聚丙烯产品碳足迹核算及对比研究

张楚珂，，田涛，王之茵，卢海虹，薛飞

（1.中石化炼化工程（集团）股份有限公司，北京 100101；2.中国石化能源管理与环境保护部，北京 100035；3.中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波 315206；4.中天合创能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017318）

1 背景

1.1 聚丙烯应用概况

塑料自发明以来，在为人类带来便利的同时，也给环境治理带来沉重的负担。据统计，自20世纪50年代以来，全球的塑料产量达到83亿t，而其中63亿t已成为塑料垃圾[1]。由于塑料难降解，会造成长期、深层次的生态环境问题，目前世界各国都出台了塑料回收与再生政策，构建塑料循环体系成为全球共识。应用生命周期方法研究塑料产品碳足迹，建立塑料全产业链的过程路径，不仅可以寻找产业链的减排机会，同时对于挖掘塑料替代方法具有重要意义。

聚丙烯（polypropylene，PP）作为重要的塑料成分，是由丙烯单体聚合而成的热塑性树脂，具有良好的热性能和机械性能[2]，其密度小、绝缘性好、抗冲能力强、无毒无味、易于回收与再利用，因此应用广泛[3]。近年来，随着我国经济的快速发展，聚丙烯的生产能力和消费量持续上升。根据统计数据显示，2020年中国PP产量约在2 600万t左右，进口超过400万t，并存在约35万t出口量，所以，2020年中国PP的消费规模约在2 965万t左右[4-5]。

聚丙烯主要用于生产编织、注塑、薄膜和纤维制品，我国聚丙烯消费结构见图1[6]。随着我国经济发展模式的调整，聚丙烯下游消费结构也在不断发生变化，尤其电子商务的快速发展导致快递和外卖行业崛起，使得透明聚丙烯专用料和薄壁注塑料需求量增多。

图1 2018年我国聚丙烯消费结构

1.2 碳足迹评价方法

聚丙烯作为重要的石油化工产品，其原料来源广泛、生产流程长、温室气体排放源多，开展聚丙烯产品的碳足迹研究具有重要意义。

“碳足迹”是通过生命周期评价方法（Life Cycle Assessment，LCA），研究产品或服务的整个生命周期内（原材料获取、产品生产、分配销售、使用和废弃处理）直接和间接产生的温室气体排放，其结果用二氧化碳当量（CO2-eq）表示。

随着气候变化问题越来越受到人们的重视，国内大部分石油公司都提出了绿色、低碳、可持续的发展战略，不断走向统筹化、专业化的碳资产管理道路。开展碳足迹研究将成为领先企业实施碳资产管理的重要内容，不仅顺应了国家低碳发展潮流，还可以发掘低成本的减排机会，提高企业和组织绿色竞争力。

目前开展碳足迹工作依据的标准包括《PAS 2050： 商品和服务生命周期温室气体排放评价规范》（Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emission of goods and services）《ISO 14067 产品碳足迹——量化和交流的要求和指南》（Carbon footprint of products—Requirements and Guideline for Quantification and Communication）《TSQ 0010：产品碳足迹评估和标示通则》标准和温室气体核算体系标准（The Greenhouse Gas Protocol）[7]。

产品碳足迹评价标准提高了碳足迹核算工作的规范性，极大地推动了其商业应用，企业将碳足迹以“碳标签”（Carbon Footprint Label）的形式进行标识，可以引导消费者的市场购买行为。

1.3 聚丙烯原料获取工艺路线

按照LCA方法开展产品碳足迹评价需要计算原料获取过程碳排放数据。生产聚丙烯的基本原料为丙烯。2019年我国丙烯总产能为3 960万t，产量为 3 360 万t，分别占全球的27.0%和27.2%[8]。丙烯的生产工艺包括催化裂化、蒸汽裂解以及近年来兴起的MTO和丙烷脱氢工艺。

1）催化裂化

催化裂化是一种将大分子烃类转化为小分子的原油二次加工工艺。重质油在450~500℃的高温和催化剂作用下发生裂化反应，得到汽油、柴油和液化石油气等产物。液化石油气中含有体积分数在30%~45%的C3组分[9]，经气分装置可以分离得到丙烯。丙烯作为催化裂化工艺的副产物，收率较低，典型的催化裂化工艺的丙烯收率仅为5%~8%。近年来，采用分子筛催化剂的深度催化裂化（DCC）工艺逐渐得到应用，该工艺有效地提高了丙烯选择性，产率最高可达20.5%[10]。

2）蒸汽裂解

蒸汽裂解是一种制取乙烯、丙烯、丁二烯等低分子烯烃的工艺方法。石油烃类原料和水蒸气在裂解炉炉管内被加热至750~900℃后发生裂解反应，裂解产物经急冷、深冷分离（-100℃以下）等过程，获得各种裂解产品。蒸汽裂解工艺的主要产物为乙烯，丙烯为反应的副产物，原料的相对分子质量越大，丙烯的收率越高。

