聚烯烃的环境影响与碳减排路径.pdf

Research&Discussion研究与探讨聚烯烃的环境影响与碳减排路径顾恒昌中国石化工程建设有限公司北京10 0 10 1摘要聚烯烃材料因为优良的综合性能，被广泛应用于建筑、农业和日用品等方面。然而伴随着聚烯烃的大规模生产，高石化燃料消耗与污染废物带来的环境影响日益凸显。讨论了可持续发展聚烯烃的必要性，并分析总结了可减少聚烯烃碳排放的生产路径。关键词聚烯烃碳减排可持续发展中图分类号TU714,TQ082文献标志码B文章编号16 7 2-9 3 2 3(2 0 2 3)0 8-0 0 3 0-0 51可持续发展聚烯烃的必要性与面临的问题聚烯烃系列包括高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE）、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、全同立构聚丙烯(PP),以及化学结构和配方设计不同的其他材料。与其他单体相比，聚烯烃性能范围广泛，同时兼具良好的可加工性与低廉的价格，因此生产规模庞大且应用领域广阔-3。其中聚丙烯可用作注塑、薄膜和片材、编织材料和纤维等，聚乙烯可用作薄膜和片材、注塑、吹塑、管道和型材等。在新冠肺炎疫情持续蔓延期间，全球对聚烯烃产品的需求与使用激增，如医疗工作者的一次性个人防护塑料围裙和手套、新冠肺炎检测试剂盒、口罩和疫苗注射器等。聚烯烃产品具有实用便利与经济性高等优点，但存在废弃物管理不当与环境污染问题,阻碍了其可持续利用。此外，用于塑料生产的乙烯和丙烯单体主要来源于不可再生的化石烃资源，这也不利于社会可持续性发展的推进。据对塑料全生命周期研究数据，每年约有超过6 亿t温室气体释放，预计到2 0 5 0 年将增长至当前的4倍5 。此外，一项预测估计显示,到2 0 6 0 年，管理不善的塑料废物累积增长率可能会高达2.6 5 亿t,约为当前增长率的3 倍。目前，聚烯烃仍然是一个非常活跃的研究领域，且在30 化工建设 2 .8 塑料工业中保持领先地位。尽管IHS预测2 0 2 0 2 0 3 0年间,聚乙烯和聚丙烯的需求变化不大，但由于市场对再生塑料的需求增加,再生聚乙烯和聚丙烯的需求将分别增长 10.4%和 11.5%7。2聚烯烃生产对环境的影响2.1废物污染聚烯烃产品的大规模生产已带来严重的塑料污染，其制造与有效处理回收之间存在明显的失衡。许多聚烯烃应用与一次性产品相关，如欧洲聚烯烃约3 4%的产量用于包装领域8,而这些产品很快会进入废物流4。目前,聚烯烃的处理回收方法与其他大多数塑料一样，主要为填埋或焚烧4.9,有效回收很少。据粗略统计,全球回收塑料占比约有9%,其中有效回收的聚烯烃量更是小于10%。聚烯烃废物管理不善最终会影响海洋环境，对陆生及水生生物的生存均造成不利影响。最近的一项研究表明，聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯是海洋环境中含量最高的聚合物。其进人自然环境的途径非常多样，包括来自沿海和内陆地区河流和大气的流动、非法倾倒活动、遗留垃圾场的侵蚀，以及航运、渔业和水产养殖活动产生的海上Research&Discussion研究与探讨垃圾等12 。虽然聚烯烃中的强碳碳键结构使其难以降解13 ,效率；但当聚烯烃流失到自然环境中时，通过氧化和光氧化作（4）回收，利用废料加工以再生原料和产品；用便可以降解形成聚烯烃微塑料(1 10 0 0 m)14。关于(5）产品设计，根据用途定向设计新产品，使其寿命微塑料的毒性和健康影响目前虽未有确实的研究结果，和可持续性最大化；但从人类可持续发展的角度而言，仍应对聚烯烃废物污(6）能源回收利用，回收生产过程中产生的能量；染这一问题高度重视，并努力减少微塑料在海洋环境中(7）二氧化碳捕集利用与封存（CCUS)，收集生产过的形成和流动。程中释放的二氧化碳。2.2能源消耗和排放污染另一个不可忽视的环境影响因素是聚烯烃生产过程中的能源消耗和排放污染。2 0 2 1年,Nicholson等0 发表了一份与美国塑料年消费量相关的制造业能源和温室气体排放综合分析。在包含18 种聚合物类别的分析中，聚烯烃在能耗和排放方面的总体影响最大。其中,聚乙烯和聚丙烯（不包括聚丙烯纤维）每年的消费量超过16 0 0 万t，聚烯烃消费产生了超过3 10 0 万t的温室气体排放。与所有塑料生产相比，聚烯烃占温室气体排放的3 0%。在当今生产和使用的各种等级聚烯烃中，通用HDPE、LLD PE薄膜和注塑PP的温室气体排放量最高。