廢塑料回收制備燃料及高值化產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)展分析*

金 璠

(北京科技大學(xué)后勤管理處，北京 100083)

塑料自上世紀(jì)初問世以來，由于其獨(dú)特的性質(zhì)，得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2019年人類已經(jīng)生產(chǎn)的塑料制品量超過了90億噸，而且大部分已成為廢棄物進(jìn)入自然環(huán)境或垃圾填埋場[1]。僅2019年，人類年使用塑料量已達(dá)到4.6億噸，預(yù)計(jì)到2060年人類年使用塑料量將達(dá)到12.3億噸，相當(dāng)于2019年的三倍[2]。家庭中大量廢棄塑料制品成為了生活垃圾，存在于城市生活垃圾中，這些廢棄的塑料垃圾在環(huán)境中難于自然降解，形成了眾所周知的“白色污染”，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。本文從廢棄塑料的處理和資源化利用角度，介紹國內(nèi)外利用廢棄塑料生產(chǎn)燃料的技術(shù)，提高塑料垃圾處理的資源化高值利用水平。

1 塑料垃圾的危害和處理處置方法

OECD報(bào)道，2019年一年的時(shí)間就有2200萬噸塑料泄漏到環(huán)境中。廢塑料分解產(chǎn)生和釋放的微米和納米級(jí)微塑料會(huì)侵入作物、動(dòng)物甚至海洋生物，最終通過食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康帶來巨大威脅[1-5]。

廢塑料的傳統(tǒng)處理方法包括與生活垃圾等一起填埋、機(jī)械回收、與其他垃圾共焚燒等方法[3]，但是采用這些方法用于處理廢塑料存在許多弊端，具體總結(jié)如表1所示。

表1 廢塑料傳統(tǒng)處理方法特點(diǎn)和存在問題Table 1 Characteristics and problems of traditional treatment methods of waste plastics

表2 廢塑料熱化學(xué)方法處理技術(shù)特點(diǎn)Table 2 Technical characteristics of thermochemical treatment of waste plastics

表1可見，采用傳統(tǒng)的廢塑料處理方法在處理回收過程中耗費(fèi)能源，也有可能對(duì)環(huán)境造成二次污染，同時(shí)資源化利用率非常低。因此，隨著技術(shù)進(jìn)步，廢塑料熱化學(xué)裂解法由于可以獲得燃料及其他高價(jià)值產(chǎn)物而越來越受到重視。熱化學(xué)裂解工藝主要包括熱裂解法、催化裂解法、熱裂解-催化改質(zhì)法、催化熱解-催化改質(zhì)法等。

2 幾種主要的廢塑料資源化處理利用技術(shù)

在眾多的廢塑料處理方式中，以熱裂解為代表的化學(xué)法資源化處理回收技術(shù)可將高分子聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿訂误w或低聚物等高附加值產(chǎn)品，是目前廢塑料資源化處理回收技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。根據(jù)廢塑料處理回收產(chǎn)物的不同，可將廢塑料回收方式分為閉環(huán)回收、機(jī)械回收、能量回收、化學(xué)回收等類型[5-7]。閉環(huán)回收是將未經(jīng)使用的聚合物擠壓引入生產(chǎn)循環(huán)，生成類似產(chǎn)品的過程；機(jī)械回收則是對(duì)使用后的塑料進(jìn)行機(jī)械加工、熱加工等處理，將其轉(zhuǎn)化為品質(zhì)較低的二次塑料。能量回收是指將廢塑料焚燒產(chǎn)生熱能或直接作為燃料加以利用。化學(xué)回收則是通過熱化學(xué)、生化工藝等手段將廢塑料解聚為高品位燃料、化學(xué)品等小分子高附加值產(chǎn)物的過程。與其他三種回收方法相比，化學(xué)回收能夠制備汽柴油、氣體燃料、活性炭等燃料和高附加值化學(xué)品等，因此具有更大的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。本文重點(diǎn)介紹幾種化學(xué)回收廢塑料的資源化處理技術(shù)。

2.1 廢塑料熱裂解油化技術(shù)

熱解是有機(jī)物分解的一種反應(yīng)，發(fā)生在缺氧的條件下，因此與燃燒不同，燃燒是在有足夠氧氣的情況下才能發(fā)生，熱解過程中有機(jī)物會(huì)發(fā)生化學(xué)分解產(chǎn)生固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物，包括熱解油、可燃?xì)?、生物炭等?/p>

