《Chemical Engineering Journal》：Plastic waste to sustainable aviation fuel: Enabling circular economy through integrated techno-economic, environmental, and waste management assessment
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•通过TEA、LCA和熵分析评估了五种PW-SAF路径。•PW-SAF的UPC为1.04–1.96美元/千克，NCE为14.1–26.8克二氧化碳当量/兆焦。•熵效率范围从56.0%（PS）到67.3%（LDPE）。•与焚烧相比，PW-SAF可将废物管理排放量减少约70%。•在多
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通过TEA、LCA和熵分析评估了五种PW-SAF路径。
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PW-SAF的UPC为1.04–1.96美元/千克，NCE为14.1–26.8克二氧化碳当量/兆焦。
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熵效率范围从56.0%（PS）到67.3%（LDPE）。
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与焚烧相比，PW-SAF可将废物管理排放量减少约70%。
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在多标准评估中，PW-SAF在六大SAF路径中排名第一。
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引言
全球塑料废物产生量每年约为3.5亿吨，其中只有约9%被回收，19%被焚烧，其余的则被填埋或泄漏到环境中[1]。如果没有替代的利用途径，预计到2060年塑料废物量将接近现在的三倍，从2019年的3.53亿吨增加到超过10亿吨[2]。废物处理方式会带来长期的环境成本：焚烧会产生温室气体排放，而填埋会释放甲烷[3]。由于现有的废物管理基础设施已经难以应对目前的废物量[2],[4]，开发替代的增值技术变得日益紧迫。
尽管塑料废物主要被视为废物，但它由具有高热值和氢含量的长链烃聚合物组成[5],[6],[7]。聚烯烃占全球塑料产量的57%，特别有吸引力，因为它们仅由碳和氢组成[1]。与生物质不同，塑料废物具有稳定的成分和全年可用性，避免了季节性供应限制和土地使用的竞争[8],[9]。鉴于这些优势，热解已成为将塑料废物转化为有价值产品的一项有前景的技术[10]。通过控制温度、停留时间和催化剂选择，热解可以有选择地产生气体、液体燃料和固体炭[11]。催化热解还可以进一步提高产物向液体燃料方向的选择性并提高燃料质量[12]。许多实验室规模的研究表明，使用沸石或金属负载催化剂可以从单一塑料或塑料混合物中生产出更高产量的油，或定向生产汽油和柴油组分[13],[14],[15],[16]。基于沸石的催化剂（例如HZSM-5、HY）因其促进裂解和芳构化反应的能力而被广泛研究，从而提高了汽油组分的选择性[18],[19]。介孔催化剂和金属改性的沸石也被用来提高煤油和柴油组分的选择性[20],[21]。这些实验进展证明了在实验室规模上将塑料转化为液体燃料的技术可行性。
除了实验室研究外，还有多项工艺模拟和技经分析评估了工业规模的塑料热解。Yadav等人证明了在有利市场条件下催化快速热解混合塑料废物的经济可行性[22]。Fivga等人证明了将塑料废物热解为重燃料油在工业规模上的经济可行性，其生产成本远低于扩大规模后的市场价格[23]。然而，这些研究主要针对的是传统燃料产品（石脑油、汽油、柴油），而不是航空燃料。
航空燃料约占全球二氧化碳排放量的2-3%，由于该行业依赖能量密集型液体燃料以及长途飞行电气化的可行性有限，因此面临着独特的脱碳挑战[24],[25]。与道路运输不同，后者可以越来越多地依赖电气化和氢能，而长途航空业预计在未来几十年内将继续使用液体碳氢化合物[26]。可持续航空燃料（SAF）已成为减少航空业碳足迹的主要短期途径，国际法规要求提高SAF的混合比例。SAF的关键优势在于它是一种“即用型”燃料，可以在无需对现有飞机发动机和燃料基础设施进行大量修改的情况下使用，使其成为航空业立即大规模减少排放的可行途径[27]。然而，目前的SAF生产严重依赖脂质原料和农业残留物，这些原料面临农业资源有限和供应限制，制约了其可扩展性[28]。因此，将塑料废物转化为SAF提供了一个同时解决这两个紧迫问题的独特机会：减轻塑料污染和缓解SAF原料的约束。
