張楚珂，，田濤，王之茵，盧海虹，薛飛

（1.中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司，北京 100101；2.中國(guó)石化能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100035；3.中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波 315206；4.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017318）

1 背景

1.1 聚丙烯應(yīng)用概況

塑料自發(fā)明以來，在為人類帶來便利的同時(shí)，也給環(huán)境治理帶來沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)50年代以來，全球的塑料產(chǎn)量達(dá)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(huì)造成長(zhǎng)期、深層次的生態(tài)環(huán)境問題，目前世界各國(guó)都出臺(tái)了塑料回收與再生政策，構(gòu)建塑料循環(huán)體系成為全球共識(shí)。應(yīng)用生命周期方法研究塑料產(chǎn)品碳足跡，建立塑料全產(chǎn)業(yè)鏈的過程路徑，不僅可以尋找產(chǎn)業(yè)鏈的減排機(jī)會(huì)，同時(shí)對(duì)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(jī)械性能[2]，其密度小、絕緣性好、抗沖能力強(qiáng)、無毒無味、易于回收與再利用，因此應(yīng)用廣泛[3]。近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，聚丙烯的生產(chǎn)能力和消費(fèi)量持續(xù)上升。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)PP產(chǎn)量約在2 600萬t左右，進(jìn)口超過400萬t，并存在約35萬t出口量，所以，2020年中國(guó)PP的消費(fèi)規(guī)模約在2 965萬t左右[4-5]。

聚丙烯主要用于生產(chǎn)編織、注塑、薄膜和纖維制品，我國(guó)聚丙烯消費(fèi)結(jié)構(gòu)見圖1[6]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的調(diào)整，聚丙烯下游消費(fèi)結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化，尤其電子商務(wù)的快速發(fā)展導(dǎo)致快遞和外賣行業(yè)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(guó)聚丙烯消費(fèi)結(jié)構(gòu)

1.2 碳足跡評(píng)價(jià)方法

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

“碳足跡”是通過生命周期評(píng)價(jià)方法（Life Cycle Assessment，LCA），研究產(chǎn)品或服務(wù)的整個(gè)生命周期內(nèi)（原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)、分配銷售、使用和廢棄處理）直接和間接產(chǎn)生的溫室氣體排放，其結(jié)果用二氧化碳當(dāng)量（CO2-eq）表示。

隨著氣候變化問題越來越受到人們的重視，國(guó)內(nèi)大部分石油公司都提出了綠色、低碳、可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略，不斷走向統(tǒng)籌化、專業(yè)化的碳資產(chǎn)管理道路。開展碳足跡研究將成為領(lǐng)先企業(yè)實(shí)施碳資產(chǎn)管理的重要內(nèi)容，不僅順應(yīng)了國(guó)家低碳發(fā)展潮流，還可以發(fā)掘低成本的減排機(jī)會(huì)，提高企業(yè)和組織綠色競(jìng)爭(zhēng)力。

目前開展碳足跡工作依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)包括《PAS 2050： 商品和服務(wù)生命周期溫室氣體排放評(píng)價(jià)規(guī)范》（Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emission of goods and services）《ISO 14067 產(chǎn)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(chǎn)品碳足跡評(píng)估和標(biāo)示通則》標(biāo)準(zhǔn)和溫室氣體核算體系標(biāo)準(zhǔn)（The Greenhouse Gas Protocol）[7]。

產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提高了碳足跡核算工作的規(guī)范性，極大地推動(dòng)了其商業(yè)應(yīng)用，企業(yè)將碳足跡以“碳標(biāo)簽”（Carbon Footprint Label）的形式進(jìn)行標(biāo)識(shí)，可以引導(dǎo)消費(fèi)者的市場(chǎng)購(gòu)買行為。

1.3 聚丙烯原料獲取工藝路線

按照LCA方法開展產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)需要計(jì)算原料獲取過程碳排放數(shù)據(jù)。生產(chǎn)聚丙烯的基本原料為丙烯。2019年我國(guó)丙烯總產(chǎn)能為3 960萬t，產(chǎn)量為 3 360 萬t，分別占全球的27.0%和27.2%[8]。丙烯的生產(chǎn)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(zhuǎn)化為小分子的原油二次加工工藝。重質(zhì)油在450~500℃的高溫和催化劑作用下發(fā)生裂化反應(yīng)，得到汽油、柴油和液化石油氣等產(chǎn)物。液化石油氣中含有體積分?jǐn)?shù)在30%~45%的C3組分[9]，經(jīng)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(chǎn)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(yīng)用，該工藝有效地提高了丙烯選擇性，產(chǎn)率最高可達(dá)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(nèi)被加熱至750~900℃后發(fā)生裂解反應(yīng)，裂解產(chǎn)物經(jīng)急冷、深冷分離（-100℃以下）等過程，獲得各種裂解產(chǎn)品。蒸汽裂解工藝的主要產(chǎn)物為乙烯，丙烯為反應(yīng)的副產(chǎn)物，原料的相對(duì)分子質(zhì)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(gè)過程。煤制烯烴工藝可以減少我國(guó)對(duì)石油的過度依賴，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)第一套MTO裝置于2010年由神華包頭煤化工有限公司投建，產(chǎn)能為60萬t/a。截至2017年，我國(guó)煤制烯烴總產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到1 350.5萬t/a，其中丙烯總產(chǎn)能為793萬t/a，占我國(guó)丙烯總產(chǎn)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(yīng)脫氫制丙烯的工藝過程，該反應(yīng)為強(qiáng)吸熱的可逆反應(yīng)，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(chǎn)品相對(duì)單一，近年來該工藝技術(shù)不斷革新，其產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)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(yīng)用LCA方法研究不同原料來源的聚丙烯碳足跡，可以對(duì)比不同資源聚丙烯的溫室氣體排放，對(duì)實(shí)現(xiàn)各類資源開發(fā)利用過程的碳減排具有重要指導(dǎo)意義。

