基于碳税与碳排放的废塑料油加工方案选择与效益评价

蔡立乐，吴 昊，刘必心

（中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，北京 100083）

随着全球经济的发展和人口的日益增多，气候变化与环境生态恶化已成为制约人类社会可持续发展的重要问题，积极应对全球气候变化、坚持绿色低碳发展，促进人与自然的和谐共同发展已是全球共识[1]。为落实应对气候变化的《巴黎协定》，我国将采取多种有力措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值（碳达峰），2060年前实现碳中和[2]。

石化行业是我国国民经济的支柱，为军工、医疗、化学、农业等领域的发展提供了原料和能源，但该行业也是耗能和碳排放大户[3]。塑料作为石化行业下游产品，其广泛使用对环境和生态造成了巨大危害和经济损失[4]。资料显示[5]，2019年我国塑料品产量8 184.17万吨，其中产生的废旧塑料制品中有高达3 848.25万吨的废弃塑料无法降解[6]。废塑料处理典型的手段有填埋法、焚烧法和热解油化等。填埋和焚烧的方法会对土壤和空气造成巨大污染，同时焚烧法还会产生大量的碳排放，并且严重浪费资源。废塑料热解油化技术不仅避免了传统处理方法产生的污染，同时可将其转化为有机烃类等高价值产品[7–8]，实现塑料制品再生和资源的循环利用。废塑料油的后续加工作为产业链中的重要环节，其过程环保性与经济性很大程度上影响着产业链的发展方向。

本课题研究废塑料经高温裂解制得塑料油后，设计3种后续加工方案，并进行碳排放核算，进一步探索研究在不同碳税水平下，不同废塑料油加工方案为炼厂带来的增量经济效益，为石化企业塑料油的后加工流程和技术方案选择提供碳减排和效益增值的方案借鉴。

1 废塑料油加工方案选择

1.1 总体流程方案

废塑料油化采用热裂解技术路线，利用有机物高温裂解原理，在隔绝空气的高温条件下（干馏）裂解为C1～C18，化学反应本质是通过加热使废塑料中化合物的C–C键和C–H键断裂，聚合物分子化学键断裂产生的自由基重新组合生成小分子烃。废塑料裂解油化新技术的产油率可高达80%[9]，热解产生的热解气和半焦作为产品输出，液体产品为热裂解油，其原料性质见表1。

表1 废塑料油性质

从表1看出，其链烷烃含量较高，是优质的催化裂化或乙烯裂解原料。为充分提高废塑料油的利用价值，设计了3种加工路线：①热解油加氢精制→加氢精制油催化裂化（FCC）→汽柴油加氢精制→油品调和；②热解油加氢精制→加氢精制油催化裂解（DCC）→汽柴油加氢＋芳烃抽提＋液化气气分丙烯→聚丙烯（PP）装置→产品；③热解油加氢精制→加氢精制油蒸汽裂解→聚乙烯（PE）、PP装置→PP和PE（副产油品）。炼厂加工过程采用与原油掺炼加工的模式，掺炼比例为10%。与废塑料油掺炼的催化裂化柴油（F–LCO）、催化裂解柴油（D–LCO）以及SRD直馏柴油性质见表2。

表2 掺炼LCO与直馏柴油性质

1.2 加工流程方案对比

废塑料油金属等杂质含量高，需要经过预处理和加氢精制以改善质量，3种方案的对比流程示意见图1。

1）废塑料热解油加氢精制–催化裂化多产油品方案（FCC方案）。该方案中废塑料热解油与LCO掺炼加氢后作为FCC催化裂化原料。该方案不产化学品，因此催化汽柴油进入炼厂加氢装置精制后作为清洁油品调和组分，液化气加氢作为油品出售，油浆作为船燃调和组分，如图1中流程A。

2）废塑料热解油加氢精制–催化裂解兼产丙烯方案（DCC方案）。催化单元采用中国石化石油化工科学研究院研发的多产低碳烯烃催化裂解技术（DCC），该方案与FCC方案相比，产物分布中丙烯大幅增加，裂解汽油进入加氢抽提单元（HEU）获得芳烃和抽余油，柴油进入加氢精制单元生产清洁油品，DCC液化气脱硫醇后通过气体分离生产丙烯，并进入PP装置生产PP，如图1中流程B。

