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废塑料化学回收技术发展前沿

2021-04-21 10:07 TOM   

在4月8-9日举办的“ChinaReplas2021第二十四届塑料回收和再生大会”上,应主办方邀请,废塑料化学循环技术方案提供商科茂环境的代表发表了《废塑料化学回收技术发展前沿》主题演讲。

以下为演讲的主要内容:

一、废塑料化学回收发展历史

废塑料化学回收技术发展前沿

(一)起始阶段

1.20世纪60年代:废塑料化学回收的历史可以追溯到20世纪60年代。当时全世界发生能源恐慌,美国、欧洲和日本等发达国家和地区开始研究将产品回收起来的方法,借此节约和替代一部分石油,这是循环经济的早期雏形。

2.20世纪70年代:因为战争等原因,油价上涨,引发石油危机。仍是美国、欧洲和日本等发达国家和地区,试图提高原油利用率,从而诞生了一些技术和研究,尤其在自然资源匮乏、危机意识强烈的日本,甚至出现过一些小型的工业化装置。

3.20世纪80年代:80年代的中东战争导致第二次石油危机,当时第一次出现“废塑料催化裂解技术”的研究成果。

(二)扩散阶段

1.20世纪90年代:战争导致三次石油危机,油价再次上涨,再一次引起世界对石油安全和石油利用率的担忧,因为石油价格提升和产量减少产生的经济驱动力,人们想把塑料回收起来。一些小型装置开始兴起,现称之为“土法炼油”,多以个体户形式存在,产品品质差、环境污染高。

2.21世纪初:21世纪伊始至经济危机前,油价持续上涨,同时美国、欧洲和日本等发达国家和地区面临严重的白色污染。当时垃圾处理的核心发展方式是焚烧减量,顺带可解决一部分塑料问题,因为废塑料化学回收的收益不高,所以商业化方面没有突破。同时2007年发生一个重要事件,国家环保总局(现生态环境部)发布《废塑料回收与再生利用污染控制技术规范》,明文规定“不宜以废塑料为原料炼油”,将“土法炼油”一棍打死,废塑料化学回收的研究和工业化陷入谷底。

(三)提速阶段

21世纪10年代至今:艾伦麦克阿瑟基金会促成了品牌、零售和包装等巨头企业的全球承诺,这些企业涵盖了全世界20%以上的塑料使用量,终结塑料废弃物联盟也促使国际化工巨头解决塑料污染的问题。这些企业的CEO承诺目标,“可持续”由过去的口号变成了真实的战略目标,由可持续发展部门推动目标的达成,这是真实的动力,他们也真实在推进和投资化学回收,因为化学回收可以得到与原生料同等质量的塑料。

二、废塑料化学回收技术分类

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1.过氧化法:即焚烧发电,可处理所有类型废塑料,由氧气完全参与,碳和氢分别生成二氧化碳和水,产出热能导入电力系统。

2.部分氧化法:适用于聚烯烃类废塑料,有氧气参与,生成合成气,产品导入煤化工制甲醇和氨气等。

3.无氧裂解法:适用于聚烯烃类废塑料,一是液化工艺,主要有热解、催化裂解和加氢裂解三种类型,热解一般产出重油和蜡,催化裂解可产出轻油,产出物均可导入石油化工制燃料或化工产品(如塑料);二是炭化工艺,可产出焦炭、活性炭或RDF,产品可导入炼焦化工制功能碳(如纳米碳)。

4.解聚法:又叫萃取法,适用于缩聚类塑料,主要有醇解、水解、溶剂解三种类型,可产出单体(如DMT、PTA、CPL等),产品可导入化纤和塑料产业制化纤和塑料。

目前来看,技术较为成熟、经济效益较好的是液化工艺。

三、废塑料化学循环产业链

(一)产业链讲解

废塑料化学回收技术发展前沿

1.物理循环产业链:品牌商和零售商把产品卖给个人和企业消费者,消费者产生垃圾,环卫企业收集垃圾,垃圾中有价值的部分被回收企业拿走,剩余部分由固废运营商处理,其中品类单一、较为干净的塑料垃圾(主要是PET、HDPE和PP,重量大、密度高、宜运输)进行物理回收,得到降级的PCR PET、PP、PE等(无法用于食品和医疗等高质量领域),去到包装企业,由包装企业再次做成新的包装物,再到品牌商和零售商,由此完成塑料的循环。

