使用后聚丙烯生产润滑油的技术经济分析与生命周期评估及与常规基础油的比较

《RSC Sustainability》：An integrated techno-economic analysis and life cycle assessment of lube oil production from post-use polypropylene and comparison with conventional base oils

　　

本研究对通过氢解技术（使用铂钛酸锶（Pt/SrTiO₃）催化剂）升级回收使用后聚丙烯（PU-PP）的技术、经济和环境表现进行了综合分析。该过程从回收塑料中生成润滑油，也称为LOUPs（回收塑料润滑油）。研究人员还评估了从原油中精炼I类、II类和III类基础油的常规过程，以便与LOUPs生产进行比较。LOUPs的最低销售价格（MSP）估计为每加仑2.18美元，与常规I类、II类和III类基础油的MSP相比分别降低了16%、49%和61%。LOUPs生产的温室气体（GHG）排放量在每千克0.6至0.7千克CO₂当量之间。这些排放量比I类基础油高出高达40%，但比II类和III类基础油分别低62%和74%。与PU-PP的常规寿命终点（EOL）管理相比，氢解也导致了更低的GHG排放。根据这些发现，所呈现的分析显示了与常规II类和III类基础油精炼相比，从PU-PP生产LOUPs的成本效益和环境效益。

**研究背景**
全球塑料产量持续增长，2020年达3.67亿吨，但仅有10-12%被适当回收，其余被填埋或焚烧，造成严重环境污染。聚丙烯（PP）作为常用聚烯烃，年产量约5000万吨，回收率仅1%。传统机械回收因添加剂积累和物化性能下降而受限，裂解虽可转化但能耗高、选择性差。催化氢解反应在较低温度（~300°C）下操作，能将PU-PP转化为窄分布的直链烷烃产品，如润滑油。全球润滑油市场规模约1444亿美元，且持续增长，由高分子聚合物转化而来的润滑油具有更高价值。当前关于PU-PP氢解制润滑油的经济和环境评估研究极少，因此本研究通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）比较氢解路线与常规基础油生产路线，填补这一空白。论文发表在《RSC Sustainability》。

**主要技术方法**
研究人员利用Aspen Plus v12构建了常规基础油（I、II、III类）和LOUPs生产的过程模型。TEA采用Aspen Economic Analyzer v12估算最小销售价格（MSP），LCA基于R&D GREET 2023模型评估温室气体（GHG）排放、化石能源消耗和水消耗。敏感性分析考察了操作费用、原料成本、催化剂等变量的影响。PU-PP原料来源于材料回收设施（MRF），假设处理规模250吨/天。

**研究结果**

*TEA结果*
通过过程模拟和财务分析，常规I、II、III类基础油的MSP分别为2.59、4.27、5.66美元/加仑，而LOUPs的MSP为2.18美元/加仑，分别降低16%、49%和61%。成本分解显示原料（主要为PU-PP）是最大成本驱动因素，占总运营费用的71%。催化剂与进料比从1/100增至1/10时，MSP升至2.58美元/加仑。

*敏感性分析*
单变量敏感性分析表明，运营费用（OpEx）对MSP影响最大（±50%变化导致±45.46%波动），其次是PU-PP成本（±33.1%）和工厂规模（±13.7%）。LOUPs产率从86%降至60%时MSP升高44%，产率增至90%时降低4%。催化剂成本和寿命对MSP影响较小（±1-2%）。多变量分析显示，同时提高催化剂与进料比和催化剂成本可导致MSP上升33.5%。

*LCA结果*
常规基础油中，III类GHG排放最高（2.3 kg CO₂e/kg），I类最低（0.5 kg CO₂e/kg）。LOUPs的GHG排放为0.6-0.7 kg CO₂e/kg（取决于共产物分配方法），比I类高18-40%，但比II类和III类分别低62%和74%。采用系统扩展法（考虑避免的EOL管理排放）后，LOUPs的GHG排放进一步降低，甚至优于I类。化石能源消耗方面，LOUPs（7-8 MJ/kg）比I类低85%。水消耗方面，LOUPs（2.9-3.4 L/kg）比II、III类低55-66%，但比I类略高。

*LCA敏感性分析*
烟气中CO₂浓度是影响LOUPs GHG排放的最关键因素（±50%变化导致±35%波动），其次是H₂用量（±7%）和天然气用量（±6%）。工厂规模变化对GHG影响不显著。

**讨论与结论**
讨论部分指出，氢解路线在经济和环境方面均具有竞争力，尤其相比II类和III类基础油。但LOUPs在GHG和水消耗方面不如I类，需通过碳捕集、水循环等措施改进。研究结论（原文翻译）：综合经济与环境评估提供了对氢解过程的更全面理解。模型预计LOUPs的MSP为2.18美元/加仑，分别是常规I、II、III类基础油的约1.2、2.0、2.6倍低。敏感性分析显示OpEx是MSP最敏感因素，原料成本为OpEx最大贡献者。增大工厂规模可降低MSP，需发展规模化供应链。氢解路线可通过低成本PU-PP、降低预处理能耗和转化高附加值共产物来进一步改善经济性。LCA结果表明，LOUPs生产在GHG、化石能源和水消耗方面均低于II类和III类基础油，但在GHG和水消耗上高于I类。烟气排放是GHG的主要贡献者，碳捕集可降低GHG但增加MSP。与PU-PP常规EOL管理相比，氢解显著降低GHG和化石能源消耗，减少固体废物并增强可回收性。敏感性分析表明调整H₂和天然气用量可适度改变GHG排放。本研究结果突出了改进PU-PP氢解回收技术的最重要过程变量，为未来评估奠定基础。