3）煤制烯烃（MTO）

MTO是一种以煤为原料合成甲醇、并通过甲醇制取乙烯、丙烯等烯烃的工艺过程，包括煤气化、合成气净化、甲醇合成及甲醇制烯烃四个过程。煤制烯烃工艺可以减少我国对石油的过度依赖，具有较好的经济效益。我国第一套MTO装置于2010年由神华包头煤化工有限公司投建，产能为60万t/a。截至2017年，我国煤制烯烃总产能已经达到1 350.5万t/a，其中丙烯总产能为793万t/a，占我国丙烯总产能的20.0%。

4）丙院脱氢

丙烷脱氢是一种以丙烷为原料，通过催化反应脱氢制丙烯的工艺过程，该反应为强吸热的可逆反应，高温和低压条件有利于提高丙烯收率[11]。丙烷脱氢工艺的原料及产品相对单一，近年来该工艺技术不断革新，其产能持续扩张。

由此可见，聚丙烯原料获取过程的工艺路线多样、资源种类较多，催化裂化与蒸汽裂解工艺是以石油为原料，MTO工艺以煤炭为原料，丙烷脱氢工艺主要以非炼厂高纯液化丙烷为原料。应用LCA方法研究不同原料来源的聚丙烯碳足迹，可以对比不同资源聚丙烯的温室气体排放，对实现各类资源开发利用过程的碳减排具有重要指导意义。

2 碳足迹核算方法

该研究采用生命周期评价方法，对比催化裂化、炼化一体化和MTO三种工艺路线的聚丙烯产品进行碳足迹研究。以吨聚丙烯产品为评价对象，采用从企业到企业（B2B）的评价模式，即从原材料进厂，经过各工艺环节加工至产品出厂为止，不包括产品的分销、零售、消费者使用过程[12]。通过对比不同资源途径的聚丙烯碳足迹，为寻求低碳工艺路线提供参考。

2.1 模型

开展石油化工产品碳足迹评价的过程包括[13]：①确定评价对象和边界；②搭建企业总加工流程；③分析各环节物料平衡；④建立温室气体排放清单；⑤对共生产品进行排放分配；⑥计算各环节碳排放足迹；⑦编制产品碳足迹评价报告。

聚丙烯产品碳足迹是生产单位质量产品过程产生的二氧化碳排放量（CCO2）总和，计算公式如下：

式中，CR——原料获取阶段的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CA——生产过程辅助材料获取阶段产生的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CE——产品生产过程中消耗能源介质（包括水、电、蒸汽、燃料气等）产生的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CP——产品生产过程工艺副产的二氧化碳排放量，kgCO2/t。

2.2 排放因子

燃料排放因子来自于各企业碳盘查报告；蒸汽排放因子采用能量折算值、标准烟煤热值与标准烟煤原始排放因子计算值；电力排放因子采用各企业所在区域电网电力排放因子；水的排放因子采用水的折标煤系数、标准煤热值与烟煤原始排放因子计算值；氮气和净化压缩空气排放因子采用对应气体的折标煤系数、标准煤热值与烟煤原始排放因子计算值。

3 不同工艺生产聚丙烯产品碳足迹核算

3.1 催化裂化聚丙烯

炼厂催化裂化装置生产液化气，液化气经气体分离后可得到纯丙烯，再经聚合可生产聚丙烯产品。在该流程中，原油经常减压蒸馏装置分离得到蜡油、渣油等物料。其中，常减压蜡油经加氢裂化装置生成的冷蜡进入催化裂化装置；渣油进入延迟焦化、溶剂脱沥青装置，生产的焦化蜡油、溶剂脱沥青蜡油连同常减压渣油进入渣油加氢装置，经加氢后也进入催化裂化装置。催化裂化装置生产的催化液化气进入气分装置，经分离得到纯丙烯，之后进入聚丙烯装置聚合生成聚丙烯。

在石化行业中，上游装置的产品会作为下游装置的原料，聚丙烯产品的碳足迹需要按照物料的流程逐一进行物料平衡、排放清单、排放分配等计算。以催化裂化装置为例，说明碳足迹的计算过程。催化裂化装置的物料平衡如表1所示。

表1 催化裂化装置物料平衡

催化裂化装置的CO2排放包括上游装置带入的原料排放及装置自身的能耗排放。原料带入CO2排放主要由上游装置碳足迹计算得到，催化裂化装置原料的碳足迹数据如表2所示。

催化裂化装置能耗排放包括使用燃料、蒸汽、电等能源导致的CO2排放，如表3所示。

由表2和表3可得，催化裂化装置的产品碳足迹为206.48 kg CO2/t。

表2 催化裂化装置原料碳足迹数据

表3 催化裂化装置能耗产生CO2排放量

按照上述方法对该炼厂聚丙烯生产过程的各装置碳排放量进行计算，得到聚丙烯产品碳足迹结果为611.40 kgCO2/t，各环节的碳足迹如图2所示。

图2 催化裂化聚丙烯产品碳足迹结果（单位：kgCO2/t）

3.2 炼化一体化聚丙烯

炼化一体化企业的聚丙烯原料——丙烯主要由蒸汽裂解和催化裂化两部分构成，其中催化裂化丙烯的生产与纯炼油企业相似；蒸汽裂解丙烯由蒸汽裂解装置副产得到，蒸汽裂解装置的原料主要由炼油生产过程制取。

