PBS 项目可行性分析报告.docx
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PBS项目可行性分析报告
PBS项目可行性分析报告
0概述
随着人们对环保问题的日益重视,可生物降解且具有良好经济性的聚合物材料引起人们极大的兴趣和关注。
据统计,2012年全世界可生物降解塑料的需求量达到28万t,北美、欧洲、亚洲市场对生物降解塑料的需求量将以每年15%的速度增长,到2017年需求量将达到55万t/a。
生物降解聚合物中有一大类是脂肪族聚酯,这类聚酯的主要品种有聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)和聚羟基丁酸酯(PHB)等。
在这些材料中,目前研究较多且已经有一定生产规模的是PLA,如美国卡基尔·道聚合物公司和日本的三菱树脂公司都有了较大规模的PLA生产线。
聚丁二酸丁二醇酯[Poly(butylenesuccinate)],简称PBS,是生物降解塑料材料,它于20世纪90年代开始进入材料研究领域,并迅速成为可广泛推广应用的通用型完全生物降解塑料研究的热点材料之一。
与PCL,PHB,聚羟基脂肪酸酯(PHA)等降解塑料相比,PBS具有价格低廉、机械及力学性能优异等特点;而与价格相对接近的PLA相比,PBS又具有加工方便,可适应目前常规的塑料加工工艺,耐热性能好的特点,其热变形温度和制品使用温度可以超过100℃(PLA的耐热变形温度只有60℃左右),同时PBS在可生物降解塑料家族中具有较好的生物降解性能,其降解产物无毒,还可以通过调节其分子结构和聚集态结构来实现性能和降解速率调控。
另外PBS合成的原料来源既可以是石油资源,又可以通过生物质资源发酵得到,是一种生态可循环的高分子合成材料,因此引起了科技和产业界的高度关注。
在这些可完全降解的脂肪族聚酯中,PBS也是目前最具有产业化前景的通用型可降解塑料之一。
PBS可用于包装材料、一次性材料、农用材料、土木绿化材料、渔业用材料及生物医用高分子材料等领域。
1PBS产业现状及市场预测
1.1国内外PBS生产现状
国外研究PBS的合成起于20世纪30年代,由科学家Carothers首次合成,由于受当时合成条件所限,所制备的PBS相对分子质量仅为5000,不能作为材料使用。
随着合成技术的发展,20世纪90年代PBS才正式产业化。
目前国外生产PBS的企业主要集中在日本、美国、德国和韩国。
日本昭和公司利用多异氰酸酯作为扩链剂,再与缩聚得到的较低相对分子质量PBS进行反应,得到数均相对分子质量为2×105的PBS,并于1993年建成3kt/a的PBS及其共聚物生产装置,目前生产规模为5kt/a。
日本三井东亚化学公司采用一步法成功开发了高相对分子质量的PBS生产工艺;日本三菱化工公司与Ajinomoto公司合作开发从植物淀粉制备丁二酸技术并成功合成了PBS;2002年日本催化剂公司建成了1套PBS生产装置,其产品主要用于生产薄膜,还将碳酸盐引人到PBS树脂中,制备了耐水型PBS产品,美国伊士曼公司PBS及其共聚物生产能力为l5kt/a,德国巴斯夫的生产能力为14kt/a,较多的用于吹塑薄膜,另外还有韩国的S.K.Ind、IreChem.Ltd等均可生产PBS。
中国的PBS产业化起步较晚,但发展速度较快。
目前中国科学院理化技术研究所与杭州鑫富药业公司联合建成了13kt/a的生产装置,计划建设20kt/a的生产规模,约有50%以上产量出口欧洲;清华大学与安庆和兴化工有限公司合作开发建设了10kt/a的PBS生产装置,已投入运行,可以生产挤出、注射、吹塑级PBS树脂;金发科技股份有限公司于2011年在广东珠海新增了30kt/a的聚(丁二酸/己二酸丁二酯)(PBSA)生产装置,计划生产规模再扩大60kt/a。
