聚丙烯產品碳足跡核算及對比研究

張楚珂，，田濤，王之茵，盧海虹，薛飛

（1.中石化煉化工程（集團）股份有限公司，北京 100101；2.中國石化能源管理與環境保護部，北京 100035；3.中國石化鎮海煉化分公司，浙江寧波 315206；4.中天合創能源有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 017318）

1 背景

1.1 聚丙烯應用概況

塑料自發明以來，在為人類帶來便利的同時，也給環境治理帶來沉重的負擔。據統計，自20世紀50年代以來，全球的塑料產量達到83億t，而其中63億t已成為塑料垃圾[1]。由于塑料難降解，會造成長期、深層次的生態環境問題，目前世界各國都出臺了塑料回收與再生政策，構建塑料循環體系成為全球共識。應用生命周期方法研究塑料產品碳足跡，建立塑料全產業鏈的過程路徑，不僅可以尋找產業鏈的減排機會，同時對于挖掘塑料替代方法具有重要意義。

聚丙烯（polypropylene，PP）作為重要的塑料成分，是由丙烯單體聚合而成的熱塑性樹脂，具有良好的熱性能和機械性能[2]，其密度小、絕緣性好、抗沖能力強、無毒無味、易于回收與再利用，因此應用廣泛[3]。近年來，隨著我國經濟的快速發展，聚丙烯的生產能力和消費量持續上升。根據統計數據顯示，2020年中國PP產量約在2 600萬t左右，進口超過400萬t，并存在約35萬t出口量，所以，2020年中國PP的消費規模約在2 965萬t左右[4-5]。

聚丙烯主要用于生產編織、注塑、薄膜和纖維制品，我國聚丙烯消費結構見圖1[6]。隨著我國經濟發展模式的調整，聚丙烯下游消費結構也在不斷發生變化，尤其電子商務的快速發展導致快遞和外賣行業崛起，使得透明聚丙烯專用料和薄壁注塑料需求量增多。

圖1 2018年我國聚丙烯消費結構

1.2 碳足跡評價方法

聚丙烯作為重要的石油化工產品，其原料來源廣泛、生產流程長、溫室氣體排放源多，開展聚丙烯產品的碳足跡研究具有重要意義。

“碳足跡”是通過生命周期評價方法（Life Cycle Assessment，LCA），研究產品或服務的整個生命周期內（原材料獲取、產品生產、分配銷售、使用和廢棄處理）直接和間接產生的溫室氣體排放，其結果用二氧化碳當量（CO2-eq）表示。

隨著氣候變化問題越來越受到人們的重視，國內大部分石油公司都提出了綠色、低碳、可持續的發展戰略，不斷走向統籌化、專業化的碳資產管理道路。開展碳足跡研究將成為領先企業實施碳資產管理的重要內容，不僅順應了國家低碳發展潮流，還可以發掘低成本的減排機會，提高企業和組織綠色競爭力。

目前開展碳足跡工作依據的標準包括《PAS 2050： 商品和服務生命周期溫室氣體排放評價規范》（Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emission of goods and services）《ISO 14067 產品碳足跡——量化和交流的要求和指南》（Carbon footprint of products—Requirements and Guideline for Quantification and Communication）《TSQ 0010：產品碳足跡評估和標示通則》標準和溫室氣體核算體系標準（The Greenhouse Gas Protocol）[7]。

產品碳足跡評價標準提高了碳足跡核算工作的規范性，極大地推動了其商業應用，企業將碳足跡以“碳標簽”（Carbon Footprint Label）的形式進行標識，可以引導消費者的市場購買行為。

1.3 聚丙烯原料獲取工藝路線

按照LCA方法開展產品碳足跡評價需要計算原料獲取過程碳排放數據。生產聚丙烯的基本原料為丙烯。2019年我國丙烯總產能為3 960萬t，產量為 3 360 萬t，分別占全球的27.0%和27.2%[8]。丙烯的生產工藝包括催化裂化、蒸汽裂解以及近年來興起的MTO和丙烷脫氫工藝。

