会产生空气污染。尽管焚烧能够减少废物体积，但它会释放二氧化碳，还会产生有毒的飞灰，因此越来越不符合循环经济的要求。

等离子体热解技术（Bhatt等人，2022；Huang等人，2003）提供了一种具有变革意义的可持续替代方案。这种高温、无氧的处理过程能够高效分解复杂的碳氢化合物，将废物转化为合成气、炭黑和生物油等有价值的产物，同时最大限度地减少有毒物质的排放（Huang和Tang，2007）。因此，本研究的主要目的是综合分析当前等离子体热解技术的现状，区分用于处理原油残留物的热等离子体与非热等离子体技术；阐述该技术在废物资源化方面的优势，重点介绍其效率、环境效益以及合成气和高性能碳材料等高价值产品的质量；回顾近期的研究成果和应用案例，包括重质油的升级处理以及生物质和塑料的共热解处理，以此展现等离子体系统的多功能性和潜力（Bhatt等人，2023）；将等离子体热解技术置于循环经济框架之中（Geissdoerfer等人，2017；Kirchherr等人，2017），说明它如何通过将有害废物转化为有价值的资源，为石化行业打造可持续的低碳未来（Anchorage Investments，无日期；Li等人，2025；Petrochemicals Europe，无日期）；最后提出从试点到商业规模的分阶段部署方案，以及相应的政策建议。

本综述还结合了更广泛的生物废物资源化研究文献，将石化残留物的等离子体热解技术与针对其他类型废物的循环经济框架相联系（Elgarahy等人，2025；Elwakeel等人，2023；Tsiantouka等人，2024）。借助人工智能优化技术和生命周期评估方法，这些相关领域的研究为等离子体热解技术的商业化提供了宝贵的方法论指导。

本文不仅进行了技术层面的比较，还将等离子体热解技术置于全球范围内加快重工业脱碳、更负责任地管理碳氢化合物废物的背景下进行阐述。按照氢能领域的常用术语：通过化石燃料生产并配合碳捕集与储存技术得到的氢气称为“蓝氢”；通过可再生能源发电进行电解得到的氢气称为“绿氢”；而通过甲烷热解生成固体碳的氢气则被称为“青绿氢”（Daghagheleh等人，2023；Wnukowski，2023）。如果能够回收固体碳产品，那么炼油残留物的等离子体热解技术就属于青绿氢的范畴。本文进一步认为，要成功推广等离子体热解技术，不仅仅是一项技术挑战，更是推动社会经济发展的关键因素，它有望在未来十年内实现工业发展与资源消耗及污染之间的脱钩。

虽然有一些预测认为，如果推迟采用等离子体热解技术，仍有可能实现显著的二氧化碳减排效果，但这些估计都带有很强的不确定性，且依赖于许多关于技术 adoption速度、设施规模、电网脱碳进程以及现有技术被替代情况的假设。因此，本综述主要依据已有的研究数据以及较为保守的技术经济预测，而不做过于激进的减排预测。

章节节选

综述方法

本研究属于批判性叙事综述，而非系统性的元分析。研究方法旨在整合现有知识，识别关键趋势和技术进展，同时针对等离子体热解技术在石化废物资源化中的作用展开前瞻性分析，同时也会明确说明现有证据的局限性。

搜索策略：本研究采用了Scopus数据库进行结构化的文献检索，检索时间范围为2000年至2025年，关键词搜索

热等离子体技术

等离子体热解技术在废物资源化中的应用核心在于热等离子体技术，这种技术能够在极高温度下——有时甚至超过5000摄氏度——分解复杂的碳氢化合物，使其转化为更简单、更有价值的分子（Kheyriyeh等人，2025）。如果将一般的碳氢化合物原料表示为C?H?，那么在等离子体环境中的基本热解反应可以简化为分解为固体碳和氢气：C?H??+?Plasma Energy → x

等离子体热解的技术经济评估

尽管等离子体热解的技术优势已经得到充分认可，但其能否在商业上取得成功，还取决于其与现有技术相比是否具有更具竞争力的技术经济指标。表4给出了热等离子体、非热等离子体以及传统炉式处理工艺的初步、数量级上的对比数据。读者应将这些数值视为基于文献总结和工程估算得出的参考范围，而非可用于实际投资决策的精确数据。目前实际的商业应用数据仍然相对有限

结论与展望

如果能在商业规模上克服技术和经济方面的障碍，等离子体热解技术有望为石化行业带来新的发展机遇，它能够将重质原油残留物的处理方式从传统的线性处置模式转变为循环型资源回收体系。本综述指出，虽然热等离子体技术具有出色的分解效率（在实验室研究中可实现超过99%的体积缩减），并且能够稳定生产合成气，但非热等离子体技术的出现也为这一领域带来了新的可能性

CRediT作者贡献说明

Boretti Alberto：撰写——综述与编辑，撰写——初稿，数据整理，概念构建。

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资金支持

作者未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Alberto Boretti

独立科学家，新西兰惠灵顿6037区