2007年由中国科学院理化技术研究所与扬州邗江佳美高分子材料有限公司合作投资5000万元,建设20kt/a的PBS生产装置,并试车成功;2012年山东汇盈新材料科技有限公司建成5kt/a的PBS生产装置,开始工业化生产,2013年6月该公司采用中国科学院一步法聚合专利技术建设的20kt/a的PBS装置,并正式投产,该公司计划再建设1套80kt/aPBS装置,以形成105kt/aPBS生产能力,力争将山东打造成为全球PBS最大的生产基地。
目前成本高、品质差是制约国内PBS规模产业化发展的关键原因,国产PBS的市场价格为23000-27000元/吨,进口PBS的市场价格为28000-42000元/吨,填充类制品PBS价格相对低一些15000-24000元/吨。
国内外PBS生产企业情况见下表1。
表1国内外PBS生产企业情况
公司名称
生产能力/万吨
备注
日本昭和
0.5
1993年建成3kt/a,目前生产规模为5kt/a,最早实现PBS类聚酯产业化的企业,技术力量最强(扩链法)
日本三井
0.3
-
日本三菱
0.3
-
日本催化剂公司
-
主要是PBS改性产品
美国伊士曼公司
1.5
-
德国巴斯夫
1.4
-
韩国S.K
-
-
安庆和兴化工
1
2009年5月万吨级装置试生产成功(直接酯化法)
杭州鑫富药业
1.3
一期2007年10月建成,采用中科院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心开发技术。
计划扩建至2万吨
山东汇盈
2.5
2012年公司建成5kt/a的PBS生产装置,开始工业化生产,2013年6月公司采用中国科学院一步法聚合专利技术建设的20kt/a的PBS装置,并正式投产,公司计划再建设1套80kt/aPBS装置,以形成105kt/aPBS生产能力
山西金晖兆隆
2
总规划10万吨/年,总投资15亿元,分两期完成:
一期建设2万吨,2012年3月开工,2013年3月建成投产;二期建设8万吨,2014年开工建设
广州金发科技
3
2011年广东珠海新增了30kt/a的聚(丁二酸/己二酸丁二酯)(PBSA)生产装置,计划生产规模再扩大60kt/a
邗江佳美高分子材料
2
2007年试车成功
1.2国内外市场分析
目前,全球石油基塑料产量为1.65亿t/a。
在全球石油资源供给日趋紧张,以石油为原料的合成塑料所引发的环保问题日益突出的情况下,生物塑料市场需求量将迅速增长;另外,低碳经济的发展也给生物降解塑料带来了新的发展机遇。
因此,各生产商不断扩大产能、积极开发新品,各国著名咨询公司也纷纷对生物塑料的未来作出乐观预测。
德国赫尔姆特凯瑟(HelmutKaiser)咨询公司预计,全球生物降解塑料市场将以年均20%~30%的速度增长,规模将从2006年的20.3万t增长到2015年的53万t,销售额从4亿英镑扩大到2015年的100亿英镑。
美国弗若斯特沙利文公司(Frost&Sullivan)在2008年12月发布的报告中预计,欧洲生物市场2013年的产量为30.1万t,销售额为7.03亿欧元;在2006年到2013年之间,销售额的复合增长率为26.7%,产量的增长率约为24.6%。
2008年11月,在德国柏林举行的第三届欧洲生物塑料会议预测,近年来全球生物塑料市场发展迅速,2020年全球产能将从2006年的15万t增加到300万t。
巴斯夫发言人指出,生物塑料无论在零售还是树脂方面(零售指的是生物塑料产品,树脂指的是生物塑料原料)都已经形成一个可观的市场,这一市场将在未来几年持续增长。
美国生物技术工业组织预测,未来数年,随着聚合技术的进步及加工手段的改进,可生物降解塑料的性能将不断提升,从而刺激美国对可生物降解塑料的市场需求不断增长,从现在起到2020年,生物降解塑料市场需求将以两位数的速率增长。
该机构还预测,随着产品价格的降低、性能的改善及人们对其加工机械越来越熟悉,到2015年,聚乳酸在美国将获得更广泛的应用,特别是在包装膜、热塑性产品及食品用具等领域将有更大的增长潜力。
而产品价格的降低及树脂共混料性能的提高,也使淀粉基生物降解塑料显示出较好的增长前景。
据专家预测,在今后5~10年内,我国国内将形成一个以淀粉基、PLA、PBS降解塑料为主的销售大市场,年产值达几百亿元。
