近年来，由于世界多国政策及国际主流石化、品牌和包装巨头企业大力投资等因素推动，废塑料化学回收成为全球关注的话题。科茂化学回收研究院通过整理分析多年来的相关科研和商业发展成果，特撰写了“废塑料化学回收产业发展报告”，包括“技术篇”“市场篇” “政策篇”“企业篇”，本篇为第1篇——“技术篇”。
本篇要点：
1.“废塑料化学循环”是以产出新塑料为目的“废塑料化学回收”。
2.化学回收可以处理低价值、混合的、受污染的废塑料，产物与石油基塑料质量相同，可应用于食品和医药等高价值领域，在原料适应性和产品应用方面与物理回收形成差异和互补关系。
3.对加聚类废塑料化学回收而言，液化工艺因其经济性较好成为当前主流技术，工艺正从热裂解向深度催化裂解发展；单体工艺是未来的发展趋势。
4.新一代废塑料化学回收技术，较国家以往禁止的“土法炼油”，在技术水平、规模效应、产品品质、环保程度、安全生产等方面实现了长足进步，未来也将成为主要的碳减排技术之一，从而由政策限制转变为鼓励技术。
5.化学回收在原料预处理、进料、前加工工艺、催化剂等方面会与原油加工存在差异，在半成品后加工、精细化工、产品销售等方面可能会并入石油化工系统。二者有合二为一的趋势。
一、废塑料化学回收技术的定义及优势
1.定义
对废塑料进行化学方式处置会产生多种产品方向，并非所有产品最终都会用于制造新塑料。
在欧美国家，废塑料“化学回收”与“化学循环”的概念是等同的（Chemical Recycling）。科茂化学回收研究院对此进行区分定义：
“有机物化学回收”是指对广义上的有机物（如废塑料、废橡胶、废织物、餐厨垃圾、园林废弃物等）进行化学转化，产生有价值产物的过程。
“废塑料化学回收（Chemical Recovery）”是将塑料废弃物经过一系列化学转化，生成油、气、炭、单体等中间化学品的过程，是“有机物化学回收”的一部分。
“废塑料化学循环（Chemical Recycling）”是将塑料废弃物经过一系列化学转化，重新生成与石油基塑料同等品质的新塑料的过程，又称为“先进循环”“分子循环”。“废塑料化学循环”是以产出新塑料为目的的“废塑料化学回收”。
将塑料废弃物经过一系列化学转化，生成油和气等以燃料为最终使用形态的过程，称为“废塑料能源转化”。
以上几者关系如图1所示。
2.优势
作为塑料废弃物回收再生的两条主要路径，物理回收和化学回收各有优势，物理回收适合处理高价值、品类单一、较为干净的废塑料，化学回收可以处理低价值、混合的、受污染的废塑料。物理回收的产物较难达到食品和医药等高价值应用领域要求，化学回收是在废塑料分子层面进行拆分和重组，产物与石油基塑料质量相同，可应用于食品和医药等高价值领域。物理回收和化学回收是互补关系。
二、化学回收技术的四大技术方向
（一）分类逻辑
热塑性塑料根据聚合反应不同，分为加聚类塑料和缩聚类塑料，如图2所示。
加聚类塑料，是小分子烯烃或烯烃的取代衍生物在加热和催化剂作用下通过加成反应形成的高分子聚合物，主要包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等聚烯烃类塑料和聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等。缩聚类塑料是多官能团单体之间通过发生多次缩合反应，并放出水、醇、氨或氯化氢等低分子副产物后形成的高分子缩聚物，主要包括聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酸（PC）、聚氨酯（PU）等。
