可持續發展既是一項重大挑戰,也是全世界關注的焦點。解決人類生存、經濟發展與環境保護之間的三重底線,要在滿足社區和員工需求的情況下減少對環境的影響,同時為企業創造利潤并非易事。消費者和企業都在重新審視目前的情況,尋求解決可持續性發展的方案。
塑料的生產和使用是可持續問題中的重要部分,而疫情進一步提高了人們對塑料廢棄物處理的關注。事實上,在疫情期間,所有可持續發展相關的題材都吸引了更多的關注。企業對風險的意識越來越強,對減少塑料廢棄物等環境問題的關注也越來越多。與此同時,我們看到,在疫情期間,人們更多地使用一次性塑料制品來確保食品衛生和防止病毒傳播。
多年來,塑料的回收利用率一直不高,不過,加大塑料回收卻是邁向循環經濟的關鍵。這個苛刻的概念基于以下原則:制造過程需從當前的線性生命周期轉變為整合廢棄物和副產品并消除排放,同時從整體上減少對自然環境的影響。
圖1 - 塑料回收是邁向循環經濟的關鍵
根據艾倫·麥克阿瑟基金會 (Ellen MacArthur Foundation)的數據,全球只有約14%的塑料包裝被回收利用,多達三分之一的塑料包裝最終進入生活環境當中。在最近的CERAWeek對話中,IHS Markit副總裁Anthony Palmer估計,到2050年,將有超過40萬公噸的塑料廢棄物滲入生活環境當中。
消費品公司紛紛制定宏偉目標,將再生塑料整合到其最終產品和包裝之中,其中一大難題是擴大回收和收集流程,以解決塑料廢棄物數量大、分散范圍廣的問題。
圖2 - 將再生塑料用于最終消費品和包裝的必要性
令人欣慰的是,在整個塑料價值鏈上, 許多公司都在積極努力開展工作與合作,以解決塑料廢棄物問題。而數字化解決方案正在幫助解決回收過程中的一些大難題。
對于使用機械回收工藝來說,當塑料廢棄物被熔化并制造新的塑料制品時,很難將材料重新整合到價值鏈中。基于成份不同 ,由回收標志#1-#6標識的不同塑料類型(如圖3所示)往往需要不同的解決方案和勞動密集型的分揀。許多包裝更使用了混合塑料,通常標記為#7,這類材料需要用特殊方法處理。
圖3 - 塑料回收標志
日本公司FP Corporation 在其包裝和物流業務中面臨著復雜的運營和可持續性問題。最終,FP公司成功地應用了數字化供應鏈解決方案來優化復雜的生產和配送流程,以實現盈利和可持續發展目標。
FP 公司與Time Commerce合作制定了一個詳細的調度計劃,將需求計劃和倉庫容量與生產、庫存和運輸的關鍵成本要素相結合。該計劃包括從消費者所在地回收廢舊塑料容器,以及在生產現場對主要由聚苯乙烯(PS #6)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET或PETE #1)的材料進行再利用。FP公司估計,在2019財年,公司減少了44.3萬公噸的塑料廢棄物填埋并減少16萬公噸的碳排放,延續了往年的持續增長。
數字化技術還有助于企業提升和改進新的回收能力,即“先進回收”。這種先進的方法與機械回收的不同之處在于,它將聚合物分解成初始單體或原料,或另一種可用作原料的中間物。先進回收將大量塑料廢棄物轉化為可用的材料。隨著工藝的改進,它還可以在可回收塑料的種類和可變性方面提供更大的靈活性。
熱裂解是聚乙烯(HDPE #2和LLDPE #4)和聚丙烯(#5)先進回收的主要工藝。一些跨國公司正在致力于熱裂解工藝研究,尤其是數字化模擬解決方案,如艾斯本公司的Aspen Plus。這些解決方案可用于對聚合物分解過程中發生的復雜反應進行建模,針對成本和排放,進而優化工藝操作條件。熱裂解可以作為本地回收計劃中有用的第一步,因為熱裂解獲得的液態產品比大量塑料廢棄物更容易運輸。
最近一項使用Aspen Plus對廢舊輪胎熱解進行建模的研究顯示,模擬模型可以“作為一個強大的工具來響應決定燃料需求和價格的市場條件,同時由工藝經濟分析驅動來確定最優的工藝操作條件(如溫度)”。運營商可以根據當地市場對汽油、柴油和其他碳氫化合物的需求來優化生產。(1)
在回收過程中的下一個步驟中,數字化技術仍然可以發揮作用,因為由此產生的熱解油將作為原料集成到生產烯烴的蒸汽裂解裝置中。如Aspen PIMS等計劃調度解決方案能幫助企業評估替代原料的裝置處理能力,并就最優的加工條件提供指導。隨著操作經驗的積累,過程分析可以幫助操作員針對可靠性和維護工作(例如裂解爐除焦)提供操作指導,在平衡運營需求的同時確保運營高能效。
塑料在其應用中的價值,包括提高質量和耐久性,是整個塑料價值鏈的另一個重點。一些消費品公司正在轉向可以重復使用的更耐用的包裝,而塑料生產商則在努力提升產品質量,使其更易于回收,并從整體上降低目前生產中的浪費。
聚合物特性和工藝的模擬加速了新產品的開發,使生產廠商能夠以更低的成本,更快將新產品推向市場。例如,陶氏化學公司利用動態模擬來調整工藝條件,從而加快產品上市并縮短聚合物生產的批次周期時間。 SCG 化學公司通過取消新 HDPE牌號的工廠試驗,節省了30多萬美元。
塑料價值也受生產質量影響。數字化解決方案消除了在大批量生產過程中經常出現的低價值產品,同時優化當前的聚合工藝生產操作,以最大限度地減少低質量產品產量并降低能耗。計劃調度解決方案可用于聚合裝置的生產操作,通過優化生產計劃調度和工藝操作條件,確保在高質量產品牌號切換之間所產生的過渡料最少。
全世界都需要做出重大努力來解決塑料廢棄物的挑戰,推進可持續發展目標。企業可以利用數字化解決方案,更好地加速實現聚合物的回收、優化和重新設計方面的宏偉目標。
參考資料:
(1) 《廢舊輪胎的熱解:使用Aspen Plus®進行建模和參數估計研究》,Hamza Y. Ismail, Ali Abbas, Fouad Azizi 和 Joseph Zeaiter. Waste Management,第60卷,2017年2月。
循環經濟要求整合過程以消除廢棄物和排放。
作者:艾斯本可持續發展顧問Paige Marie Morse博士