在药物控制释放材料和骨固定材料及人体组织修复材料等方面,如能以淀粉基、PLA、PBS降解塑料成功的制成几种药物控制释放系统和骨固定材料及微创导管材料并进入市场,年产值也将至少有几十亿元;在生态纤维制品方面,如能开发并生产出优质的纤维制品,将有年产值100亿元的市场销售空间;在降解塑料日常制品方面,我国消费市场空间更大,年销售额将达上百亿元。
按照产品生命周期分析,生物塑料产品尚处于萌芽期和发展期,市场存在巨大增长潜力,其市场需求将由几大因素决定:
国家政策,客户需求,石油涨价等。
而这些因素和条件正在逐步形成,特别是低碳经济的兴起,更是对全球生物塑料的发展起到了显著的推动作用。
同时,碳排放交易将取代石油期货交易,这也很可能促进生物塑料市场需求呈爆炸式增长。
2PBS的合成技术
脂肪族聚酯的合成方法有生物发酵法和化学合成法两种,但由于前者的生产成本较高,所以目前国内外一般采用化学合成法来生产PBS。
化学合成法可对产品进行分子设计,成本相对较低,包括直接酯化法、酯交换法和扩链法。
2.1直接酯化法
先在较低反应温度下将丁二酸(或丁二酸酐)与丁二醇加入反应器中,加入一定量的催化剂进行酯化反应,形成有端羟基的预聚物,然后再在高温、高真空的条件下脱除二元醇(或水),即生成PBS。
直接酯化缩聚法生成PBS主要可分为以下3种方法:
(1)熔融缩聚法:
是目前普遍采用的一种生产PBS的聚合方法,其采用两步合成法。
首先在较低温度下将丁二酸和丁二醇酯化,随后加入催化剂,在高真空条件下,采用更高的温度进行缩聚反应。
(2)溶液缩聚法(溶剂共沸脱水法):
是使用不同的溶剂,在一定的温度下反应一定的时间让溶剂带走一部分水,丁二酸(或丁二酸酐)和丁二醇完成酯化,采用更高的温度进行缩聚反应。
(3)熔融溶液相结合法:
中国科学院上海有机化学研究所使用了溶液与熔融相结合的方法来生产PBS,使用甲苯作为溶剂,先溶液法酯化24h,升温蒸出甲苯,然后加入催化剂,再在高温高真空下熔融缩聚得到分子质量高的共聚物。
但熔融溶液相结合法也有其缺点,即反应时间太长、效率低,需进一步研究改进。
2.2酯交换法
以二元酸二甲酯或二乙酯与等物质量的二元醇,在高温、高真空条件下经催化剂催化脱甲醇或乙醇,从而制得PBS,这种方法生产成本相对较高,需要先得到丁二酸二甲酯,再者甲醇的毒性较大,如果回收不当,会引发环境问题。
。
2.3扩链法
由于前两种合成反应过程中同时存在着逆方向的解聚反应,平衡常数较小,并且在反应过程中需要不断地排除小分子物质,以控制化学反应向正方向进行,从而获得所需相对分子质量较高的PBS。
但在反应过程中,特别是在反应后期,温度往往超过200℃,不可避免地会出现脱羧、热降解、热氧化等副反应,这样就会影响相对分子质量的提高。
因此为了进一步提高相对分子质量,扩链反应往往是个不错的选择。
对于扩链法,在工艺上首先使丁二酸与丁二醇进行酯化和预缩聚,合成含有端羟基的低分子量PBS预聚物(分子量低于10000),然后在一定条件下,加入扩链剂,对其进行扩链,在短时间内,使PBS的数均分子量迅速到达十多万,并且分子量分布较窄(Mw/Mn=1.4~1.8),远比现有的扩链方法合成PBS的分子量分步窄。
相对于直接缩聚法,该工艺流程简单,对反应条件要求的苛刻程度低,具有聚合时间短,设备要求低,特别是对真空要求没有直接缩聚法高,所合成的PBS不仅分子量较高,且分子量分布也较窄。
另外,合成成本低,易于工业放大。
该工艺由于对真空要求相对较低,PBS预聚物合成时间较短,可有效避免使用直接缩聚法合成PBS过程中丁二醇在高温高真空条件下的环化反应,生成副产物四氢呋喃的问题,而且具有便捷、高效、设备投资低等优点,因而近年来在国内外很受重视。
3成本及工艺对比分析
表2不同方法制备PBS的工艺及成本
项目
方法
饱和二元酸酯化法
(丁二酸与丁二醇反应)
酯交换法
(丁二酸二甲酯与丁二醇反应)
饱和二元酸酐酯化法
(丁二酸酐与丁二醇反应)
扩链法
(丁二酸、丁二醇反应及扩链剂)
工艺条件
优点
