《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Clean hydrogen production via waste plastic-biomass co-gasification with carbon capture and sequestration: Techno-economic and environmental assessment under policy frameworks
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生物质与废塑料共气化结合碳捕集与封存（CCS）为清洁氢能生产提供了可行路径。本研究通过过程建模、 techno-economic 分析和生命周期评估（LCA），考察了不同混合比例和操作条件下的经济与环境效益。结果表明，在40%废塑料混合比例下结合CCS，平准化氢成本（LCoH）可降至1.11美元/千克，符合IRA第45V清洁氢能层级标准。生物质丰富的系统在IRA 45V政策下更具经济性，而废塑料丰富的系统则更适合IRA 45Q政策。研究强调需整合TEA-LCA与政策分析，以全面评估新兴氢能技术。
张敏珠|柳俊在
首尔大学化学工程系，韩国首尔02504
摘要
生物质与废弃塑料的共气化结合碳捕获与封存（CCS）技术为清洁氢气生产提供了一条有前景的途径，因为它结合了生物质的负排放潜力以及废弃塑料带来的更高氢气产量和废物管理优势。然而，在新兴的清洁氢气政策下，该技术的经济可行性仍不明确。本研究开发了一个详细的稻壳与废弃聚丙烯共气化过程模型，包括上下游单元和热集成设计。通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），在有无CCS的情况下，研究了不同混合比例和操作条件下的可行性。综合TEA-LCA-政策评估表明，在40%的塑料混合比例下，采用CCS时氢气的平准化成本（LCoH）可降至1.11美元/千克氢气，符合美国《通胀削减法案》第45V条规定的清洁氢气标准。富含生物质的系统在IRA 45V政策下更具优势，而从经济角度来看，富含塑料的系统则更适合IRA 45Q政策。这些结果强调了在适当的政策激励下，共气化结合CCS技术可以提供具有成本竞争力的清洁氢气，这突显了将TEA-LCA与政策分析相结合进行综合评估的必要性。
引言
我们的社会正在向脱碳转型，这一进程已得到众多政策和技术的推动。到2050年实现净零排放，即大气中的二氧化碳排放量与吸收量达到动态平衡，是全球可持续发展的共同目标之一。因此，所有行业都在积极寻找能够有效实现脱碳的技术。在能源领域，氢气因其多功能性和作为能源载体时的环境效益而备受关注。
与化石燃料不同，氢气在燃烧发电时不会产生污染物。氢气具有优异的单位质量能量存储能力（约33千瓦时/千克氢气），使其成为未来的理想能源载体。此外，氢气可通过电解水产生，这种方法在长期储能方面比传统电池更具经济效益。氢气还可以从多种原料中制备，包括天然气重整、重质原油的部分氧化或水电解。
尽管氢气可以通过多种途径生产，但只有经济上可行且环境友好的方法才能真正有助于实现净零排放。为了区分不同途径生产的氢气，通常根据其来源将其分类为“绿色”、“蓝色”和“灰色”氢气。绿色氢气是通过可再生能源电解水产生的，是最可持续的途径。蓝色和灰色氢气均通过碳基原料重整制得，但蓝色氢气采用了碳捕获与封存（CCS）技术来减少排放，而灰色氢气则没有。尽管绿色氢技术在近期取得了显著进展，但在技术和经济方面仍面临挑战，难以满足短期和中期对清洁氢气的需求。因此，考虑到蓝色氢气的技术成熟度和规模化潜力，它被视为在绿色氢气普及之前的关键过渡技术。
来自传统化石原料（如天然气或煤炭）的蓝色氢气存在固有的可持续性问题，因为原料提取过程中会产生大量排放。此外，这些原料的价格受全球能源供应链波动的影响较大，导致生产过程面临价格风险。相比之下，利用废弃塑料和生物质等废弃物原料生产的氢气是一种可持续的解决方案，因为这些途径不仅原料价格具有竞争力，排放量也较低，同时还能有效管理废弃物。