加聚反应是不可逆反应，而缩聚反应大多是可逆反应，这就决定了废旧加聚类塑料和缩聚类塑料化学回收方法不同。加聚类塑料化学回收方法统称为裂解法，缩聚类塑料化学回收方法统称为解聚法。
裂解法是指加聚类塑料分解成小分子化合物或单体的化学回收方法，主要有热裂解和催化裂解两个方向，具体包括气化裂解法、微波裂解法、加热裂解法、共混裂解法、超临界水法、加氢裂解法、催化裂解法等。简而言之，裂解法最基本的条件是热裂解；采用微波加热的热裂解，称为微波裂解法；在热裂解过程中加入一定量的空气或氧气，称为气化裂解法；在热裂解法基础上增加催化剂促进化学反应的定向发生，称为催化裂解法；在催化裂解过程中上加入氢气，称为加氢裂解法；将废塑料与其他有机物的混合物进行热裂解，称为共混裂解法；采用超临界水作为介质进行热解，称为超临界水法。
解聚法是指缩聚类塑料在酸、碱、水、醇、催化剂等条件下，由高分子缩聚物降解成低聚物和/或单体的化学回收方法。解聚法主要会用到溶剂，故又称为溶剂解法，根据溶剂性质的不同，又可分为水解法、醇解法、其他溶剂解法等。详见图2。
（二）热裂解法
1.气化裂解法：在热裂解基础上增加氧化介质（空气、氧气或水蒸气），将废塑料分解，以获得合成气（CO、H2、CH4等）的化学回收方法。合成气可作为生产其他化工产品（甲醇、合成氨等）的原料，也可作为燃料用于高效、低污染的燃气蒸汽联合循环电站发电和供热，以提高资源回收利用价值。
该技术工艺特点是无需对废塑料进行过于精细的预处理，可以分解混杂废旧塑料甚至与城市垃圾混杂的废旧塑料。气化裂解法与焚烧法的主要区别是加入氧气量不同：焚烧法又称为过氧化法，在废塑料热解过程中加入过量氧气/空气，废塑料完全燃烧，产物主要为CO2和H2O等；气化裂解法又称为部分氧化法，在废塑料热解过程中加入一定量氧气/空气，废塑料在其中部分氧化，生成产物主要为CO和H2等。
由于气化裂解将大分子拆解为最小的分子，需要消耗大量能量，能耗成本较高，罕有工业化应用。目前美国Texaco公司对气化工艺研究较早，其废塑料碳转化率可达91％，产品主要成分为CO和H2。
2.微波热解法：微波热解技术是在无氧或缺氧条件下，利用大量热能将大分子量废塑料裂解为分子量相对较小的化学品或燃烧气体，主要包括C4及以下的石油气。微波热解法和焚烧法是两个完全不同的过程，焚烧是放热过程，而微波热解需要吸收大量热量。焚烧的主要产物是二氧化碳和水，而裂解的主要产物是石油气。
与传统热解相比，微波热解具有独特的传热传质规律和更好的加热均匀性，而且温度调控、热解过程及预期最终产物的控制相对更加容易，节省大量反应时间，并且设备热惯性小。
微波裂解与气化裂解类似，将大分子拆解为较小分子，产出物价值比合成气高，同时能耗成本也较高，工业化应用尚较少，目前在开发该技术的有中国石化等。
3.加热裂解法：热裂解法，又称为干馏法，是指固体有机物在隔绝氧气条件下加热分解，最终生成可燃气、液体油和固体炭的化学方法。按加热温度不同，可分为三种：900℃以上为高温热解；600℃-900℃为中温热解；600℃以下为低温热解。
这种以液体产品为目标产物的工艺，又称为液化工艺。液化工艺是热裂解法的主要工艺，也是催化裂解法、加氢裂解法、共混裂解法和超临界水法的主要工艺。液化工艺产出的液体产品主要为油类，包括蜡油、重油、柴油、汽油、溶剂油、石脑油等，根据裂解方法不同，各种油品所占含量不同。这些油品的市场价值比合成气和固体炭高，因此，液化工艺比气化和炭化工艺经济效益好，这也是液化工艺比气化和炭化工艺发展好的主要原因。
