基于碳流循环分析的塑料回收碳循环性与气候能源效益量化研究——以日本塑料包装废弃物为例

为解决塑料废弃物回收中碳循环性(CCR)、气候变化影响(CCI)和化石能源消耗(FFC)的多维评估难题，Cheng-Yao Zhang团队开发了碳流循环图(CFCD)方法，系统量化了日本塑料包装废弃物的回收效益。研究发现催化裂解(CC)可保留56.8%碳循环性，机械回收兼具中等CCR与气候效益，而高效能源回收虽碳循环性差但气候与能源效益显著。该研究为多目标协同的塑料回收策略制定提供了创新方法论支撑。

　　

塑料污染与气候变化是当今世界面临的双重危机。全球每年产生超过3.5亿吨塑料废弃物，但仅有9%被回收利用，大部分通过填埋、焚烧或环境泄漏方式处置。塑料作为碳基材料，其不当处理不仅造成资源浪费，更导致大量温室气体排放。传统评估方法多聚焦单一维度，难以全面衡量回收技术对碳循环保持、气候缓解和能源替代的综合效益。日本作为塑料回收技术最先进的国家之一，其跨行业协同处理体系为研究多路径回收效益提供了理想样本。

为突破评估瓶颈，东京大学城市工程系的Cheng-Yao Zhang等开发了碳流循环图(CFCD)创新框架。该方法通过追踪碳元素在塑料回收全链条中的流向与形态转化，首次实现了碳循环率(CCR)、气候效益(CB)和能源效益(EB)的三维协同量化。研究以日本塑料包装废弃物(PPW)处理系统为案例，对比分析了包括机械回收、催化裂解(CC)、气化制氨等11种技术路径。

关键技术方法包括：1)构建CFCD模型可视化碳流路径；2)采用日本产业技术环境局(IDEA)数据库统一生命周期清单；3)设置产量效率(YE)、碳中和电力(CN)和可再生电力(RE)多情景敏感性分析；4)基于Aspen HYSYS?的催化裂解过程模拟。研究对象覆盖日本钢铁、水泥、化工等多行业实际运营数据。

研究结果揭示：

碳流与循环性特征：催化裂解展现出最高碳循环性(CCR=56.8%)，将41.9%的输入碳转化为可再生产品；机械回收CCR达59.8%，但实际效益受替代率显著影响。传统气化技术虽能源效益突出但碳循环性为零。

气候与能源效益：高炉焦炭替代技术减排效益最佳(-0.663 kg CO₂/kg废弃物)；气化制氨的能源效益达57.891 MJ/kg，但需配合碳捕集利用(CCU)提升循环性。敏感性分析显示，机械回收在100%替代率下可实现38.318 MJ/kg的能源节约。

技术协同与权衡：催化裂解在采用可再生能源供电时，气候效益可从-0.759改善至0.312 kg CO₂/kg；水泥窑协同处置虽碳循环性低，但具备27.632 MJ/kg的稳定能源替代效益。

讨论指出，CFCD框架的创新性在于突破传统"碳中性"单一视角，通过碳流追踪揭示了不同产业对塑料废弃物的差异化利用逻辑：化工行业侧重碳资源循环，而重工业侧重能源替代。研究为各国制定本土化回收策略提供了方法论工具——具备完整石化体系的国家可重点发展催化裂解等闭环工艺，而钢铁产业强国则可优化高炉应用。未来整合CCU技术后，气化路线的碳循环率可提升至92.3%，展现巨大潜力。

该成果发表于《Resources, Conservation and Recycling》，为全球塑料污染治理和碳中和目标实现提供了重要科学依据。研究者特别强调，塑料回收技术选择应立足"碳资源管理"新范式，将废弃物视为替代化石原料的次级碳源，通过CFCD等系统工具优化多目标协同路径。