2 碳足跡核算方法

該研究采用生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)比催化裂化、煉化一體化和MTO三種工藝路線的聚丙烯產(chǎn)品進(jìn)行碳足跡研究。以噸聚丙烯產(chǎn)品為評(píng)價(jià)對(duì)象，采用從企業(yè)到企業(yè)（B2B）的評(píng)價(jià)模式，即從原材料進(jìn)廠，經(jīng)過各工藝環(huán)節(jié)加工至產(chǎn)品出廠為止，不包括產(chǎn)品的分銷、零售、消費(fèi)者使用過程[12]。通過對(duì)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(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)的過程包括[13]：①確定評(píng)價(jià)對(duì)象和邊界；②搭建企業(yè)總加工流程；③分析各環(huán)節(jié)物料平衡；④建立溫室氣體排放清單；⑤對(duì)共生產(chǎn)品進(jìn)行排放分配；⑥計(jì)算各環(huán)節(jié)碳排放足跡；⑦編制產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)報(bào)告。

聚丙烯產(chǎn)品碳足跡是生產(chǎn)單位質(zhì)量產(chǎn)品過程產(chǎn)生的二氧化碳排放量（CCO2）總和，計(jì)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(chǎn)過程輔助材料獲取階段產(chǎn)生的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CE——產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗能源介質(zhì)（包括水、電、蒸汽、燃料氣等）產(chǎn)生的二氧化碳排放量，kgCO2/t；CP——產(chǎn)品生產(chǎn)過程工藝副產(chǎn)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(yè)碳盤查報(bào)告；蒸汽排放因子采用能量折算值、標(biāo)準(zhǔn)煙煤熱值與標(biāo)準(zhǔn)煙煤原始排放因子計(jì)算值；電力排放因子采用各企業(yè)所在區(qū)域電網(wǎng)電力排放因子；水的排放因子采用水的折標(biāo)煤系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)煤熱值與煙煤原始排放因子計(jì)算值；氮?dú)夂蛢艋瘔嚎s空氣排放因子采用對(duì)應(yīng)氣體的折標(biāo)煤系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)煤熱值與煙煤原始排放因子計(jì)算值。

3 不同工藝生產(chǎn)聚丙烯產(chǎn)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(chǎn)液化氣，液化氣經(jīng)氣體分離后可得到純丙烯，再經(jīng)聚合可生產(chǎn)聚丙烯產(chǎn)品。在該流程中，原油經(jīng)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(jīng)加氫裂化裝置生成的冷蠟進(jìn)入催化裂化裝置；渣油進(jìn)入延遲焦化、溶劑脫瀝青裝置，生產(chǎn)的焦化蠟油、溶劑脫瀝青蠟油連同常減壓渣油進(jìn)入渣油加氫裝置，經(jīng)加氫后也進(jìn)入催化裂化裝置。催化裂化裝置生產(chǎn)的催化液化氣進(jìn)入氣分裝置，經(jīng)分離得到純丙烯，之后進(jìn)入聚丙烯裝置聚合生成聚丙烯。

在石化行業(yè)中，上游裝置的產(chǎn)品會(huì)作為下游裝置的原料，聚丙烯產(chǎn)品的碳足跡需要按照物料的流程逐一進(jìn)行物料平衡、排放清單、排放分配等計(jì)算。以催化裂化裝置為例，說明碳足跡的計(jì)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(jì)算得到，催化裂化裝置原料的碳足跡數(shù)據(jù)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(dǎo)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(chǎn)品碳足跡為206.48 kg CO2/t。

表2 催化裂化裝置原料碳足跡數(shù)據(jù)

表3 催化裂化裝置能耗產(chǎn)生CO2排放量

按照上述方法對(duì)該煉廠聚丙烯生產(chǎn)過程的各裝置碳排放量進(jìn)行計(jì)算，得到聚丙烯產(chǎn)品碳足跡結(jié)果為611.40 kgCO2/t，各環(huán)節(jié)的碳足跡如圖2所示。

