《Energy Conversion and Management-X》：Energy recovery from plastic waste pyrolysis: a techno-environmental review of performance, scalability, and fuel potential
塑料废弃物热解可补充传统回收体系，在综合循环经济系统中发挥作用，尽管所报道的性能随实验条件和生命周期评价方法的不同而变化。本结构化分析综述考察了2014年至2025年间70篇同行评审出版物的核心语料库。五篇于2026年发表的综述被单独考虑，以提供近期发展的背景，而不改变预定义的分析周期。技术、能源、环境、燃料质量及部署指标的比较考虑了原料、功能单位和系统边界方面的差异。连续式、热集成配置在有利的中试规模或炼油厂集成条件下，工艺能量回收率可接近90%。所报道的相对于焚烧的温室气体减排量，在包含产品替代信用时为约59%，在排除这些信用时约为31%。敏感性分析表明，总体路径层面的产品质量评分排名在所测试的标准权重范围内保持稳定，而当产品质量获得的权重超过产量和成熟度时，领先的流化床配置会发生变化。这些发现的适用性取决于电力和热力供应、收集与分选系统、污染物控制、产品要求以及环境许可。因此，热解最适合于综合废物管理系统内经适当预处理的混合及受污染塑料流。
引言
全球塑料产量在过去几十年中迅速增长，年产量已超过4亿吨，这一增长由人口增长、城市化以及包装、建筑、交通和消费品行业的消费扩张所驱动。尽管增长显著，全球塑料废弃物中有效回收为新材料的比例不足10%，其余部分主要通过填埋、焚烧、无序倾倒甚至露天燃烧等方式处置。这些处置途径导致了长期的环境污染、资源损失以及显著的温室气体排放。
机械回收因其相对较低的能源需求和成熟的基础设施，仍是主导的废物管理途径。然而，其适用性从根本上受到混合、多层、受污染及复合塑料流的限制，这些塑料流在多次回收循环后会发生渐进性的质量退化。因此，仅靠机械回收不足以管理快速增长的后消费塑料废弃物，尤其是在追求循环经济转型的高度城市化地区。
化学回收途径包括溶剂解、加氢、热解和气化，而焚烧主要是一种能量回收途径。焚烧可接受异质残余废物，但会破坏聚合物碳作为材料的属性，并产生直接燃烧排放。气化使用氧气和/或蒸汽，通常在较高温度下进行，生成富含H2和CO的合成气；其提供灵活的下游合成选项，但需要大量热输入和气体净化。热解在无氧气氛中于较低温度下运行，产生可储存的液体馏分以及气体和焦炭。其特定优势因此在于产品多功能性和与富含聚烯烃的混合流的兼容性，而其主要局限性在于油品质量可变、污染物转移、提质需求以及对可靠原料准备的依赖。
热解通常在400至700?°C之间运行，通过随机断链、自由基转移、β-断裂、环化和芳构化过程进行。酸性沸石和FCC型催化剂可促进轻质烃和芳烃的生成，但产品定向并非仅靠催化剂选择实现：酸度、孔结构、催化剂与塑料比、蒸气停留时间、温度和再生状态共同作用。高等级石脑油、烯烃或汽油范围产品通常需要在炼油厂或蒸汽裂解装置使用前进行分级冷凝、蒸馏、污染物脱除、加氢处理、加氢裂化或受控共处理。
塑料废弃物热解的关键优势可总结如下：原料灵活性，热解可适应多种聚合物，包括聚烯烃（PE、PP）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）及复杂多层包装废弃物；产品多功能性，热解油可提质为燃料或化工原料，不可冷凝气体可为内部工艺供能，固体焦炭可作为炭黑、吸附剂或先进碳材料进行增值；环境潜力，生命周期评价研究经常报告相对于焚烧更低的温室气体排放，特别是在应用替代原生石脑油或燃料的信用时，尽管结果对系统边界、能源供应和提质假设高度敏感；基础设施兼容性，在适当提质条件下，热解衍生液体可整合到现有炼油和蒸汽裂解基础设施中，实现碳循环的部分闭合。
尽管具有这些优势，部署受到高且区域依赖的能源需求、可变的沸程、稳定性、粘度、酸度和杂原子含量、氯、溴、金属、填料、涂层和油墨衍生污染物、催化剂结焦和再生、连续反应器结垢和固体处理、排放控制和许可成本，以及油品是否满足炼油厂、蒸汽裂解装置或燃料市场准入规范的不确定性等因素的制约。所报道的环境和技术经济结果因此随原料、反应器设计、运行规模、容量因子、当地电力和热力组合、废物处理费用、产品信用和分配假设而变化。