3）废塑料热解油–加氢精制–蒸汽裂解–聚合多产聚烯烃路线（SC方案）。废塑料油经柴油加氢精制后经分馏塔切割为石脑油、柴油和重油馏分，分别进入石脑油、柴油和重油蒸汽裂解装置，最大化生产乙烯和丙烯并副产裂解汽油和C4等，如图1中流程C。

图1 废塑料热解油在炼厂中3种加工模式对比

2 不同废塑料油加工方案的CO2排放分析

炼油行业CO2排放包括直接排放和间接排放。直接排放又可分为燃料燃烧排放、工艺过程排放和逸散排放。其中燃烧排放其来源有锅炉、加热炉和火炬燃烧等；工艺过程排放主要指催化裂化装置的催化剂烧焦、制氢装置和其他装置催化剂再生等过程[10]；逸散排放量小难以统计，本文中碳排放计算过程忽略逸散排放。

间接排放指外购的电、蒸汽等物料和能源产生过程中的碳排放[11]。核算不同加工路线中相关装置的碳排放，采用公用设备、燃料燃烧碳排放因子计算方法，对设计流程作物料衡算，最终获得整个加工流程的碳排放总量。

2.1 物料平衡数据

3个方案中加氢单元、催化裂化和蒸汽裂解单元的物料平衡数据见表3和表4，可见废塑料油催化裂化方案的主要产物为催化汽油、催化柴油和液化气；催化裂解的主要产物为液化气、裂解汽油、裂解柴油和干气；蒸汽裂解的主要产物为乙烯、丙烯、裂解汽油、甲烷气等。

表3 废塑料油加氢和催化裂化技术路线物料平衡

表4 加氢精制废塑料油各馏分蒸汽裂解物料平衡

2.2 CO2排放量

燃料燃烧和公用工程的碳排放采用碳排放因子法计算，对于不同燃料燃烧的排放因子数据来源于SH/T 5000–2011《石油化工生产企业CO2排放量计算方法》。催化装置工艺排放来源于催化剂再生烧焦过程产生的CO2排放，焦炭碳含量取通用均值0.96[12]；外购用电为间接排放，采用国内平均单位电力排放因子0.86 kg CO2/（kW·h）。以废塑料油年加工规模10万吨/年进行各路线碳排放计算，上游废塑料热解油化过程碳排放不计入本研究方案。

由于废塑料油加工采用掺炼模式，所有碳排放核算均采用废塑料油的掺炼增量进行计算，以FCC方案为例，将各装置的碳排放计算结果列于表5中。FCC方案总增量碳排放为5.37万吨/年，合0.537吨CO2/吨废塑料油原料，DCC方案增量碳排放为8.21万吨/年，合0.82吨CO2/吨废塑料油原料，SC方案的增量碳排放相对较高，合3.05吨CO2/吨废塑料油原料，约为FCC方案的5.6倍。各装置碳排放量对比关系如图2所示。

表5 以催化裂化（FCC）方案为例的各装置单元碳排放汇总表

图2 废塑料油3种加工流程各装置碳排放对比

2.3 综合指标分析

废塑料油不同加工方案的增量技术综合指标见表6，以DCC方案各项指标为基准，其他方案的各项指标相对于基准计算比值并绘制于图3中，FCC方案能耗最低，无高附加值产品，碳排放最低；DCC方案各项指标居中；与催化裂化方案相比，SC方案PE、PP产量最高，能耗和碳排放相对较高，氢耗较低。

图3 废塑料热解油3种加工方案综合指标比例关系

表6 废塑料油不同加工流程方案综合指标对比

3 不同碳税下的经济效益分析

3.1 技术经济分析

在40美元/桶、60美元/桶及80美元/桶原油价格体系下，对不同方案的废塑料油原料成本、商品销售收入、增量催化剂年消耗费用、增建废塑料油预处理装置投资（按10年折旧）、操作费用进行评估，获得不同方案的净利润和吨油平均利润。废塑料油原料价格按市场价2 300元/吨测算，产品价格及操作费用等测算数据来源于中国石化集团经济技术研究院有限公司2019年发布的“项目经济效益测算中国东海岸基础价格”，其中汽柴油、液化气等油品加氢后的调和组分按照成品价格测算，催化油浆按照普通燃料油价格测算，裂解重油参考船燃价格测算。

