■文/王超 許曄（中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院）

工業(yè)部門是我國(guó)能源消耗和CO2排放的主要領(lǐng)域。2022年，我國(guó)能源消費(fèi)總量為54.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，工業(yè)占比超過60%，工業(yè)領(lǐng)域能否率先達(dá)峰是實(shí)現(xiàn)2030碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵。鋼鐵、水泥和石化為我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域碳減排重點(diǎn)行業(yè)，占工業(yè)部門碳排放總量的80%以上。基于流程工藝特征，梳理行業(yè)碳排放現(xiàn)狀，剖析行業(yè)碳減排瓶頸，提出工藝流程再造建議，對(duì)我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。

一、重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域行業(yè)發(fā)展及碳排放現(xiàn)狀

（一）鋼鐵行業(yè)是我國(guó)工業(yè)部門第一大碳排放源

我國(guó)是全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。2020年，我國(guó)生產(chǎn)粗鋼10.65億噸，占全球56.4%；消費(fèi)鋼材9.9 5 億噸，占全球56.2%。2019年，我國(guó)鋼鐵行業(yè)CO2排放量為15.74億噸，占全國(guó)碳排放總量的17%，成為僅次于電力部門的第二大排放源。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面，碳排放強(qiáng)度較低的短流程電爐煉鋼，我國(guó)占比僅10.4%，顯著低于全球平均水平（約33%）。

基于我國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，未來鋼鐵行業(yè)將由長(zhǎng)流程煉鋼向短流程煉鋼轉(zhuǎn)型，后者產(chǎn)量比例不斷提高。與此同時(shí)，鋼鐵行業(yè)將與能源、化工等產(chǎn)業(yè)深度融合，零碳電力和清潔能源使用占比進(jìn)一步提升，“鋼-化”聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步推廣，氫基煉鐵等前沿技術(shù)也將加快技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣。

（二）過程排放是水泥行業(yè)最大碳排放源頭

2000年以來，我國(guó)水泥產(chǎn)量保持快速增長(zhǎng)，數(shù)個(gè)年份增長(zhǎng)率超過10%，于2014年達(dá)到產(chǎn)量峰值（24.76億噸），隨后穩(wěn)定在23億噸/年，產(chǎn)量超過全球總產(chǎn)量的50%。2021年，我國(guó)水泥產(chǎn)量為23.8億噸。作為全球最大的水泥生產(chǎn)國(guó)，我國(guó)人均水泥消費(fèi)量約1700kg，遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家人均600kg～700kg的水泥消費(fèi)峰值。在碳排放方面，2020年我國(guó)水泥行業(yè)CO2排放量約13.7億噸，占全國(guó)碳排放總量的13%，僅次于電力和鋼鐵行業(yè)。

鑒于我國(guó)人口進(jìn)入低增長(zhǎng)階段、城鎮(zhèn)化水平提升、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)放緩等因素影響，未來我國(guó)水泥需求量將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。中國(guó)水泥協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，熟料需求量將從2021年15.5億噸降至2050年5.6億噸，降幅約三分之二。

（三）石化行業(yè)面臨產(chǎn)品需求持續(xù)增長(zhǎng)和碳排放強(qiáng)度長(zhǎng)期居高雙重挑戰(zhàn)

“十三五”期間，煉油規(guī)模擴(kuò)大和乙烯產(chǎn)能增長(zhǎng)等因素導(dǎo)致石化行業(yè)能源消費(fèi)總量持續(xù)上漲，碳排放總量年均增速約10%。石化行業(yè)碳排放來源主要包括化石燃料燃燒、生產(chǎn)過程和電力/熱力間接碳排放三類，占比分別約55%、35%和10%。石化行業(yè)年排放量占全國(guó)總量的4%～5%。同鋼鐵、水泥等工業(yè)行業(yè)相比，石化行業(yè)低碳減排面臨石化產(chǎn)品需求持續(xù)增長(zhǎng)和行業(yè)碳排放強(qiáng)度長(zhǎng)期居高兩個(gè)突出特點(diǎn)。

石化行業(yè)將經(jīng)歷由傳統(tǒng)燃料型石化企業(yè)向高端化工型石化企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢(shì)，以行業(yè)碳排放強(qiáng)度增加換取石化產(chǎn)品全生命周期碳排放強(qiáng)度下降。中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院統(tǒng)計(jì)測(cè)算，傳統(tǒng)燃料型石化企業(yè)排放強(qiáng)度約0.2噸CO2/噸原油，化工轉(zhuǎn)型后企業(yè)排放強(qiáng)度將達(dá)0.4～0.6噸CO2/噸原油。雖然企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放大幅增加，但石化產(chǎn)品全生命周期的碳排放強(qiáng)度下降50%以上。

