揭秘中国石化环保“百宝箱”对付废塑料、废气、废水都不在话下

  刚刚过去的8月15日是首个全国生态日。绿色、低碳、环保，是我国石化行业“十四五”期间高水平发展的主旋律。我国石化行业应当如何兼顾环保需求和经济需求，既守护“绿水青山”，又创造“金山银山”？在中国石化科技部的支持下，石油化工科学研究院（以下简称：石科院）面向行业重大需求，研发出了一项又一项先进环保技术。什么技术能让废塑料“浴火涅槃”，实现高价值回收利用？什么技术能够让小小的“绿色精灵”一边“吃掉”工厂中排放的二氧化碳，一边生产蛋白质？什么技术能用紫外光照一照就令石化废水中的污染物“粉身碎骨”？本期专题为您揭秘中国石化的环保“百宝箱”。

  本版文图由 陈子佩 郭 鑫 甄栋兴 李 煦 荣峻峰 左陆珅 王 辉 赵 锐 提供

  塑料由石油制成，塑料制品的广泛应用给人们的生活带来了极大便利，但使用后的废弃塑料却成了棘手的难题。据统计，我国每年新增的垃圾塑料超过6000万吨，在垃圾场中的废弃塑料大约有10亿吨，重量相当于12500艘“福建舰”航母。巨量的废弃塑料“沉睡”在垃圾填埋场和自然环境中，不仅会导致非常严重的“白色污染”危及生态环境，而且是对我国宝贵石油资源的严重浪费。

  废塑料危害虽多，但并非“十恶不赦”，它的破坏力与管理不当、低回收利用率有关。通过循环利用将废塑料变废为宝是最理想的处置方式。

  废塑料循环利用最重要的包含物理回收和化学循环两种方式。其中，物理回收是指不破坏塑料的高分子结构，将废旧塑料经过清洗、破碎后直接来加工。物理回收工艺较为简单，缺点也很明显：产出的塑料通常质量较差，且塑料经过多次物理回收后性能大幅度降低，应用受到很大限制。

  化学循环主要是将塑料中的高分子碳链转化为小分子，此后既可以“不忘初心”，用来生产燃油、化工产品，实现“从石油中来，再回到石油中去”，也可以“浴火涅槃”，重新用来生产塑料，实现“从塑料到塑料”的封闭循环。与物理回收相比，化学循环不仅“不挑食”，能处理很多难以进行物理回收的塑料品种，而且低碳环保效果非常明显：与传统的焚烧发电处理手段相比，采用废塑料化学循环制新塑料能够大大减少接近50%的碳排放，万元产值碳减排可达85%。如果每年对4000万吨废塑料进行化学循环利用，能够更好的降低4700万吨二氧化碳排放。

  因此，无论是从回收能力还是环境效益来看，化学循环都是塑料可持续循环利用的重要方法之一，发展的潜在能力巨大。经专家测算，如果每年将2%的填埋垃圾塑料及1/3的新鲜废塑料用于化学循环再生制成热解油，效果相当于为我国新增一个胜利油田规模的轻质石蜡基大油田，可明显地增强能源自给能力，保障国家能源安全。

  2021年11月，工业与信息化部印发《“十四五”工业绿色发展规划》，提出落实塑料污染治理要求，实施废塑料综合利用行业规范条件，鼓励在我国开展废塑料化学循环利用。

  废塑料化学循环兼具废塑料处理、碳减排和原油替代三重身份，市场需求庞大，但废塑料化学循环产业链需要回收、分拣、加工、生产等多个环节的多家企业密切配合方可顺利运转，“各自为战”“等米下锅”问题突出。

  在集团公司的全力支持下，石科院在产业链所有的环节主动介入，积极推动建立废塑料化学循环技术链和产业链：在产业链上游，石科院联合各单位，研究开发高效垃圾塑料分选净化技术；在产业链中游，石科院自主研发出新型废塑料预处理及热解技术，对传统“土法热解”技术实现升级换代，同时依托中国石化技术创新平台，配套研发热解油生产石化产品成套技术；在产业链下游，石科院与最终用户深化合作，拓展再生塑料的应用领域，为产业链解除后顾之忧。此外，石科院还积极建言献策，推动建立废塑料化学循环有关政策标准、建设废塑料资源化平台。

