双碳背景下聚氨酯行业的发展思路

黄岐善

(万华化学集团股份有限公司 山东 烟台 264006)

2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论会上，向全世界郑重宣布“中国二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，自此国务院及相关部委陆续出台大量政策。2021年9月22日，《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确提出碳达峰和碳中和(简称“双碳”，本文的“碳”多指CO2)具体目标，2025年单位GDP能耗指标和CO2排放相比2020年分别下降13.5%和18%，聚氨酯行业发展有了明确要求。

本文尝试从碳中和机制分析入手，推演聚氨酯行业应如何面对双碳目标所带来的挑战，把握双碳目标所带来的市场机遇，对行业发展思路提出建议。

1 实现碳中和目标的总体思路

碳中和简而言之即人类和自然活动CO2排放量与自然和人为CO2移除量在一定时间内实现相互抵消，排放总量与吸收总量保持平衡。但目前人类活动所创造的CO2排放量远远大于CO2移除量，所以给全球气候和环境带来一系列负面影响。

实现碳中和的基本对策是:对人类活动CO2排放来源进行梳理分析并针对性地治理，以期实现更好的管控和持续减排；同时在吸收和再利用端除了传统的生物固碳以外，持续开发新技术以更好地实现CO2利用和固碳等，最终实现排放量和移除量平衡。

聚氨酯行业CO2排放来源主要包括:(1)各类聚氨酯基础原料，特别是石化基原料会从源头带来CO2，且往往基础原料的制造过程能源消耗较大，通常化工制程的尾气燃烧及反应过程也会排放CO2；(2)聚氨酯产品在生产制造过程由于能源消耗、化学反应和三废处置所排放的CO2；(3)聚氨酯产品终端消费过程所排放的CO2，例如低密度聚氨酯泡沫运输过程或水性聚氨酯干燥过程所消耗的能源等。由此可见，应对上述来源逐项分析，针对性地进行替代或减排，开展相关技术和产品创新，力求从源头控制CO2排放。

聚氨酯行业CO2移除目前集中在如何利用CO2，一般以引入CO2生成碳酸酯基团的方式合成低聚物多元醇，例如以环氧乙烷与CO2在催化剂作用下合成聚醚碳酸酯二醇等，这种方式将CO2结合到聚合物材料中，可以有效地实现对CO2的利用。

聚氨酯典型产品包括聚氨酯硬泡、聚氨酯软泡和高回弹泡沫、聚氨酯CASE(涂料、胶黏剂、密封胶、弹性体等)，典型下游应用市场有建筑节能和冰箱冷柜等保温隔热市场、床垫沙发等家居市场、座椅仪表板等交通运输市场、服装鞋材等消费市场等。聚氨酯硬泡用作保温隔热材料有利于建筑物整体降低运行能耗进而实现CO2减排。使用环保聚氨酯发泡剂有利于降低温室气体排放。在聚氨酯CASE领域无论溶剂型或水基聚氨酯材料都应向高固含或反应型等技术方向发展以节约资源和能源消耗，进而从本质上减少CO2排放。以上这些都是双碳政策指引下聚氨酯行业下游应用领域新创造的市场机遇。

2 碳中和对聚氨酯出口市场的影响

碳税作为贸易壁垒的实行时间会越来越近，聚氨酯行业从业者要高度重视。欧洲议会2021年3月10日通过欧盟碳税边境调节机制(CBAM)决议，自2023年将覆盖电力、水泥、钢铁、铝、炼油、造纸、玻璃、化工和肥料等高耗能产业，上述产品进入欧盟将受CBAM约束，所得收入用于支持欧洲绿色新政目标。同时，全球大多数国家采用经济刺激手段来控制温室气体排放，秉承“谁排放谁付费”的基本逻辑，或采取政府指定碳价由市场决定碳排放水平的碳税模式，或由政府确定最终碳排放水平由市场来定价形成碳交易市场。目前欧盟和中国都是采用碳交易市场模式，欧盟内部已建成全球规模最大的碳交易市场，中国碳交易市场则刚开始建成，但是目前全球不同区域碳市场间并未达成大家都能接受的链接机制。