二、重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域低碳流程再造的制約因素

（一）高化石能源占比是工業(yè)領(lǐng)域高碳排放的共性問題

鋼鐵行業(yè)，我國(guó)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在用能結(jié)構(gòu)方面存在較大差異。我國(guó)鋼鐵冶煉用能以焦炭和煤為主體能源，占比分別為55%和32%，美、英兩國(guó)鋼鐵冶煉用能以電力和天然氣為主體能源，其天然氣用能占比分別達(dá)34%和32%，在同等熱值情況下，煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2是天然氣的2倍多。

水泥行業(yè)，化石燃料燃燒及電力消耗產(chǎn)生的碳排放分別占水泥行業(yè)全流程碳排放的35%和5%。相比發(fā)達(dá)國(guó)家與世界平均水平，我國(guó)水泥生產(chǎn)以煤炭為主體能源，替代能源占比很低。我國(guó)每噸熟料的熱能使用中非化石燃料占比僅2%左右，歐洲國(guó)家可達(dá)40%以上。

（二）低碳流程再造存在行業(yè)差異性制約因素

我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)以長(zhǎng)流程為主，碳排放強(qiáng)度大。全球鋼鐵行業(yè)基于“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程的產(chǎn)量占比約73%，美國(guó)僅占30%左右，我國(guó)占比高達(dá)90%。長(zhǎng)流程煉鋼以煤炭為主體能源，其碳排放量為短流程的3倍。美國(guó)、韓國(guó)和日本粗鋼碳排放強(qiáng)度分別為1100kg/噸、1300kg/噸和1450kg/噸，我國(guó)為1859kg/噸。

過程排放是水泥行業(yè)碳減排最大難點(diǎn)。過程排放包括兩方面：一是水泥生產(chǎn)過程中碳酸鹽（主要來自石灰石）分解產(chǎn)生的CO2，占比約60%；二是水泥生產(chǎn)過程中化石燃料燃燒產(chǎn)生CO2排放，占比約35%。雖然業(yè)界在探索原料替代工藝方面取得了突破，但尚未出現(xiàn)能廣泛替代石灰石的替代原料、生產(chǎn)工藝或替代性膠凝材料。

石化行業(yè)低碳流程再造面臨的突出問題是傳統(tǒng)燃料型企業(yè)向高端化工型企業(yè)轉(zhuǎn)型將提高生產(chǎn)流程碳排放強(qiáng)度。此外，同鋼鐵、水泥等工業(yè)行業(yè)相比，石化行業(yè)低碳減排面臨兩個(gè)突出特點(diǎn)，一是石化行業(yè)產(chǎn)品需求呈持續(xù)上漲趨勢(shì)，二是石化行業(yè)碳排放總量較低但碳排放強(qiáng)度較高。

（三）我國(guó)工業(yè)能效水平仍需進(jìn)一步提高

近年來，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降耗成效顯著。2021年與2012年相比，單位GDP能耗累計(jì)降低26.4%，年均下降3.3%；規(guī)模以上工業(yè)單位增加值能耗累計(jì)降低36.2%，年均下降4.9%；噸鋼、合成氨生產(chǎn)單耗分別下降9.8%和7.1%。

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，我國(guó)工業(yè)能效水平仍需提高。截至2020年底，鋼鐵和水泥行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平產(chǎn)能占比分別為6%和5%，低于基準(zhǔn)水平產(chǎn)能占比分別為30%和24%。根據(jù)2025年重點(diǎn)領(lǐng)域標(biāo)桿水平產(chǎn)能占比超過30%的目標(biāo)，工業(yè)領(lǐng)域開展大規(guī)模能效提升行動(dòng)迫在眉睫。

（四）快速低碳轉(zhuǎn)型面臨較大資產(chǎn)擱淺風(fēng)險(xiǎn)問題

鋼鐵行業(yè)，我國(guó)高爐設(shè)施（長(zhǎng)流程煉鋼）投產(chǎn)后平均運(yùn)行時(shí)間約為13年，目前大部分高爐設(shè)施運(yùn)行時(shí)間還未達(dá)到正常使用年限的三分之一。水泥行業(yè)，全球范圍內(nèi)水泥廠平均運(yùn)行壽命為40年，而我國(guó)水泥生產(chǎn)設(shè)施20年內(nèi)新建占比約90%，10年內(nèi)新建占比約40%?！半p碳”背景下，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域快速推進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型一方面會(huì)使現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的資產(chǎn)擱淺風(fēng)險(xiǎn)上升，另一方面因設(shè)備投產(chǎn)年限短，流程再造將進(jìn)一步抬高企業(yè)運(yùn)行成本。

（五）碳排放數(shù)據(jù)采集亟須加強(qiáng)，評(píng)價(jià)體系亟須完善

現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域碳排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱，不同機(jī)構(gòu)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)存在明顯差異，全國(guó)性工業(yè)企業(yè)碳排放和產(chǎn)品碳足跡核算工作處于起步階段，重點(diǎn)行業(yè)亦未建立基于實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的碳足跡數(shù)據(jù)庫(kù)，面向碳減排的具體路徑謀劃以及應(yīng)對(duì)國(guó)家碳邊境稅缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