圖2 催化裂化聚丙烯產(chǎn)品碳足跡結(jié)果（單位：kgCO2/t）

3.2 煉化一體化聚丙烯

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

在該流程中，原油經(jīng)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(jīng)延遲焦化裝置和溶劑脫瀝青裝置生產(chǎn)的焦化蠟油連同脫瀝青油進(jìn)入加氫處理裝置，生產(chǎn)的蠟油進(jìn)入催化裂化裝置，產(chǎn)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(jīng)加氫后生產(chǎn)干氣、液化氣和石腦油；上述裂解原料經(jīng)蒸汽裂解裝置加工可得到乙烯和丙烯。

催化裂化裝置生產(chǎn)的液化氣經(jīng)氣分裝置生產(chǎn)純丙烯，與蒸汽裂解裝置產(chǎn)生的乙烯、丙烯共同進(jìn)入聚丙烯裝置進(jìn)行聚合，得到聚丙烯產(chǎn)品。

按照碳足跡計(jì)算方法，對(duì)上述過程的各裝置逐一進(jìn)行CO2排放計(jì)算，得到聚丙烯產(chǎn)品的碳足跡結(jié)果為968.54 kgCO2/t，各環(huán)節(jié)的碳足跡結(jié)果如圖3所示。

圖3 煉化一體化聚丙烯產(chǎn)品碳足跡結(jié)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(jīng)MTO生產(chǎn)丙烯。在該流程中，空氣經(jīng)空分裝置生產(chǎn)純氧作為煤氣化劑，氧氣和原料煤進(jìn)入氣化－凈化裝置生產(chǎn)甲醇合成氣。甲醇合成氣經(jīng)甲醇合成裝置生產(chǎn)MTO級(jí)甲醇，后經(jīng)MTO裝置生產(chǎn)乙烯、丙烯、混合碳四、混合碳五等產(chǎn)物。其中，乙烯和丙烯進(jìn)入聚丙烯裝置進(jìn)行聚合，混合碳四和混合碳五進(jìn)入OCC裝置和MTBE裝置進(jìn)一步加工。

按照碳足跡核算方法對(duì)各裝置的CO2排放進(jìn)行計(jì)算，得到聚丙烯產(chǎn)品的碳足跡為5 979.42 kgCO2/t，各環(huán)節(jié)的碳足跡如圖4所示。

圖4 MTO聚丙烯產(chǎn)品碳足跡結(jié)果（單位：kgCO2/t）

4 結(jié)果對(duì)比

對(duì)上述催化裂化、煉化一體化和MTO三種聚丙烯生產(chǎn)路線的碳足跡數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 聚丙烯工藝碳足跡對(duì)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(dá)到5 979.42 kgCO2/t。從煉化一體化聚丙烯產(chǎn)品碳足跡結(jié)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(jié)論及建議

1）三種工藝制聚丙烯的碳足跡排放順序?yàn)椋捍呋鸦紵捇惑w化＜MTO。催化裂化制丙烯工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)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(yōu)化MTO裝置乙烯與丙烯來源對(duì)聚丙烯生產(chǎn)階段碳減排具有重要意義。MTO工藝制聚丙烯雖然經(jīng)濟(jì)性較高，但不利于低碳減排，在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)做好經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的權(quán)衡。

2）碳足跡評(píng)價(jià)易于引導(dǎo)產(chǎn)品從資源獲取的源頭開展低碳改進(jìn)。對(duì)石化產(chǎn)品開展碳足跡評(píng)價(jià)，不僅考慮聚丙烯產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的溫室氣體排放，同時(shí)可以對(duì)比不同資源來源聚丙烯產(chǎn)品的碳排放。通過碳足跡評(píng)價(jià)及標(biāo)識(shí)，消費(fèi)者可以對(duì)市場(chǎng)上流通的各種原料路線的聚丙烯產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，引導(dǎo)全社會(huì)降低聚丙烯產(chǎn)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(guó)家發(fā)展改革委和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》，通過積極推進(jìn)塑料垃圾分類，將塑料污染治理上升到國(guó)家層面[14]，促進(jìn)了廢舊塑料的回收利用，不僅降低了塑料使用對(duì)石油等資源的消耗，還可以減少塑料生產(chǎn)過程能耗和二氧化碳排放[15]。

4）目前存在大量評(píng)價(jià)產(chǎn)品生產(chǎn)水平的指標(biāo)，包括單位加工能耗、水耗、物耗、VOCs排放，但這些指標(biāo)多是將單個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)本身的過程作為評(píng)價(jià)對(duì)象，缺少?gòu)纳芷冢偭鞒蹋┑慕嵌日w評(píng)價(jià)產(chǎn)品生產(chǎn)水平先進(jìn)與否的方法。碳足跡核算指標(biāo)在彌補(bǔ)上述不足的同時(shí)，可以反映產(chǎn)品生產(chǎn)過程的能源消耗和溫室氣體排放，同時(shí)也體現(xiàn)了不同原料路線的產(chǎn)品生產(chǎn)過程碳排放量，更容易挖掘產(chǎn)業(yè)鏈的減排機(jī)會(huì)。