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来源：《环境卫生工程》2024年第5期
作者：覃思源1，楚楚1，王萍1，马文超1,2
单位：1. 天津大学 环境科学与工程学院；2. 海南大学 环境科学与工程学院
本文亮点
废塑料回收率低、难降解，暴露在自然环境中会逐渐分解成更小的微塑料，对人体、生物体造成多方面的健康危害。因此，废塑料的资源化利用迫在眉睫。当前的废塑料处理主流工艺是焚烧，但会释放多种有害物质，造成邻避效应。热解气化技术是在缺氧或者无氧条件下高温降解有机材料生成高热值产物的技术，具有较好的固碳效果。热等离子体气化技术可将固体废物中的有机物转化为多种储存性能源，产生的合成气可用于合成液体燃料或生产化学品，具有占地面积小、处理量大、二次污染小，能实现二噁英、重金属、多氯联苯、NOx、SO2、HCl 等污染物超低排放的优点，有望成为下一代新兴固体废物处理技术。近年来，生物质与塑料的协同热解气化逐渐受到学界关注，并发现具有可显著降低能量需求、提高气化效率和氢气产量、活化能与原料转化程度关系密切、动力学参数受原料种类及组成影响较大等特点。尽管生物质与塑料混合热解参数对动力学特性或产物生成的影响有部分研究，但鲜少涉及等离子体气化技术的基础理论计算和实验研究。本研究使用高温等离子体技术对HDPE和木屑进行共气化，结合热力学平衡模拟计算，探究产气量的影响以及氯在三相产物中的分布，以验证热力学模拟对等离子体气化产物特性进行定性定量分析的潜力，探索采用热力学计算模拟生物质和HDPE等离子体共气化的可行性，以期为等离子体气化的操作优化和氯控制提供借鉴。
内容概要
以高密度聚乙烯（HDPE）和木屑为研究对象，结合热力学分析和实验研究，探究等离子体气化过程中输入功率、HDPE质量分数以及水碳比（S/C）3种工况参数对氢气产率、合成气组分、氯的产物分布等影响规律，并基于吉布斯最小自由能原理进行热力学计算。研究对比碳元素转化率(XC)、氢元素转化率(XH)和氯元素转化率(XCl)的实验数据与模拟结果，并通过计算平均相对误差（ARE）和平均相对标准误差（ARS）说明实验与模拟的拟合度，以期为塑料和生物质等离子体气化的进一步应用提供理论与实验依据。
结论
1）模拟表明：氢气占比随着输入功率的增加而增加，在22kW（对应温度为800℃）时达到最大值59%；随着原料中HDPE占比的增加，氢气占比由65%减少至56%；随着S/C的增加，氢气占比呈现不断减小的趋势，在S/C值为0时氢气占比最高，为80%。氯产物主要以KCl(g)、KCl(s)、 (KCl)2 (g)为主，S/C增大会导致NaCl(g)产生。
2）实验表明：输入功率、HDPE在原料中占比和S/C对产氢量的影响趋势与热力学分析一致，在输入功率为22kW、HDPE质量分数为80%、S/C为1.0时，最优产氢量分别达到1.52、1.51、1.38m3/kg。
3）在输入功率为22kW、HDPE质量分数为20%、S/C为1.4时，氯的气相分布均最高，分别达到92.40%、93.19%、98.00%。
4）通过对比XC 、XH 、XCl的实验数据与模拟结果，计算ARE和ARS说明拟合度高。
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覃思源，楚楚，王萍，等. HDPE 与木屑热等离子体共蒸汽气化研究[J]. 环境卫生工程, 2024, 32(5): 67-76.
QIN S Y，CHU C，WANG P，et al. Study on thermal plasma co-gasification of polyethylene and wood chips mixtures under steam environment[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2024, 32(5): 67-76.
天津大学马文超教授团队主要从事固体废弃物资源化管理与高效利用研究工作，先后主持国家级项目/课题14项、省部级项目8项、其他项目9项，负责科研经费共计1930余万；获2015年国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖6项。
马文超教授先后担任天津市生物质燃气燃油技术工程中心副主任、国际固废能源化委员会（WtERT）中国地区委员、国家科技部“十四五”环境科技创新专项规划专家、教育部高等学校中长期（2021—2035）科技发展规划工作组成员、天津泰达环保有限公司科技特派员等。以第一/通讯作者发表SCI文章57篇、封面文章3篇、中文核心期刊18篇，相关论文他引1500余次；主参编中英文教材/著作9部；授权PCT专利7项（包括日本、美国）、发明专利19项、实用新型专利5项、软件著作权4项。2021年入选国家重大人才工程青年学者。先后担任Science of the Total Environment, Waste and Biomass Valorization特刊编辑。
编发：李雪曦；校对 ：刘冬梅；审核：王雅楠
