行业报告│英国塑料联合会（BPF）：塑料化学回收研究报告

化学回收-简介

传统上，塑料回收利用机械方法进行。下面我们概述新的非机械回收技术，也就是“化学回收”。

化学回收是一个广义术语，用于描述废物管理行业中的一系列新兴技术，这些技术可以回收机械回收难以或不经济的塑料。通过将塑料废物转化为基础化学品和化学原料，化学回收工艺有可能显着提高回收率，并将塑料废物从垃圾填埋场或焚烧厂中转移出来。

化学回收补充了机械回收过程，能够进一步从已经耗尽机械加工经济潜力的聚合物中提取价值。对于以前难以回收的塑料产品（例如薄膜、多层和层压塑料），化学回收可替代垃圾填埋和焚烧。此外，化学回收还为塑料供应链提供原始品质的原材料。这使得能够利用消费后废物生产食品级塑料。

截至撰写本文时，几个示范各种化学回收工艺可行性的试点工厂目前正在运营。商业工厂的规模范围从年产量 30-200kt 的大型集中式工厂到年产量 3-10kt 的小型模块化分布式装置。

闭环 - 将回收材料返回塑料供应链的流程[1]。

来源：British Plastics Federation (BPF) 

1.1 质量平衡

化学回收（非机械或先进回收的一个子集）提供了处理塑料废物（化石和非化石衍生的）的机会，这些废物很难回收成高质量、高价值的再生塑料。

化学回收通过保持塑料完全循环利用塑料废物来补充机械回收，否则这些塑料废物可能难以回收或不适合某些最终用途，例如食品包装或医疗应用。对于化学回收材料，必须进行质量平衡计算和相关分配[a]。

什么是质量平衡方法？

质量平衡是一种特殊的监管链模型，通过该模型，输入和输出以及相关信息在相关供应链中的每个步骤中进行传输、监控和控制。

选择监管链模型以及相关规则和原则对于评估某些产品特性并确保相关产品声明的可信度和透明度是必要的，可以是：

1. 可再生内容或来源；

2. 回收内容等。

质量平衡是一种模型，其中具有一组指定特性的材料或产品根据定义的标准与不具有该组特性的材料或产品混合，如下所示[b]：

质量平衡在化学品回收中的应用

通过质量平衡方法，原料归因于市场需求更高循环性的产品。质量平衡和认证概念允许塑料行业利用现有的商业资产来转换其产品。

质量平衡用在哪里？

质量平衡广泛应用于不同行业的认证计划中。

2. 技术及其应用

化学回收描述了利用直接影响聚合物化学性质的工艺或化学试剂的任何技术。

根据其产出在塑料供应链中的位置，这些技术分为三个不同的类别（图 1）。这些类别是： 

· 纯化 

· 解聚 

· 原料（热转化）回收 

化学回收不同于机械回收，机械回收利用操作来制备废聚合物以供再利用，而不显着改变材料的化学结构。机械回收处理分离的单一聚合物流，将其清洗、造粒，然后重新挤出，制成可用于成型应用的回收颗粒。基于解聚和原料回收的化学回收工艺，利用化学、热或催化工艺将塑料中的长烃链分解成较短的烃馏分或单体。另一方面，纯化涉及使用溶剂从聚合物中去除添加剂。

原料回收是化学回收的一个子集，其名称源自所产生的初级产出，即石化原料。“原料回收”一词用于区分将废塑料转化为石化厂原料的热工艺与净化塑料废物流（即净化）或将废品分解为单体（即解聚）的化学工艺。）用于进一步再加工或再聚合。

2.1 纯化

基于溶剂的纯化[2]是一种将塑料溶解在合适的溶剂（或多种溶剂）中的过程，然后采取一系列纯化步骤将聚合物与添加剂和污染物分离。一旦聚合物溶解在溶剂中，它们就可以选择性结晶。当溶剂可以溶解主要感兴趣的聚合物或除目标聚合物之外的所有其他聚合物时，它可以用于选择性溶解。对此的关键要求是具有选择性溶剂。由此产生的产物是沉淀的聚合物，理想情况下它不会受到该过程的影响，并且可以重新配制为塑料。