  塑料是由烯烃等一个个塑料单体经过聚合反应形成的高分子化合物。塑料单体就好比一颗颗珍珠，在未经过加工时各自独立，但在生产塑料的过程中，各塑料单体间会发生聚合反应，也就是塑料单体原有的化学键会发生断裂，同时形成新的化学键将彼此连接，最终形成塑料产品，这一过程就好比用一条条丝带（化学键）将一颗颗珍珠（塑料单体）串联起来，共同形成一串串珍珠项链（塑料）。

  废塑料热解技术是废塑料化学循环的关键核心技术，也是目前废塑料化学循环的主流研究方向。废塑料热解技术能在特定条件下使塑料的大分子链断裂，使固态的废塑料变身为液态的“热解油”，之后通过对热解油进行催化裂化后加工，高效、低排放地生产塑料单体，这一过程就好比将连接珍珠的丝带剪断，让珍珠项链散落成一颗颗珍珠，并且利用回收后的珍珠重新制作各式各样的珍珠项链，实现塑料的再生利用和封闭循环。

  石科院自主研发的废塑料连续热解（RPCC）技术就是废塑料热解技术中的佼佼者。RPCC技术主要是针对优质的石油原料替代品——以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）为主的聚烯烃树脂的回收再利用。同时，RPCC技术也可以针对掺杂不同含量聚氯乙烯（PVC）的废塑料原料灵活选不一样的预处理技术路线%。通过配套的后续处理技术，可以高效生产塑料、燃油及化工产品，与国内外同类技术相比具有非常明显的碳减排竞争力和循环经济效益。

  大型化：单套废塑料热解装置可达30万吨/年以上，可以大幅度的提高废塑料处理量。

  连续化：可实现原料预处理-热解-产品分馏全过程自动化连续化，易于大规模推广。

  成套性：具备废塑料预处理-热解-热解油深加工制石化产品的成套自主技术方案。

  高杂质脱除率：可去除废塑料中99%的有机氯和硅，有利于后续催化裂化装置进行深加工。

  装置可利旧：主装置可依托炼化企业闲置的热裂解装置建设，改造工程量小，前期投资低。

  环境友好：相比焚烧解决方法，全生命周期碳减排显著。尾气不含氯化氢，过程安全环保。

  高级氧化技术是一类利用产生强氧化性的物质（自由基）氧化分解污染物的废污水处理技术，核心原理是在反应过程中产生强氧化性自由基，并将自由基作为一颗颗“子弹”，对废水中的有机污染物大分子进行“扫射”，并将其一个个“击碎”，使污染物分子的化学键断裂，从而高效去除环境中难降解的有机物。

  可以成为“子弹”的强氧化性自由基多种多样，其中最常见的要数羟基自由基（·OH）。它的氧化能力远大于传统的氧化剂，意味着“击碎”污染物分子的能力更强，可以高效地将难降解的大分子有机物转化为易降解的小分子中间产物，还可以一步到位，直接将有机污染物分解成无毒无害的二氧化碳和水，在去除石化废水中难降解有机物方面有着广阔的应用前景。

  紫外光催化技术是高级氧化技术的一种，它以紫外光为光源，通过结合催化剂或氧化剂实现污染物的降解或去除，具有绿色无二次污染的显著特点。

  紫外光催化技术有两项降解有机污染物的绝技，第一项绝技是“直接光解作用”，通过紫外光本身自带的“攻击力”，让有机污染物吸收相应波段的紫外光后与废水中的某些成分发生反应，从而促使污染物直接分解。第二项绝技是“间接光解作用”，也就是催化剂或者氧化剂在吸收紫外光辐照后，批量产生羟基自由基“子弹”，再利用自由基的强氧化性对废水中污染物展开攻击，进行间接氧化。

  一边是直接光解的“化骨绵掌”，一边是间接光解的“隔山打牛”，紫外光催化技术双管齐下，很快就可以让废水中的有机污染物“粉身碎骨”。虽然紫外光催化技术的相关研究已经开展了数十年，并且已经在饮用水杀菌消毒领域得到一定推广，但在工业废污水处理领域，由于废水的水质复杂，导致紫外光催化技术在国内外迟迟未能实现广泛应用。

  为解决这一问题，在中国石化科技部、化工事业部等部门的超前布局下，石科院依托第25研究室快速组建创新研发团队。经过数年不懈探索，科研人员最终通过光源改进、反应器优化及催化剂设计等方式，实现了紫外光催化技术在石化废污水处理领域的突破，申请国家发明专利11件，项目获得国家自然基金、中国科协青年人才托举工程及中国石化优秀青年创新基金的支持。