采用熱裂解廢塑料制備油是廢塑料處理的一種新技術(shù)。廢塑料熱解可以生產(chǎn)原油，生產(chǎn)的原油具有類似于柴油和汽油的性質(zhì)，此外還有天然氣和炭等副產(chǎn)物，但是一般來說，熱解油價(jià)值最高。進(jìn)行廢塑料熱解的溫度范圍通常為400～500 ℃。據(jù)研究PVC廢塑料在500 ℃下進(jìn)行熱解，油產(chǎn)量相對(duì)比較低，產(chǎn)氣量較大；采用廢棄HDPE作為原料熱解制備油，在溫度為450 ℃時(shí)產(chǎn)油效果最好，如果增加溫度到和降低溫度都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)油率下降；針對(duì)混合廢塑料的熱解研究表明，熱解產(chǎn)生的油具備良好的性質(zhì)，具有商業(yè)應(yīng)用的價(jià)值[8]。

2.2 廢塑料熱裂解制備氣體燃料技術(shù)

如前所述，廢塑料熱解不僅可以產(chǎn)生原油，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生天然氣，而且在很多情況下，氣體燃料產(chǎn)率更高，因此廢塑料熱解生產(chǎn)合成可燃?xì)獾募夹g(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展起來，進(jìn)一步地可以將合成可燃?xì)馔ㄟ^深度處理制備甲烷、氫氣等產(chǎn)品[6]。根據(jù)Prabir等[7]的研究，熱解過程中可燃?xì)猱a(chǎn)量最大的最佳條件是高溫和反應(yīng)器中較長的停留時(shí)間。

2.3 廢塑料熱裂解制備活性炭技術(shù)

廢塑料熱解的固態(tài)產(chǎn)品主要是碳，通過活化工程可以制備活性炭。針對(duì)廢塑料制備活性炭，段元東等[9]采用廢棄電腦中電路板的廢塑料作為原料，以氫氧化鉀作為活化劑，進(jìn)行了活性炭制備工藝條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，當(dāng)熱解溫度為500 ℃、浸漬比為3∶1、活化溫度為700 ℃且活化時(shí)間為90 min時(shí)，制備所得活性炭性能最佳。

2.4 廢塑料熱裂解制備高附加值產(chǎn)品技術(shù)

廢塑料的資源化高值化利用技術(shù)未來發(fā)展的方向，也是最有市場競爭力和符合綠色環(huán)保理念的技術(shù)路線。如可將廢塑料通過不同工藝技術(shù)轉(zhuǎn)化為芳烴等高值化的化工產(chǎn)品，范思強(qiáng)等在其綜述論文中介紹了通過多相催化劑的低溫催化轉(zhuǎn)化方法可將不同類別的聚乙烯轉(zhuǎn)為烷基芳烴類化合物，可以采用催化裂解技術(shù)獎(jiǎng)聚丙烯(PP)轉(zhuǎn)化為甲基芳烴，利用生物技術(shù)對(duì)廢聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯塑料材料進(jìn)行高附加值轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)棓酸、焦棓酸、鄰苯二酚、黏康酸、香草酸和乙醇酸等更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化學(xué)品。此外還可以針對(duì)廢塑料特性，采用不同的技術(shù)生產(chǎn)各種高附加值產(chǎn)品，包括碳納米管、石墨烯片、多孔吸附材料、環(huán)氧樹脂復(fù)合基體添加劑、新型納米材料-熒光碳點(diǎn)、功能化磁性富勒烯納米復(fù)合材料、高價(jià)值脂肪酸或醇等產(chǎn)品。

清華大學(xué)李景虹院士[10]提出了采用化學(xué)循環(huán)技術(shù)處理廢舊塑料垃圾途徑，認(rèn)為采用化學(xué)循環(huán)法處理廢塑料的技術(shù)，不僅可以解決物理回收方法消納不掉的廢塑料，而且可以提高廢塑料的資源綜合利用率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高值化的利用；同時(shí)通過產(chǎn)品替代也有助于減少原生料生產(chǎn)過程中需要的化石原料，避免了廢塑料焚燒過程中產(chǎn)生的大量溫室氣體排放，可以系統(tǒng)性地降低塑料產(chǎn)品生產(chǎn)使用過程中全生命周期的碳排放量。

