碳中和背景下化工行業(yè)綠色發(fā)展的策略

苗乃乾，黎妍，張家斌

(山東氫谷新能源技術(shù)研究院，山東 濟南 250001)

0 引言

化工行業(yè)是脫碳任務(wù)量最大的行業(yè)之一，也是全國碳排放總量較高的行業(yè)之一。在中國實現(xiàn)雙碳目標的背景下，化工行業(yè)需要承擔更加嚴峻的減碳壓力。傳統(tǒng)的減碳措施難以深度實現(xiàn)化工行業(yè)的凈零排放，H2作為清潔低碳的二次能源，有望在化工行業(yè)發(fā)揮重要作用。中國H2年產(chǎn)量在3 300 萬t 左右，其中大部分被用于化工領(lǐng)域，其制H2環(huán)節(jié)是主要的碳排放來源。使用H2替代傳統(tǒng)的灰H2可以減少大量的碳排放，是加快化工行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。因此，化工行業(yè)需要加強技術(shù)創(chuàng)新，提高資源利用效率，推廣低碳技術(shù)和綠色制造技術(shù)，并探索H2等可再生能源的利用，以實現(xiàn)碳中和與可持續(xù)發(fā)展。

1 化工行業(yè)綠色發(fā)展的必要性

根據(jù)國家統(tǒng)計局能源和環(huán)境統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)測算，2020 年中國的CO2排放總量約103 億t，主要來源于電力、工業(yè)、交通、建筑等生產(chǎn)部門。其中，來自工業(yè)部門的化工行業(yè)(包括石油和化工行業(yè))的碳排量總量為13.78 億t，占全國CO2消費總量的13.37%，其中直接排放9.18 億t，電力排放4.6 億t，在工業(yè)領(lǐng)域碳排放量僅次于冶金行業(yè)。從碳排放總量以及占比來看，化工行業(yè)的碳排放量如此之大，對環(huán)境造成了巨大的負面影響，綠色發(fā)展是化工行業(yè)不可或缺的選擇[1]。

在碳中和背景下，化工行業(yè)作為“高能耗、高排放”的產(chǎn)業(yè)，必定面臨著緊迫的減排壓力，而且碳排放政策也在日漸收緊。為了應(yīng)對氣候變化和減少碳排放，我國政府已經(jīng)推出了一系列的環(huán)保政策，其中包括成立碳排放權(quán)交易市場。該市場的成立將促進企業(yè)間的碳排放權(quán)交易，推動企業(yè)減少碳排放和轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)碳排放減少和經(jīng)濟發(fā)展的雙贏。化工企業(yè)作為重要的碳排放行業(yè)，應(yīng)當積極參與碳排放權(quán)交易市場，減少碳排放，推動綠色發(fā)展。高能耗行業(yè)重點領(lǐng)域能效標桿水平和基準水平如表1 所示，同時，國家發(fā)改委發(fā)布的《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南(2022 年版)》文件中提出要依法依規(guī)淘汰不符合綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展要求的落后工藝技術(shù)和生產(chǎn)裝置，對能效在基準水平之下，無法在規(guī)定時限內(nèi)通過改造升級達到基準水平以上的產(chǎn)能，要通過市場化方式、法治化手段推動其加快退出[2]。在碳交易制度和落后產(chǎn)能清退制度的建立和完善下，代表著碳排放的排放指標將進入硬約束時代，化工行業(yè)嚴格把控碳排放成為未來發(fā)展的主要要求。

表1 高能耗行業(yè)重點領(lǐng)域能效標桿水平和基準水平(2021 年版)

另外，盡管中國有著十分豐富的煤炭資源，但是石油和天然氣的對外依存度分別超過七成和四成，化石能源作為不可再生資源，儲量有限。2021 年，國家相關(guān)部門發(fā)布的《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確提出，到2030 年，中國非化石能源消費比重將達到25%，到2060 年將達到80%。隨著環(huán)保意識的加強和環(huán)保政策的逐步完善，化工企業(yè)正在加速轉(zhuǎn)向使用非化石能源。非化石能源的使用可以減少化工企業(yè)的碳排放和污染物排放，同時也可以降低企業(yè)的能源成本，提高競爭力。因此，化工企業(yè)要積極采取措施，加速推廣和使用非化石能源，實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型。

