采用两阶段气化工艺对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）进行强化CO?气化处理，以生成富含CO且不含焦油的合成气

《Journal of Environmental Management》：Enhanced CO 2 gasification of polyethylene terephthalate using a two-stage gasification process to produce CO-rich and tar-deficient syngas

两阶段气化工艺有效提升二氧化碳制一氧化碳效率，通过流化床气化与活性炭裂解反应器串联，解决传统二氧化碳气化中转化率低和焦油积累问题，在100%二氧化碳条件下实现80%以上CO浓度和1.03 kg/kg干基CO产率，碳利用效率达57-64%。

　　

朴哲宇|宋承浩|金正宇|金周植

首尔大学环境工程研究生院，韩国首尔东大门区Siripdaero 163号，邮编02504

摘要

本研究证明，由流化床气化炉和装有活性炭的焦油裂解反应器组成的两阶段气化工艺能够稳定高效地气化聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。传统的流化床CO₂气化工艺由于气体-固体停留时间有限以及CO₂本身的反应性较低，通常会导致CO₂转化率较低。相比之下，本发明的两阶段工艺首先将PET衍生的焦油固定在活性炭上，然后促进其与CO₂的反应，从而增强了Boudouard反应。在100%体积分数的CO₂条件下，该系统表现出优异的性能，产生了CO浓度高达80%的合成气，CO产率为每千克干原料1.03千克，同时减少了炭的形成。碳利用效率达到了57-64%，表明大部分输入的CO₂成功转化为合成气中的碳。此外，当焦油裂解反应器温度超过800°C时，焦油产量降至每千克干原料3-7克，证实了这种配置有效缓解了传统上限制CO₂塑料气化的焦油相关问题。这些发现表明，两阶段工艺克服了CO₂流化床气化的固有局限性，为PET的回收和CO₂的利用提供了一条实用途径。CO₂转化为CO的显著提高进一步凸显了CO₂气化作为一种生产高纯度CO的有前景的方法的潜力，同时有助于实现碳循环。