近期综述已分别考察了塑料热解基础与放大、燃料生产、能源与环境性能、后消费回收、气化作为替代热化学途径以及高等级热解油。分析可比性、耦合共热解效应和提质策略也分别受到关注。本综述的增量贡献在于将可追溯的证据分类方案、GWP、CED和能量回收的边界条件协调规则、可操作的PQS评分标准、分组成熟度评分归一化、作者构建评分的权重敏感性测试，以及燃料质量、区域、工业和政策边界条件明确联系在一个框架中。
本研究所综述的文献包括2014年至2025年间发表在国际期刊上的70篇同行评审文章。图1(b)展示了塑料废弃物热解研究的时间演变，表明2019年后出版物显著增加，这与化学回收和循环经济战略兴趣的增长一致。尽管如此，若干基础性和高被引研究发表于该时期之前。文献分散于各种国际同行评审期刊，反映了多个科学学科的贡献，并强调了该研究领域的多学科性质，如图1(a)所示。
方法学
综述问题的制定
综述问题参考了先前关于塑料废弃物热解和化学回收的综述，并在筛选过程中细化，以解决证据基础中的方法学差距和不一致性。以下问题指导了综述的范围和综合：生命周期评价研究中对功能单位、系统边界、分配、电力组合、提质和替代信用的报告一致性如何；在哪些方法学条件下，GWP、CED、保留化学能和工艺能量回收可以在不将非等效数据集视为可互换的情况下进行比较；原料组成、反应器配置、温度、催化剂使用、停留时间、分析方法及工艺规模如何相互作用以影响产品产量和质量；哪些工程瓶颈主导了从间歇实验室研究向连续中试和工业运行的进展；哪些油品质量特性和提质步骤决定了燃料、炼油厂或蒸汽裂解装置兼容性；区域能源组合、收集和分选系统、产品准入标准、环境许可、碳核算规则和经济条件如何改变部署可行性；PQS、分组成熟度评分和部署评分排名对替代归一化和加权假设的敏感性如何。
GWP仍然是主要的环境比较指标，因为它是最常报告的LCA类别，但综述问题和综合也涵盖能源性能、燃料质量、可扩展性、技术成熟度、不确定性、工业实施和区域边界条件。环境指标在检查功能输出和边界兼容性后进行比较。
研究提取
本文采用结构化分析综述设计，比较含塑料热解系统的技术、能源、环境、产品质量和部署证据。该方法改编自Vlachokostas等人和Savva等人，包括五个阶段：综述标准定义、文献识别和筛选、结构化数据提取、边界条件证据综合和批判性解释。核心分析的预定出版窗口为2014年1月1日至2025年12月31日。截止后更新于2026年8月5日进行，以识别相关近期出版物并评估综述的持续覆盖范围。
Scopus是使用的唯一书目数据库。以下查询应用于标题、摘要和关键词字段：TITLE-ABS-KEY(("plastic waste" OR "waste plastic" OR "mixed plastic" OR polyolefin) AND (pyrolys OR "thermal cracking" OR "catalytic cracking") AND ("life cycle assessment" OR LCA OR "techno-economic" OR energy OR "cumulative energy demand" OR "energy recovery" OR reactor OR catalyst* OR oil OR fuel OR scalable*))。
合格记录包括报告含塑料热解系统的实验、建模、LCA、TEA、能量平衡、产品质量、反应器、催化剂、规模或部署证据的同行评审期刊文章和综述。会议论文、报告、非同行评审出版物、仅附带提及热解的论文、限于下游燃料燃烧的研究以及与热解无关的路线研究被排除。当含塑料进料和热解贡献被明确定义时，涉及轮胎、RDF/MSW、生物质-塑料混合物或纺织-塑料混合物的研究被保留。这些研究被分配到单独的原料层，以保留进料组成的差异并避免与单一聚合物案例直接合并。
筛选随后分两个阶段进行：标题和摘要相关性评估，随后进行全文资格评估和数据提取。结构化提取表记录了参考文献代码、地理背景、证据类型、原料和污染水平、反应器配置和运行模式、温度、催化剂、产品定义、分析方法、规模或TRL组、能源定义、功能单位、系统边界、分配方法、电力和热力背景、替代信用、提质假设和所报道的不确定性。