1）催化裂化

催化裂化是一種將大分子烴類轉化為小分子的原油二次加工工藝。重質油在450~500℃的高溫和催化劑作用下發生裂化反應，得到汽油、柴油和液化石油氣等產物。液化石油氣中含有體積分數在30%~45%的C3組分[9]，經氣分裝置可以分離得到丙烯。丙烯作為催化裂化工藝的副產物，收率較低，典型的催化裂化工藝的丙烯收率僅為5%~8%。近年來，采用分子篩催化劑的深度催化裂化（DCC）工藝逐漸得到應用，該工藝有效地提高了丙烯選擇性，產率最高可達20.5%[10]。

2）蒸汽裂解

蒸汽裂解是一種制取乙烯、丙烯、丁二烯等低分子烯烴的工藝方法。石油烴類原料和水蒸氣在裂解爐爐管內被加熱至750~900℃后發生裂解反應，裂解產物經急冷、深冷分離（-100℃以下）等過程，獲得各種裂解產品。蒸汽裂解工藝的主要產物為乙烯，丙烯為反應的副產物，原料的相對分子質量越大，丙烯的收率越高。

3）煤制烯烴（MTO）

MTO是一種以煤為原料合成甲醇、并通過甲醇制取乙烯、丙烯等烯烴的工藝過程，包括煤氣化、合成氣凈化、甲醇合成及甲醇制烯烴四個過程。煤制烯烴工藝可以減少我國對石油的過度依賴，具有較好的經濟效益。我國第一套MTO裝置于2010年由神華包頭煤化工有限公司投建，產能為60萬t/a。截至2017年，我國煤制烯烴總產能已經達到1 350.5萬t/a，其中丙烯總產能為793萬t/a，占我國丙烯總產能的20.0%。

4）丙院脫氫

丙烷脫氫是一種以丙烷為原料，通過催化反應脫氫制丙烯的工藝過程，該反應為強吸熱的可逆反應，高溫和低壓條件有利于提高丙烯收率[11]。丙烷脫氫工藝的原料及產品相對單一，近年來該工藝技術不斷革新，其產能持續擴張。

由此可見，聚丙烯原料獲取過程的工藝路線多樣、資源種類較多，催化裂化與蒸汽裂解工藝是以石油為原料，MTO工藝以煤炭為原料，丙烷脫氫工藝主要以非煉廠高純液化丙烷為原料。應用LCA方法研究不同原料來源的聚丙烯碳足跡，可以對比不同資源聚丙烯的溫室氣體排放，對實現各類資源開發利用過程的碳減排具有重要指導意義。

2 碳足跡核算方法

該研究采用生命周期評價方法，對比催化裂化、煉化一體化和MTO三種工藝路線的聚丙烯產品進行碳足跡研究。以噸聚丙烯產品為評價對象，采用從企業到企業（B2B）的評價模式，即從原材料進廠，經過各工藝環節加工至產品出廠為止，不包括產品的分銷、零售、消費者使用過程[12]。通過對比不同資源途徑的聚丙烯碳足跡，為尋求低碳工藝路線提供參考。

2.1 模型

開展石油化工產品碳足跡評價的過程包括[13]：①確定評價對象和邊界；②搭建企業總加工流程；③分析各環節物料平衡；④建立溫室氣體排放清單；⑤對共生產品進行排放分配；⑥計算各環節碳排放足跡；⑦編制產品碳足跡評價報告。

聚丙烯產品碳足跡是生產單位質量產品過程產生的二氧化碳排放量（CCO2）總和，計算公式如下：

式中，CR——原料獲取階段的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CA——生產過程輔助材料獲取階段產生的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CE——產品生產過程中消耗能源介質（包括水、電、蒸汽、燃料氣等）產生的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CP——產品生產過程工藝副產的二氧化碳排放量，kgCO2/t。