中国是欧盟第三大出口市场和最大的进口伙伴，欧盟对华出口占欧盟对外出口10%，主要贸易商品为机械和车辆(占比52%)以及化学品(占比15%)；欧盟自华进口商品总值占欧盟进口总值的22%，贸易商品包括机械和车辆(占比56%)、其他制成品(占比35%)和化学品(占比7%)。因此，中欧双边贸易的碳法规未来会对国内聚氨酯下游行业如汽车、冰箱和家具等有影响，而终端客户是这些行业的聚氨酯下游企业，应尽早实现聚氨酯产品碳中和，从而在未来的出口市场赢得一席之地。

3 企业应加速推进碳核算标准体系的应用

除了出口市场的“碳关税”外，中国目前推行的双碳政策也会逐渐推高国内碳排放成本。随着国家“1＋N”政策体系的逐步完善，国内各类市场主体在碳排放数据的积累、国内各行业从配额管理到计算方法等都会越来越完善。行业内企业如聚氨酯合成革等高耗能企业要加快启动相关工作，包括对工厂碳排放的核算，低碳资源的挖掘和高碳工序的技术改造和清洁能源使用等，为应对未来企业合规经营和降低“碳成本”提前做好应对准备。

2022年8月19日国家发改委、统计局和生态环境部联合印发《关于加快建立统一规范的碳排放统计核算体系实施方案》，方案提出到2023年各行业碳排放统计核算工作要稳步开展，初步建立统一规范的碳排放统计核算体系。目前国内和国际已有碳足迹核算方法。碳足迹是以生命周期评价方法来评估产品在其生产周期从原料起始到最终被废置过程中直接或间接产生的温室气体排放。碳足迹的核算难度和范围大于碳排放，且碳足迹核算方法还在不断升级。目前对应企业层面主要是ISO 14064标准系列《温室气体核算体系:企业核算与报告标准》，产品层面的标准或规范文件则主要有:国际标准化组织制订的ISO 14067:2013温室气体产品碳足迹量化与交流的规则与指南，英国标准协会(BSI)主持制订的PAS 2050产品和服务生命周期温室气体排放评价规范，世界资源研究所主持制订的GHG Protocol中的产品生命周期核算与报告标准。

当前国内也有机构或企业作为第三方可以提供相关的碳足迹和碳排放核算服务。聚氨酯行业各企业可以借助专业的评价机构，来帮助企业自身建立相应的碳核算体系，以逐步适应国家双碳法规的实施要求。同时，只有建立了碳核算体系，企业才能准确获知产品生产制造过程中的碳排放情况，可以更有针对性地进行技术改造，实现有效节能减排。

4 生产制程应使用清洁能源和节能减排新技术

中国能源消费量自2005年的361 369万t标煤增长至2019年487 000万t标煤，其中水电、风电和核电等清洁能源消耗量占比从7%提升至15%，而传统原煤能源消耗量则由2015年72%下降至2019年58%。2020年中国能源结构中原煤消费占比57%，CO2排放量占全产业比重的66%，因此尽快调整能源结构是降低CO2排放量最重要且直接的手段。

清洁能源通常是指能够有效降低温室气体排放的新能源技术，包括风电、光伏太阳能、水电、氢能和核能等。聚氨酯行业内的企业如万华化学29%参股中核山东核能有限公司，到2030年其股权占比对应电量即可满足万华化学烟台生产基地全部电力需求，届时能源结构将全部转为清洁能源。科思创2021年参与中国首批绿电交易试点，与宁夏大唐吴忠签订光伏供电协议，2022年科思创上海一体化基地10%用电来源于宁夏的光伏电力。巴斯夫位于上海、江苏和广东的6个生产基地也参与中国绿色电力试点交易。

目前聚氨酯行业中高耗能的低聚物多元醇、聚氨酯合成革、聚氨酯弹性纤维等产业应尽早实现能源绿色化；在基础的蒸汽和热电等能源电力供应上，尽早依托本地或异地的绿色清洁能源，减少生产过程能源消费所排放的CO2。其次，聚氨酯下游产品生产制程中化学反应及三废特别是尾气燃烧处理过程所排放的CO2也不容忽视，最好是将化学反应产生的CO2及时收集起来以便二次资源化利用，在尾气处理过程中采取新型处理技术减排CO2。

