综述：城市固体废物的热解：工艺、挑战与未来前景的全面综述

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Pyrolysis of municipal solid waste: A comprehensive review of process, challenges and future prospects

　　K P Aswathy|Srikrishnaperumal Thangam Ramesh
印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利国立技术学院土木工程系，邮编620015

摘要
随着固体废物产生量的不断增加以及传统处理方法无法有效应对这一问题，城市固体废物管理已成为一项重大的环境挑战。热解作为一种新兴的热化学转化技术，可通过将固体废物转化为木炭、油类和合成气等高附加值产品来解决这一难题。本文综述了1990年至2026年间发表在Scopus、Web of Science和Dimension等数据库中的相关研究，系统介绍了固体废物的预处理方法、物理化学特性、工艺参数、反应器类型、催化热解与共热解技术以及这些产品的应用前景。研究表明，最终产品的分布和质量在很大程度上取决于原料特性及工艺控制参数。虽然全球性研究是主要关注点，但本文也选取了部分印度相关研究，以分析该地区存在的特殊问题，如高含水量、原料差异性以及分类不完善等问题。通常情况下，慢速热解可产生25%-65%的木炭，而快速热解和闪速热解则由于脱挥和二次裂解反应的作用，能产生更多油类和气体。尽管催化热解和共热解技术都能通过提高碳氢化合物产量、脱氧和裂解作用来提升燃料质量，但其在商业化应用过程中仍面临诸多挑战，比如催化剂失活、原料稳定性差、焦油生成以及规模化生产中的其他限制。总体而言，本文认为固体废物热解是一种具有潜力的可持续资源回收途径，与联合国可持续发展目标中的7、11、12和13项目标相契合。

引言
城市化进程的加速使得城市固体废物产生量急剧增加，给人类健康、环境质量以及生态系统保护带来了严峻挑战[1]。随着土地成本的上升，固体废物管理这一复杂过程愈发引人关注[2]。人口增长和工业化进程对环境造成了巨大影响，使得废物处理成为一项重要课题。根据联合国环境规划署的最新报告，全球城市固体废物产生量约为21亿吨，预计到2050年这一数字将上升至38亿吨[3]。大量固体废物堆放场带来的威胁亟需重视，否则将严重影响社会整体福祉。未经处理的废物在露天堆场中会释放甲烷这种强效温室气体，同时还会污染土地、空气和水资源[4]。面对日益严重的固体废物管理问题，再加上不可再生能源的日益枯竭，进一步开展相关研究显得十分必要。未来的研究有望通过资源回收技术以及循环经济模式，如回收利用、堆肥、厌氧消化和废物制能源等，来减少固体废物产生量[5]。图1概述了从废物产生、预处理到最终产品生成的整个固体废物热解流程。

目前将废物转化为高附加值产品的处理方法可分为化学法、生物化学法和热化学法三大类。其中，气化、焚烧和热解等多种热化学转化技术正处于快速发展阶段，属于前沿技术[6]。气化是通过氧气、蒸汽或空气等气化剂将含碳材料转化为可燃气体的过程[7]。不过，气化产生的产品氢含量较低，且容易形成焦油，这些都是其面临的重大挑战[8]。焚烧则是通过在极高温度下燃烧废物来将其转化为能量的方法，但这一过程往往会导致不完全燃烧并产生污染物[8]。热解则是在惰性气氛中进行的化学转化过程[7]。该过程可生成三种不同的产物：类似木炭的固体、液体以及气体，这三种产物的比例取决于工艺条件及原料组成[1]。与其他处理方法相比，热解具有诸多环境、操作和经济优势，它能在减少温室气体排放的同时，利用有限资源生产出高附加值产品[9]、[10]、[11]。固体废物热解过程中的重整反应还有可能生成氢气，这种未来燃料可在紧急情况下为能源领域提供支持，有助于实现可持续发展。固体废物热解产物的性质和分布很大程度上取决于反应器的结构及其传热效率。催化热解技术的出现提升了整体转化效率，使原料无需进一步处理就能转化为高质量产品[12]。Jeon等人[13]使用ZSM-5催化剂对城市塑料废物低温热解产生的液态油进行了脱氯处理。近年来，关于固体废物热解的研究大多集中在不同反应器技术、催化热解与共热解机制、产物形成规律以及不同工艺条件下的优化方案等方面。尽管以往的一些综述已经提供了重要见解，但它们通常只涉及固体废物热解的某些特定方面，缺乏从原料到产品价值实现的全面分析。表1对比了现有固体废物热解相关综述的范围与局限性，从而凸显了本研究的重要性。

现有的大多数综述仅聚焦于固体废物热解的某些特定方面，而能够将废物产生、原料特性与制备、反应器技术、催化/共热解策略、产品升级与应用、政策障碍、热解过程中面临的挑战以及循环资源回收等要素有机结合的综合性研究仍然较少。本研究正是为填补这一空白而展开的，它为从废物产生到产品价值实现的全流程提供了系统化的分析框架，并指出了其中存在的问题。虽然本研究具有全球视野，但也对部分印度的相关研究进行了分析，以此说明该地区因高含水量、原料成分复杂以及分类不完善等因素而面临的特殊挑战。通过综合分析这些研究，本文为固体废物热解技术从实验室研究向实际应用过渡提供了有力支撑。此外，本文还深入探讨了原料特性、温度、加热速率、停留时间等工艺控制参数，以及新兴的反应器技术。同时，本文也研究了催化环境下的热解过程，重点介绍了具有环境友好特性的新型催化剂及其产物的潜在应用价值。此外，本文还对当前存在的技术挑战以及缺乏完善的监管体系问题进行了深入分析，这些问题往往会导致废物管理不善和环境污染。因此，有必要建立相应的监管体系、技术标准和政策，以推动固体废物热解技术实现规模化商业应用。这项综合评估明确了支持固体废物热解技术走向商业化应用的关键技术和监管要点。固体废物热解技术的实际应用与2030年可持续发展目标中的多项目标相契合，包括可持续能源（SDG 7）、可持续城市与社区（SDG 11）、负责任的生产与消费（SDG 12）以及气候行动（SDG 13）。

