《Bioresource Technology》：Advances in municipal solid waste derived synthesis gas treatment: Techniques and applications for production of selected fuels & chemicals
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市政固体废物气化产合成气需解决焦油、颗粒物、硫氮氯污染物去除问题，热温态净化技术可减少能耗并提升整体效率。本文系统评估合成气净化机制与性能，分析其转化为甲醇、航空燃料及化学品所需的净化阈值，并与生物质、煤等原料的气化特性对比，提出循环经济框架下的规模化应用路径。
作者：Shakil Ahmed Jiskani、Ming Zhao、Abdul Raheem、Ghulam Tariq、Zhao Jia Ting、Zhiwen Chen
单位：清华大学环境学院，中国北京100084
摘要
将城市固体废物（MSW）转化为碳中性燃料对于推动循环经济和可持续生物经济发展至关重要。气化是一种有前景的MSW增值热化学方法，但其实际应用受到焦油、颗粒物、硫、氮和氯等污染物的不可避免产生的限制。因此，要获得高质量的合成气，既需要最大化气化效率，也需要实施有效的净化策略。本文详细评估了合成气净化的最新进展，特别关注能够减少热损失并提高整体工艺效率的热处理和温处理技术。文章详细探讨了颗粒物、焦油、硫、氮和氯的控制方法及其去除机制和性能。同时，还分析了净化后的合成气转化为燃料和增值化学品的过程，强调了关键催化路径所需的特定净化阈值。通过对MSW与其他替代原料的比较分析，进一步明确了废物衍生合成气所面临的独特挑战。总体而言，本文提供了关于先进合成气净化技术的综合视角，并为未来技术发展提供了指导。
引言
由于城市化进程加快、废物产生量增加以及对能源需求的不断增长，可持续废物管理变得越来越重要（Sun等人，2020年）。几十年来，填埋和焚烧一直是处理MSW的主要方法。然而，填埋方法存在温室气体排放、占用大量土地以及渗滤液处理难题等显著问题（Ram等人，2021年）。尽管焚烧是目前最常用的MSW处置方式，且可以同时产生蒸汽和电力，但其广泛应用受到高额资本投入、高运营成本和规模经济限制的制约（Alao等人，2022年）。2020年，全球MSW管理的直接支出达到2523亿美元，预计随着废物量的持续增加，这一数字还将上升。将循环经济（CE）原则融入废物管理，为降低长期成本和提高资源利用效率提供了有效途径（联合国环境规划署，2024年）。图1展示了三种情景下的MSW管理成本预测，突显了到2050年实施循环经济可能带来的经济效益。
气化是一种灵活的热化学技术，能够处理多种原料（Saidi等人，2020年），包括生物质（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气化（Ferreira等人，2021年；Martinez等人，2020年）因能够提高合成气的热值、减少焦油生成并降低下游转化前的杂质含量而受到全球关注。合成气本身是一种多功能中间体，可用于发电和供热，或进一步提纯为化学品和运输燃料（Aker和Ayas，2024年）。
与依赖烟气处理系统的焚烧不同，气化过程能够捕获并去除污染物，从而降低能源和运营成本，同时通过限制有害排放减少环境影响（Segneri等人，2022年）。与传统的焚烧方法相比，气化在处理MSW方面更具效率和灵活性。然而，MSW的异质性和可变性质给气化技术的选择和优化带来了挑战，尤其是与煤炭或生物质等更均匀的原料相比。本文重点探讨了与合成气净化相关的MSW气化特性，而非文献中已详细阐述的一般气化原理。
迄今为止，仅有少数综述论文同时涉及MSW衍生合成气的净化及其后续转化问题。例如，Wang等人（2023年）研究了合成气质量、焦油生成及矿物转化情况，以及工业应用中MSW气化规模化的挑战；Lee（2022年）总结了MSW气化的最新进展，包括合成气改进、新兴净化技术及最终处置策略。表1总结了这些研究的范围、合成气净化要求及局限性。尽管有这些研究贡献，但现有文献对实现燃料和化学品合成所需的特定净化要求关注较少。因此，本文重点关注合成气净化的最新进展，特别是热处理和温处理技术，并详细分析了将MSW衍生合成气转化为甲醇、可持续航空燃料、合成天然气以及醇类和聚合物前体等化学品所需的净化阈值。
合成气净化技术
合成气净化至关重要，因为气化过程中不可避免会产生焦油和多种污染物，如氯（Cl）、硫（S）、氨（NH?）、汞和灰分。这些物质会污染设备、腐蚀部件或使催化剂失活，从而影响下游工艺（如费托合成（FTS）或燃气轮机发电）。尽管气化技术有所进步，但仍需有效净化。
合成气处理及特定应用的净化要求
气化可将低价值原料转化为具有可用热值的气态产品，具有商业应用潜力。经过适当净化和提纯后，合成气可用作燃气轮机或发动机的燃料，用于发电；也可作为合成甲醇、塑料单体、醇类及其他石化和精炼行业相关化学品（如氨和合成燃料）的原料。合成气的净化要求因应用场景而异。
MSW气化与其他原料的比较
虽然MSW、生物质和煤炭的气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对合成气产量、杂质成分及下游转化过程带来了不同挑战。对比这些原料有助于了解MSW转化的独特难度及其在循环经济中的价值。
生命周期评估（LCA）与技术经济分析（TEA）
通过气化路线将废物转化为甲醇具有双重优势：首先避免了填埋处理；其次，合成甲醇等可持续燃料可减少二氧化碳排放。与传统化石原料基甲醇生产相比，这种方法可降低约94%的二氧化碳排放（Alessia等人，2021年；Sun等人，2022年）。
未来展望
尽管MSW气化和合成气净化技术取得了显著进展，但仍存在若干科学和工程挑战，限制了其大规模应用。未来研究应从实验室规模评估转向机制理解、工艺集成以及在实际MSW条件下的长期运行稳定性研究。
结论
本文总结了MSW气化面临的关键挑战，特别是针对特定下游应用（如燃料和化学品合成）的合成气净化要求。最新的热处理和温处理技术进展旨在减少传统冷净化过程中的热损失，并消除下游转化前的加热需求。高温过滤和催化焦油重整技术为此提供了有效解决方案。
作者贡献声明
Shakil Ahmed Jiskani： 负责撰写、审稿和编辑工作，以及资金争取。
Ming Zhao： 负责撰写、审稿和编辑工作。
Abdul Raheem： 负责撰写、审稿和编辑工作。
Ghulam Tariq： 负责撰写、审稿和编辑工作。
Zhao Jia Ting：
Zhiwen Chen： 负责撰写、审稿和编辑工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（普通项目）[资助编号：52270126]的支持。