在该流程中，原油经常减压蒸馏装置分离得到石脑油、蜡油、渣油和洗涤油等物料。其中，渣油和洗涤油经延迟焦化装置和溶剂脱沥青装置生产的焦化蜡油连同脱沥青油进入加氢处理装置，生产的蜡油进入催化裂化装置，产生富乙烯气；常减压蜡油、石脑油连同焦化汽油、柴油和催化柴油经加氢后生产干气、液化气和石脑油；上述裂解原料经蒸汽裂解装置加工可得到乙烯和丙烯。

催化裂化装置生产的液化气经气分装置生产纯丙烯，与蒸汽裂解装置产生的乙烯、丙烯共同进入聚丙烯装置进行聚合，得到聚丙烯产品。

按照碳足迹计算方法，对上述过程的各装置逐一进行CO2排放计算，得到聚丙烯产品的碳足迹结果为968.54 kgCO2/t，各环节的碳足迹结果如图3所示。

图3 炼化一体化聚丙烯产品碳足迹结果（单位：kgCO2/t）

3.3 MTO聚丙烯

MTO聚丙烯以煤为原料，通过煤制取甲醇后经MTO生产丙烯。在该流程中，空气经空分装置生产纯氧作为煤气化剂，氧气和原料煤进入气化－净化装置生产甲醇合成气。甲醇合成气经甲醇合成装置生产MTO级甲醇，后经MTO装置生产乙烯、丙烯、混合碳四、混合碳五等产物。其中，乙烯和丙烯进入聚丙烯装置进行聚合，混合碳四和混合碳五进入OCC装置和MTBE装置进一步加工。

按照碳足迹核算方法对各装置的CO2排放进行计算，得到聚丙烯产品的碳足迹为5 979.42 kgCO2/t，各环节的碳足迹如图4所示。

图4 MTO聚丙烯产品碳足迹结果（单位：kgCO2/t）

4 结果对比

对上述催化裂化、炼化一体化和MTO三种聚丙烯生产路线的碳足迹数据进行对比，结果如表4所示。

表4 聚丙烯工艺碳足迹对比

由表4可得，催化裂化工艺制聚丙烯的碳足迹值最小，为611.40 kgCO2/t，炼化一体化聚丙烯工艺碳足迹次之，为968.54 kgCO2/t，MTO工艺的碳足迹最大，达到5 979.42 kgCO2/t。从炼化一体化聚丙烯产品碳足迹结果中可以看出，炼油丙烯的碳足迹值为281.49 kgCO2/t，蒸汽裂解丙烯的碳足迹值为692.52 kgCO2/t，蒸汽裂解工艺制丙烯的碳足迹 较大。

5 结论及建议

1）三种工艺制聚丙烯的碳足迹排放顺序为：催化裂化＜炼化一体化＜MTO。催化裂化制丙烯工艺流程相对简单、涉及的装置较少，碳足迹值最小；炼化一体化制丙烯的来源包括催化裂化和蒸汽裂解，其中，蒸汽裂解工艺的碳足迹值较大；MTO工艺中的MTO装置能源排放值较大，且该装置的出方物料有57%的损失值（包括MTO净化水和过滤废水），MTO装置的碳足迹值较大，优化MTO装置乙烯与丙烯来源对聚丙烯生产阶段碳减排具有重要意义。MTO工艺制聚丙烯虽然经济性较高，但不利于低碳减排，在实际生产过程中应做好经济效益与环境效益的权衡。

2）碳足迹评价易于引导产品从资源获取的源头开展低碳改进。对石化产品开展碳足迹评价，不仅考虑聚丙烯产业链各环节的温室气体排放，同时可以对比不同资源来源聚丙烯产品的碳排放。通过碳足迹评价及标识，消费者可以对市场上流通的各种原料路线的聚丙烯产品进行对比，引导全社会降低聚丙烯产品消耗的碳排放。

3）聚丙烯作为重要的塑料材料之一，2020年1月19日国家发展改革委和生态环境部联合发布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，通过积极推进塑料垃圾分类，将塑料污染治理上升到国家层面[14]，促进了废旧塑料的回收利用，不仅降低了塑料使用对石油等资源的消耗，还可以减少塑料生产过程能耗和二氧化碳排放[15]。

4）目前存在大量评价产品生产水平的指标，包括单位加工能耗、水耗、物耗、VOCs排放，但这些指标多是将单个产品生产本身的过程作为评价对象，缺少从生命周期（总流程）的角度整体评价产品生产水平先进与否的方法。碳足迹核算指标在弥补上述不足的同时，可以反映产品生产过程的能源消耗和温室气体排放，同时也体现了不同原料路线的产品生产过程碳排放量，更容易挖掘产业链的减排机会。