目标原料

· PVC、PS、PE 和 PP

产品

· “纯化的”塑料聚合物

技术现状

这是一项新技术，正在努力将其扩大到商业上可行的水平。通常，废塑料以混合聚合物的形式收集。因此，主要的挑战是有选择地分离和回收废物成分。

2.2 解聚

解聚[3]（有时称为化学分解）是聚合的逆过程，产生单一单体分子或称为低聚物的较短聚合物片段。单体与制备聚合物时使用的单体相同，因此，解聚制备的塑料在质量上与原始单体相似。化学解聚的主要缺点是它只能应用于“缩合”聚合物，例如 PET 和聚酰胺。它不能用于分解大多数“加成”聚合物（例如，PP、PE、PVC），这些聚合物构成了塑料废物流的大部分。

目标原料

· 缩聚物，包括聚酯 (PET)、聚酰胺 (PA) 和聚氨酯

产品

· 回收缩聚物的单体

技术现状

目前，许多进行 PET 降解的工厂正在运营，主要采用甲醇分解和糖酵解处理。水解工艺不太先进，大多数用于实验室和中试工厂规模，尽管未来几年正在开发一些用于商业应用的项目。氨解和基于氨解的工艺是不太成熟和成熟的处理方法。糖酵解和水解是目前最常用的逆转聚氨酯聚合反应的化学分解方法。聚酰胺的化学解聚主要通过水解进行。

2.3 原料回收

原料回收是将聚合物转化为更简单的分子的任何热过程，以形成石化类加工的原料。这里的两个主要过程是热解和气化。原料回收的输出是基本化学品（例如碳氢化合物或合成气），需要进一步加工以产生聚合物。这使得石化行业可以灵活地重复利用。

2.3.1 热解

在热解过程中，塑料通过在无氧条件下加热或“裂解”（有时称为热裂解）而分解成一系列碱性碳氢化合物。通过利用蒸馏过程，碳氢化合物蒸气可以制成从重蜡和油到轻油和天然气的产品。通过调整加工时间和温度，可以将生产从较重的产品转向较轻的产品。较重的产出产品也可以重新引入到工艺中，以进一步裂解成较轻的产品。

热解产品的加工方式与石油大致相同，使用传统的精炼技术来生产聚合物的基础材料。或者，它们可以直接用作燃料。

由于聚乙烯和聚丙烯无法直接解聚为单体，因此利用热解来制造聚乙烯和聚丙烯生产的原料可以填补巨大的加工空白。此外，生产的塑料将是原始品质的聚合物，可用于所有相同的应用（例如食品包装）。

热解生产可以通过催化降解来提高，其中使用合适的催化剂来促进裂化反应。催化剂的存在可以降低反应温度和时间。该过程导致产品的碳原子数分布更窄，并增加了轻质烃的产量。这有助于增加用于制造更多塑料的产出产品的比例。

目标原料

· 聚烯烃 [聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚丁烯 (PB)] 

· 聚苯乙烯（PS）

· PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）- 亚克力玻璃

 虽然基于热解的工艺可用于回收单一聚合物塑料废物，但在处理受污染和混合聚合物废物流时，它们特别有利。

产品

· 一系列基本碳氢化合物产品，包括气体、油和蜡

技术现状

从历史上看，热解已在木炭、城市固体废物和生物质相关的应用中实现商业化。在废物行业中，混合塑料的热解在过去二十年中一直在发展，但现在才成为商业现实，有几家商业工厂正在运营，预计未来几年将有更多工业规模的装置投入使用。

2.3.2 气化

气化是一个过程，其中混合废料在有限量的氧气存在下被加热到非常高的温度（〜1000 - 1500°C），将分子分解成最简单的成分以产生合成气（氢气、一氧化碳和一些二氧化碳）。然后，合成气可用于生产各种用于塑料生产的化学品（例如甲醇、氨、碳氢化合物、乙酸）以及燃料和化肥。