方法论
本文采用PRISMA作为文献筛选和检索方法，进行了系统的文献综述，具体流程如图2所示。研究人员在Web of Science、Scopus和Dimensions等数据库中检索了1990年至2026年间的相关文献，同时利用ScienceDirect作为补充平台，从主数据库中筛选出的相关期刊中获取全文内容。检索时使用了特定的搜索字符串，如“municipal solid waste”或“MSW”等。

固体废物的来源
固体废物指的是人们日常使用后丢弃的各种物品，通常被称为垃圾，包括食物残渣、产品包装、衣物、瓶子、报纸、剪下的草屑以及其他来自家庭、医院、学校和企业的废弃物[19]、[20]。废物的来源，无论是家庭、商业还是工业领域，都会决定其性质，比如是否属于有机物、是否可生物降解、是否可回收或属于无机物。最有效的分类方法……

热解的先决条件
固体废物热解的效率在很大程度上取决于原料的成分与特性、预处理方法以及工艺控制参数。由于固体废物具有成分复杂的特性，因此需要对其进行全面分析，合理准备原料，并精准控制工艺参数，这样才能提高转化效率、保证产品质量并提升工艺稳定性。

固体废物热解技术
用于实现废物价值转化的热解技术可根据反应器类型、是否使用催化剂、反应器技术、共进料策略、加热方式以及目标产物类型进行分类。这些技术在不同操作条件下运行，产生的产物也各不相同。后续章节将对各类热解技术进行简要介绍。

固体废物热解的产物
热解过程属于复杂的化学转化反应，可生成三种产物：一种是类似木炭的固体物质，另一种是富含碳氢化合物的液体，其中包括油类、焦油和水分，第三种则是含有CO、H2、CH4、C2H6等轻质碳氢化合物的气体混合物[200]。后续章节将阐述在不同操作条件下，这三种产物的产率及其性质之间的关系。

热解产物的表征与升级技术
在惰性气氛中，通过对固体废物原料进行可控的热处理，可以促进其分解和转化。生成后的产物会被收集起来，经过表征处理后，再进一步提纯，以便用于各种应用场景。目前有多种活化与净化技术可用于提升固体废物热解产物的质量。

热解产物的应用
尽管木炭、热解油和合成气在减少废物、增强碳固定能力、推广可再生能源以及推动循环经济发展方面具有重要作用，但其在实际应用中仍存在诸多不足。合理利用这些热解产物不仅可以提高经济效益，还能帮助控制能源成本、缓解气候变化，并为农业领域带来显著益处[61]。从循环经济政策的角度来看，合理的废物管理策略……

政策与监管框架
如何妥善处理日益增多的城市固体废物，是全球各地地方政府和工业企业面临的重大挑战，因此亟需寻求可持续且成本效益较高的处理方案。日益严格的国家和国际法规为废物价值转化技术的发展提供了有力推动。通过制定严格的禁止露天倾倒的政策，以及更严格的废物制能源技术排放标准，可以有效避免传统的、低效的废物处理方式。

固体废物热解过程中面临的挑战
尽管全球范围内在废物制能源技术方面已取得不少进展，但这些技术要实现商业化应用，仍面临着诸多技术、财务和监管方面的挑战。本文指出的主要挑战包括：缺乏高效的技术研发、空间限制、高昂的资本投入、废物成分复杂、含水量过高、副产品中可能存在有毒物质，以及相关知识储备不足等等。

未来展望与发展方向
虽然固体废物热解技术具有巨大潜力，但其商业化应用仍受到多种限制，这些限制也为未来的研究与技术发展指明了方向。为了推动该技术进一步发展，未来的研究应重点关注以下几个方面：
1）原料差异性及工艺优化：目前尚缺乏关于不同地点、不同季节以及不同龄期原料的差异性对产物分布影响的系统研究。现有的热解研究……

结论
通过热化学方法将城市固体废物转化为木炭、油类和合成气等高附加值产品，是一种处理固体废物的有效途径。热解作为一种热化学技术，能够处理多种类型的原料，不仅能够提升资源价值，还能减少废物量。本文强调了原料预处理、工艺参数、反应器类型、先进技术以及产品升级途径在提升产品质量和转化效率方面的作用。

资金支持
本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织提供的资助。

作者贡献声明
K P Aswathy：负责原文撰写、方法论设计以及概念构思工作。
Srikrishnaperumal Thangam Ramesh：负责文章审阅与编辑、研究指导以及概念构思工作。

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
在撰写本文的过程中，作者使用了ChatGPT工具来优化语言表达并提升文本可读性。在使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对文章内容的真实性承担全部责任。

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。

致谢
作者感谢蒂鲁奇拉帕利国立技术学院在本文撰写过程中所提供的学术支持及各种便利条件。