目前国内研究该技术的有青岛科技大学机电学院院长汪传声教授团队和同济大学热能所陈德珍教授团队等，使用该技术的企业有英国的Plastic Energy、挪威的Quantafuel、美国的Agilyx和中国的航天动力研究所、恒誉环保等，目前有产能的仅有Plastic Energy，产能为每年数千吨。
（1）高温热裂解：废塑料高温热裂解类似于煤的高温干馏，会产生大量可燃气，但与气化裂解法比，根本区别是高温热裂解是无氧裂解而气化裂解是有氧裂解。另外，气化裂解的产物是合成气，不会有固体焦炭产生；高温热裂解主要产物则是焦炭和可燃气，两者比例可通过控制反应条件进行调节。当高温热裂解以产生焦炭为目标产物时，可称为炭化工艺。炭化工艺产生的固体炭可进一步制成焦炭、活性炭、离子交换树脂，甚至碳纳米管等。
（2）中温热裂解：废塑料中温热裂解温度为600℃~900℃，介于高温热裂解和低温热裂解之间，其产物分布也介于两者之间。温度靠近900℃，产物中固体和气体增多，液体油减少；温度靠近600℃，产物中的液体油增多，固体和气体减少。
（3）低温热裂解：废塑料低温热裂解温度在600℃以下，主产物是液态油，副产物是可燃气和固体炭。
4.共混裂解法：共混裂解法是在热裂解法的基础上发展起来，是将不同种类的废塑料以及废塑料与其他有机物进行共同混合裂解的方法。不同种类的废塑料以及废塑料与其他有机物在原料性质上有差异，但在裂解过程中能够起到协同作用，使产品品质提高。共混裂解法可以是不同种类加聚类塑料之间共混，也可以是加聚类塑料与其他类塑料之间共混，还可以是废塑料与煤、废矿物油、生物质之间共混等。
目前该技术尚处于研究阶段，工业化应用案例较少，根据搜集到的公开资料，在日本有少数案例，中国也有企业正在开发该技术。
5.超临界水法：在特定温度和压力下，用超临界水作为溶剂和热载体，同时起到微催化作用，将废塑料转化为轻油、重油和蜡。水的临界温度为374.3℃，临界压力为22.05MPa，当温度、压力分别达到临界温度和临界压力时就处于超临界状态。超临界水具有常态下有机溶剂性能，即能溶解有机物，而不溶解无机物，而且还具有一定的氧化性，它可以使废塑料降解或分解，回收有价值的产品。用超临界水进行化学回收主要是为避免发生结焦，提高液化产物收率。
该工艺对装置要求高，投资成本较高。据公开资料整理，英国的MURA现已在建超临界水化学回收工厂，处理量2万吨/年，预计2022年下半年开始运营，此为该工艺最大产能工厂。
（三）催化裂解法
1.加氢裂解法：在催化裂解法基础上加入氢气形成的裂解法。加氢裂解法是对催化裂解法的改进，是加氢和催化裂解的结合，与催化裂解法不同的是在进行催化裂解反应的同时伴随烃类加氢反应。在废塑料裂解研究中，生成的产物重质组分多且不饱和度大，采用加氢裂解法有助于解决这一问题，提高液态产物质量。
该技术对工艺、设备、控制要求高，投资和运营成本较高，工业化应用较为罕见。
2.催化裂解法：在热裂解法基础上加入催化剂，其化学过程是热裂解和催化裂解同时发生，反应速率快、时间短，油品中异构化、芳构化产物较多，油品质较高。与废塑料热裂解相比，催化裂解有反应速率快、反应条件低、产品价值高等明显优势。在达到相同转化率的情况下，加入催化剂可明显降低反应温度，而且随着剂油比增加，反应温度可进一步降低；裂解催化剂的择形作用还可改善产品分布，得到碳链更短的产品；催化裂解反应速度也大大快于热裂解反应。
目前使用该技术的企业有浙江科茂环境科技有限公司（以下简称“科茂环境”），该公司现已建成年处于量4万吨的催化裂解废塑料化学回收工厂。