2 化工行業(yè)減碳的可行性及前景

石油煉化、合成氨、合成CH4O、現(xiàn)代煤化工的碳排放主要來自合成反應(yīng)中的C、H 轉(zhuǎn)換過程，即CO與H2O 反應(yīng)制H2，而含H 量最低的煤炭劣勢最明顯、碳排放最高。例如，煤制烯烴的單t 過程排放量可達到6 t 的CO2。對于合成氨，2020 年，中國合成氨直接排放CO2約2.19 億t，占化工行業(yè)碳排放總量的15.9%，占全國碳排放總量的2.2%。合成氨的H 源主要來自煤炭、天然氣和焦炭副產(chǎn)H2與蘭炭副產(chǎn)H2，其中煤炭路線的碳排放強度約為4.2 kgCO2/kgNH3，天然氣路線的碳排放強度約為2.04 kgCO2/kgNH3。每合成1 t 氨，煤炭路線的碳排放約為4.2 t，天然氣路線的碳排放約為2.04 t[3]。

如圖1 所示，2020 年，全國化工行業(yè)的碳排放總量約為6.2 億 t，其中合成CH4O 直接排放CO2約1.96 億 t，占化工行業(yè)排放總量的14.2%，占中國碳排放總量的2%。合成CH4O 的H 源主要來自煤炭、天然氣和焦爐氣，其中煤炭路線的碳排放強度大約為3.1 kgCO2/kg CH2OH，天然氣路線的碳排放強度大約為0.58 kgCO2/kg CH2OH。對石油煉化，2020 年，中國石油煉化直接排放CO2約2 億 t，占石化化工行業(yè)排放總量的14.5%，占中國碳排放總量的2%左右。

圖1 中國2020 年化工行業(yè)碳排放占比及構(gòu)成

目前，石油煉化、合成氨、合成CH4O 的碳排放總量約6.2 億t，占化工行業(yè)的44.6%，這些化工產(chǎn)品的碳排放主要發(fā)生在制H2環(huán)節(jié)[4]。但是，如果使用H2代替高碳排放的灰H2等制H2方式，化工行業(yè)可以在理論上減少大部分碳排放，實現(xiàn)減排目標和低碳轉(zhuǎn)型。

3 碳中和背景下化工行業(yè)綠色發(fā)展的策略

3.1 以H2 為基礎(chǔ)進行行業(yè)耦合

在化工行業(yè)中，氫能被廣泛用于生產(chǎn)基礎(chǔ)材料，如，工業(yè)氣體或化肥以及石油化工產(chǎn)品及衍生品。在實現(xiàn)“雙碳”目標的壓力下，氫能夠促進化學工業(yè)和可再生能源電力之間的行業(yè)耦合。與其他應(yīng)用領(lǐng)域的主要區(qū)別在于，氫能在化工領(lǐng)域中一般是用作原料而非能源。通過使用綠色H2，化學品制造業(yè)可以逐漸替代化石燃料H2，包括合成氨、CH4O 和其他化學品的制造。這將有助于減少化學工業(yè)對化石燃料的依賴，降低碳排放，推動化工行業(yè)實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

行業(yè)耦合是指將不同產(chǎn)業(yè)之間的能源、物質(zhì)和信息相互聯(lián)系，以便于實現(xiàn)資源共享、優(yōu)化能源利用和提高經(jīng)濟效益的一種方式。例如，可再生能源可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，以實現(xiàn)能源的多樣化和高效利用。同時，行業(yè)耦合還可以促進產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型，推動經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[5]。例如，光伏發(fā)電與建筑領(lǐng)域耦合，可以實現(xiàn)建筑物自給自足的能源供應(yīng)；可再生電力與交通行業(yè)耦合，可以實現(xiàn)電動汽車的普及和推廣；將生物質(zhì)能與農(nóng)業(yè)行業(yè)耦合，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用等。因此，行業(yè)耦合可以為能源轉(zhuǎn)型提供一個高效、可靠和可持續(xù)的解決方案，促進可再生能源的廣泛應(yīng)用，推動能源產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