最终核心语料库包括2014年至2025年间发表的70项研究，而2026年8月更新期间识别的出版物被视为解释近期发展的背景证据。与综述的结构化分析设计一致，图2总结了识别、资格评估、数据提取、边界条件综合和批判性解释的阶段。可重复性通过报告完整Scopus查询、搜索和更新日期、资格标准、筛选程序、提取字段和最终语料库规模来支持。
所综述研究的基本组成部分
在初步筛选所选文献后，定义了一组结构化的分析组件，以实现对所综述研究的系统比较。这些组件在详细综述过程中被细化，以捕捉在实验和生命周期评价出版物中观察到的方法学差异、技术变异和报告不一致性。
所选组件分为两大类：方法学参数和技术特征。
方法学参数
每项研究的方法学框架根据以下方面进行分析：系统边界、功能单位定义、数据源类型、替代或避免负担信用的纳入、多功能性处理、与替代废物管理途径的比较。这些要素对于确保生命周期结果的可比性至关重要，特别是对于GWP和能源相关指标。产品产量仅在基础（进料质量、适用时的干燥/无灰基、可冷凝液体定义和水包含）明确时才被视为可比。所报道的油品组成也依赖于方法：GC–MS、GC?×?GC-FID/MS、模拟蒸馏、元素分析、卡尔·费歇尔滴定、TAN、ICP基金属分析和卤素方法检测不同的馏分和检测窗口。分析方法差异因此被记录并用作可比性限定符，而非解释为工艺效应。
技术特征
所综述研究进一步根据影响工艺性能的技术变量进行分类：塑料原料类型和组成、反应器配置和运行模式、热解与催化途径、催化剂类型和选择性、产品提质策略、运行规模、能源核算方法。术语和单位在报告的定义、功能单位和系统边界支持直接比较时被标准化。GWP在原始功能单位可从输入塑料质量线性转换且系统边界可识别时，转换为每千克处理塑料的kg CO2-eq。CED在报告电力、热力、辅助燃料输入和一次能源惯例时，表示为每千克塑料的MJ一次能源。保留化学能定义为ηE?=?Σ(mi?×?HHVi)/(mfeed?×?HHVfeed)?×?100。对于内部热集成情景，工艺能量回收单独计算为ERproc?=?Erecovered for process use/Egross process demand?×?100。两个指标因此独立评估。
每吨报告的质量值转换为千克。基于服务的功能单位，如交付的MJ燃料或吨公里，保留其原始基础，除非足够的产量和产品质量数据允许等效的质量基表达。结果根据其系统边界组织，门到门、摇篮到门和后果性避免负担研究分别评估。区域电力和热力组合、背景数据库、分配方法和替代假设在解释期间被视为研究特定的方法学特征。报告范围被保留，而中点被用作兼容证据组内的描述性值。综合因此报告可用证据的方向和范围，而非合并的元分析效应。基于上述定义的方法学和技术组件，所选研究根据引用代码、参考文献、期刊、出版年份、地理范围、研究类型和数据类型组织在表1中。该分类提供了所综述证据基础的透明概览，显示了塑料废弃物热解研究的多学科特征，并阐明了用于后续比较分析的数据的范围、类型和来源。二手数据研究的普遍性也突显了许多技术-环境评估对文献衍生假设的依赖，而一手数据研究的有限数量表明直接跨研究验证的反复出现的局限性。大多数来源是综述或没有明确定义地理范围的研究；因此，区域比较未被作为单独的定量类别处理。地理背景在其影响电力和热力供应、废物组成、基础设施、法规或工艺实施时被考虑。语料库包括41篇综述、18项LCA标记研究、8项概念研究和3项实验研究。另外，66项研究主要依赖二手数据，4项使用一手数据。研究类型和数据来源独立编码：4项一手数据研究包括2项实验研究和2项LCA研究。
比较评估方法
本综述的方法学方法旨在将异质文献数据组织成结构化的技术-环境比较。首先，所综述研究根据塑料废弃物热解系统的技术成熟度和规模进行分类，从概念和实验室规模研究到中试、连续和工业相关配置。这种规模分层分类是必要的，因为工艺性能、能源需求、热集成潜力、尾气利用、产品回收和成本结构在放大过程中可能发生显著变化。