3 廢塑料熱裂解高值化利用技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

由于傳統(tǒng)處理廢塑料方法需要消耗不可再生的化石燃料，并產(chǎn)生各種污染物。因此，廢塑料的資源化高值化利用具有環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)和低碳的特點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。但由于技術(shù)發(fā)展的限制，廢塑料高值化利用仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。廢塑料通過催化裂解技術(shù)生產(chǎn)燃料油作為可再生替代燃料，生產(chǎn)的柴油如果用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，需要對(duì)柴油粘度進(jìn)行調(diào)控，因?yàn)椴裼驼扯忍』蛱蠖紩?huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率產(chǎn)生不利影響。盡管廢塑料裂解柴油餾分的粘度與煉油工藝得到的柴油粘度相近，生產(chǎn)的柴油同樣具有較好的燃料特性，但是用于替代傳統(tǒng)燃料需要經(jīng)過復(fù)雜的脫除雜質(zhì)提高品質(zhì)的處理過程以改善油品質(zhì)量，還有待進(jìn)一步提高技術(shù)水平、降低生產(chǎn)和運(yùn)行成本。

廢塑料裂解生產(chǎn)低碳烯烴、輕質(zhì)燃料油和芳烴的工藝過程還存在一些技術(shù)難題。在各種需要處理的廢塑料中，PVC中含有Cl原子，而PET中含有氧原子，大多數(shù)情況下塑料生產(chǎn)過程中也會(huì)加入含有硫、氮、氧、氯等元素的添加劑，使得廢塑料在裂解處理產(chǎn)物中含有許多不需要的雜原子，這些元素導(dǎo)致產(chǎn)生的氣體中會(huì)含有CO，CO2，H2S，HCN，HCl等氣體，對(duì)于生產(chǎn)低碳烯烴產(chǎn)品的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生影響；氯化氫和硫化氫等酸性氣體的產(chǎn)生還會(huì)對(duì)設(shè)備的金屬部分產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用，影響整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。廢塑料熱裂解產(chǎn)生的液體產(chǎn)物中會(huì)出現(xiàn)氧化物和氮化物，含有這些元素的化合物影響油料燃燒的氧化安定性及燃燒效率，同時(shí)也會(huì)對(duì)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用。這些技術(shù)問題對(duì)廢塑料裂解生產(chǎn)低碳烯烴、可替代燃料油等資源化產(chǎn)品技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生很大影響，需要加強(qiáng)廢塑料裂解技術(shù)的研究，特別是高效催化劑的研發(fā)，不斷提高廢塑料回收利用的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

盡管我國在廢塑料資源化技術(shù)研究領(lǐng)域在20 世紀(jì)90 年代就已開始，但我國廢塑料資源化技術(shù)的發(fā)展總體仍處在設(shè)備工藝的集成度低、產(chǎn)品設(shè)備相對(duì)簡陋、工藝技術(shù)水平不高，高值化產(chǎn)品技術(shù)還沒有形成規(guī)模化的水平。目前，廢塑料催化裂解技術(shù)仍存在處理能力低、原料組成復(fù)雜、投資及操作費(fèi)用高等諸多挑戰(zhàn)。廢塑料生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品也是一個(gè)非常具有發(fā)展前景的領(lǐng)域，需要通過技術(shù)進(jìn)步、政策支持等加快推進(jìn)。從綜合利用和溫室氣體減排角度看，化學(xué)循環(huán)技術(shù)處理廢舊塑料垃圾具有廣泛的前景，但是在頂層設(shè)計(jì)上、廢塑料化學(xué)循環(huán)生產(chǎn)產(chǎn)品的管理和應(yīng)用、不斷調(diào)整和優(yōu)化廢舊塑料的分類分質(zhì)回收系統(tǒng)、鼓勵(lì)和推動(dòng)工程示范應(yīng)用、構(gòu)建廢舊塑料化學(xué)循環(huán)的產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)、全產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新體系等還需要持續(xù)發(fā)力?？傊?，廢舊塑料的高效回收利用對(duì)于減少塑料垃圾污染、降低溫室氣體排放、保護(hù)環(huán)境和人民健康以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。