如圖2 所示，在行業(yè)耦合的框架下，綠H2可以通過費托合成或CH4O 制造以及隨后的煉化工序生產(chǎn)包括汽油、柴油、煤油在內(nèi)的目前交通行業(yè)使用的所有常規(guī)燃料。同時，CH4O 也是制造熱固性塑料、纖維、彈性體、溶劑、添加劑等化學品的重要原料。值得注意的是，全世界生產(chǎn)的CH4O 有大約1/4 被用來制造甲醛，以進一步生產(chǎn)合成樹脂等化學品。利用綠H2生產(chǎn)合成燃料和化學品，不僅可以降低碳排放，還可以減少對傳統(tǒng)石油資源的依賴，推動能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。同時，這一過程也需要解決綠H2生產(chǎn)成本高、儲運等技術(shù)難題。因此，加強技術(shù)研發(fā)和政策支持，推動綠H2產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的戰(zhàn)略意義[6]。

圖2 以H2為基礎(chǔ)進行行業(yè)耦合

3.2 提升焦爐煤氣的利用率

在近期，焦爐煤氣是一種可行的替代H2原料，可以作為通往綠H 化工的過渡方案。2020 年，中國CH4O(100 萬t/a) 和合成氨生產(chǎn)中有30 萬t/a 的H2氣來源于焦爐煤氣，分別占比12.5%和3%。隨著“雙碳”目標和《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等政策的推進，焦爐煤氣在化工行業(yè)的利用率有望進一步提高。焦爐煤氣是鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品，含有高濃度的H2和一些有害氣體。通過對焦爐煤氣進行凈化和加H 處理，可以將其轉(zhuǎn)化為高純度的H2氣，用于化工行業(yè)的生產(chǎn)過程。這種方法不僅可以降低化工行業(yè)的碳排放，還可以增加焦化企業(yè)的收益，并緩解H2供應(yīng)緊張的問題。然而，焦爐煤氣的H2含量和純度都有限，需要進一步提高凈化和加H 處理的效率和技術(shù)水平。同時，焦爐煤氣的利用也需要解決儲運和配套設(shè)施的問題[7]。因此，在推動焦爐煤氣在化工行業(yè)的利用過程中，需要加強技術(shù)研發(fā)和政策支持。具體而言，可以從以下幾個方面入手：

第一，技術(shù)創(chuàng)新。研發(fā)更高效的凈化技術(shù)，例如：采用吸附、膜分離等技術(shù)，降低焦爐煤氣中的雜質(zhì)含量，提高H2含量和純度；研發(fā)更加高效的H2催化加H 技術(shù)，通過改善催化劑性能和反應(yīng)條件，提高H2利用效率和產(chǎn)物選擇性，減少副產(chǎn)物的生成；研發(fā)新型的儲運和配套設(shè)施，例如：采用燃料電池、液H2儲存等技術(shù)，提高H2的儲存和運輸效率，降低成本。此外，還可以考慮與其他領(lǐng)域的技術(shù)進行跨界融合，例如：結(jié)合生物技術(shù)、化學合成等技術(shù)，研發(fā)新型的H2生產(chǎn)和利用技術(shù)。對化工行業(yè)綠色發(fā)展的需求，可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，研發(fā)相應(yīng)的配套設(shè)施和技術(shù)，例如開發(fā)可再生能源與H2的聯(lián)合生產(chǎn)技術(shù)，開發(fā)基于H2的新型化工產(chǎn)品等，以滿足綠色化工的需求。

第二，政策支持。對于焦爐煤氣凈化和加H 處理等投資較大的技術(shù)和設(shè)備，可以給予財政補貼或稅收優(yōu)惠，降低企業(yè)的投資成本和運營成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟收益；建立專項基金，用于支持焦爐煤氣利用和氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和推廣，鼓勵企業(yè)加大對焦爐煤氣利用的投入和研發(fā)力度；出臺相關(guān)法規(guī)和政策，規(guī)范焦爐煤氣的排放和利用，鼓勵企業(yè)加大對焦爐煤氣的回收和利用力度，減少焦爐煤氣的浪費和環(huán)境污染；制定相關(guān)的技術(shù)標準和規(guī)范，促進焦爐煤氣凈化和加H 處理技術(shù)的標準化和規(guī)范化，提高技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，促進產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同時，政府可以加強與企業(yè)的溝通與合作，了解企業(yè)的需求和問題，提供相關(guān)支持和幫助，共同推動焦爐煤氣的利用和氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[8]。