5 积极推进生物基原料使用

生物基材料特别是植物产品的利用对实现碳中和目标非常重要，这是因为植物在生长过程中会利用光合作用消耗CO2，相对石化原料已实现CO2生物固化，这部分生物固化CO2与随后使用生物质原料制造过程所产生的CO2排放量相互抵消，可以很好地实现碳中和。当然，如果最终生物基材料可以进一步实现生物可降解的话，就可以实现完整碳的生态循环，有利于缓解气候变暖，并减少对自然环境的破坏和破除人类社会发展的资源瓶颈限制。

聚氨酯行业基础原料大类主要包括异氰酸酯、环氧乙烷/环氧丙烷、扩链或交联剂、低聚物多元醇，实际上聚氨酯行业已有很多原料本身就是生物基来源，例如聚氨酯硬泡常用的起始剂中的蔗糖、山梨糖醇和糖苷等均为植物来源，植物油多元醇经过多年发展也在业内得到广泛应用。目前一些大宗基础原料已有大量地生物基来源创新，如Croda公司在北美Atlas Point基地建有40 kt/a以生物基乙醇为原料生产生物基环氧乙烷的商业化生产装置；ADM、Oleon和Avantium等企业共建有120 kt/a生物基1，2-丙二醇商业化产能；DuPont公司实现80 kt/a生物基1，3-丙二醇商业化生产，该业务已于今年6月被华峰集团收购；西湖大学德国洪堡学者曾安平教授利用合成生物电化学技术实现1，3-丙二醇新的清洁生产工艺并已在广东清远投建30 kt/a工业化生产装置；Genomatica公司等实现30 kt/a生物基1，4-丁二醇商业化生产；这些绿色生物基来源的基础原料将非常有助于推动聚氨酯行业实现碳中和目标。

6 积极开发聚氨酯回收再利用技术和产品

我国已建立较为完整的废旧物资回收循环再利用体系。聚氨酯行业一些大宗应用产品包括冰箱冷柜及保温隔热聚氨酯硬泡、床垫沙发用聚氨酯软泡、汽车座椅用聚氨酯高回弹泡沫，对这些聚氨酯终端应用的废弃物加以回收，循环利用，有利于从源头减少对资源的消耗，从而减少碳排放。

通常聚氨酯泡沫等物资的回收过程包括分离、洗涤和纯化等，除去垃圾污染物，随后将聚合物材料或者切割磨碎为小颗粒以填料方式再利用，或者采取化学降解或热裂解等降解方式回收单体，最终将单体进行二次聚合，得到其各项性能与用新鲜原料制成的聚氨酯相近的聚氨酯材料。将废旧聚合物以微细填料再利用方式，相对更为经济，回收再利用过程能耗更低。但废旧聚合物老化程度或分子降解程度差异很大，当废旧聚合物颗粒作为填充料添加时，聚合物制品的性能和使用寿命存在不确定性，这需要建立废旧聚合物材料分级再利用体系。从聚合物完全降解回收单体角度来看，单体再次聚合得到制成品时，品质和制程的确定性和自由度更大，且降解过程如果无需分离纯化，将废旧聚氨酯直接送去降解，可大幅减少废弃聚合物回收成本。

聚氨酯行业中某些跨国公司，例如Dow公司早已使用回收废弃聚氨酯软泡作为填料来制作地毯，BASF公司开发化学回收技术从聚氨酯软泡旧床垫来制备低聚物多元醇及其起始材料，Covestro公司的试验工厂开发聚氨酯泡沫回收制备低聚物多元醇技术，万华化学也在宁波基地开展聚氨酯泡沫回收制备聚醚多元醇生产技术，再生聚醚多元醇成功用于冰箱冷柜用聚氨酯硬泡的生产。

