聚苯乙烯（Polystyrene, PS）在流化床混合塑料共热解中对喷气燃料（Jet-Fuel）轻油产率提升的协同效应研究

摘要：本研究考察了包含聚丙烯（Polypropylene, PP）、聚乙烯（Polyethylene, PE）及聚苯乙烯（Polystyrene, PS）在内的混合废塑料的热解特性，以评估其作为可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）原料的可行性，并探讨流化床热解技术作为城市固体废物（Municipal Solid Waste, MSW）处理方案的适用性。研究人员在520°C下利用实验室规模流化床反应器分别对单一塑料及混合塑料（PP/PE/PS）进行热解实验。结果表明，混合塑料热解油收率达95.14 wt.%，较单一塑料热解理论加权计算值73.96 wt.%提高了18.82%；轻油馏分（light oil fraction）从计算值20.02%提升至47.73%，增幅达238%。尤为显著的是，PS的存在不仅提高了产物收率，还大幅增加了热解油中芳香族化合物含量，改善了油品质量。通过热重-傅里叶变换红外光谱联用（Thermogravimetry-Fourier Transform Infrared Spectroscopy, TG-FTIR）、气相色谱-质谱（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）及模拟蒸馏（Simulated Distillation, SIMDIS）分析证实，PS在共热解过程中产生的协同效应是提升热解油品质的关键因素，表明含PS混合塑料具备SAF生产潜力，但仍需后续加氢提质以满足航空燃料规格。本研究阐明了PS在混合塑料热解中的关键作用，并指出未来需针对不同塑料配比及催化效应对流化床工艺进行优化研究。

论文解读：Enhanced Light Oil Production for Jet-Fuel: The Synergistic Impact of Polystyrene in Mixed Plastic Pyrolysis in a Fluidized Bed

一、研究背景与意义

全球塑料消费量持续增长导致大量塑料废物堆积，传统填埋与焚烧带来严峻环境压力，而机械回收对混合废塑料（Mixed Plastic Waste, MPW）处理能力有限。化学回收特别是热解（Pyrolysis）技术可将废塑料转化为液态烃类即热解油（Pyrolysis Oil），进一步升级后可获得高附加值产品如可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）。城市生活垃圾中混合塑料以聚乙烯（Polyethylene, PE）、聚丙烯（Polypropylene, PP）和聚苯乙烯（Polystyrene, PS）为主，其中PE与PP热解倾向生成重质蜡或长链烯烃，而PS热解产生大量单体和苯环结构。现有研究多关注单一塑料热解，对混合塑料在流化床（Fluidized Bed Reactor, FBR）中共热解（Co-pyrolysis）的协同量化评估不足。韩国能源研究院（Korea Institute of Energy Research）研究人员开展本研究，旨在定量揭示PS在PP/PE/PS三元混合塑料流化床热解中的协同作用，验证其对油收率及轻油（尤其是芳香烃组分）提升效果，并探讨其作为SAF前驱体的可行性。该研究成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

二、主要关键技术方法

研究人员选用高纯度PP、PE、PS按市政混合废塑料典型质量比PP:PE:PS＝40:35:25配制进料，以排除灰分干扰。采用实验室规模鼓泡流化床热解系统，以石英砂为床料，氮气为流化气，反应温度设定为520°C，分别进行单一塑料及混合塑料热解实验。通过物料衡算对比实测值与按单一塑料线性加和的理论计算值，量化协同效应。采用热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）及TG-FTIR联用考察热失重行为与逸出气体官能团；采用GC-MS分析热解油族组成；采用模拟蒸馏（Simulated Distillation, SIMDIS, ASTM D2887）测定沸程分布以确定轻油馏分（初沸点～216°C，近似航空煤油馏程）。所有实验重复以确保重现性。

三、研究结果

TGA analysis（热重分析）

研究人员对PP、PE、PS及三者混合物进行TGA/DTG测试（升温速率30°C/min，N₂氛围）。结果显示PS起始分解温度（约360°C）显著低于PE（约430°C）和PP（约380°C），混合塑料的DTG曲线并非单一组分简单叠加——PS的加入使PE的降解向低温偏移，表明PS早期分解产物（如苄基自由基 Benzyl Radical）促进了PE与PP的链断裂，在TG-FTIR谱图中观察到混合体系逸出气体中烷烃、烯烃及芳香族特征吸收峰增强，证实存在物理化学相互作用。

Experiment setup and procedure（实验装置与步骤）

流化床反应器经两段加热控温，塑料经料斗由双级螺旋给料器送入床层，热解蒸气经旋风分离器捕集细粉后进入冷凝系统收集液相（热解油），不凝气计量。床层均匀温度场与高效传热确保塑料迅速熔融气化，避免固定床常见的结焦与沟流。混合塑料实验测得总油收率95.14 wt.%，残炭与焦＜1 wt.%，不凝气约4–5 wt.%。

Conclusion（结论部分翻译）

共热解中加入PS使轻油馏分显著提升至50.17%（较计算值27.1%提高185%），芳香化合物含量增至38.1%（较计算值22.8%提高167%）。此现象归因于PS热解生成的苄基自由基（C₆H₅CH₂•）引发并加速PE和PP的大分子链β-断裂，促进低分子量烃及苯乙烯衍生的芳香烃生成。TG-FTIR与GC-MS分析证实PS产生的苄基自由基强化了PE/PP热解程度及芳构化。混合塑料热解油经SIMDIS显示相当比例组分落入航空煤油沸程（约150–300°C），表明其具备SAF原料潜力，但仍需加氢脱氧/脱烯烃等提质工艺以满足ASTM D1655标准。

四、讨论总结

研究人员通过实测与理论加权值对比，首次在实验室规模流化床系统中定量证明了PP/PE/PS共热解的正协同效应，且该效应主要由PS驱动。PS不仅提高总液收（相较理论值提升约18.8%），更关键地将轻芳烃馏分提高两倍以上，改善热解油碳数分布接近Jet-A1范围。研究指出未来应深入探究不同混合比、催化剂引入及实际MSW杂质影响。该工作为废塑料定向通往SAF的化学循环路线提供了实验依据与机理支撑，强调在混合废塑料热解原料设计中保留适量PS可优化产物品质，对工业化流化床废塑料制油工艺具指导价值。