操作简单易控;成本低;技术成熟;
反应温度温和,低于200℃;
聚合速率快;操作简单易控;分子量较高;
产物清洁,回收后处理方便;
工艺流程简单,反应温度温和,对设备要求低;操作便捷;分子量高;
缺点
反应温度高;丁二酸会腐蚀设备;分子量不高,存在副反应;
对设备要求高;反应条件苛刻;成本高;
酸酐与二元醇反应机理复杂,需先制得丁二酸酐,研究该方法文献资料较少;
产品会引入扩链剂基团,产品的安全卫生受到影响,在食品、药品、化妆品接触制品及个人卫生用品上限制使用;
原料成本
SA价格1.4万元/吨;
BDO价格0.84万元/吨;
DMS价格0.87万元/吨;
BDO价格0.84万元/吨;
丁二酸酐价格2.7万元/吨;BDO价格0.84万元/吨;
SA价格1.4万元/吨;
BDO价格0.84万元/吨;
扩链剂价格1.1万元/吨;
生产成本
16236.9
11091.9
18720.9
16844.9
注:
BDO价格来源于浙铁江宁技术信息8月月报,扩链剂采用的是甲苯二异氰酸酯,价格是网上报价,催化剂价格费用未考虑。
不同方法制备PBS的工艺及成本分析比较见表2,不同方法制备聚丁二酸丁二醇酯项目成本预算分析见表3。
表3不同方法制备聚丁二酸丁二醇酯项目成本预算表
二元酸酯化法
单耗
含税单价(元/t)
成本(元)
一、原材料名称
丁二酸(t/t)
0.69
14000
9660
1,4-丁二醇(t/t)
0.58
8400
4872
其它
1
1500
1500
二、公用工程名称
电(kWh/t)
60
0.75
45
循环水(t/t)
24
0.5
12
蒸汽(t/t)
0.6
180
108
氮气(Nm3/t)
30
0.6
18
仪表空气(Nm3/t)
30.000
0.730
21.900
三、小计
16236.90
二元酸酐酯化法
单耗
含税单价(元/t)
成本(元)
一、原材料名称
丁二酸酐(t/t)
0.4
27000
10800
1,4-丁二醇(t/t)
0.74
8400
6216
其它
1
1500
1500
二、公用工程名称
电(kWh/t)
60
0.75
45
循环水(t/t)
24
0.5
12
蒸汽(t/t)
0.6
180
108
氮气(Nm3/t)
30
0.6
18
仪表空气(Nm3/t)
30.000
0.730
21.900
三、小计
18720.9
酯交换法
单耗
含税单价(元/t)
成本(元)
一、原材料名称
丁二酸二甲酯(t/t)
0.49
8700
4263
1,4-丁二醇(t/t)
0.61
8400
5124
其它
1
1500
1500
二、公用工程名称
电(kWh/t)
60
0.75
45
循环水(t/t)
24
0.5
12
蒸汽(t/t)
0.6
180
108
氮气(Nm3/t)
30
0.6
18
仪表空气(Nm3/t)
30.000
0.730
21.900
三、小计
11091.9
扩链法
单耗
含税单价(元/t)
成本(元)
一、原材料名称
丁二酸(t/t)
0.59
14000
8260
1,4-丁二醇(t/t)
0.8
8400
6720
扩链剂(t/t)
0.06
11000
660
其它
1
0.1
1000
二、公用工程名称
电(kWh/t)
60
0.75
45
循环水(t/t)
24
0.5
12
蒸汽(t/t)
0.6
180
108
氮气(Nm3/t)
30
0.6
18
仪表空气(Nm3/t)
30.000
0.730
21.900
三、小计
16844.9
另外初步统计了一下5000吨/年的丁二酸二甲酯产量项目经济评价(见表4),以及1000吨/年的(电化学法)丁二酸产量项目经济评价(见表5)。
表4.5000吨/年的丁二酸二甲酯产量项目经济评价
消耗
含税单价(元/t)
DMS成本(元/t)
一、变动成本
1.顺酐(t/t)
0.700
6000.000
4200.000
2.催化剂(kg/t)
0.200
150.000
30.000
3.循环水(m3/t)
150.000
0.400