7 开发利用CO2的新技术

CO2作为碳的最高氧化状态，也是能量最低的状态，其化学稳定性好，因此需要开发新的催化剂和化学工艺来克服其较高的热力学稳定性和动力学惰性。通常二氧化碳基再利用有做甲醇、低碳烯烃、液化石油气、合成气等，其中CO2与环氧化物反应生成环碳酸酯或CO2基聚碳酸酯等，或CO2与甲醇合成碳酸二甲酯等备受瞩目。

美国康奈尔大学Geoffrey W.Coates教授对CO2和环氧丙烷为原料进行催化研究合成低聚物多元醇取得成功，美国Novomer公司利用该技术实现CO2与环氧丙烷制备聚醚碳酸酯多元醇的工业化生产。2016年沙特阿美收购美国Novomer相关产品技术和业务。2016年德国科思创在多马根建立利用CO2生产聚醚碳酸酯多元醇工厂，其原料CO2来源于相邻化学品工厂废气排放，产品名为Cardyon，CO2含量高达20%，目前该多元醇已成功应用于聚氨酯床垫软泡、汽车内饰、胶黏剂和TPU鞋材领域。英国Econic Technologies公司设计特殊催化剂可在较低温度和压力下活化CO2来制备CO2质量分数为10%～40%的聚醚碳酸酯多元醇。

中科院过程所联合深圳新宙邦科技公司，在广东惠州大亚湾石化区建成10万t离子液体催化CO2合成碳酸酯工业装置，2021年3月至今已实现连续稳定运行，其碳酸酯包括碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯(DMC)产品达到电子级标准。通过上述技术路线得到的DMC可以继续生产聚碳酸酯二醇(PCDL)，从而实现绿色清洁的PCDL供应。

8 碳中和给聚氨酯行业带来新的发展机遇

中国目前CO2每年排放总量约100亿t，其中约12.6亿t应归入建筑物建成后的运行排放，如建筑物空调、采暖和照明等用能，因此除了采取清洁能源外，建筑物自身的保温隔热性能提升就至关重要。

近几年国家在建筑节能法规和技术标准体系建设方面逐步完善，地方政府也持续出台相关政策推动建筑节能发展，行业内也在超低能耗、近零能耗建筑等方面大胆创新，目前如北京的外墙的传热系数已从1996年未保温时的2～3 W/(m2·K)降低到2021年的0.15～0.20 W/(m2·K)。而建筑物要达到如此低的传热系数，外墙保温用的聚氨酯硬泡层厚度就需要达到120～170 mm，这对于聚氨酯行业是一个巨大的市场。同时，传统的金属塑钢门窗框架也被保温隔热效果更好的聚氨酯纤维增强门窗框架所替代，进一步提高了建筑的保温隔热效果。

同时，聚氨酯行业在开发新产品的过程中，要根据碳足迹的理念来考虑降低产品总的碳排放量，领先市场推出碳足迹较低甚至零碳足迹的创新产品。例如，聚氨酯合成革或弹性纤维及很多聚氨酯CASE应用产品，如溶剂型聚氨酯产品在最终固化成型时往往会向环境排放有机溶剂，从而造成有机溶剂的资源浪费，进而本质上造成更多的碳排放。又如水基聚氨酯产品在最终固化成型过程中需要消耗大量的能源，本质上也会造成较多的碳排放。因此对于聚氨酯从业者而言，减少有机溶剂和水使用量，开发高固含量聚氨酯产品乃至全固体分的粉末级聚氨酯产品，帮助行业来降低整体碳排放量，降低聚氨酯应用产品的“碳成本”，从而在低碳条件下整体推动行业增长和技术进步。

9 结语

针对双碳政策背景下聚氨酯行业发展思路，一是行业各企业应尽快建立并应用碳核算体系；二是生产过程尽快切换清洁能源的使用并持续应用节能减排新技术；三是企业要在生物基原料技术的开发和使用、基础原料引入CO2、废旧聚氨酯材料回收再利用、高固含量产品开发等方面加大技术创新，持续降低产品的碳足迹；四是需要在建筑节能领域抓住市场机遇，推动聚氨酯行业长期健康可持续发展。