干货必读!废塑料化学回收技术和产业发展前沿

2021-05-25 16:21 浏览量:952

作者:李金城博士  浙江科茂环境科技有限公司副总裁

一、废塑料化学回收技术分类

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(一)化学回收的定义

严格意义上讲,“化学回收”是“化学循环”的第一步,是塑料循环产业链的前半部分。化学循环是将塑料废弃物经过一系列的化学反应重新生成塑料和其他有价值的化学品的过程,那么化学回收则是将塑料废弃物经过一系列的化学反应生成油、气、炭等中间化学品的过程。

(二)回收技术分类

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,有氧气部分参与,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:或称萃取法,适用于缩聚类塑料,有醇解、水解、溶剂解等类型,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。

(三)常用工艺讲解

目前使用最多的是液化工艺,主要有以下三种类型

1.热裂解:这是市面上常见和主要探讨的技术。温度500~800℃,温度过高会导致原料大量气化;由于没有催化剂参与,且温度较高,塑料分子无序拆解、无序组合,因此产物链条较长,一般主要为重质燃料油和蜡,含有少量轻组分;重油可做远洋货轮和锅炉燃料使用。橡胶炼油常用热裂解,因橡胶为单一材料,比较好处理,而塑料垃圾为混合材料,且含有大量添加剂,热解通常会产生结焦。

2.催化裂解:反应有两段,第一段切断分子链,第二段重组为轻质油;有催化剂参与,切割和重组过程有序进行,因此产出物可控,催化剂也使得化学反应效率提升数百倍甚至更多,因此温度低于热裂解;后续技术迭代,可以做到乙烯、丙烯和BTX单体。目前根据公开信息推测,日本和美国的企业在催化裂解方面并没有重大的落地项目突破。

3.加氢裂解:加氢成本高昂,可能是由于经济性较差,导致该项技术没有普及。

二、聚烯烃类废塑料化学回收技术代际

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代际划分的标准是催化深度,这是由人工到机械,再到热、化学和复杂化学的进化过程,热解是化学回收的初级阶段。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。很难想象,仅用解热的方式就能从石油里提炼出高价值产物。

(一)原始阶段

就是土法炼油,已经被国家禁止。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:用有机溶剂(如重油)加热融化塑料并进行裂解,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,用介于气态和液体中间状态的水作为加热载体,同时这种水也会起到微催化作用,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,包含其他有机质和杂质。

(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

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。

三、技术经济性核心要素

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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塑料油(轻汽柴油)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、进料和反应不连续,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.运营能耗: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,因此能耗成本较低。

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。

四、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。中国的技术一点都不差,只是政策方面没那么积极,但现在已经开始有动作了。随着政策的放开,市场会逐渐打开。

五、废塑料化学回收的政策环境

(一)供需及技术政策分析

化学回收具备产物需求政策、原料可得性和成本政策以及技术支持政策,我们可以判断出化学回收的政策空间正在打开。

1.欧洲方面:欧盟塑料战略、英德等国塑料及包装税立法,比如英国立法少于30%的再生塑料包装的税率为每吨200英镑。通过税收及政策打开了化学回收PCR塑料的需求空间。

2.中国方面:垃圾分类、无废城市、塑料污染管理和碳中和等相关目标,塑料垃圾越来越容易获得,使得低成本废塑料原料的可得性越来越强。

3.技术政策:环保部正在制定《废塑料污染控制技术规范》,拟支持用化学回收将废塑料转化为单体、裂解油作为废塑料资源化的技术方向,相较于过去“不宜以废塑料为原料炼油”的时代,已产生极大转变,相当于打开了一个风口。广东省明文规定“支持鼓励废塑料裂解等新型资源化能源化利用技术应用”,其他地区暂无明文规定,并不妨碍相关项目的推进,这代表化学回收技术逐渐被认可和支持。