3.催化裂解烯烃重组法：在催化裂解基础上加入“烯烃最大化”技术工艺，将废塑料直接转化为乙烯、丙烯、BTX单体和液化气，可用于生产PCR树脂或其他精细化工产品。相较于将废塑料裂解制油后通过蒸汽裂解等方式制烯烃，该技术拥有更高的烯烃收率及更低的投资运营成本，是实现废塑料化学循环闭环的未来技术。科茂环境数十万吨级工厂在建设中。
（四）溶剂解法
溶剂解法属于解聚法，是针对缩聚类废塑料的化学回收技术。缩聚类塑料在缩聚反应过程中会放出水、醇、氨或氯化氢等低分子副产物，而缩聚反应大多是可逆反应。因此，在一定条件下为缩聚类塑料补充水、醇、氨等物质，就可以使缩聚类塑料解聚为单体。通过溶剂解法回收的缩聚类塑料主要为PET等热塑性聚酯，PA6、PA66等聚酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚ɑ-甲基苯乙烯（PaMS）以及聚缩醛等品种，对应产物为对苯二甲酸二甲酯（DMT）、对苯二甲酸（PTA）、已内酰胺（CPL）等。溶剂解法根据所用溶剂不同，可大致分为水解法、醇解法和其他溶剂解法。
1.水解法：在以水为溶剂的情况下，缩聚类塑料在一定温度压力和催化剂作用下发生水解反应解聚成单体，水解法包括酸性水解、碱性水解和中性水解三种类型。
2.醇解法：在以醇类物质为溶剂的情况下，缩聚类塑料在一定温度压力和催化剂作用下发生醇解反应解聚成单体。醇类物质可以是一元醇、二元醇或多元醇。严格地说，以一元醇为溶剂的解聚法叫醇解；以二元醇或多元醇为溶剂的解聚法叫糖解。
目前国内研究该技术的有中科院山西炭化所研究员、博士生导师侯相林等，使用该技术的企业有中国的树业环保和浙江佳人等，根据公开资料显示，树业环保现有产能5万吨/年，浙江佳人现有产能2.5万吨/年。
三、化学回收技术的经济效益分析
当前，加聚类塑料的化学回收技术主要包括气化工艺、炭化工艺、液化工艺和单体工艺，缩聚类塑料的化学回收技术主要为萃取工艺，两者的经济效益分析如表1所示。
1.气化工艺：适用于加聚类塑料，也可处理一部分缩聚类塑料。一是有氧气化，部分氧气参与，生成合成气，产品可导入煤化工制甲醇和氨气等；二是无氧气化，没有氧气参与，生成石油气，产品可导入石油化工产业制燃气或化学品。由于较为彻底裂解需要高温条件，能耗高，同时产品价值较低，整体经济效益中低。
2.炭化工艺：适用于加聚类塑料，可产出焦炭、活性炭等，少部分产品可导入炼焦化工产业制功能碳（如纳米碳）。虽然终端产品价值较高，但炭产品收率比较低，彻底裂解需要高温条件，对原料纯净度要求高，整体经济效益低。
3.液化工艺：适用于加聚类塑料，产出物可导入石油化工产业制燃料或塑料等化工产品。由于产出物价值较高、收率较高，生产条件适中，原料成本较低，整体经济效益中高。
4.单体工艺：适用于加聚类塑料，可产出乙烯、丙烯、BTX单体，产品可导入塑料产业和精细化工产业制塑料和精细化工品。由于产出物价值很高、收率高，原料成本较低，反应条件适中，生产链条短，整体经济效益高。
5.萃取工艺：适用于缩聚类塑料，有水解、醇解等类型，可产出单体（如DMT、PTA、CPL等），产品可导入化纤产业和塑料产业制化纤和塑料。可用萃取工艺处理的废旧塑料一般可用于物理回收，原材料质量较好，故成本较高，经济效益中。
对于加聚类塑料化学回收来说，液化工艺产品经济效益优于气化工艺和炭化工艺，工业化程度较高，是当前主流的技术；单体工艺是行业的未来发展趋势。
四、加聚类废塑料化学回收技术的进化代际及发展方向
以催化深度、C和H元素利用效率及环保程度为划分标准，可将化学回收技术代际划分为5代，如表2所示。