2.2 排放因子

燃料排放因子來自于各企業碳盤查報告；蒸汽排放因子采用能量折算值、標準煙煤熱值與標準煙煤原始排放因子計算值；電力排放因子采用各企業所在區域電網電力排放因子；水的排放因子采用水的折標煤系數、標準煤熱值與煙煤原始排放因子計算值；氮氣和凈化壓縮空氣排放因子采用對應氣體的折標煤系數、標準煤熱值與煙煤原始排放因子計算值。

3 不同工藝生產聚丙烯產品碳足跡核算

3.1 催化裂化聚丙烯

煉廠催化裂化裝置生產液化氣，液化氣經氣體分離后可得到純丙烯，再經聚合可生產聚丙烯產品。在該流程中，原油經常減壓蒸餾裝置分離得到蠟油、渣油等物料。其中，常減壓蠟油經加氫裂化裝置生成的冷蠟進入催化裂化裝置；渣油進入延遲焦化、溶劑脫瀝青裝置，生產的焦化蠟油、溶劑脫瀝青蠟油連同常減壓渣油進入渣油加氫裝置，經加氫后也進入催化裂化裝置。催化裂化裝置生產的催化液化氣進入氣分裝置，經分離得到純丙烯，之后進入聚丙烯裝置聚合生成聚丙烯。

在石化行業中，上游裝置的產品會作為下游裝置的原料，聚丙烯產品的碳足跡需要按照物料的流程逐一進行物料平衡、排放清單、排放分配等計算。以催化裂化裝置為例，說明碳足跡的計算過程。催化裂化裝置的物料平衡如表1所示。

表1 催化裂化裝置物料平衡

催化裂化裝置的CO2排放包括上游裝置帶入的原料排放及裝置自身的能耗排放。原料帶入CO2排放主要由上游裝置碳足跡計算得到，催化裂化裝置原料的碳足跡數據如表2所示。

催化裂化裝置能耗排放包括使用燃料、蒸汽、電等能源導致的CO2排放，如表3所示。

由表2和表3可得，催化裂化裝置的產品碳足跡為206.48 kg CO2/t。

表2 催化裂化裝置原料碳足跡數據

表3 催化裂化裝置能耗產生CO2排放量

按照上述方法對該煉廠聚丙烯生產過程的各裝置碳排放量進行計算，得到聚丙烯產品碳足跡結果為611.40 kgCO2/t，各環節的碳足跡如圖2所示。

圖2 催化裂化聚丙烯產品碳足跡結果（單位：kgCO2/t）

3.2 煉化一體化聚丙烯

煉化一體化企業的聚丙烯原料——丙烯主要由蒸汽裂解和催化裂化兩部分構成，其中催化裂化丙烯的生產與純煉油企業相似；蒸汽裂解丙烯由蒸汽裂解裝置副產得到，蒸汽裂解裝置的原料主要由煉油生產過程制取。

在該流程中，原油經常減壓蒸餾裝置分離得到石腦油、蠟油、渣油和洗滌油等物料。其中，渣油和洗滌油經延遲焦化裝置和溶劑脫瀝青裝置生產的焦化蠟油連同脫瀝青油進入加氫處理裝置，生產的蠟油進入催化裂化裝置，產生富乙烯氣；常減壓蠟油、石腦油連同焦化汽油、柴油和催化柴油經加氫后生產干氣、液化氣和石腦油；上述裂解原料經蒸汽裂解裝置加工可得到乙烯和丙烯。