(二)我国关键政策分析

1.垃圾分类:一是使低值废塑料能够低成本、高效率地从垃圾中分拣出来,二是促进了观念转变,由过去“低值废塑料是垃圾”到现在“低值废塑料是资源”。以干湿分离为例,除上海外,大部分实行垃圾分类的城市的湿垃圾中都有塑料,目前不少地区已经在把湿垃圾中的塑料分离出来,意味着处理湿垃圾中塑料垃圾的市场便慢慢成长起来。同时,干湿分离后,干垃圾变得干净,可回收性增强,意味着对干垃圾进行分选和回收的投资变得更有价值。过去对干垃圾进行分选可能是不划算的,但现在通过把干垃圾中占比20%以上的废塑料挑出来进行化学回收,产生的高价值收益可以补贴前端的分选环节,使得垃圾分选的可行性进一步增强。还有,政府对低值废塑料是资源的认知越来越清晰、目标越来越明确,自然而然的结果就是推进了塑料垃圾的回收。

2.垃圾资源化回收目标:目前中国的目标是“到2025年,全国城市生活垃圾回收利用率达到35%以上(除去焚烧)”,但这个目标比较模糊。欧盟的目标则很细化,要求除去焚烧垃圾回收利用率要达到65%,塑料包装的回收利用率要达到55%。目标明确后,为了完成绩效,政府会通过税收政策等手段主动推进塑料回收,欢迎塑料回收的主体进入,塑料回收的市场空间就被打开。

3.政府补贴税收支持方向:欧洲很多国家和地区会补贴智能垃圾分选厂,政府希望开源节流,“开源”即充分资源化,让垃圾产生更多收益,“节流”即减少焚烧,因为焚烧需要付费。目前我国正处于鼓励垃圾从填埋到焚烧的阶段,但我们相信未来我国也会逐渐开始支持垃圾分选厂,自然而然的结果就是垃圾减量化和资源化。分选出的塑料需要处理,政府会投资或者补贴塑料处理,那么塑料原料的供给将会变得便宜且充足。无论是垃圾分类还是资源化目标,本质都是借助商业之外的力量帮忙塑料回收企业降低获得塑料垃圾的难度和成本。

(三)垃圾处理政策导向

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1.整体性落后:目前我国还处于鼓励焚烧的阶段,而在日本、欧洲等发达国家和地区,则鼓励从焚烧向资源化过渡。

2.区域发展不均衡:我国东部地区垃圾焚烧比例很高,市场已经饱和,接下来会走资源化道路,其他地区则相对落后,发达国家和发展中国家的垃圾处理状态在我国同时出现,区域发展不均衡。

3.资源化趋势:整体上看,我国的垃圾处理开始从焚烧向资源化转变,大量政府部门和政策开始探讨资源化,整个垃圾资源化产业,包括塑料物理循环和化学循环,将会进入一个快速上升的通道。可以畅想一下,未来每个城市都可能会有化学循环工厂,垃圾焚烧厂出现的地方,可能就会有塑料化学循环工厂,按照城市规模和垃圾体量不同,工厂的处理能力从万余吨级到百万吨级都会存在,我们对此抱有极大的信心。

六、废塑料化学回收的行业环境

(一)全球承诺

全球承诺是特别重大的战略,因为全世界最有钱、最有影响力和话语权的企业的CEO进行了承诺,意味着这件事由政策导向变成市场行为,这是非常巨大的转变。

1.艾伦·麦克阿瑟基金会全球承诺:这是最核心的承诺,该基金会本着消除塑料废弃物的愿景,召集全球300多个国家和地区的政府、NGO以及品牌企业、包装企业等签署全球承诺,签署方囊括了全球20%的塑料使用量,而且相当有话语权,有能力进行公关推动。例如宝洁等品牌企业,承诺了产品包装含有一定比例的循环塑料,为了兑现承诺,他们的可持续发展部门和采购部门就要在全球范围内寻找循环塑料的来源,于是将压力传递给上游包装企业,而包装企业又将压力传递给化工企业,因此化工企业是循环塑料最积极的推动者。如果无法提供循环塑料,化工企业将难以满足客户的诉求,可能会失去客户。而化工企业较少有技术和项目的储备,为了维系老客户,获得新客户,化工企业正在投资或整合循环塑料的技术。除此之外,为了避免在供应方面被上游企业卡脖子,包装企业、品牌企业也会积极投资或者与化学回收企业合作,争取得到PCR塑料战略先机。