三、政策建議

（一）推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

清潔能源技術(shù)和C C U S 技術(shù)（碳捕集利用與封存）是重點(diǎn)工業(yè)低碳流程再造的共性技術(shù)?；茉慈紵嵌鄠€(gè)重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)碳排放的主要源頭，清潔能源技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)性脫碳的核心技術(shù)路徑，應(yīng)加速推動(dòng)可再生能源（光伏、風(fēng)電）和新型燃料（氫能、生物質(zhì)能）技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用。此外，CCUS技術(shù)作為工業(yè)領(lǐng)域脫碳的兜底保障，能夠通過碳抵消機(jī)制和跨行業(yè)利用實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域全生命周期碳減排，應(yīng)持續(xù)開展CCUS技術(shù)研發(fā)，全面推進(jìn)工藝流程脫碳與工藝變革。

（二）結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)加快低碳技術(shù)研發(fā)、示范與推廣

針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域不同行業(yè)生產(chǎn)流程差異性特征及低碳流程再造面臨的關(guān)鍵問題，開展重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

鋼鐵行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域聚焦于短流程煉鋼工藝攻關(guān)、長(zhǎng)流程煉鋼工藝改進(jìn)和前沿顛覆性技術(shù)探索三個(gè)方面。關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)包括：純氧高爐、高爐噴吹氫氣、熔融還原、氫直接還原鐵、氫等離子體熔融還原、直接電解等技術(shù)。

水泥行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域應(yīng)圍繞減少石灰石用量和燃煤消耗的源頭減碳技術(shù)，并協(xié)同采用富/氧煅燒與CO2捕集、利用等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的直接降碳和能源消耗的間接降碳。能效提升方面包括熟料燒成節(jié)能技術(shù)、粉磨系統(tǒng)減排技術(shù)和生產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)；燃料替代方面包括生物質(zhì)燃料替代、固體廢棄物燃料替代，以及氫能、電窯爐；低碳水泥配方方面包括降低熟料系數(shù)、原料替代等技術(shù)。

石化行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域圍繞生產(chǎn)過程減碳、原料燃料減碳、生產(chǎn)過程零碳。主要技術(shù)包括：低碳化石燃料、煤化工耦合制氫、電能加熱、組分煉油、低生焦催化裂化、漿態(tài)床雙氧水、低碳強(qiáng)度芳烴生產(chǎn)等技術(shù)。

（三）加快推動(dòng)能效提升技術(shù)應(yīng)用

加強(qiáng)工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)行業(yè)全過程節(jié)能管理，從生產(chǎn)裝置、換熱網(wǎng)絡(luò)、氫氣系統(tǒng)、瓦斯系統(tǒng)、蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)、低溫?zé)嵯到y(tǒng)等多層面切入，識(shí)別生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排機(jī)遇，推進(jìn)節(jié)能技術(shù)、工藝和裝備應(yīng)用，全面提高工業(yè)領(lǐng)域能源綜合利用效率，有效控制化石能源消耗總量，大幅降低能源資源消耗和碳排放強(qiáng)度。

（四）推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化工業(yè)軟件開發(fā)與應(yīng)用

加快推進(jìn)流程模擬等國(guó)產(chǎn)化工業(yè)軟件開發(fā)與應(yīng)用，聚焦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等工業(yè)領(lǐng)域智能制造全過程，強(qiáng)化關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，提升工業(yè)軟件自主保障能力。將流程模擬、數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)行業(yè)的反應(yīng)裝置、分離系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡(luò)、公用工程等全流程，提升精細(xì)化管理水平，助力綠色生產(chǎn)和節(jié)能降碳進(jìn)程。

（五）加快工業(yè)領(lǐng)域低碳標(biāo)準(zhǔn)研究與制定

現(xiàn)有低碳標(biāo)準(zhǔn)在碳排放核算、生命周期碳足跡評(píng)價(jià)、低碳產(chǎn)品以及低碳技術(shù)等方面存在不健全和缺失問題。為全面支撐工業(yè)領(lǐng)域低碳發(fā)展，需要加快推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域全方位體系化低碳標(biāo)準(zhǔn)的制定。

（六）聚焦前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域構(gòu)建國(guó)際科技合作機(jī)制

圍繞工業(yè)流程低碳再造所需的跨行業(yè)共性技術(shù)和重點(diǎn)行業(yè)特性技術(shù)，聚焦綠氫制備、甲烷熱解、生物燃料、CCUS等前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，鎖定不同領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家，通過雙邊合作、多邊平臺(tái)、民間交流、學(xué)術(shù)研討、項(xiàng)目共研等多種合作形式，積極推動(dòng)工業(yè)流程低碳再造關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際科技合作，穩(wěn)步推動(dòng)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型。