气化是一种将含碳材料转化为主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的合成气的热化学过程，是生产氢气的主要技术之一，尤其适用于处理各种原料（包括煤炭、生物质和废弃塑料）。近年来，由于现代社会产生大量废弃物塑料，针对生物质和废弃塑料的气化研究尤为活跃。虽然生物质原料的氧含量较高，但其环境优势显著，因为其中所含的碳被视为生物源二氧化碳，可免除净排放要求。结合CCS技术，捕获生物源二氧化碳可实现负排放，从而有效减少碳排放。废弃塑料原料富含碳和氢，是气化生产氢气的理想原料。研究人员致力于优化工艺条件和开发催化剂以提高氢气产量。此外，也有研究针对实际废弃物混合物进行了气化研究。
除了单一原料的气化外，由于生物质和塑料共气化的独特优势，也从多个角度对其进行了研究。实验和建模研究表明，两者共气化在提高氢气产量方面具有协同效应。此外，已在试点规模上验证了共气化的可行性，并探索了结合二氧化碳捕获和利用的生物质-废弃塑料共气化系统。
尽管共气化已被证明是可行的氢气生产方法，但整体工艺的可行性不能仅凭气化器性能来判断。可靠的评估需要考虑上游预处理、下游气体净化和升级、能源集成策略，以及进一步的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）。已有研究对单一原料（生物质和废弃塑料）及共气化的TEA和LCA进行了分析。然而，现有研究往往局限于特定条件或缺乏全面的政策考量。我们认为，评估新兴清洁技术需要一个更广泛的框架，将工艺性能与政策影响结合起来。政策框架下的激励措施（如美国通胀削减法案第45V条和欧盟RED II计划）会对工艺的经济可行性和吸引力产生重大影响。具体而言，IRA第45V条为低碳强度氢气提供奖励，而第45Q条则根据捕获和储存的二氧化碳量提供税收优惠。这些政策对结合CCS的共气化过程至关重要，只有通过综合TEA、LCA和政策分析才能进行全面评估。
因此，本研究通过工艺建模、TEA、LCA（包括有无CCS的情况）以及多种政策框架，对稻壳与废弃聚丙烯的共气化过程进行了全面分析，以评估清洁氢气的生产潜力。与以往研究不同，本研究提供了三项关键贡献：（1）针对不同原料混合比例优化工艺条件；（2）比较不同政策框架（IRA第45Q条和第45V条）下的经济效益；（3）确定通过共气化生产高级别清洁氢气的可行设计和操作策略。这些成果为技术开发商和政策制定者提供了决策支持。
在第2节中，我们对氢气生产的共气化过程进行了建模和模拟，包括原料预处理、气化反应器、合成气净化、合成气升级及能源集成系统。第3.1节分析了关键工艺参数对工艺性能的影响，第3.2节确定了最大化氢气产量的最佳操作条件，第3.3节进行了详细的TEA分析，得出了无CCS情况下的氢气平准化成本（LCoH），并提供了成本分解和敏感性分析。第3.4节评估了无CCS的基准情景，强调了CCS在满足清洁氢气政策碳强度要求中的重要性。第3.5节研究了不同政策下CCS的整合效果。最后，分析了未来可再生能源背景下共气化过程的潜力。
规格与假设
本研究使用Aspen Plus软件V14。由于模拟在高温（>500℃）和高压（>20巴）条件下进行，采用了Peng-Robinson状态方程的Boston-Mathias修正版（PR-BM）作为属性计算方法。生物质、废弃塑料和灰分被归类为“非常规（NC）”组分类型，并使用DCOALIGT和HCOALGEN方法计算了它们的密度和焓值。
结果与讨论
本节总结了共气化过程的综合分析结果。首先分析了关键工艺参数对气化性能的影响，然后确定了最大化氢气产量的最佳操作条件，并制定了相应的能源集成策略。
结论
本研究通过模拟、优化设计以及综合技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），结合政策框架（IRA第45Q条和第45V条），对废弃塑料-生物质共气化过程进行了全面分析。模拟结果表明，当料比（ER）、蒸汽与原料比（SFR）和塑料含量（FPC）发生变化时，会对合成气性能产生显著影响。
作者贡献声明
张敏珠：撰写初稿、可视化、验证、方法论研究、数据分析、概念构建。柳俊在：审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（RS-2025-25427032），同时也得到了韩国政府（MSIT）的资助（RS-2025-02306122）。