气化通常在较大的工艺装置中进行，这些装置旨在实现规模经济。在热解的情况下，此类装置通常采用混合废物输入流，这对收集和分类系统造成的压力较小。气化通常需要预处理以去除水分并增加热值。需要在升高的工艺温度下非常有效的气体净化系统，以满足将合成气应用于化学生产的要求。

原料

· 所有塑料

产品

· 废塑料气化产生合成气，合成气主要由氢气 、一氧化碳 、二氧化碳、甲烷和氮气组成。这种气体可以燃烧作为能源或用于生产新的碳氢化合物。

技术现状

混合废塑料气化已经使用相当长一段时间了，气化厂的建设规模通常比热解厂更大。

2.3.3 水热处理（HTT）

水解[4]是在超临界条件下化合物被水分子分解的反应。一般来说，HTT工艺的温度和压力条件约为160-240°C，并有相应的压力使水保持液态。近临界水的高温高压的特殊性质使其成为溶解有机化合物的良好介质。HTT的基本反应是水解、脱水、脱羧和解聚。水热处理已用于在间歇式反应器中回收废弃碳纤维增强塑料（CFRP）和印刷电路板（PCB）。近临界水降解复合废物中的树脂和塑料的能力在很大程度上受到不同添加剂和/或共溶剂的存在的影响。

目标原料

· 塑料包装废料（PET）和精选塑料，即废碳纤维增强塑料（CFRP）、印刷电路板（PCB）、聚碳酸酯、苯乙烯-丁二烯、聚乳酸、尼龙6、尼龙66

产品

· 合成原油 - 然后可以通过标准炼油厂操作进行分离、纯化和升级

技术现状

技术正处于开发阶段，大规模商业运营正在规划中。

3 化学品回收市场

根据麦肯锡的报告[5]2016 年，全球 2.6 亿吨塑料废物中只有 12% 得到了回收。同一份报告预测，未来十年内塑料废物的数量将几乎翻一番，到 2030 年达到 460 吨。这一预计增长已经向整个塑料价值链上的公司施加压力，要求他们在这个问题上动员起来。然而，该报告还预测，到 2030 年，全球 50% 的塑料可以重复使用或回收，比目前全球 12% 的数字增加四倍。要实现这一水平的增长，需要大幅扩展收集基础设施和有效性，实施越来越高效的分类和机械回收，并辅之以有效推出化学回收基础设施。

迄今为止，机械回收已在 PET、HDPE 和 PP 的回收中显示出有效性。通过提高这些聚合物的收集率，同时扩展到 LDPE 等其他聚合物，可以进一步推动对机械回收能力的需求。根据麦肯锡的报告，到 2030 年，收集和范围的增加可能有助于将全球机械回收率从塑料废物市场的 12% 增加到 22%。

预计化学回收将通过处理机械回收商无法处理的聚合物流，在麦肯锡预测的增长中占据一定份额。原料回收方法有潜力处理混合聚合物废物流和残余废物，这些废物已经耗尽了其进一步机械加工的潜力。这些功能对于那些收集和分类不同塑料废物的基础设施尚未到位的地区的能力建设尤其重要。

在高采用率的情况下，到 2030 年实现 50% 的回收率所需的基础设施投资预计为每年 150 亿至 200 亿美元。这是在过去十年石化和塑料行业每年平均投资800亿至1000亿美元的背景下实现的。这种新格局有可能从根本上改变塑料生产动态，在十年内使多达三分之一的生产由再生塑料组成，抵消原始石油和天然气原料。在这种情况下，到 2030 年，这一新的回收原料库可能占石化和塑料行业增长的三分之二。

3.1 支持循环经济

在循环经济中，有用的塑料材料保持循环，而不是被填埋、焚烧或泄漏到自然环境中。欧盟循环经济一揽子战略呼吁制定具有约束力的垃圾填埋目标，到 2035 年将城市垃圾填埋量最多减少 10%，欧盟循环塑料联盟设定的目标是每年使用 1000 万吨再生塑料来制造新产品。到 2025 年欧洲。为了开发循环系统并实现这些回收和垃圾填埋减少目标，需要投资合适的收集系统和回收设施。

