聚丙烯原料生产的生命周期评价及与聚乳酸的比较

解 昊，刘海敏，丘秉焕，严玉蓉

(华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640)

由于生物基材料的迅速发展，人们为了探求这类新型材料的潜力以及证明其存在的价值，生命周期评价(LCA)这一环境影响评估工具诞生出来，并成为了比较生物基聚合物、天然纤维复合物等新型材料与石油基聚合物相关产品的工具。经过近40年的发展演变，如今LCA的相关技术和方法也趋于成熟。ISO为生命周期评价在ISO14000系列环境管理标准中专门预留了10个标准号(ISO14040—ISO14049)，而现在仅使用了其中的五个标准号(ISO14040—ISO14044)，分别对LCA的定义和实行办法进行了标准化。

聚丙烯(PP)由于具有产品密度小，生产成本低，化学稳定性好，无毒，易加工，较好的综合机械性能等多种优点，目前已在汽车工业、家用电器、电子、农业、建筑包装以及建材、家具等方面得到广泛应用，并且已成为五大通用塑料中发展速度最快的产品[1]。本文对聚丙烯原料生产的生命周期作了评价并与聚乳酸(PLA)的生命周期作了比较。

1 生命周期评价

1.1 生命周期评价的定义

生命周期评价是一种用来评估产品的整个生命周期中潜在的环境影响和资源利用情况的工具，即从原材料采购、生产和使用阶段到废物管理。废物管理阶段包括处置和回收利用[2]。“产品”实际上包括货物和服务。

关于生命周期评价，一些环境研究机构对其侧重有所不同[2]，目前ISO中对LCA的定义主要参照美国环保局和美国环境毒理与化学学会(SETAC)：

(1) 美国环保局：对自最初从地球中获得原材料开始，到最终所有的残留物质返归地球结束整个过程中，任何一种产品或人类活动所带来的污染物排放及环境影响进行估测的方法。

(2) SETAC：全面审视和评价一种工艺或产品“从摇篮到坟墓”的整个生命周期相关的环境后果。

由于LCA通常只是设计者或生产商在产品投入市场之前对其环境效应进行的预测，其中必定有许多假设与不确定因素，而且预测的过程往往不会考虑社会、伦理和经济方面的状况。因此，将这些假设不断进行统一以及将不确定因素降到最少是LCA研究工作者们最关心的问题。

1.2 生命周期评价基本思路及其特点

生命周期评价的基本思路如图1所示[3]。设计者首先对产品生命周期中能量和物质的消耗以及产生的环境释放进行量化分析，再通过分析的结果评估这些消耗和释放对环境的影响，从而进一步寻找减少这些影响的机会和方法。

图1 生命周期评价基本思路

LCA是一种全面综合的评价，它考虑了所有涉及自然环境、人类健康和资源利用的属性和方面，其最突出的特点就是把产品从出生到消亡整个生命周期作为研究对象，这样做是为了避免问题迁移。例如从生命周期的一个阶段到另一个阶段，从一个区域到另一个区域，从一个环境问题到另一个环境问题[4]。

在生命周期评价中，一个产品系统对环境的影响会导致一系列重要的结果，这些结果就可以在LCA中模拟出来[5]：

(1)产品系统是在时间和空间上的延伸，而环境排放通常忽略个别排放，而是将结果以统一的形式进行汇总；

(2)清单分析的结果通常是与环境排放过程以及所导致的环境影响的程度无关；

(3)LCA中的功能单位通常是去评估一个非常具体的量或对象。在清单中向空气、水、土壤等自然环境的排放都以占总排放量的百分数的形式表现出来。因此环境影响评估的过程就必须处理大量的数据，这些数据都代表了全过程排放量的一部分。

LCA作为一门新兴科学，其自身也存在许多问题。在大多数研究实例中，LCA可以看作是建立产品生产的未来模型的桥梁，例如，用于评估一项未来可能实施的方案相应LCA的影响，或者使用归因型LCA评估未来的技术或系统。这种对未来影响的分析，需要考虑如何建立未来的问题。一种简单的方法就是假设未来和现在一样，那么就可在现有的状态进行数学模拟[6]。有时这可能是一个好假设，但有时，它并不能够完全描述未来的情景。

2 PP的LCA研究

2.1 聚丙烯的生产概述

目前，聚丙烯工业中的核心动力依然是催化剂的技术创新。Ziegler-Natta催化剂还在不断改进，研究者在继续保证高活性、高定向性的基础上向着系列化、高性能化发展，不断开发出新的产品。茂金属和非茂单活性中心催化剂(SSC)在聚丙烯领域的应用也得到不断的发展，很快将实现技术的工业化，投入到通用产品的市场当中。