  石科院紫外光催化高级氧化技术一经面世便广受关注，目前已在中国石化旗下的燕山石化、长岭炼化、安庆石化、宁夏能化等多家企业组织了工业侧线试验，对燕山石化开放水体、长岭炼化焦化废水、安庆石化腈纶废水、宁夏能化高盐水等均见到良好的处理效果。在安庆石化的腈纶纺丝废污水处理研究过程中，还可以实现处理后污水源头回用，为公司能够带来直接的经济效益与节水效益，目前正在安庆石化建设40立方米/小时的工业示范装置。

  如果石化企业不能有效去除石化废水中的污染物，排放后势必会对我国的生态环境能够造成威胁。为此，国家接连颁布了一系列污染物排放标准，对石化废水的外排水质提出了严格要求。为守护我国的绿水青山，中国石化在严格遵守国家法规的前提下更进一步，针对旗下长江、黄河流域企业提出了《中国石化2021~2023年环保提升方案》，对其向外排放的水质作出了更为严苛的要求。

  最大难题是行业中现存技术难以满足企业的绿色环保需求。目前，石化废水净化处理多采用一级物化、二级生化的传统污水处理工艺，采用隔油、气浮、絮凝沉淀、生化处理单元等常规处理流程。但面对成分更为复杂、掣肘因素更多的石化废水，传统工艺已左支右绌。研发更高效、绿色的石化废污水处理技术迫在眉睫。

  随着我们国家的经济快速地发展和工业化快速推进，生态环境保护已成为石化行业发展的核心议题。石化行业的生产特点决定了其必然是产生废水的大户，而石化废水更是让炼化企业头疼的老大难问题，废水净化处理的三只“拦路虎”让石化废水成了行业污染治理公认的难啃“硬骨头”。

  缺乏针对性处理手段：石化废水是石油化学工业工业在生产各类石油产品和有机化工材料过程中产生的废水，含有大量的以烃类及其衍生物为主要成分的有机污染物，采用传统的污水处理方法收效甚微。

  生化单元处处碰壁：石化废水中含有的多环芳烃、杂环化合物、重金属等污染物还会对石化废污水处理过程中的重要环节——生化处理单元产生抑制作用，导致废水净化处理“光吃药，不见效”。

  污水量、质变幻莫测：石油化学工业生产涉及数千种原料、产品及中间产品，导致石化废水中污染物的种类、数量时常发生巨大变化，加之石化行业生产的基本工艺普遍复杂，其中有些工艺过程的废水是连续排放，有些则是间歇排放，再加上装置开工、检修造成的影响，使石化废水量经常在极短的时间内产生巨大的波动。近些年，我国加工原油劣质化、石油化学工业生产规模大型化趋势更是加剧了这一现象。

  微藻是可以有效的进行光合作用的“绿色精灵”，是只有在显微镜下才能看到的微小藻类的合称。据专家估计，地球上存在约30万种微藻，其中被人们发现并记录的约3万种，而得到深入研究与应用的仅有几十种，例如螺旋藻、小球藻、雨生红球藻、栅藻、黄丝藻等。

  微藻是由阳光驱动、效率非常之高的“活的化工厂”。在阳光下，这些微小的“绿色精灵”能利用自身的光合作用以极高的效率“吃掉”生存环境中的无机碳（二氧化碳）与无机氮（氮氧化物、硝酸盐等），并在体内将其转化为有机碳（主要为糖类与脂质）和有机氮（主要为蛋白质）等营养物质，同时释放出氧气。也就是说，这些 “绿色精灵”只需要通过“喝西北风”和“晒日光浴”，就可以源源不断地生产糖类、油脂和蛋白质。

  除了二氧化碳这个“主食”，微藻还可以将氮、磷、硫等元素作为“甜点”，工业生产里产生的含氮氧化物、硫氧化物的废气及含磷的废水经过一定的纯化处理后，都能成为帮助微藻茁壮成长的养料。