2.化学循环产业链:前端与传统产业链相同,仍是从品牌商和零售商到消费者,再到环卫、回收和固废处理企业之后,低值的、混合的、受污染的塑料垃圾进入化学循环,产出塑料油或者单体,塑料油可通过化工企业进一步裂解,产出乙烯和丙烯,进而做成原生质量的PCR PP和PE,单体可直接由化工企业做成聚合物,同样是原生质量的PCR PP和PE,之后由包装企业做成可用于食品和医药等高价值领域的包装物,从而回到品牌商和零售商,由此完成塑料的循环。

(二)产业链案例

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1.SABIC+联合利华:两家巨头联合推出梦龙冰淇淋包装盒,这是世界上第一个上市的食品级塑料化学循环案例。他们的供应商用化学回收的方式,将回收回来的塑料重新生成原生品质的食品级塑料。虽然体量不大,但具有划时代意义。

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2.BASF:有四个产业链合作伙伴,包括汽车、电器、一般包装和食品包装等。尽管并没有上市,但这样的企业和案例逐渐增多,尤其是巨头企业都在努力实现。

四、聚烯烃类废塑料化学回收技术进化

废塑料化学回收技术发展前沿

代际划分的标准是处理方式,由人工,到机械、热、化学和复杂化学。将废塑料转化成高品质产品的,一定是极其复杂的化学反应。分类不一定准确,还请业内人士指教。

(一)原始阶段

就是土法炼油,已经被国家禁止了。处理橡胶和轻度混合的塑料,产出重油和蜡。

(二)第一代

釜式热裂解,没有催化剂,明火加热,处理橡胶和轻度混合的塑料,产出重油和蜡。曾经在山东、河南等地大规模盛行。

(三)第二代

1.管式热裂解:处理橡胶和轻度混合的塑料,反应深度不够,产出轻油(少量)、重油和蜡。

2.溶剂热裂解:用溶剂加热融化塑料的裂解,处理轻度混合的塑料,产出轻油(少量)、重油和蜡。

3.超临界水热裂解:在高温高压下,用水作为加热载体并起到微催化作用,处理重度混合的塑料,产出轻油(少量)、重油和蜡。

4.釜式催化裂解催化重组:催化效果不错,可处理中度混合的塑料,由于热效率有限,产物中还有少量重组分。

(四)第三代

第三代以后,产物就不应该有重油组分了,而且可以处理重度混合的塑料,包含其他有机质和复杂组分。

(五)第四代

运用气体介质内热的加热方式,效率高,一条线日产能可上百吨。处理重度混合的塑料,产出轻油。

(六)第五代

循环流化催化裂解烯烃重组,处理重度混合的塑料,可直接产出单体,距离聚合物仅有一步聚合。科茂已过中试。

五、技术经济性核心要素

废塑料化学回收技术发展前沿

一项技术是否具有经济性,要把投入和产出拆解开来详细探讨。

(一)产出要素

1.产品价格:热解产出的重油价格在1500~2000元之间。催化裂解催化重组技术产出的轻汽柴油(塑料油)价格比重油高得多,若用于生产循环塑料,则有更高溢价。

2.高价值产品收率:因为有催化剂的参与,反应效率更高,催化裂解催化重组技术的高价值油品收率会高于热裂解。

3.单条线日产能(连续性):欧洲一些做得不错的企业,实际上不是连续生产,而是釜式生产,先将反应釜加热,反应完全后降温排渣,之后再进料加热,因此能耗很高,投资较大。第3代以后的催化裂解催化重组技术可实现连续生产,因此能耗及投资较低。

(二)投入要素

1.设备投资:如果对原料要求高、反应条件高、工艺流程长,设备投资就会高。催化裂解催化重组技术对原料要求低、反应条件低、工艺流程短,设备投资低。

2.温度相关的能耗及投资:温度高意味着能耗高。生产所需温度上升100℃,每吨塑料能耗成本可能会增加100~150元,同时对设备的要求和投资成本也会上升。催化裂解催化重组技术所需温度较低,对设备要求不高,因此能耗成本及设备投资较低。

3.进料要求和预处理:如果对进料要求高,比如只能处理单一塑料,或者需要清洗、预处理等等,都意味着更多的投资。催化裂解催化重组技术对进料要求较低,不需精分和清洗,且预处理简单,因此投资较低。

4.催化剂生产和处理:催化剂有成千上万种,在石油炼化行业,许多催化剂含有贵金属和重金属,成本高昂,而且如果重金属催化剂进入尾渣,尾渣会被判定为危废,后续处理费用同样很高。科茂催化裂解催化重组技术所用的催化剂无贵金属和重金属,对环境无害,可以回收。