在此初始分类后，所综述的热解系统根据关键技术和操作参数进行比较，包括热解与催化操作、反应器配置、操作温度、原料类型和产品分布。此步骤允许综述考察工艺设计和操作条件如何影响不同热解配置中的油、气、焦炭和化学品产量。特别关注反应器连续性、催化剂使用、原料灵活性以及每个系统支持能量回收或下游产品利用的能力。
定量比较在由原料类别、产品基础、操作模式、规模和环境边界定义的兼容组内进行。由于所综述技术产生不同输出，油产量、单体回收、合成气生产和回收聚合物被分析为途径特定指标。GWP、CED和工艺能量回收值在共享足够相似功能单位和系统边界的组内进行比较。
产品质量评分被开发为用于比较所报道产品的潜在用途和下游要求的半定量指标。其包括四个标准：应用广度、选择性和稳定性、提质要求以及替代潜力。每个标准使用预定义锚点和数据提取期间记录的证据从0到100评分。基线评分计算为四个标准的算术平均值：PQS?=?0.25A?+?0.25S?+?0.25U?+?0.25R。
等权重提供通用参考案例。遵循既定MCDA实践，附加情景将一个标准的权重增加至0.40，并为其余每个标准分配0.20的权重。所得评分和排名的变化用于检验其对所选权重的敏感性。PQS提供所综述证据内产品质量和提质要求的比较度量，不代表对特定燃料、炼油厂、聚合物或合成气标准的符合性。
技术成熟度组织为五个证据组：概念系统（TRL 1–2）、实验室间歇系统（TRL 3–4）、实验室或早期中试系统（TRL 5）、连续中试系统（TRL 6–7）和工业系统（TRL 8–9）。对应的基线成熟度评分为20、40、50、70和90。还考察了两种替代归一化。中点归一化计算为((中点???1)/8)?×?100，给出6.25、31.25、50、68.75和93.75的评分，而序数尺度给出0、25、50、75和100。比较这些尺度显示归一化选择如何影响配置排名。所得成熟度指标代表可用证据支持的成熟度组。
部署评分结合液体产量性能、PQS和分组成熟度评分。产量代表可回收可冷凝输出，PQS描述产品可用性和提质要求，成熟度反映已证明的规模和连续运行。经济绩效被单独考虑，因为可比成本数据并非对所有配置一致可用。部署评分?=?wY(产量)?+?wP(PQS)?+?wT(分组成熟度评分)，其中wY?+?wP?+?wT?=?1。基线计算为三个维度分配等权重。附加情景为产量、PQS或成熟度分配0.50权重，其余两个维度各0.25。配置排名连同其在这些情景中的稳定性一起评估。
80至100的评分表示高比较性能，60至79的评分表示中高绩效，40至59的评分表示发展中或有限绩效，低于40的评分表示适用性受限。小于五分的差异被视为不确定，因为类别定义、来源质量和缺失数据存在不确定性。
CED和工艺能量回收基准带在成熟度组水平用作描述性摘要。图3显示了可用证据在这些组中的覆盖范围。图4呈现了基于按温度带分组的五个平均油产量的探索性线性拟合，连同样本量、方程、95%置信区间和p值。由于拟合基于聚合带均值，其描述了观察到的温度相关模式，但不分离原料、催化剂、反应器设计、加热速率或停留时间的影响。
局限性与问题
基于所综述研究中报告的信息以及本综述的范围和目标，识别出若干局限性和反复出现的问题，应在未来研究中解决。
技术细节不足
所综述文献以不同技术细节水平描述热解系统。反应器配置、操作条件、催化剂使用、产品回收、提质工艺和排放控制设备在一些研究中详细报告，而其他研究主要呈现总体产量、能量平衡或环境结果。这种变异影响不同配置的技术、环境和技术经济绩效的解释。大多数运行数据也涉及短期实验室活动，关于长期运行时间、催化剂更换、清洁要求、腐蚀、结垢、污染物控制效率和商业容量因子的信息较少。
方法学选择的异质性
环境结果取决于每项研究中使用的方法学框架以及工艺性能。系统边界、功能单位、分配方法、能量集成假设和替代信用决定了包含哪些输入、输出和避免产品。电力和热力供应、背景数据库、分析方法、原料准备和产品定义进一步引入所报道结果之间的差异。这些特征因此在组织证据进入可比组和解释环境指标范围时被考虑。
对下游产品使用的考虑有限
热解油、气和焦炭的预期用途影响其环境价值和应用前所需的提质工艺。许多研究集中于转化阶段，并通过简化的燃料或原料替代假设表示下游使用。炼油厂、蒸汽裂解装置、燃料或材料应用的评估需要关于沸程、稳定性、卤素和金属含量、氧、氮和硫浓度、酸度和残渣形成的信息。液体产量和HHV描述产品数量和能量含量，但单独不足以确定对下游规范的符合性。