聚丙烯生产工艺按反应类型主要分为五大类：溶液法、淤浆法、本体法、气相法和本体-气相组合法，且主要以本体法和气相法为主[7]。例如BP公司的气相Innovene工艺，Chisso公司的气相法工艺，Dow公司的Unipol工艺，NTH公司的Novolen气相工艺，日本住友化学公司的Sumitomo气相工艺，Basell公司的本体法工艺，三井公司开发的Hypol工艺等等。气相法工艺的快速发展已经逐渐取代了其它工艺，主要是因为气相法生产流程简单，单线生产能力大，投资成本较低。

自20世纪90年代以来，全球聚丙烯生产工艺中，Basell公司的Spheripol环管/气相工艺占主导地位，其次是Dow的Unipol气相工艺，NTH公司的Novolen气相工艺，BP公司的Innovene气相工艺，三井公司的Hypol釜式本体工艺等，而最早用于生产聚丙烯的淤浆法生产工艺正逐渐被淘汰。

除了这些经典工艺之外，近年来随着催化剂技术的不断进步和市场要求的不断提高，同时也是为了满足可持续发展要求，各大主要的聚丙烯生产商也开发出了一些具有独立创新性的新工艺，其中具有代表性的有Basell公司开发的Spherizone工艺以及Borealis(北欧化工)的Borstar工艺[8-9]。

2.2 目标与范围的定义

PP生命周期评价此处主要考虑从原料的生产到制成可投入使用的PP粒料这一过程。研究的PP生产工艺为联碳公司的“Unipol”气相工艺，所有数据来自APME(Association of Plastics Manufactures in Europe)[10]。

LCA研究的功能单位为生产1 kg的PP粒料，聚合工艺选择为两步法“Unipol”流化床气相聚合，范围确定为从原料(石油、天然气)生产到聚丙烯产品生产。能量输入部分包括生产消耗的电力和蒸汽产生的能量，输出部分主要为气体排放，包括硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和VOC(挥发性有机化合物)。系统边界如图2。

图2 PP生产流程系统边界

对于这套工艺流程，需要进行几点说明：

(1) 原料。根据APME的数据[10]，原料形式主要分为原油和天然气两种，其中原油占54%，天然气占46%。原料的来源也分为两块，一部分是由北海开发出的原油和天然气，这部分只占原料供应的15%，而其它地方提供的原料占85%。

(2) 运输。北海中开采出的原油和天然气需要运送到陆地上，这部分能源消耗在下面的清单数据中已经包含在内，同样，其它地区的原料运输能源都计算在内。系统中气体的输送方式主要是利用管道输送，这种方式连续性好，同时减少能耗。

(3) 丙烯生产。丙烯的主要生产方式为蒸汽裂解。首先对原料油进行蒸馏，轻油采用常压蒸馏，重油则可以使用减压或真空蒸馏。得到的产物再通过催化裂解，经过一系列过滤、纯化后得到可以用于聚合的丙烯。

(4) 聚合过程。聚合工艺采用“Unipol”气相工艺，生产时则同时运行至少14间工厂来生产聚丙烯。

2.3 清单分析

系统中的能源输入清单如表1。

表1 PP生产系统的能源输入清单 MJ/kg PP

注：表中数据均来自Australian LCA Data Inventory Project(1999)[10]。

表1中，原料生产时所消耗的石油和天然气能量，是指向油气精炼厂供料这一过程消耗的能量，即把石油供料给精炼厂之前消耗了37.9 MJ/kg PP，把天然气供料给精炼厂之前消耗了9.82 MJ/kg PP，这其中包括了石油与天然气的开采、运输等等。加工过程中，天然气和石油又是作为燃料为设备提供热能，用于发电，生产蒸汽等方面。整个系统消耗的不可再生能源总计为47.7 MJ/kg PP+32.3MJ/kg PP=80.0 MJ/kg PP，没有使用可再生能源。

系统中主要气体排放情况如表2所示。

表2 PP生产系统中主要气体排放清单 g/kg PP

注：表中数据均来自Australian LCA Data Inventory Project(1999)[10]。

硫氧化物的排放主要来自原油的燃烧，排放量为11 g/kg PP。因为原油中通常含有一定量的硫(原油含硫量在0.5%以下为低硫原油，超过2%就是高硫原油)，而前面的系统说明中提到，原料中北海开采的低硫原油只有15%，其余85%都是高硫原油，因此该系统中硫氧化物的排放对环境的影响也不容小视。氮氧化物的排放同样来自燃烧，排放量为10 g/kg PP，氮氧化物对温室效应的贡献大约是CO2的300倍左右。VOC是指挥发性有机化合物，排放量为13 g/kg PP，主要是在蒸馏、裂解等过程中产生的。VOC对环境的影响主要表现在生态毒性，小分子的碳氢化合物对人体和生物体都会造成一定的影响。

2.4 PP与PLA的生命周期比较

图3 PLA1与PLA B/WP的能耗[11-12]

