《Journal of the Energy Institute》：Influence of Plastic Co-Feeding on Oxygen Utilization Pathways in High-Temperature Coal Gasification
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针对传统废塑料回收难、固定床/流化床气化碳转化率低及焦油问题，本研究在层流夹带流反应器（LEFR）中开展烟煤与高密度聚乙烯（HDPE）共气化实验。结果表明，塑料挥发物会抢占氧气，虽仅小幅提升煤碳转化率（1-3个百分点），却显著提高合成气中CO/CO2比值（最高达45%），揭示了限氧条件下塑料挥发分部分氧化促进CO生成的机制，为废塑料资源化与气化效率提升提供了新路径。
在全球循环经济浪潮下，堆积如山的废弃塑料正成为环境噩梦，而传统的机械回收常因聚合物降解和污染问题举步维艰。与此同时，成熟的煤气化技术虽然能生产宝贵的合成气（syngas），但其原料灵活性仍有待提升。一个巧妙的想法应运而生：能否将难以回收的废塑料与煤一起进行共气化？这不仅能消纳塑料垃圾，还可能优化气化过程。然而，这一愿景面临一个核心科学难题：塑料衍生的挥发分与煤之间是否存在氧气竞争？这种竞争会如何影响煤的燃烧效率（碳转化率）和合成气的组成（尤其是关键的CO/CO2比值）？以往的研究多集中于较低温度（750-900°C）的固定床或流化床系统，存在碳转化率低、焦油生成多等问题，而对于工业上更主流的高温（1300-1550°C）加压气流床气化炉（EFG）中塑料共给料的影响机制，尤其是氧气分配路径，尚缺乏清晰认知。
为了揭开这一谜底，Afeez A. Kareem与Kevin J. Whitty团队在《Journal of the Energy Institute》发表研究，利用层流夹带流反应器（LEFR）模拟工业气流床环境，深入探究了烟煤与高密度聚乙烯（HDPE）在高温下的共气化行为。研究发现，塑料的加入并未像预期那样“抢走”煤反应所需的氧气导致转化率下降，反而通过独特的氧气竞争机制，在维持甚至微增煤碳转化率的同时，显著提升了合成气中CO的比例，为废塑料高值化利用开辟了新途径。
为实现这一目标，研究人员采用了多项关键技术。实验选用烟煤与典型废塑料HDPE，经干燥、研磨、筛分制备成90-125微米和150-180微米两种粒径范围的样品。核心设备为定制的高温层流夹带流反应器（LEFR），其配备Carbolite高温炉（最高1600°C）、振动式固体燃料进料器、水冷注射探针及淬灭收集探针。反应产物经旋风分离器分离焦渣，再经滤器去除细颗粒，最终由气体分析仪在线检测CO2、CO、CH4及O2浓度，焦渣碳含量则通过LECO SC832碳硫分析仪测定。实验在1300°C和1400°C下进行，控制化学计量比（SR）为0.5，考察了塑料掺混比例（0%-30%）、停留时间（5s、7s）及粒径的影响。煤碳转化率通过基于灰分示踪法的公式计算，重点关注塑料挥发分对氧气分配路径的干扰。
4.1. Effect of gasifier temperature（气化炉温度的影响）
温度升高显著促进了反应。在1300°C基础上提升至1400°C，煤碳转化率仅小幅增加1-3个百分点，主要归因于CO2气化反应（C + CO2? 2CO）的增强。然而，温度对合成气品质影响巨大，CO/CO2比值平均提高了45%。这主要是因为高温推动了逆水煤气变换反应（CO + H2O ? H2+ CO2）向左进行，同时促进了煤和塑料热解产生的大分子气相烃类的裂解，生成更多CO。尽管HDPE热值（46 MJ/kg）高于煤，但因掺混比例有限且总进料量低，其对反应器温度的净提升效应可忽略不计。
4.2. Effect of plastic co-feed（塑料共给料的影响）
这是研究的核心发现。随着HDPE质量分数从0%增至30%，为维持恒定SR=0.5，氧气质量流量需线性增加约9.5%（从6.30 g/h至6.90 g/h）。结果显示，塑料加入对煤碳转化率影响甚微，仅带来1-3个百分点的微弱提升。但CO/CO2比值却随塑料含量增加呈显著上升趋势。机理分析表明，HDPE在约500°C即完全挥发，产生大量不含氧的烃类挥发分。在SR=0.5的限氧条件下，这些挥发分优先消耗了几乎所有可用的氧气进行部分氧化（CxHy+ (x/2 + y/4)O2→ xCO + (y/2)H2O），而非完全氧化生成CO2，从而导致CO/CO2比值大幅上升。氧气利用计算证实，在实验条件下，挥发分燃烧几乎耗尽所有输入氧气，几乎没有剩余氧气用于焦炭（char）的直接氧化，焦炭转化转而依赖CO2-焦炭气化反应，该反应为吸热反应，塑料燃烧释放的额外热量为此提供了驱动力。
4.3. Effect of particle size（粒径的影响）
较小的粒径范围（90-125微米）相比大粒径（150-180微米），带来了更高的煤碳转化率和CO/CO2比值。这是因为小颗粒具有更大的比表面积/体积比，加热速率更快，挥发分释放更剧烈，形成的焦炭也更疏松多孔，从而增强了气固反应效率。
4.4. Effect of Residence Time（停留时间的影响）
延长停留时间（从5秒增至7秒）同样有利于反应进行。随着停留时间增加，煤碳转化率略有提升，CO/CO2比值也进一步升高。这为焦炭的气化反应和气相反应的平衡逼近提供了更充分的时间。
4.5. Influence of Plastics Co-feeding on the Distribution of Gasification Products（塑料共给料对气化产物分布的影响）
该部分深入阐释了机制差异。与煤不同，HDPE不含氧且挥发分高达100%，其热解产物为乙烯、烷烃、烯烃等纯烃类，无法直接生成CO或CO2，必须通过与氧气反应间接形成。这种挥发分的化学特性导致了其与煤挥发分不同的氧化路径。在氧气有限的共气化环境中，富含烃类的塑料挥发分更倾向于发生部分氧化生成CO，而非完全氧化生成CO2，这正是CO/CO2比值升高的根本原因。同时，由于氧气被挥发分抢占，焦炭转化主要通过CO2-焦炭气化路径完成。
研究最终得出结论：在高温气流床煤气化中引入HDPE塑料共给料是可行且有益的。塑料挥发分虽加剧了与煤对氧气的竞争，但并未降低煤碳转化率，反而因促进CO2-焦炭气化反应和提供额外热量使其微增。更重要的是，限氧条件下塑料挥发分的部分氧化特性，显著提升了合成气中CO/CO2比值，改善了合成气品质。氧气利用分析揭示，在典型的SR 0.3-0.5操作范围内，氧气优先被挥发分消耗，塑料的加入强化了这一趋势。这项工作不仅为废塑料管理提供了高效的能源化解决方案，证明了利用现有煤气化设施处理废塑料的潜力，还深化了对多相燃料共气化过程中氧气竞争与分配机制的理解，对优化工业气化炉操作、提升合成气产量与质量具有重要指导意义。尽管实验采用常压干法进料，与工业加压湿法进料存在差异，但所得机理结论对实际生产仍具重要参考价值，建议工业应用初期从较低塑料掺混比例（约5%）开始测试。