地理和制度局限性
大多数来源是没有明确定义区域背景的综述或建模研究。电力和热力供应、废物收集和分选实践、监管要求、燃料标准、基础设施和融资条件在不同地点之间变化，因此被视为边界条件。区域影响定性讨论，而非作为特定地点估计呈现。
研究差距
近期综述已考察原料异质性、污染物控制、催化机制和再生、反应器放大、产品表征、提质、LCA方法和工业集成。其发现表明热解性能取决于工艺条件、产品要求、环境假设和技术实施条件之间的相互作用。
本综述将这些证据类型在可比分析边界内汇集在一起。实验指标在功能输出和系统边界兼容时与GWP和能源指标一起考察。产品质量评分、分组成熟度评分和部署评分使用定义评分标准和敏感性案例提供产品可用性、技术成熟度和部署潜力的半定量度量。该方法支持跨成熟度水平和替代处理路线的比较，同时考虑原料准备、工艺连续性、油品质量要求、排放控制、许可、市场准入和区域能源条件。
综合分析确定了五个进一步研究优先事项：使用1?kg进入塑料作为共同参考流开发研究级LCA和TEA数据集，系统边界、分配方法、电力和热力供应、背景数据库、提质要求和替代假设分别报告；调查现实混合塑料流的催化剂再生和污染物控制策略，包括活性损失、焦炭形成、再生能量、催化剂更换、分级脱氯、腐蚀、氯分布和处理残渣；测量结垢、堵塞、蜡和焦炭处理、维护要求、运行可用性和排放控制性能的长期连续试验；连接沸程、稳定性、污染物浓度、加氢处理强度和氢需求与炼油厂或蒸汽裂解装置接受度、TEA和LCA结果的产品准入研究；反映收集和分选系统、电力和热力供应、法规、基础设施和融资条件差异的区域模型。
结果与讨论
塑料热解技术概览
结果通过所选70项研究在技术、操作和环境维度上的结构化分类进行组织。反应器设计、工艺规模、原料组成、产品定义和所报道性能的差异用于在比较前形成主要证据组。该分组支持对所综述系统的性能模式、工艺驱动因素和技术成熟度的评估。在70个来源中，41篇是综述，3项被分类为实验研究，4项使用一手数据。这些计数描述单独的分类维度。建模、LCA和证据综合研究因此比长期实验调查更常见。这些证据类型服务于互补目的：一手研究提供运行和性能数据，而综述和二手分析支持技术映射、方法学选择比较和反复出现趋势的识别。数值发现因此在兼容证据组内并相对于底层数据的来源进行解释。
具体而言，综述研究根据以下关键参数进行分类：反应器配置（固定床、流化床、回转窑、间歇/半间歇、FCC型/工业）、运行模式（连续、非连续）、处理途径（热解、催化）、原料类型（混合塑料、聚烯烃（PE/PP）、PS、PET、PVC/共混物、轮胎、MSW/RDF、纺织品）、产品类别（油、气、化学品、碳/焦炭、能源）、技术成熟度组（第1组–概念（TRL 1–2）、第2组–实验室间歇（TRL 3–4）、第3组–实验室/中试（TRL 5）、第4组–连续中试（TRL 6–7）、第5组–工业（TRL 8–9））、能源绩效指标（累积能源需求（CED, MJ kg?1塑料）、保留化学能ηE（%）、工艺能量回收ERproc（%））。
这种多标准聚类框架对于将多样的实验、建模、综述和LCA研究体转化为连贯的比较结构至关重要。通过整合技术和基于绩效的指标，分析不仅捕捉转化效率和产品分布趋势，还捕捉文献中的能源绩效和规模进展。
表3映射了所综述系统的反应器配置、运行模式、催化剂、原料、产品重点和TRL组。能源信息根据其底层证据呈现，区分研究特定数据、规模组基准和未报告能源数据的情况。
证据集中在早期和中间成熟度水平：29项研究被分配到概念组，3项到实验室间歇，22项到实验室或中试，14项到连续中试，2项到工业系统。图3呈现了该分布并显示了每个成熟度组的相对覆盖范围。CED和工艺能量回收基准被解释为组级描述符，而技术成熟度与能源绩效之间的关系从可用来源级证据评估。中试和工业系统的长期能量平衡报告频率较低。
实验与工艺见解
实验性能随原料组成、温度、催化剂、反应器配置和产品定义而变化。表4总结了前述表格中呈现的与原料和温度组相关的观察性能范围。这些值描述所报告证据的范围，用作描述性界限而非合并估计或统计置信区间。