引言

由于塑料的便利性和卫生性，全球塑料消费量稳步增长，在COVID-19疫情期间更是急剧增加（Peng等人，2021年）。因此，开发环境可持续的解决方案以减轻塑料废物带来的负面影响已成为现代社会面临的关键挑战。人们对塑料污染的认识不断提高，促使人们采取多种措施来预测未来趋势并制定有效的管理策略（Dokl等人，2024年）。这些研究的一个共同结论是，需要一种超越传统回收方法的综合方法（Jiang和Bateer，2025年）。虽然机械回收、使用生物塑料以及减少塑料消费等策略已经得到了广泛研究，但本研究旨在通过关注热化学转化过程来为塑料废物管理中的循环经济做出贡献。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为本研究的原料，是一种广泛用于制造瓶子、包装材料和纺织品的塑料（Geyer等人，2017年）。PET约占全球塑料产量的10-12%，显示出其广泛的应用和经济重要性（Ellis等人，2021年）。目前，PET主要通过粉碎、清洗、干燥和重新熔化的机械过程进行回收。然而，机械回收存在固有的缺点：反复处理会导致聚合物链的热降解，从而降低材料质量和机械性能（Joseph等人，2024年）。实验研究表明，回收的PET在第一次回收循环后断裂伸长率大幅下降，仅保留了初始值的约35%，到第五次循环时几乎完全失去了机械完整性（López等人，2014年；Thiounn和Smith，2020年）。此外，机械回收通常仅适用于干净的PET废物，严重污染或机械损坏的PET不适合回收。这些局限性凸显了迫切需要超越传统机械方法的替代回收途径。在化学回收方法中，气化是一种处理废弃PET的有前景的方法，最近包括使用机器学习进行PET气化研究在内的多项研究已经开展（Li等人，2023年；Hasanzadeh和Azdast，2024年）。然而，由于焦油形成的挑战，PET气化的相关研究仍然有限（Li等人，2021年）。PET含有芳香结构，如苯环，这些结构会促进大量三级焦油的生成，导致难以处理的焦油过量产生，从而引发操作问题，例如气化过程堵塞（Wolfesberger-Schwabl等人，2012年）。为了解决焦油形成和反应器堵塞等问题，我们积极研究了活性炭（AC）的应用（Choi等人，2021年；Kim等人，2023年）。由于其高比表面积，AC不仅可以吸附焦油，还可以促进其分解，从而提高合成气的产量和质量。此外，AC的微孔结构延长了反应物的停留时间，有利于促进相对缓慢的反应。同时，各种气化剂已被应用于气化过程中，包括空气、纯氧和蒸汽。最近，由于对气候变化缓解的兴趣增加，捕获的二氧化碳（CO₂的利用受到了广泛关注（Chan等人，2021年），同时无碳燃料如氢气和氨气的采用也在增加（Liu等人，2025年）。在这方面，许多研究探讨了使用CO₂作为气化剂的应用（Islam，2020年；Parvez等人，2020年）。然而，CO₂在气化中的使用伴随着技术挑战（Shen等人，2019年）。在CO₂气化过程中，观察到引入反应区的CO₂有相当一部分未发生反应（Guizani等人，2015年）。由于CO₂的热力学稳定性和低反应性，通过Boudouard反应（BR）有效转化CO₂通常需要高温和较长的停留时间，从而增加了能源消耗和运营成本（Lahijani等人，2015年；Sadhwani等人，2016年；Zhang等人，2020年）。尽管研究有限，但已经有人研究了PET的CO₂气化。Wang等人（2020年）在固定床反应器中使用了300克PET原料，在800至950°C的温度范围内进行了CO₂辅助气化，持续约50分钟。他们报告称，提高反应器温度可以提高H₂、CO、CH₄和总合成气的产率。本研究通过在首尔大学（UOS）的两阶段气化过程中应用AC，同时解决了PET气化中的焦油相关问题和CO₂作为气化剂的低反应性问题。由于AC的高吸附性和延长停留时间的能力，预计它将在克服这些限制方面发挥关键作用（Vreugdenhil等人，2009年）。两阶段工艺包括两个串联的反应器：流化床气化炉（FBG）和焦油裂解反应器（TCR）。这种工艺旨在缓解焦油问题，已广泛应用于生物质和塑料气化（Jeong等人，2020年；Kim等人，2022年；Song等人，2025年），并在去除焦油方面表现出优异的性能。在仅使用FBG的传统气化过程中，由于CO₂的反应性和FBG的固有特性（特别是颗粒与气体之间的短停留时间），很少尝试CO₂气化。此外，低于1000°C的塑料气化通常会产生大量焦油，使操作变得复杂。因此，使用FBG进行CO₂塑料气化的例子很少。然而，带有AC的两阶段气化工艺预计可以通过增加反应时间来提高CO₂的转化率，因为系统分为两个区域，AC应用于第二阶段。在本实验中，监测了合成气组成和焦油生成随反应条件的变化，以评估CO₂气化PET的有效性。这些发现有望为PET废物的可持续利用途径的发展做出贡献，迄今为止PET废物主要通过机械回收进行管理。

部分内容

原料和活性炭

本研究中使用的原料是TK Chemical Corporation（韩国）提供的 virgin PET颗粒。这些颗粒也在之前的研究中使用过（Kim等人，2023年），呈椭圆形，长轴约为2毫米，短轴约为1毫米。原料的规格见表1。

对原料的初步分析显示，该物质主要由挥发性物质组成（97%重量）。最终分析显示...

关于流化介质中CO₂比例和流化数的质量平衡

根据前一节所述，分别根据反应变量建立了质量平衡。表4展示了研究流化介质中CO₂比例和流化数影响的实验结果和产物分布。表S1的补充材料中给出了包括未反应CO₂在内的产物分布。表4中的产量表明每种产物的生成量...

结论

本研究使用由流化床气化炉（FBG）和装有活性炭（AC）的焦油裂解反应器（TCR）组成的两阶段工艺，研究了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的CO₂气化。主要发现总结如下：

(1)

随着流化介质中CO₂含量的增加，气体产量、CO产量和合成气中的CO含量显著提高。

(2)

在100% CO₂条件下，气体产量、CO产量和合成气中的CO含量达到每千克干PET 1.18千克、1.03千克...

作者贡献声明

朴哲宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，研究，数据分析，概念化。宋承浩：验证，方法论，研究，数据分析。金正宇：验证，方法论，数据分析。金周植：撰写 – 原稿，监督，资源获取，资金筹集，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。