化学回收通过将以前无法回收的塑料废物分解为石化原料，从而创造价值，然后将其重新用作新的原始质量聚合物的构建模块。化学回收工艺在石化和废物管理行业之间架起了一座桥梁，并可以激励废物管理和石化行业发展关系，以创建塑料循环价值链。

许多石化行业的公司正在积极参与循环经济。在 2018 年 ICIS 世界聚烯烃大会上，北欧化工解释了他们的愿景，即“将塑料废物打造为化学工业的另一种标准原料和新常态” [6] 。

石化行业正在通过努力增加含有再生成分的塑料的供应来满足零售商、品牌和消费者等下游市场参与者日益增长的可持续发展需求，并致力于与塑料价值链中的合作伙伴合作，研究和开发再生材料的使用来自塑料废物的原料。

为了实现这种结合，跨行业合作和商业伙伴关系正在兴起，以开发技术知识并确保废塑料的供应。

塑料回收和石化行业之间的合作伙伴关系

2017 年，利安德巴塞尔（领先的塑料、化学品和炼油公司）和 SUEZ（全球资源管理领导者）成为荷兰优质机械塑料回收公司 Quality Circular Polymers (QCP) 的 50 名合作伙伴。

2018 年底，化学品生产商巴斯夫的ChemCycling项目首次使用欧洲领先废物管理公司 Remondis 提供的塑料废物中提取的热解油作为其自身生产的原料。试点项目是与来自各个行业的客户进行的，包括电子和包装薄膜生产商。

同年，大宗商品和高性能塑料生产商 SABIC 与化学塑料回收商Plastic Energy签署了一份谅解备忘录，供应原料以支持 SABIC 在欧洲的石化业务。此次合作正在试点使用回收原料生产聚合物，这些聚合物将被认证为由回收材料制成，供应给该项目的合作伙伴——联合利华、特百惠品牌、Vinventions 和 Walki 集团。

Borealis 是一家聚烯烃、基础化学品和化肥供应商，于 2018 年收购了德国塑料回收商 MTM Plastics。MTM 是一家混合消费后塑料废物的机械回收商，也是欧洲最大的消费后聚烯烃回收材料生产商之一。

在艾伦·麦克阿瑟基金会 (Ellen MacArthur Foundation) 的推动下，英国原料回收专家 Recycling Technologies Ltd从 2017 年开始与价值链中的其他 14 家公司一起领导了“Lodestar 项目”的研究。Lodestar 项目评估了将机械回收与原料回收相结合的经济性，即所谓的先进塑料回收设施 (aPRF)。与单独的机械回收相比，结果表明，aPRF 可显着提高回收率，仅将 5% 的垃圾填埋或焚烧，并可将收入增加 25%。

2019 年 11 月，石油和天然气公司壳牌的美国实体宣布，其路易斯安那州工厂已成功利用热解技术，利用亚特兰大公司Nexus Fuels LLC生产的液体原料，利用塑料废物生产高端化学品。

与此同时，在欧洲，能源公司Neste宣布与Remondis合作开发塑料废物的化学回收。合作伙伴将专注于加速化学品回收，并使价值链中的其他公司也加入到这一计划中。此前，该公司曾宣布与ReNew ELP合作，后者正在将Licella催化水热回收工艺商业化。此外，2020 年 3 月，Neste 投资了Recycling Technologies，以建造和安装其第一家商业工厂，并同意了输出油的承购合同。

2019 年 12 月，能源公司道达尔宣布已与Recycling Technologies以及全球品牌雀巢和玛氏联手进行可行性研究，以在法国部署基于热解的原料回收工厂。此次合作由 CITEO 推动，将研究回收复杂塑料废物的技术和经济可行性，例如法国的小型、柔性和多层食品级包装。