最近的实验研究表明了塑料废物转化为SAF（PW-SAF）过程的潜力。Zhang等人使用活性炭催化剂实现了高转化率的LDPE转化为喷气燃料组分[29]。Lee等人和Fan等人分别展示了通过热裂解和微波辅助热解生产航空燃料范围烃类的技术可行性[7],[30]。
与这些技术评估同时，关于PW-SAF的文献通过工艺强化策略得到了显著丰富，特别是微波辅助热解和微波辅助催化热解。最近的研究[31],[32],[33]表明，集成双金属Fe/Ni催化剂的微波辅助热解系统可以通过有针对性的键断裂有效提高航空燃料范围烃类的选择性，同时优化能源消耗。此外，Hussain等人[5]和Aghamiri与Lahijani[6]强调了多功能异质催化剂的关键作用及其对工业规模生产的技术经济影响。这些多样化的贡献表明了该领域的技术成熟度不断提高，并强调了需要一个统一的评估框架（如本研究中提出的框架），以便在一个一致的基础上对这些快速发展的转化策略进行基准测试。这些研究为PW-SAF过程提供了坚实的技术基础，但没有解决工业规模生产航空燃料所需的可扩展性、经济性和环境可行性问题。
因此，现有的PW-SAF文献存在三个关键空白：
空白1：缺乏系统的原料比较
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现有研究考察单一塑料类型或二元混合物，无法直接比较不同原料的性能。
空白2：工艺设计不完整，基准测试不一致
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大多数文献关注热解转化，而对满足航空燃料规格所需的下游升级和分离关注不足
空白3：缺乏综合评估框架
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以往的研究分别评估了SAF生产的技术经济性和环境性能与废物管理影响，缺乏统一的分析方法。
为了解决这些空白，第2节定义了四个研究问题并介绍了本研究中开发的综合方法。
章节片段
问题陈述
如图1所示，塑料废物有两种不同的处理路径：传统的废物管理（焚烧、填埋、机械回收）或在循环经济框架内转化为高价值的SAF。虽然将塑料废物升级为SAF比传统废物管理产生更高的价值，并有助于多样化快速增长的SAF原料，但其技术可行性、经济可行性和环境效益需要系统的验证。
工艺模拟概述
开发了使用Aspen Plus将五种塑料废物（LDPE、HDPE、PP、PS、PET）转化为SAF的工艺模拟。四种原料（LDPE、HDPE、PP、PS）遵循相同的四阶段工艺配置，包括催化热解、升级（稳定化、加氢处理、氢裂解）、气体净化和产品分离。PET采用改进的工艺设计，不进行氢裂解，因为其热解产物中重质组分的生成量较少。
敏感性分析和供应潜力评估
图6展示了PW-SAF和基准SAF路径的敏感性分析和原料可用性评估。图6(a)-(d)研究了基于蒙特卡洛的技经和环境性能的不确定性，而图6(e)预测了2030年至2050年的原料限制供应潜力。每个基准路径以其研究最广泛的原料为代表，因为技经和环境性能会随原料选择而变化：用于HEFA的食用油（UCO）、柳枝稷
结论
本研究开发了一个PW-SAF过程框架，并评估了五种塑料原料（LDPE、HDPE、PP、PS、PET）的技经、环境和熵性能。该框架结合了工艺模拟、技经分析、生命周期评估和工艺级熵分析，通过五个性能指标（UPC、NCE、NEC、碳效率和避免的排放量）以及熵效率来评估每种路径。
CRediT作者贡献声明
Chanhee You：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。 Woochang Jeong：验证、软件、方法论、调查、数据管理。 Jiyong Kim：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了韩国能源技术评估与规划院（KETEP）和韩国贸易、工业及能源部（MOTIE）的支持（编号：20224C10300040）。
Chanhee You|Woochang Jeong|Jiyong Kim