2.终结塑料废弃物联盟:本着消除塑料废弃物的愿景,全球40多家化工、包装、品牌巨头组成该联盟。类似的NGO越来越多,相关企业也越来越多。

(二)参与者

由于化学循环的产能过于稀缺,不仅化学企业会参与化学循环,包装企业和品牌企业也会参与,承诺已经讲出去了,必须要兑现,因此在欧洲、东南亚、中国、美国等全球各地开展布局,以获得技术和战略先机。中国在化学循环方面的声音较弱,却也是暗流涌动,因为承诺是全球的,巨头们在中国生产和销售的包装物和消费品也要兑现承诺。

1.国际化工巨头:全球排名前列的化工巨头企业,包括BASF、SABIC、英力士、陶氏等等。

2.国际包装巨头:安姆科、希悦尔等。

3.国际品牌巨头:达能、宝洁、可口可乐、百事、雀巢、欧莱雅等。

4.中国参与者:由外资巨头推动,包括中石化在内的中资化工企业逐渐开始参与化学循环,代表组织是2020年成立的石化联合会化学循环课题组。

七、化学循环产业链

(一)产业链讲解

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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:发布了产业链案例,通过化学回收将废塑料制成新塑料,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。

(三)有价无量的产能

1.技术稀缺:过去塑料回收不是巨头的战略重点,所以较少有技术储备,拥有技术的企业又没有大规模投产。化工、包装和品牌巨头产生了对PCR塑料和原料的强劲需求,但是石油化工巨头在废塑料化学回收的技术上的工业应用方面还没有准备充分,因为处理废塑料跟传统的石油化工、煤化工和天然气化工的技术路线、工艺流程和催化剂等方面差异很大,很难短时间内找到解决方案。少数化学回收企业钻研10年甚至20年,拥有一定的技术积累,现在风口到了才得以崭露头角,并不是突然冒出来的。而具备化学回收技术的少数企业,囿于多种因素限制,并没有展开大规模的投产,因此技术非常稀缺。或许多年以后,化学回收会普遍起来,但在今日,化学回收才刚刚起步。

2.产能稀缺:因为过去技术稀缺和投资不足造成了产能稀缺。现在高品质的PRC塑料产能非常匮乏,以致产生倒挂现象,化学循环塑料的价格是石油基塑料的1.5-3倍,即便如此也供不应求。目前大品牌对PRC塑料的诉求比较强烈,如果某个原供应商没有,就会去找其他供应商,因此对于想取得PCR塑料战略先机的企业来说,再贵也要买一些,不然可能会失去客户、失去市场、失去机会。如果哪家聚合物企业拥有强大的化学回收产能,而且成本相对较低,比较容易抢占市场,因此整个市场非常紧张。

3.巨头布局产能:化学回收在全世界像样的企业,总共不过六七家左右,而巨头的数量则是数十家。如果几家巨头瓜分了化学回收的产能,剩下的大部分巨头将失去先机,自行研发可能需要数年时间,就会落后于市场,因此巨头们很努力布局化学回收的产能。现阶段的化学回收有价无量,该阶段可能会持续两年左右,而PRC塑料价格倒挂的现象或许会持续4-5年。将来技术和产能丰富后,价格很有可能会降下来,但早期阶段技术不够先进、产能不够充足,产能的带价比较高。

八、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,生成高价值塑料油或新塑料原料,剩下的垃圾通过焚烧或填埋处理。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。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,我国市场潜力更大。另外我国可能会成为PCR塑料的出口国,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,分选出其中的低值废塑料,进入化学回收设备,生成高价值塑料油或新塑料原料,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,相当于增加了焚烧厂的处理量和收入,通过化学回收处理塑料垃圾,又是一笔额外的收入;对另一部分处理量不饱和的焚烧厂来讲,分选掉热值高的塑料垃圾后,可能会对运营带来消极影响。因此差别很大,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八九百座左右,其中一定比例的可以用化学回收升级改造。

九、分选+低值废塑料化学回收的未来展望

(一)自动化分选工厂

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该图来自陶朗的伙伴,这是垃圾工业化自动分选工厂的案例。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,其他可燃物做成RDF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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只有分选,才有后面的资源化。

(三)终结废塑料

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塑料垃圾有三种回收方式,互相不冲突,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。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。


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