随着催化程度加深及反应可控性提升，产物由重油和蜡向轻油过渡，最终发展到乙、丙烯和BTX等高价值组分。化学回收的产品也从主要适宜做燃料，到越来越多组分适宜做塑料。
从废塑料回收的历史进程看，这是由人工回收，到机械回收，再到热转化，进而到化学反应及复杂化学反应的进化过程。因此热裂解是化学回收的基础技术，能够将废塑料转化成高价值产品则需要更复杂的化学工艺，如同只用热转化从石油中提炼高价值产物是不够的，还需要复杂化学过程。
下面主要介绍成熟度已跨越试验阶段的技术进化方向。
1.原始阶段：即土法炼油，可处理橡胶和轻度混合塑料，产出重油和蜡。单条生产线每日可处理0~3吨级。2007年，原国家环境保护总局明文规定“不宜以废塑料废原料炼油”，土法炼油被禁止。
2.第一代化学回收技术：釜式热裂解，没有催化剂参与的间歇式反应，采用明火外加热的方式，可处理橡胶和轻度混合塑料，产出重油和蜡。单条生产线每日可处理0~3吨级。曾经在山东、河南等地盛行，由于产品质量差、环保不达标等原因，发展受到限制。
3.第二代化学回收技术：第二代技术在两个方向上分别拓展了第一代技术，一是在热解基础上将装置逐渐从间歇式拓展向连续式，二是在间歇式生产基础上提升催化深度。因为原料进料效率低，换热效率不高、催化深度不足等原因，难以实现较好的经济性。
（1）管式热裂解：裂解釜呈现管状形态，连续性螺旋式推进物料前进同时发生反应，可处理橡胶和轻度混合塑料，缺乏有效催化剂，废塑料无序裂解、无序重组，易结焦，产出少量轻油、大量重油和蜡。单条生产线每日可处理5~10吨级废橡胶或废塑料。
（2）溶剂热裂解（共混裂解法）：连续性反应，用有机溶剂（如重油）加热融化塑料并进行裂解，可处理轻度混合塑料，缺乏有效催化剂，反应深度不够，产出少量轻油、大量重油和蜡。单条生产线每日可处理5~10吨级废塑料。
（3）超临界水热裂解：在高温高压下，超临界水作为溶剂和热载体，同时起到微催化作用，可处理重度混合塑料，反应不连续，产出少量轻油、大量重油和蜡。单条生产线每日可处理5~10吨级废塑料。
（4）釜式催化裂解：在釜式热裂解装置基础上加入有效催化剂，催化深度得到提升，可处理中度混合塑料，但反应不连续，有限的热交换和进料效率限制了产能放大，产物中仍有一定量重组分。单条生产线每日可处理0~3吨级废塑料。
4.第三代化学回收技术：管式催化裂解催化重组技术，由于高效催化剂以及连续性进料、连续反应装置的突破，热交换效率和反应深度提升，可处理重度混合塑料，液态产品收率高，可实现完全轻组分化。单条生产线每日可处理10~30吨级。技术经济性在这一代实现突破。
5.第四代化学回收技术：内热催化裂解催化重组技术，在与第三代相同化学原理的基础上，在大规模预处理、大规模进料和高效换热方式上实现工艺和装置突破，由外加热转向内加热，反应效率提升，能够处理重度混合塑料，产出轻油。单条生产线日处理量可达百吨级。
6.第五代化学回收技术：高选择性催化裂解烯烃重组，通过催化裂解为不饱和烃类，再进行烯烃重组，可处理重度混合塑料，直接产出乙烯、丙烯及BTX单体。单条生产线每日可处理数百吨级。目前科茂采用该技术的数十万吨级处理量工厂正在建设中。
五、化学回收技术环保性的进展
2007年原国家环境保护总局（现生态环境部）发布《废塑料回收与再生利用污染控制技术规范》，规定“不宜以废塑料为原料炼油”，这是基于当时化学回收技术工艺落后、产品品质低、环保效益差等因素得出的结论并开展的限制措施。随着技术发展，这些方面已实现较大改观。化学回收技术作为塑料污染控制技术的一种类型，逐渐被纳入各部门鼓励发展的方向中。
1.技术落后导致产品含杂多、品质差的问题实现扭转