六、发展较快的塑料化学回收企业

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根据部分公开信息显示(投资和承购协议等),目前发展较快的废塑料化学回收企业大致有上面几家,从工艺上看,炭化和气化基本没有发展较好的。这是抢赛道的过程,数家巨头都有投资或合作。尽管目前中国还没那么激烈,但随着政策的放开,市场会逐渐打开。

以上是个人基于部分公开信息的初步判断,若有错误,请大家批评指正。

七、化学回收工厂的场景和未来

(一)垃圾分选厂+废塑料化学回收工厂

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1.简介:可能建立干垃圾、湿垃圾、装修垃圾分选厂等,也有可能单独在焚烧厂旁建分选厂,分选出垃圾中的高价值塑料做物理回收,混合低值废塑料做化学回收,生成高价值原料油或新塑料原料,剩下的垃圾该焚烧的焚烧,该填埋的填埋。随着垃圾分类标准和回收率目标逐渐清晰,未来这种业态可能很多城市都会有。

2.发展趋势:目前分选厂的业态已经出现,我国某些城市已经存在湿垃圾和装修垃圾等分选厂。这种业态未来几年会大幅度增长,且我国极有可能会成为全球最大的市场,甚至三五年时间就会实现。以上海为例,每天产生的低值废塑料在五六千吨左右,一年就是200万吨左右,相较于欧洲几十吨的小工厂,我国的市场潜力更大。另外我国可能会成为PCR PP、PE的出口国,因为我国人口密度大、垃圾体量大,少量大城市已经开始启动了。

(二)垃圾焚烧厂+废塑料化学回收车间

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1.简介:在焚烧前将混合垃圾经过分选设备,分选出其中的塑料,进入化学回收设备,生成高价值原料油或新塑料原料,剩余垃圾进入焚烧设备。这样可以很好地实现减量化和资源化。

2.发展趋势:对一部分处理量饱和的焚烧厂有积极意义,分出塑料垃圾单独处理,相当于增加焚烧厂的处理量,即增加收入,通过化学回收处理塑料垃圾,又增加一笔收入;对另一部分处理量不饱和的焚烧厂有消极影响,分选掉热值高的塑料垃圾后,可能炉子都烧不起来。因此情况差别很大,要看具体情况。目前我国现有四五百座焚烧厂,未来的饱和度预估在900座左右,其中一定比例的可以用化学回收升级改造。

3.利润来源:现在的焚烧厂把塑料当垃圾烧掉,产值大约数百块一吨,而塑料制品成本上万快,焚烧是极大的浪费,化学回收可让每吨塑料产生两三千块甚至更高收益,这是技术革新带来的利润增加。

八、分选+低值废塑料化学回收

(一)自动化分选工厂

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该图来自陶朗的伙伴,这是未来自动分选的蓝图。未来的垃圾大概率不是靠人工分拣,而是大规模机械分选,由此诞生一系列垃圾分选厂,高质量的塑料垃圾(PET、HDPE等)做物理回收,低值混合脏塑料(包括含有塑料的纸基复合包装)做化学回收,金属和混合纸单独回收,RDF用作燃料等等。这种工厂在欧洲已经有100多个,我国已经开始建了,这很有可能是未来的趋势。

(二)垃圾资源化枢纽

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未来分选中心才是城市生活垃圾资源化利用的枢纽,只有分选,才有后面的资源化。前端混合收集或优化的垃圾分类收集,经过自动化智能化的分选厂,各类垃圾有不同的再生利用和处理方式,塑料可物理回收或化学回收,纸、金属等可回收,有机垃圾可堆肥或发酵,生物质可作燃料,不可回收的可焚烧发电或通过水泥厂、火电厂协同处置,无法处置的填埋。这就是未来垃圾资源化的蓝图,很清晰很明确,也有很长的路要走。

废塑料化学回收技术发展前沿

塑料垃圾有三种回收方式,互相并不冲突,而是互补关系。物理回收处理高价值的、品类单一的、较为干净的塑料,化学回收处理低价值的、混合的、受污染的塑料,能源回收处理太脏太乱无法资源化回收的,以及未能分离出来的塑料。目前我国的物理回收相对较为成熟,能源回收发展比较充分,化学回收才刚刚起步。而化学回收的价值,不仅在于减少焚烧产生的二噁英等污染,还可以减少碳排放50%以上,更多的是充分回收资源,终结塑料垃圾。

作者:科茂环境董事副总裁李金城博士

 

责任编辑: WY-BD

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