图4 PLA1与PLA B/WP的CO2当量排放[11-12]

将上述清单分析的数据与已有的Natureworks PLA相关数据进行比较，如图3和图4所示，功能单位都是1 kg产品粒料。其中PLA1是第一代聚乳酸生产工艺，PLA B/WP是Natureworks开发的生物质风能聚乳酸生产工艺[11]。

如图5所示，PP与PLA最大的不同在于原料的来源。PP原料主要为原油和天然气，这部分所消耗的不可再生能源大约占了系统总能源的60%，是对能源消耗影响的主要部分。这一点也是所有传统石油基聚合物与生物基材料相比最大的劣势。相反，在材料生产加工过程中，PLA1比PP消耗的化石燃料要多出将近一倍，这是因为聚丙烯工业已经相当成熟，能源利用率高，工艺环节紧凑高效，而PLA1作为第一代聚乳酸生产工艺，还有很多的不足和缺憾，设备效率较低，生产过程复杂，能源利用率低。然而，理想工艺PLA B/WP就真正减少了化石能源的使用，并且有望实现不可再生能源零消耗的目标。近年来，PLA的生产发展受到了极大的重视，其工艺的不断更新也使PLA节约能源的优势愈发明显。根据E·Vink在2006年对NatureworksTM进行的研究，Cargill-Dow公司到2006年时，生产PLA所消耗的化石能源为27.2 MJ/kg PLA，生产排放的CO2为0.27 kg/kg PLA，比PLA1的数据分别降低了50%和85%。由此可见，PLA工艺的发展是十分迅速的，而且发展的潜力也是十分巨大的。

图5 不可再生能源消耗

图6 温室气体排放比较

如图6所示，1 kg PP排放的当量为1.939 kg，而PLA1则为1.77 kg，两者的CO2当量的排放实际相差不大，主要还是由于两者技术发展水平的差异。PP生产过程能源利用率高，化石燃料使用较少，PLA1能源利用率低，化石燃料用量较大，因此两者排放的CO2之间的差距缩小。PLA B/WP极大减少了化石燃料的使用，风能发电的利用以及用生物质原料代替石油原料，甚至代替原来的玉米原料，使生产成本大幅降低，CO2实现负排放，是真正的环境友好型材料，是未来聚合物工业的主要发展方向。

3 结 论

聚丙烯与其它传统石油基聚合物相比，消耗的化石能源很少，仍然具有很好的发展前景。聚丙烯生产工艺成熟，生产效率高，成本低，易回收，全球产量平均每年增长7%以上，是增长最快的石油基聚合物。聚乳酸与聚丙烯相比，虽然消耗的能源较少，二氧化碳排放量较低，但其工艺尚不成熟，生产效率还不高，生产优势还不明显。未来几年，生物基聚合物工业将快速发展，逐步取代石油基聚合物，聚乳酸将以其优异的材料性能和加工性能，成为新型生物基材料的典范。同时，聚丙烯的生产也要不断发展和创新，进一步提高效能，降低能耗，实现可持续发展。

[1] 王立娟.无规共聚聚丙烯的发展现状[J].塑料工业,2008,36:28-33.

[2] ISO14040.Environmental management-Life cycle assessment-Principles and framework[S].International organization of standar dization.2006.

[3] 斯泰因比歇尔[德].生物高分子，第十卷：总论与功能应用[M].陈学思，景遐斌，庄秀丽，译.北京：化学工业出版社，2005：419-460.

[4] 张彤，赵庆祥，林哲.生命周期评价与清洁生产[J].城市环境与城市生态，1995,8(4):32-36.

[5] Göran Finnveden,Michael Z.Hauschild,Tomas Ekvall,etc.Recent developments in Life Cycle AssessmentK[J].Journal of Environmental Management,2009(91):1-21.

[6] 丁绍兰，陈鹏.生命周期评价应用中应注意的问题[J].环境科学与管理，2009，34(3):61-64.

[7] 内罗·帕斯奎尼[意].聚丙烯手册[M].胡友良,译.北京：化学工业出版社，2006.

[8] 杨维红.聚丙烯发展近况[J].石油化工，2001，30(4):319-324.

[9] 韩秋凤.聚丙烯生产技术的研究开发进展[J].塑料制造，2009(6):71-75.

[10] Tim Grant.Life Cycle Assessment Australian Data Inventory Project Summary Report[R].1999.4.

[111] Erwin T.H.Vink.Applications of life cycle assessment to NatureWorks polylactide(PLA) production[J].Polymer Degradation and stability,2003(80):403-419.

[12] Vink,Rabago,Glassner,et al.The sustainability of NatureWorks (TM) polylactide polymers and Ingeo (TM) polylactide fibers(a)：an update of the future[J].MACROMOLECULAR BIOSCIENCE,2004,4(6):551-564.