2 0 14年，全球6%的化石燃料消费量与塑料有关，预计到2 0 5 0 年这一数据将增长到2 0%l0。聚烯烃在石油使用量和相关温室气体排放量中占有很大比例，而通过循环经济可以创新推动聚烯烃产业可持续发展。3聚烯烃碳减排路径鉴于现阶段聚合工艺在提高生产效率和减少能源需求方面没有太大的潜力，因此聚烯烃行业可探寻的碳减排方案可能将涉及全系统的变革。近年基于生物基供应链的聚烯烃生产策略是一个新的热点。通过利用糖基作物、木质纤维素材料和生物废料等新型原料生产原聚合物，进一步结合塑料回收技术形成经济回路闭环，从理论上看是一个绝佳的聚烯烃碳减排方案。虽然生物基聚乙烯和聚丙烯的经济成本目前仍高于化石基的聚乙烯和聚丙烯，并且塑料废物的热解和气化还未达到商业水平。然而随着工艺日臻成熟与技术壁垒被突破，此方案很有可能是未来聚烯烃行业技术更新的发展方向之一。聚烯烃碳减排的主要路径框架3 如图1所示。(1）替代燃料，以更可持续的能源取代化石能源；(2)春替代原料，以生物质或废塑料作为单体来源；(3）工艺设计,基于燃料、原料或创新技术提高生产替代燃料替代原料工艺设计2(1)能效）(2)替代工艺回收图1聚烯烃碳减排路径框架3.1替代燃料替代燃料的碳减排方案17,可以聚焦生物质热电联产和氢燃料，其可替代方案、碳减排潜力及优缺点见表1。表1替代燃料的可选碳减排方案替代燃料方案生物质热电联产以生物质或沼气为动力的说明热电联产厂，为工业过程提供热量和电力避免潜在生物质（再造林）技术带来排放净零排放主要优势基础设施无变化与其他需要生物质的解决生产过程成本的经济性主要缺陷方案竞争3.2生物原料替代化石原料目前已有许多研究检验了使用生物原料替代化石原料，进而减少塑料生产碳排放的可行性18-2 。可利用生物来源的葡萄糖，如甘蔗、甜菜、淀粉作物和木质纤维素原料合成聚烯烃2 0。关于从可再生原料生产聚烯烃的环境效益，目前存在着一些不同看法。Tsiropoulos 等2 进行的一项生命周期评估表明，与化石聚乙烯相比，甘蔗乙醇的生物聚乙烯可减少140%的温室气体。而Munoz等10 对生物聚乙烯的生命周期评价研究则指出，聚乙烯废弃物填埋和焚烧仍然会产生大量的温室气体排放，因此即使用生物原料化 1 2 0 2.0 3 1 利用残余能量6产品设计(1)减少使用(2)用 CO2 排放CO2更少的产品再利用替代H2燃料氢用作工业过程的能量载体、燃料或原材料使用可再生能源（如风能）与CCS结合的天然气生产的氢气，是无碳燃料多功能能源载体，可利用现有天然气网络不足CO2捕获与存储或Research&Discusion研究与探讨代替化石原料，建立可行的优化循环经济体系仍极为重要。3.3工艺设计改进工艺设计的关键是改变聚合物的生产工艺，在减少能耗和温室气体排放的同时保持产品的生产力和质量。有助于实现这一目标的技术和流程包括：(1）设计优化聚合过程中使用的工业压缩机（如减少泄漏)和改进能效(如功率因数)2 3-2 ，(2）使用更好的催化剂，降低聚合过程的温度和压力要求,提高聚合性能2 0 ,(3）更新工艺部件,优化结构设计,集成多功能设备2 7，(4）更好的热回收和工艺集成，例如使用工业热泵。3.4回收聚合物可持续价值链及其生命周期的阐述2 8 可由图2表示。回收循环可以通过生物回路、再利用和再循环技术回路,或通过碳捕获和利用(CCU)建立“开放回路”。基于分子结构特点，聚烯烃产品回收方式通常为机械回收和化学回收原料2 8 。近年人们一直在测试聚乙烯热解生产低碳烯烃的方法。已有研究指出，通过对废塑料进行热解进而回收乙烯和丙烯，可在减少原油和天然气需求的同时降低一氧化碳和二氧化碳排放2 9-3 0 。另有实验表明，LDPE可以在流化床反应器中进行化学回收,乙烯气和丙烯气在7 0 0 条件下的最高产率分别为2 7%和19%。综合考虑同时产生的甲烷和其他副产品，总产量可达到7 3%3除此之外,流化床反应器中热解HDPE也有相关成果,在7 8 0 和1.3 4s停留时间的条件下，乙烯气的最高产率为42%，总产率为8 6%3 2 。表2 给出了商业废塑料热解装置的部分经济指标。3.5产品设计机械回收和溶剂回收等回收技术的最大障碍是将混合废塑料分类为不同的聚合物流。因此，改进产品设计以使塑料产品更易于回收(例如减少多层包装的使用），可能会改变聚烯烃行业循环经济发展的现状3 4。此外,有必要考虑通过法律与政府控制的手段进行绿色治理，加大生产者的责任承担3 ,使制造商对聚烯烃产品的整合生命周期负责，以切实提高产品回收、再循环和最终处置的实际效果,达到改善塑料流收集和再生的目的3。