《Bioresource Technology》：Advances in municipal solid waste derived synthesis gas treatment: Techniques and applications for production of selected fuels & chemicals
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市政固體廢物氣化產(chǎn)合成氣需解決焦油、顆粒物、硫氮氯污染物去除問題，熱溫態(tài)凈化技術(shù)可減少能耗并提升整體效率。本文系統(tǒng)評(píng)估合成氣凈化機(jī)制與性能，分析其轉(zhuǎn)化為甲醇、航空燃料及化學(xué)品所需的凈化閾值，并與生物質(zhì)、煤等原料的氣化特性對(duì)比，提出循環(huán)經(jīng)濟(jì)框架下的規(guī)模化應(yīng)用路徑。
作者：Shakil Ahmed Jiskani、Ming Zhao、Abdul Raheem、Ghulam Tariq、Zhao Jia Ting、Zhiwen Chen
單位：清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，中國(guó)北京100084
摘要
將城市固體廢物（MSW）轉(zhuǎn)化為碳中性燃料對(duì)于推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。氣化是一種有前景的MSW增值熱化學(xué)方法，但其實(shí)際應(yīng)用受到焦油、顆粒物、硫、氮和氯等污染物的不可避免產(chǎn)生的限制。因此，要獲得高質(zhì)量的合成氣，既需要最大化氣化效率，也需要實(shí)施有效的凈化策略。本文詳細(xì)評(píng)估了合成氣凈化的最新進(jìn)展，特別關(guān)注能夠減少熱損失并提高整體工藝效率的熱處理和溫處理技術(shù)。文章詳細(xì)探討了顆粒物、焦油、硫、氮和氯的控制方法及其去除機(jī)制和性能。同時(shí)，還分析了凈化后的合成氣轉(zhuǎn)化為燃料和增值化學(xué)品的過程，強(qiáng)調(diào)了關(guān)鍵催化路徑所需的特定凈化閾值。通過對(duì)MSW與其他替代原料的比較分析，進(jìn)一步明確了廢物衍生合成氣所面臨的獨(dú)特挑戰(zhàn)。總體而言，本文提供了關(guān)于先進(jìn)合成氣凈化技術(shù)的綜合視角，并為未來技術(shù)發(fā)展提供了指導(dǎo)。
引言
由于城市化進(jìn)程加快、廢物產(chǎn)生量增加以及對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，可持續(xù)廢物管理變得越來越重要（Sun等人，2020年）。幾十年來，填埋和焚燒一直是處理MSW的主要方法。然而，填埋方法存在溫室氣體排放、占用大量土地以及滲濾液處理難題等顯著問題（Ram等人，2021年）。盡管焚燒是目前最常用的MSW處置方式，且可以同時(shí)產(chǎn)生蒸汽和電力，但其廣泛應(yīng)用受到高額資本投入、高運(yùn)營(yíng)成本和規(guī)模經(jīng)濟(jì)限制的制約（Alao等人，2022年）。2020年，全球MSW管理的直接支出達(dá)到2523億美元，預(yù)計(jì)隨著廢物量的持續(xù)增加，這一數(shù)字還將上升。將循環(huán)經(jīng)濟(jì)（CE）原則融入廢物管理，為降低長(zhǎng)期成本和提高資源利用效率提供了有效途徑（聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署，2024年）。圖1展示了三種情景下的MSW管理成本預(yù)測(cè)，突顯了到2050年實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益。
氣化是一種靈活的熱化學(xué)技術(shù)，能夠處理多種原料（Saidi等人，2020年），包括生物質(zhì)（Putro等人，2020年）、煤炭（Lv等人，2023年）、碳化材料（Chen等人，2019年）、塑料（Parrillo等人，2023a年）和污泥（Farooq等人，2023年）。其中，MSW氣化（Ferreira等人，2021年；Martinez等人，2020年）因能夠提高合成氣的熱值、減少焦油生成并降低下游轉(zhuǎn)化前的雜質(zhì)含量而受到全球關(guān)注。合成氣本身是一種多功能中間體，可用于發(fā)電和供熱，或進(jìn)一步提純?yōu)榛瘜W(xué)品和運(yùn)輸燃料（Aker和Ayas，2024年）。
與依賴煙氣處理系統(tǒng)的焚燒不同，氣化過程能夠捕獲并去除污染物，從而降低能源和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)通過限制有害排放減少環(huán)境影響（Segneri等人，2022年）。與傳統(tǒng)的焚燒方法相比，氣化在處理MSW方面更具效率和靈活性。然而，MSW的異質(zhì)性和可變性質(zhì)給氣化技術(shù)的選擇和優(yōu)化帶來了挑戰(zhàn)，尤其是與煤炭或生物質(zhì)等更均勻的原料相比。本文重點(diǎn)探討了與合成氣凈化相關(guān)的MSW氣化特性，而非文獻(xiàn)中已詳細(xì)闡述的一般氣化原理。