由于废塑料（尤其是低值废塑料）掺杂或附着有机质、塑料改性剂、油墨、化学纤维等原因，在催化深度和反应控制能力有限（第三代之前）的情况下，产品中含有大量重组分，产品中的Cl、N、S等原子从分子中剥离出来难度大。技术工艺落后（如釜式工艺）导致处理效率有限，加之受投资成本限制，裂解过后缺乏精馏加工工艺，导致产品品质和经济价值不高。由于产品中含有较多杂质，在后续产品应用中会出现较为严重的环境污染，这是“塑料炼油”被限制的重要因素之一。
随着技术发展，催化深度和反应控制能力提升，自第三代技术开始，产品可完全是轻组分，残存在产品分子中的杂质被更有效地分离出来，产品品质和环保性提升。
2.生产过程环保性差、安全性差的问题明显改善
在原始工艺阶段，废塑料化学回收生产规模小，往往以“土法炼油”小作坊形式出现。装置粗糙落后使VOCs、二噁英等污染物的产生难以得到控制；环保投资和管理不足使废气、废水、废渣无法得到有效处理；同时，在投资规模不足、运作不专业的情况下，生产安全性也难以得到保障。
随着技术发展，资本和人才要素不断加强，从第三代技术开始，化学回收技术已能实现较好的环保性好和较强的安全性。如低温低压的生产条件缓和安全；绝氧环境很好地规避了二噁英产生条件；深度催化和反应控制使PVC中的氯主要以无机氯形式剥离出来；技术经济性可支撑较大投资和生产规模，也能有效支撑充分的环保投资和专业管理，使三废排放充分符合国家标准。
3.废塑料化学回收技术已成为当前重要的碳减排技术
废塑料化学回收技术可代替焚烧处理塑料废弃物，将碳固化在产品中，而不是释放到大气中，从而大幅减少碳排放。国际化工巨头和化学回收企业LCA报告显示，废塑料化学回收相对于焚烧处置塑料废弃物可减少碳排放50%左右，即处置1吨废塑料可减少碳排放2吨以上，如表3所示。
由此测算，用化学回收处理中国3000万~4000万吨/年低值废塑料，将减碳约6000万~8000万吨/年。
若将废塑料转化为燃料，其中的碳原子最终仍会排放到大气中。因此从碳足迹角度讲，化学回收的技术发展方向，应当是更大程度地将废塑料转换成材料（如新塑料）而非燃料，同时技术进步带来能耗进一步下降，减碳效果也将更加显著。
六、化学回收技术的发展方向
当前化学回收技术的商业化处于早期阶段，各种技术百花齐放，随着政策和技术发展，有些技术可能会由于经济性不足被淘汰，有些技术可能会在不同场景中得到广泛应用。比如中高温热裂解技术，适宜高度污染或与有机物混杂的废塑料，以垃圾减量化为主，废塑料资源化为辅；催化裂解适宜处理相对重度混杂的废塑料，以废塑料资源化为主，垃圾减量化为辅；第三代管式催化裂解催化重组技术经若干生产线并联，适合每日处理量在百吨级废塑料体量的中小型城市；第五代高选择性催化裂解烯烃重组技术适宜具备化工项目落地条件的大型城市或能够覆盖方圆数百公里区域的位置。
废塑料化学回收行业与石油化工行业有着相似的发展规律，即原理上会从热化学向催化化学发展，温度上会从高温向低温发展，能耗上会从高能耗向低能耗发展，传热上会从间接传热向直接传热发展，反应器上会从固定床向流化床发展，产品上会从燃料向材料发展，环保上会从高污染向低污染发展，碳排上会从低减碳向高减碳发展等。
科茂化学回收研究院认为，未来化学回收在原料预处理、进料、前加工工艺、催化剂等方面会与原油加工存在差异，在半成品后加工、精细化工、产品销售等方面会并入石油化工系统。两者合二为一，在同一家工厂中完成从废塑料到新塑料闭环也会在不久的将来出现。
感谢广东省环境科学研究院环境风险与损害鉴定评估研究所高黎博士，陶朗集团循环经济副总裁常新杰对本报告提出了重要的建议。