3.6二氧化碳捕获、储存和利用荷兰的塑料生产商RENOLIT与荷兰Photanol公32 化工建设 2.8 楚烧CO2CO2分子与系统设计化石原料材料.配使用阶段，单体聚合物循环原料方，产品CCU物理回收基于生物的原料回收利用、化学回收原料的原料生物降解和生物量摄取图2 聚合物的价值链和生命周期表2 不同产能的废塑料热解装置的经济指标比较指标/规模/(kgh-)资本支出/ME2020运营支出/ME2020回收期/a20年内的净现值/ME2020结果司达成合作关系，致力于在未来实现只利用二氧化碳和太阳光制造化学产品，从而创建完全闭环的生产系统。Photanol公司正在开发的蓝藻技术是借由模仿植物光合作用生产化学构件，可将二氧化碳加工成塑料单体，应用于生物降解塑料等清洁化学品的生产。二氧化碳捕集与封（CCS)的碳减排路径的关键不是减少温室气体排放，而是在二氧化碳释放到大气中之前将其捕获并封存在受保护的库中。目前，我国已具备大规模捕集利用与封存二氧化碳的工程能力，并同时积极筹备全流程CCUS产业集群：国家能源集团鄂尔多斯CCS示范项目已成功开展了10万t/a规模的CCS全流程示范；中石油吉林油田EOR项目已累计注入二氧化碳超过2 0 0 万t，是现阶段亚洲最大的EOR项目；国家能源集团国华锦界电厂建设的15万t/a燃烧后CCS全流程项目，投运后可实现二氧化碳捕集率大于9 0%、二氧化碳浓度大于9 9%，是目前国内规模最大的燃煤电厂CCUS示范项目；2 0 2 2 年中国石化正式注气运行我国首个百万吨级CCUS项目（齐鲁石化一胜利油田CCUS项目），投产后每年可减排二氧化碳10 0万t，标志着我国CCUS产业开始向成熟的商业化运营阶段迈进。我国作为全球塑料生产、消费和进出口贸易最活跃的经济体，聚烯烃行业的碳减排将为“双碳”目标的实现提供有力支撑。目前有工业化应用前景的减少聚烯烃碳排放的技术路径7 列于表3。寿命终止性能重复利用化学回收单体技术回路生物回路10010001.243.840.531.50/3.6-1.413负收入经济性好单位成本最低1000011.72.761.2220Research&Discusion研究与探讨表3 有前景减少聚烯烃碳排放的路径参考文献技术1李晓莲聚乙烯生产工艺技术及行业发展现状J化工管理，具体方案优点途径生物质燃料替代热电联产(CHP)燃料氢燃料糖基生物乙烯生物量回收，净零差为正和食品，更高的价格基可替代生物质气化和原料MTO转化能源效率工艺设计工业热泵(IHP、可再生电力）机械回收溶剂基净化回收裂解的热化学回收塑料废物气化和将生物质和塑料废物甲醇制烯烃结合起来似乎很有希进一步开发，成本(MTO)转化望，可能减少碳排放4结语从技术上来看，替代燃料、替代原料、工艺设计、回收、产品设计及CCUS等可以实现聚烯烃碳排放的减少，但尚不足以实现循环经济。现阶段减少聚烯烃排放的更多挑战主要归结于经济因素和社会行为。目前以化石原料衍生聚乙烯和聚丙烯的生产已得到了极大的优化，大规模生产聚烯烃的成本低，而回收塑料的成本高。在回收塑料的经济性方面取得真正进展之前，需要改变使用与回收塑料的观念和态度。塑料不仅是极好的材料，也是一种宝贵的资源。如当下不能以高效方式回收聚烯烃，可以将聚烯烃作为原料，通过化学循环产生其他有用的化学产品，或者作为能源回收的一种选择，以充分利用资源。为早日实现碳达峰、碳中和目标，行为改变也是减少聚烯烃排放解决方案的一个重要部分，整个社会应共同采取对地球生态有积极影响的生活方式，从而真正实现可持续发展的目标。缺点良好的碳减排可用性有限使用可再生能源生更高的价格，需要产时减少碳排放新的基础设施如果塑料垃圾用于能竞争生物燃料、饲料竞争较少的生物可能减少碳排放燃料、饲料和食品，更高的价格通过回收热量提高能源效率自给自足的系统，零排放良好的碳减排选择成本是否平衡未知试验工厂，需要进良好的碳减排方案一步开发，成本是否平衡未知试验工厂，需要可能减少碳排放进一步开发，成本是否平衡未知试验工厂，需要平衡未知2022,3(32):150152.2 Sauter D W,Taoufik M,Boisson C.Polyolefins,a successstoryJ.Polymers,2017,9(6):1-13.3 Westlie A H,Chen E Y X,Holland C M,et al.PolyolefinInnovations toward circularity and sustainable alternatives.Macromolecular Rapid 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