催化裂化裝置生產的液化氣經氣分裝置生產純丙烯，與蒸汽裂解裝置產生的乙烯、丙烯共同進入聚丙烯裝置進行聚合，得到聚丙烯產品。

按照碳足跡計算方法，對上述過程的各裝置逐一進行CO2排放計算，得到聚丙烯產品的碳足跡結果為968.54 kgCO2/t，各環節的碳足跡結果如圖3所示。

圖3 煉化一體化聚丙烯產品碳足跡結果（單位：kgCO2/t）

3.3 MTO聚丙烯

MTO聚丙烯以煤為原料，通過煤制取甲醇后經MTO生產丙烯。在該流程中，空氣經空分裝置生產純氧作為煤氣化劑，氧氣和原料煤進入氣化－凈化裝置生產甲醇合成氣。甲醇合成氣經甲醇合成裝置生產MTO級甲醇，后經MTO裝置生產乙烯、丙烯、混合碳四、混合碳五等產物。其中，乙烯和丙烯進入聚丙烯裝置進行聚合，混合碳四和混合碳五進入OCC裝置和MTBE裝置進一步加工。

按照碳足跡核算方法對各裝置的CO2排放進行計算，得到聚丙烯產品的碳足跡為5 979.42 kgCO2/t，各環節的碳足跡如圖4所示。

圖4 MTO聚丙烯產品碳足跡結果（單位：kgCO2/t）

4 結果對比

對上述催化裂化、煉化一體化和MTO三種聚丙烯生產路線的碳足跡數據進行對比，結果如表4所示。

表4 聚丙烯工藝碳足跡對比

由表4可得，催化裂化工藝制聚丙烯的碳足跡值最小，為611.40 kgCO2/t，煉化一體化聚丙烯工藝碳足跡次之，為968.54 kgCO2/t，MTO工藝的碳足跡最大，達到5 979.42 kgCO2/t。從煉化一體化聚丙烯產品碳足跡結果中可以看出，煉油丙烯的碳足跡值為281.49 kgCO2/t，蒸汽裂解丙烯的碳足跡值為692.52 kgCO2/t，蒸汽裂解工藝制丙烯的碳足跡 較大。

5 結論及建議

1）三種工藝制聚丙烯的碳足跡排放順序為：催化裂化＜煉化一體化＜MTO。催化裂化制丙烯工藝流程相對簡單、涉及的裝置較少，碳足跡值最??；煉化一體化制丙烯的來源包括催化裂化和蒸汽裂解，其中，蒸汽裂解工藝的碳足跡值較大；MTO工藝中的MTO裝置能源排放值較大，且該裝置的出方物料有57%的損失值（包括MTO凈化水和過濾廢水），MTO裝置的碳足跡值較大，優化MTO裝置乙烯與丙烯來源對聚丙烯生產階段碳減排具有重要意義。MTO工藝制聚丙烯雖然經濟性較高，但不利于低碳減排，在實際生產過程中應做好經濟效益與環境效益的權衡。

2）碳足跡評價易于引導產品從資源獲取的源頭開展低碳改進。對石化產品開展碳足跡評價，不僅考慮聚丙烯產業鏈各環節的溫室氣體排放，同時可以對比不同資源來源聚丙烯產品的碳排放。通過碳足跡評價及標識，消費者可以對市場上流通的各種原料路線的聚丙烯產品進行對比，引導全社會降低聚丙烯產品消耗的碳排放。

3）聚丙烯作為重要的塑料材料之一，2020年1月19日國家發展改革委和生態環境部聯合發布了《關于進一步加強塑料污染治理的意見》，通過積極推進塑料垃圾分類，將塑料污染治理上升到國家層面[14]，促進了廢舊塑料的回收利用，不僅降低了塑料使用對石油等資源的消耗，還可以減少塑料生產過程能耗和二氧化碳排放[15]。

4）目前存在大量評價產品生產水平的指標，包括單位加工能耗、水耗、物耗、VOCs排放，但這些指標多是將單個產品生產本身的過程作為評價對象，缺少從生命周期（總流程）的角度整體評價產品生產水平先進與否的方法。碳足跡核算指標在彌補上述不足的同時，可以反映產品生產過程的能源消耗和溫室氣體排放，同時也體現了不同原料路線的產品生產過程碳排放量，更容易挖掘產業鏈的減排機會。