稻草和农业塑料的共热解与化学循环共气化用于氢气和电力生产：实验研究及生命周期评估

《Regional Studies in Marine Science》：Co-pyrolysis and chemical looping co-gasification of rice straw and agricultural plastics for hydrogen and power generation: Experimental study and life cycle assessment

协同热解与化学 looping 联合气化技术用于稻壳与聚乙烯农业塑料的高值化能源转化，实验优化PE掺混比例（75:25时气化效率46.86%，碳转化59.09%），情景3和4分别实现16.44kg氢和3.25MWh电力生产，生命周期评估显示其全球变暖潜能值显著低于化石基能源（氢3.87kg CO2-eq/kg，电力0.87kg CO2-eq/MWh），验证了生物质塑料协同处理的环境效益和技术可行性。

　　

梁 Zhao|彭璐东|郭博宇|梁宏鑫|戴颖|陈建标

教育部海洋能源利用与节能重点实验室，大连理工大学能源与动力工程学院，中国大连116024

摘要：

本文实验研究了稻草（RS）和聚乙烯基农业塑料（PE）的共热解和化学循环共气化（CLCG）过程，并通过生命周期评估（LCA）系统地探讨了这些过程作为集成氢气和电力生产的策略。实验在800°C下进行，氧气载体与原料的比例固定为1:1，以评估PE混合比例对产品分布、气体组成和气化性能的影响。使用氧气载体显著提高了合成气产量超过10%，随着PE比例的增加，CH₄和C₂烃类的产量增加，而H₂和CO浓度降低。当RS/PE比例为75:25时，获得了最高的气化效率（46.86%）和碳转化效率（59.09%）。通过能量分析，在情景3和情景4下分别实现了最高的氢气产量（16.44kg）和电力产量（3.25MWh）。基于eFootprint和中国生命周期数据库的LCA显示，情景2产生的氢气和情景4产生的电力的环境影响低于化石燃料，其全球变暖潜能值分别为3.87 kg CO₂-eq/kgH₂和0.87 kg CO₂-eq/MWh。这些发现展示了生物质-塑料共处理的技术可行性和环境效益，为可持续能源发展提供了实际见解。

引言

气候变化已成为21世纪最紧迫的全球挑战之一，主要源于过量的温室气体（GHG）排放。为应对这一危机，2015年《巴黎协定》设定了将全球温度升幅限制在2°C以下的雄心勃勃的目标，并努力将其控制在1.5°C[1]。作为回应，中国承诺在2030年前达到碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和[2]。虽然工业部门被认为是国家排放的主要贡献者，但农业部门也起着关键作用，占中国总温室气体排放量的17%[3]，而在美国这一比例为7%，全球范围内为11%[4]。水稻是中国的主要作物[5]，占全球产量的31%[6]。然而，主要由木质素、纤维素和半纤维素组成的稻草由于其复杂的结构而难以分解[7]。稻草的利用率仍低于20%[8]，露天焚烧现象仍然普遍[8]，这导致了大量的CO₂、CH₄和多环芳烃排放，加剧了空气污染，加速了土壤退化，并增加了火灾风险[9]。同时，农业塑料薄膜（主要是聚乙烯（PE）的不当处理已成为一个紧迫的环境问题。2020年，中国消耗了239万吨农业薄膜，其中回收的比例不到三分之二[10]。这些塑料降解缓慢，破坏了土壤结构和养分循环，并导致微塑料污染，对土壤健康和粮食安全构成威胁[11]。

生物质和塑料的热化学共转化已被广泛研究为这两种固体废物的有效协同利用策略。研究表明，在限氧条件下进行共热解可以充分利用富含氢的聚合物和含氧生物质之间的协同作用。Park等人发现，在共热解过程中胶合板和聚丙烯之间发生了相互作用，从而提高了产品质量[12]。Aboulkas等人报告称，塑料和生物质碎片之间的自由基相互作用增强了共热解过程中的热分解动力学[13]。Deng等人证明，共热解不仅提高了产品产量和热值，还改善了产品的物理化学性质[14]。此外，温度和停留时间等操作参数对调节产品分布起着关键作用[15]，[16]。

尽管有这些优势，单独的共热解过程仍存在焦油生成过多和转化不完全的问题。为了解决这些限制，近年来化学循环气化（CLG）作为一种高效的间接氧化途径受到了越来越多的关注。Wang等人证实，在CLG过程中，基于金属的氧气载体可以提供晶格氧，从而显著提高气体产量[17]。Chen等人报告称，在生物质热解中应用Fe改性的CaO促进了芳香烃的形成[18]。进一步的研究表明，基于铁的氧气载体在生物质衍生合成气气氛中表现出良好的氧化还原活性和结构稳定性[19]，并在循环操作过程中保持高反应性[20]。此外，Zheng等人强调了CLG在提高合成气质量和整体热效率方面的潜力[21]。