4 商业模式

化学回收领域出现了几家处于不同成熟阶段的公司。欧洲各地的几个试点工厂正在运营以展示该技术，其他工厂则扩大到工业规模。

商业工厂的规模范围从年产量 30-200kt 的大型集中式工厂到年产量 3-10kt 的紧凑型模块化分布式装置以及年产量 <3t 的移动装置。

拥有较大集中工厂的公司往往是工厂的运营商，并提供回收即服务。在这种情况下，工厂将充当废物接收者，并保留产出产品的所有权，以便继续销售给化工行业。

拥有分布式小型工厂的公司倾向于提供回收技术解决方案，供废物处理运营商购买。在这种情况下，该工厂将远程建造并分布安装在现有的废物和材料处理场地上。技术提供商将从设备销售和维护协议中获得收入，废物处理者将保留产出产品的所有权，以便继续销售给化工行业。

5 扩展阅读

欧盟委员会，塑料循环经济——研究和创新的见解为政策和资金决策提供信息（2019）

European Commission, A Circular Economy for Plastics – insights from research and innovation to inform policy and funding decisions (2019)

闭环合作伙伴，加速塑料循环供应链（2019 年）。一系列转型技术可以阻止塑料浪费、保持材料的发挥作用并扩大市场。

Closed Loop Partner, Accelerating Circular Supply Chains for Plastic (2019). A landscape of transformation technologies that stop plastic waste, keep materials in play and grow markets.

《自然评论》中的一篇文章《废塑料化学回收用于新材料生产》 描述了可用于将塑料固体废物分类和回收为原料的技术，以及化学回收商业塑料的最先进技术。(2017)

An article, Chemical recycling of waste plastics for new materials production in Nature Review describes technologies available for sorting and recycling plastic solid waste into feedstocks, as well as state‑of‑the-art techniques to chemically recycle commercial plastic. (2017)

CE100 和艾伦·麦克阿瑟基金会白皮书：通过质量平衡方法实现化学品的循环经济。循环经济道路上的一个重要里程碑是化学工业的质量平衡方法。通过发布白皮书，艾伦麦克阿瑟基金会的 CE100 网络（包括 ISCC 成员伊士曼和芬欧汇川）提出了一种具有明确和预定义规则的质量平衡方法，作为促进和鼓励使用再生材料的关键方式（2018）

CE100 and Ellen MacArthur Foundation Whitepaper: Enabling a circular economy for chemicals with the mass balance approach. An important milestone on the pathway to a circular economy is the mass balance approach for the chemical industry. By publishing a whitepaper, the Ellen MacArthur Foundation’s CE100 Network, including ISCC members Eastman and UPM, propose a mass balance approach with clear and predefined rules as a key way to facilitate and encourage the use of recycled materials (2018)

WRAP 塑料非机械回收（2019 年 10 月）是一项针对非机械回收技术的高级市场研究。

WRAP Non-Mechanical Recycling of Plastic (Oct 2019) is a high-level market study into non-mechanical recycling technologies.

来源：此 Plastipedia 条目的内容由Recycling Technologies与 BPF 合作研究和提供。

参考：

[a] This calculation and allocation must be independently audited and certified in a similar way to ISO standards on Chain of Custody ISO 22095 and/or ISO 14021:2016 Environmental Labels and Declarations.

[b] Eunomia, Plastics Europe, Chemical Recycling and Mass Balance Presentation, 2021

[1] Closed Loop Partners. Accelerating Circular Supply Chains For Plastics. 1–90 (2019)

[2] Zhao, Y. B., Lv, X. D. & Ni, H. G. Solvent-based separation and recycling of waste plastics: A review. Chemosphere 209, 707–720 (2018).

[3] Punkkinen, H., Oasmaa, A., Laatikainen-Luntama, J., Nieminen, M. & Laine-Ylijoke, J. Thermal conversion of plastic- containing waste: A review. (2017).

[4] Helmer Pedersen, T. & Conti, F. Improving the circular economy via hydrothermal procssing of high-density waste plastics. Waste Management. 68, 24–31 (2017).

[5] Hundertrmark, T., Mayer, M., McNally, C., Simons, TJ., & Witte, C. How Plastics Waste Recycling Could Transform the Chemical Industry, McKinsey & Company. 2018.

[6] Hodges, P, qt Borealis. Plastics Recycling Paradigm Shift Will Create Winners and Losers, ICIS Chemical Business. June 2018.

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