迄今為止，僅有少數(shù)綜述論文同時(shí)涉及MSW衍生合成氣的凈化及其后續(xù)轉(zhuǎn)化問題。例如，Wang等人（2023年）研究了合成氣質(zhì)量、焦油生成及礦物轉(zhuǎn)化情況，以及工業(yè)應(yīng)用中MSW氣化規(guī)模化的挑戰(zhàn)；Lee（2022年）總結(jié)了MSW氣化的最新進(jìn)展，包括合成氣改進(jìn)、新興凈化技術(shù)及最終處置策略。表1總結(jié)了這些研究的范圍、合成氣凈化要求及局限性。盡管有這些研究貢獻(xiàn)，但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)燃料和化學(xué)品合成所需的特定凈化要求關(guān)注較少。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注合成氣凈化的最新進(jìn)展，特別是熱處理和溫處理技術(shù)，并詳細(xì)分析了將MSW衍生合成氣轉(zhuǎn)化為甲醇、可持續(xù)航空燃料、合成天然氣以及醇類和聚合物前體等化學(xué)品所需的凈化閾值。
合成氣凈化技術(shù)
合成氣凈化至關(guān)重要，因?yàn)闅饣^程中不可避免會(huì)產(chǎn)生焦油和多種污染物，如氯（Cl）、硫（S）、氨（NH?）、汞和灰分。這些物質(zhì)會(huì)污染設(shè)備、腐蝕部件或使催化劑失活，從而影響下游工藝（如費(fèi)托合成（FTS）或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電）。盡管氣化技術(shù)有所進(jìn)步，但仍需有效凈化。
合成氣處理及特定應(yīng)用的凈化要求
氣化可將低價(jià)值原料轉(zhuǎn)化為具有可用熱值的氣態(tài)產(chǎn)品，具有商業(yè)應(yīng)用潛力。經(jīng)過適當(dāng)凈化和提純后，合成氣可用作燃?xì)廨啓C(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，用于發(fā)電；也可作為合成甲醇、塑料單體、醇類及其他石化和精煉行業(yè)相關(guān)化學(xué)品（如氨和合成燃料）的原料。合成氣的凈化要求因應(yīng)用場(chǎng)景而異。
MSW氣化與其他原料的比較
雖然MSW、生物質(zhì)和煤炭的氣化和控制性部分氧化的基本原理相同，但不同原料的固有特性對(duì)合成氣產(chǎn)量、雜質(zhì)成分及下游轉(zhuǎn)化過程帶來了不同挑戰(zhàn)。對(duì)比這些原料有助于了解MSW轉(zhuǎn)化的獨(dú)特難度及其在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的價(jià)值。
生命周期評(píng)估（LCA）與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）
通過氣化路線將廢物轉(zhuǎn)化為甲醇具有雙重優(yōu)勢(shì)：首先避免了填埋處理；其次，合成甲醇等可持續(xù)燃料可減少二氧化碳排放。與傳統(tǒng)化石原料基甲醇生產(chǎn)相比，這種方法可降低約94%的二氧化碳排放（Alessia等人，2021年；Sun等人，2022年）。
未來展望
盡管MSW氣化和合成氣凈化技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，但仍存在若干科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。未來研究應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模評(píng)估轉(zhuǎn)向機(jī)制理解、工藝集成以及在實(shí)際MSW條件下的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性研究。
結(jié)論
本文總結(jié)了MSW氣化面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，特別是針對(duì)特定下游應(yīng)用（如燃料和化學(xué)品合成）的合成氣凈化要求。最新的熱處理和溫處理技術(shù)進(jìn)展旨在減少傳統(tǒng)冷凈化過程中的熱損失，并消除下游轉(zhuǎn)化前的加熱需求。高溫過濾和催化焦油重整技術(shù)為此提供了有效解決方案。
作者貢獻(xiàn)聲明
Shakil Ahmed Jiskani： 負(fù)責(zé)撰寫、審稿和編輯工作，以及資金爭(zhēng)取。
Ming Zhao： 負(fù)責(zé)撰寫、審稿和編輯工作。
Abdul Raheem： 負(fù)責(zé)撰寫、審稿和編輯工作。
Ghulam Tariq： 負(fù)責(zé)撰寫、審稿和編輯工作。
Zhao Jia Ting：
Zhiwen Chen： 負(fù)責(zé)撰寫、審稿和編輯工作。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的可能影響本文研究的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
致謝
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（普通項(xiàng)目）[資助編號(hào)：52270126]的支持。