在各种氧气载体系统中，基于铁的载体与基于钙的添加剂的组合受到了特别关注。Qi等人证明，基于钙的添加剂通过促进焦油裂解反应提高了CO和H₂的产量，从而提高了整体碳利用率[23]。Huang等人进一步证实了基于钙的添加剂通过焦油重整途径在提高气体产量方面的积极作用[24]。Abdalazeez等人报告称，碱金属可以有效促进基于铁的氧气载体，从而改善气化性能[22]。Cuiping等人也观察到基于钙的添加剂通过促进焦油裂解反应增加了CO和H₂的产量[25]。

同时，生命周期评估（LCA）为评估可再生能源系统的环境和能源性能提供了系统框架。通过量化整个生命周期阶段的资源消耗和排放，LCA有助于识别环境热点并支持系统优化的决策。ISO 14040和14044标准为LCA的应用建立了方法论基础[26]。先前的研究已应用LCA来评估基于生物质的能源路径的环境性能。例如，Ibrahim等人评估了生物质固体燃料系统的生命周期温室气体排放，强调了原料物流的重要性[29]。Wang等人专注于基于农业残留物的联合发电系统，并展示了它们减少对化石能源依赖的潜力[30]。其他研究强调了LCA结果对系统边界和库存假设的敏感性[27]，[28]。尽管共热解和化学循环共气化（CLCG）在农业生物质和塑料废物的共同处理方面显示出明显优势，但其产品的高价值利用及其相关的环境影响尚未得到充分量化，特别是基于实验数据的研究。

尽管已经进行了大量的生物质-塑料共热解和化学循环气化研究，但现有研究大多局限于反应层面的分析，集中在协同机制、动力学、合成气组成或氧气载体性能上。将实验得到的共热解和化学循环共气化（CLCG）数据与全面的环境评估相结合的系统级评估仍然很少。

最近发表在《可再生能源》上的研究主要关注生物质和塑料的共热解以及产品优化[31]，[32]。同时，Peethambaran等人使用Aspen软件对生物质混合物的共气化性能进行了过程建模研究[33]，而Bozta?等人则对化学生产的热化学回收途径进行了系统级的技术经济和环境分析[34]。然而，这些研究通常分别讨论反应尺度行为或基于模型的系统优化，很少将分析扩展到具有实验验证的质量和能量平衡的集成氢-电力生成系统。特别是，基于Fe-Ca的氧气载体辅助的共气化系统的环境影响尚未在系统层面进行系统量化。

与之前发表在《可再生能源》上的工作相比，本研究有三个关键进展：（i）生命周期清单直接基于实验测量的过程数据构建，减少了与通用数据集相关的不确定性；（ii）将基于Fe-Ca的化学循环共气化与下游联合热电（CHP）相结合，能够同时评估氢气和电力的生产；（iii）在现实的工业运行条件下评估环境性能，为大规模实施提供了更可靠的基准。这些改进有助于更清楚地理解过程层面的协同作用和系统层面的可持续性。

在这方面，本研究通过将稻草和农业PE的实验共热解和化学循环共气化与基于实验的生命周期评估框架相结合，提供了独特的贡献。与以往的研究不同，本研究的生命周期清单直接基于实验测量的质量和能量平衡构建，而不是通用的文献数据。应用基于Fe-Ca的氧气载体能够同时提高富含氢的合成气产量，抑制焦油生成，并具有潜在的现场CO₂捕获能力，这尚未从过程和环境角度进行系统评估。此外，通过将CLCG系统与基于实际工业运行数据的下游联合热电（CHP）单元相结合，本研究提供了能源效率、减排潜力和环境性能的全面评估。这些结果为农业生物质和塑料废物的可持续利用建立了可靠的基准，并有助于低碳氢气和可再生能源系统的发展。

部分摘录

稻草和农业塑料

本研究中使用的农业塑料是从中联塑料有限公司购买的聚乙烯（PE）粉末。经过初步处理后，PE粉末被筛分成大约100目的颗粒。样品在强制通风烤箱中于105°C下干燥8小时，然后冷却并密封储存以供进一步使用。稻草（RS）样品采集自中国江苏省南京市的一个农场。

共热解的作用

为了研究稻草（RS）和农业聚乙烯（PE）薄膜共热解过程中的产品分布和气体演变行为，测试了五种不同的原料混合比例（RS:PE=100:0、75:25、50:50、25:75、0:100），分别命名为RS、75RS25PE、50RS50PE、25RS75PE和PE。量化了炭、生物油和不可凝气体的产量，并通过气相色谱分析了气体组成。

如图4(a)所示，结果表明在

结论

本研究提出并系统评估了一种用于稻草和农业聚乙烯（PE）薄膜的集成共热解和化学循环共气化（CLCG）系统，旨在实现农业废物的低碳资源利用。引入基于Fe/Ca的氧气载体将显著提高碳转化效率并优化合成气组成。实验结果表明，在

CRediT作者贡献声明

梁 Zhao：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析。戴颖：可视化、软件、方法论、数据分析。陈建标：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。郭博宇：撰写——初稿、可视化、验证、软件、调查。梁宏鑫：撰写——初稿、软件、方法论、调查。彭璐东：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究的资金支持来自中国江苏省高等教育机构自然科学基金重大项目（24KJA470004）和江苏省的研究生研究与实践创新计划（KYCX25_1749）。