  别看微藻的个头很小，但它们的“胃口”很大：目前每生产1吨高蛋白微藻，就能够吸收约1.83吨二氧化碳、0.2吨氮氧化物及10千克无机磷。

  微藻不仅“能吃”，而且十分“会长”，在“吃胖”的过程中产生大量蛋白质、糖类、脂肪、核酸及其他生物活性物质，在能源、食品、农业与健康等领域都具备极高的应用价值。

  微藻自身用于储存能量和构成细胞的油脂因为富含长链脂肪酸，很适合作为能源进行利用，目前业内已形成了利用微藻生产生物柴油的成熟技术。同时，微藻体内蕴含的不饱和脂肪酸，特别是长链多不饱和脂肪酸由于具有多种生物活性，在食品与保健品行业更是备受青睐，利用微藻提取的二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）等由于具有安全性和成本方面的双重优势，目前已经逐渐取代深海鱼油来源的产品，在保健品与婴儿食品市场大展拳脚。

  部分种类的微藻自身的蛋白质含量非常高，以蛋白核小球藻与螺旋藻等微藻为例，其蛋白质含量可以在40%~70%，比豆粕等大规模应用的饲料高近50%。同时，微藻中还含有动物所需的全部必需氨基酸，特别是富含难以从谷物中摄取的赖氨酸和苏氨酸，不仅营养价值高，而且易于消化，是非常理想的食品与饲用蛋白来源。目前微藻已经用于观赏鱼和宠物高端饲料中的添加剂，食用后可以很好地改善动物的外表和健康情况，未来有望用于牛、羊、猪、鱼等的大规模饲养。

  微藻中广泛存在藻酸盐、葡聚糖、岩藻多糖等各种各样的形式的多糖，可以占到微藻生物质总量的12%~55%。目前科学研究已经证实，微藻中的部分多糖具有抗肿瘤、抗病毒、免疫调节、降血糖血脂等作用，是医药、保健品领域当之无愧的“明日之星”。

  微藻中富含多种不饱和生物活性分子，例如β-胡萝卜素、番茄红素、虾青素和叶黄素等。这些物质具有突出的抗氧化作用，可保护细胞，让它们免受各种物理化学因素带来的损伤，目前已经被大范围的使用在保健品行业，有多种产品在售。

  为驯服这些调皮的“绿色精灵”，石科院的科研人员付出了十余年的艰苦努力，在微藻藻种筛选、微藻大规模养殖、二氧化碳/氮氧化物烟气吸收与固定、微藻高效低成本采收及微藻高价值产品与应用技术开发等方面开展了大量工作，突破层层难关，最终形成了变革性的“微藻碳氮减排与高蛋白生物质生产技术”。

  经业内专家评议，一致认定石科院自主研发的“微藻脱硝”成套工艺技术属国际首创，其脱硝率和氮源固定效率达到国际领先水平。目前，石科院围绕微藻碳氮减排与高蛋白生物质生产技术已申请中国专利67件，获授权34件，获得国际PCT专利授权2项、12件，技术自主可控。

  同时，中国石化已经在石家庄炼化、催化剂长岭分公司开展微藻生物技术的中试与工业示范试验，均收到良好效果。微藻脱硝组合工艺工业示范装置的多个方面数据显示：脱硝装置出口氮氧化物含量在20毫克/立方米左右，仅为规定排放标准的1/5，达到超洁净排放标准，其微藻产品重金属含量等安全指标均满足饲料卫生标准的要求。

  未来，中国石化将逐步提升技术水平，并在海南建设万吨级二氧化碳减排示范基地，以实际行动守护绿水青山。

  在国家重点基础研究发展计划（“973”计划）、中国石化科技部的全力支持下，来自石科院的科研人员利用微藻“能吃会长”的特点，在国际范围内率先探索出了一条利用绿色精灵“加减结合”助力我国实现“双碳”目标、保障粮食安全的全新道路。

  做减法，即减少炼化企业二氧化碳及污染物排放。通过对工业生产废气中的二氧化碳、氮氧化物进行富集、转化与提纯，生产出食品级二氧化碳和化肥级含氮化合物（如硝酸），并将其作为养殖微藻的“养料”，让微藻在“喝西北风长大”的过程中实现二氧化碳、氮氧化物的吸收固定和无害化处理。

  做加法，即增加蛋白质供应，保障粮食安全。目前我国养殖饲料中的蛋白质来源严重依赖进口大豆制成的豆粕。2020年，我国进口的大豆数量突破1亿吨，对外依存度高达83.7%，提稳“菜篮子”迫在眉睫。通过将“吃饱喝足”的微藻进行后续加工，可当作一种自主可控的新型蛋白质来源，保障我国养殖业稳定和粮食安全。