10万吨/年废塑料油加工方案在不同价格体系下的增量利润曲线见图4，在40～80美元/桶的价格体系内，SC方案利润最高，尤其在低油价体系下具有明显的利润优势；但高油价体系下，SC方案与DCC方案的利润差距逐渐减小；DCC方案与FCC生产油品方案的利润差距也随着油价体系升高而减小，80美元/桶价格体系下二者差距几乎为0。纯燃料型FCC生产方案在不同价格体系下利润均最低，但是随着油价体系的升高，生产油品方案的利润增加速度最快，即油价升高对FCC生产油品方案有利。

图4 不同价格体系下废塑料油加工方案的增量利润曲线

3.2 考虑碳税的经济评价

将碳税因素加入生产利润评估，分别在原油价格体系为40美元/桶、60美元/桶和80美元/桶时，研究3种塑料油加工方案利润效益随碳税增加的变化关系，见图5。碳税低于300元/吨时，SC方案废塑料油生产乙烯、丙烯方案在40～80美元/桶价格体系区间的利润均最高；该方案利润对碳税的增加敏感度高于其他方案。原油市场价格体系越高，或碳税越高的情况下，对该方案的实施越不利。

图5 不同价格体系下废塑料油加工利润随碳税的变化曲线

原油市场价格变动对产品销售价格及利润影响较大，低油价背景下（40～60美元/桶），当碳税不高于300元/吨CO2时，实施SC方案利润最高；在60美元/桶的油品价格体系下，碳税高于330元/吨时采用DCC方案更为合算；高油价下（80美元/桶），碳税低于300元/吨时实施SC方案利润最高，FCC和DCC方案利润曲线已非常接近，当碳税价格突破300元/吨时，3种方案的利润曲线发生转折，生产油品（FCC）方案开始具有利润优势。

3.3 废塑料油加工方案的碳减排效应

为核算废塑料油加工方案的碳减排效应，将废塑料油与原油炼制生产油品和聚烯烃碳排放进行对比，本文采用流程物料追溯和碳流追踪法计算原油炼化过程生产PE和PP的碳足迹。因此，设计千万吨级炼化一体化炼厂路线如图6所示，PE加工流程选择直馏石脑油加氢和加裂尾油进乙烯蒸汽裂解装置方案[13]，PP加工选择液化气分离丙烯方案。为使计算结果更具代表性，设计流程中各装置数据（包括公用工程消耗和产品收率）取用各炼厂的装置加权平均数据。

图6 废塑料油3种加工方案的不同产品碳排放与原油加工路线对比

以汽油、PP和PE为目标产品，对原油生产阶段的碳足迹进行核算。原油生产汽油产品的全流程碳排放为0.82吨CO2/吨汽油产品，聚烯烃全流程碳排放因子为3.37吨CO2/吨（PE＋PP）。

废塑料油生产流程方案中，FCC方案汽油生产过程的全流程碳足迹为0.91吨CO2。DCC方案通过催化液化气气分丙烯生产PP全流程碳排放因子为2.55吨CO2/吨PP。SC方案生产聚烯烃全流程碳排放因子为1.86吨CO2/吨（PE＋PP）。如图7所示，相比原油加工生产过程，废塑料油替代原油蒸汽裂解路线和液化气分离生产聚烯烃路线分别降低碳排放44.8%和24.3%。该结果支持废塑料加工生产聚烯烃方案实现循环再生。

图7 废塑料油3种加工方案的不同产品碳排放与原油加工路线对比

4 结论

1）3种不同加工流程中FCC方案碳排放因子0.537吨CO2/吨废塑料油，DCC方案碳排放合0.82吨CO2/吨废塑料油，SC方案的碳排放合3.05吨CO2/吨废塑料油，约为FCC方案的5.6倍。

2）40～80美元/桶的价格体系内，SC方案利润最高，低油价更具明显优势；高油价体系下，SC方案与DCC方案的利润差距逐渐减小，油价升高对FCC生产油品方案有利。

3）当碳税不高于330元/吨CO2时，实施SC方案利润最高，且利润对碳税增加的敏感度高于其他方案；在60美元/桶的油品价格体系下，碳税高于330元/吨时采用DCC方案更为合算；高油价下（80美元/桶），当碳税价格突破300元/吨时，FCC方案具有利润优势。

4）炼厂蒸汽裂解生产聚烯烃全流程的碳排放因子为3.37吨CO2/吨聚烯烃，废塑料油替代原油蒸汽裂解路线和液化气分离生产丙烯路线分别降低碳排放44.8%和24.3%。废塑料加工生产聚烯烃方案是实现塑料循环再生的最优方案。