60.000
4.电(Kwh/t)
400.000
0.750
300.000
5.仪表空气(Nm3/t)
30.000
0.730
21.900
6.蒸汽(t/t)
1.500
160.000
240.000
7.氢气(t/t)
44.600
1.900
84.740
8.氮气(t/t)
20.000
0.600
12.000
9.甲醇(t/t)
0.460
2900.000
1334.000
变动成本小计
6282.640
二、固定成本
10.工人工资及附加
6.000
97300.00
116.760
11.折旧
573.420
12.修理及其它制造费用
150.000
固定成本小计
840.180
生产成本合计
7963.00
三、期间费用
13.管理费用
233.520
14.财务费用
297.877
15.固定资产贷款利息摊销
16.流动资产利息
0.000
17.营业税金及附加
173.267
期间费用小计
704.664
完全成本
8667.664
表5.1000吨/年的丁二酸产量项目经济评价(电化学法)
消耗
含税单价(元/t)
丁二酸成本(元/t)
一、变动成本
1.顺酐(t/t)
1.021
6000.000
6126.000
2.硫酸98%(kg/t)
0.490
900.000
441.000
3.纯水(t/t)
1.600
2.000
3.200
4.活性炭(t/t)
0.010
6000.000
60.000
5.电(Kwh/t)
1531.000
0.750
1148.250
变动成本小计
7778.45
二、固定成本
10.工人工资及附加
6.000
97300.00
116.760
11.折旧
573.420
12.修理及其它制造费用
150.000
固定成本小计
840.180
生产成本合计
8618.63
三、期间费用
13.管理费用
233.520
14.财务费用
297.877
15.固定资产贷款利息摊销
16.流动资产利息
0.000
17.营业税金及附加
173.267
期间费用小计
704.664
完全成本
9323.294
4PBS存在的问题
1.PBS的聚合工艺需进一步优化,降低能耗物耗,提高生产效率、确保生产过程安全环保,降低生产成本等是目前需要研究的重点方向。
2.原材料丁二酸的生产能力制约着PBS行业的发展,探索高效环保的丁二酸制备方法是未来研究的重点方向。
3.PBS的改性研究需深入,探求产物性能更佳,成本更低的改性方法是未来研究的重点方向。
5结论
随着BDO(1,4-丁二醇)产能的严重过剩和价格的持续走低,一方面考虑江宁公司BDO装置的盈利能力下降,且自2014年6月份停车以来,BDO装置一直处于空置和净消耗状态。
另一方面江化研发总监窦和瑞博士带领研发团队已完成了丁烯二酸二甲酯选择性加氢制DMS(丁二酸二甲酯)中试实验,为BDO装置的技改工作提供了有力的技术支持,也可能是公司止亏减亏的一种有效途径。
同时考虑经过近一年来的试验摸索与积累,窦和瑞博士带领研发团队利用新型催化剂以DMS和BDO为原料,采用酯交换法已开发出具有较高品质的PBS小试产品,所得产品的分子量达十几万(接近扩链法生产的分子量),外观色度、机械和力学性能也达到了成型加工要求。
目前,我国PBS及其共聚物的生产能力约110kt/a,据文献资料报道预计到2020年,我国对PBS的需求量将达到3000kt/a,大力开发PBS生产技术和扩大PBS生产能力依然是中国乃至全球解决PBS缺口的首要问题。
另外欧盟已经全面禁止将非降解塑料用于一次性的食品包装中,这就为我国生物降解高分子材料的发展提供了契机和政策保证。
综合上述对比分析,建议公司抓住合适机遇,充分整合公司产品资源建设该项目,不仅可拓宽公司产品延伸,也可为公司转型升级打好铺垫。
响应国家十三五规划,提高我国绿色生态高分子材料产业在国外市场的竞争实力,促进我国可降解材料的产业化进程。
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