第三，市場培育。建立氫能示范項目，推廣焦爐煤氣的利用和氫能技術(shù)的應(yīng)用。建立氫能化工園區(qū)，引導和扶持企業(yè)采用焦爐煤氣加H2技術(shù)，提高焦爐煤氣利用率；加強氫能產(chǎn)業(yè)鏈的布局和發(fā)展，構(gòu)建完整的氫能產(chǎn)業(yè)體系，提高氫能產(chǎn)業(yè)的競爭力和市場地位。建立H2生產(chǎn)、H2儲運應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈，促進氫能產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展；加強氫能市場的推廣和宣傳，提高公眾對氫能的認知和信任度，擴大氫能在化工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。開展氫能科普活動，組織氫能展覽會和技術(shù)交流會等，推廣氫能技術(shù)和應(yīng)用。通過以上措施，可以促進氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和推廣，擴大焦爐煤氣的利用范圍和規(guī)模，提高焦爐煤氣利用率，推動綠色化工的發(fā)展。

3.3 推廣循環(huán)經(jīng)濟

化工行業(yè)是經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但是由于其特殊的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品特性，容易導致環(huán)境污染和資源浪費。當今，循環(huán)經(jīng)濟已成為全球可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，推廣循環(huán)經(jīng)濟也成為化工行業(yè)綠色發(fā)展的重要策略之一。循環(huán)經(jīng)濟的核心是通過物質(zhì)循環(huán)和能源循環(huán)，實現(xiàn)資源的高效利用和廢棄物的有效處理，減少環(huán)境污染和資源浪費。具體而言，循環(huán)經(jīng)濟包括以下幾個方面：

第一，建立廢棄物回收利用體系。化工行業(yè)生產(chǎn)的廢棄物種類繁多、含有有害物質(zhì)，如果不進行有效的處理和回收利用，容易對環(huán)境造成污染。因此，建立廢棄物回收利用體系是推廣循環(huán)經(jīng)濟的重要舉措?？梢酝ㄟ^政策引導、技術(shù)支持、金融扶持等多種手段，鼓勵企業(yè)進行廢棄物回收利用，形成以廢變寶的產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)資源的高效利用和廢棄物的有效處理。

第二，推廣循環(huán)生產(chǎn)模式。循環(huán)生產(chǎn)模式是指在生產(chǎn)過程中，將廢棄物作為原材料進行再利用，實現(xiàn)資源的閉環(huán)利用?；ば袠I(yè)可以通過推廣循環(huán)生產(chǎn)模式，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綠色化和環(huán)保化。例如，采用廢棄物回收利用技術(shù)，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣等進行再利用，降低環(huán)境污染和資源浪費。

第三，倡導綠色消費觀念。綠色消費觀念是指消費者在購買產(chǎn)品時，優(yōu)先選擇環(huán)保、節(jié)能、可再生的產(chǎn)品?；て髽I(yè)可以通過各種渠道，如：網(wǎng)站、微信公眾號、電視廣告等，向公眾普及環(huán)保知識，提高公眾對綠色消費的認知度，借助一些環(huán)保組織或公益機構(gòu)的力量，組織一些環(huán)保宣傳活動，如：主題演講、環(huán)保展覽、環(huán)保義賣等，向公眾傳遞綠色消費的理念。此外，化工企業(yè)還可以加入一些環(huán)保組織，如全球環(huán)境基金會等，共同推動環(huán)保事業(yè)。加入這些組織，不僅可以增強企業(yè)的環(huán)保意識，同時也可以獲得更多的環(huán)保知識和技術(shù)支持，從而更好地推廣綠色消費觀念，促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。

第四，加強技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)合作。技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)合作是推廣循環(huán)經(jīng)濟的重要手段?；て髽I(yè)可以加強與科研機構(gòu)和其他產(chǎn)業(yè)的合作，共同研發(fā)和推廣循環(huán)經(jīng)濟相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補，推動化工行業(yè)綠色發(fā)展。

4 結(jié)語

在碳中和背景下，化工行業(yè)綠色發(fā)展是未來的必然趨勢。為了實現(xiàn)碳中和，以綠氫為基礎(chǔ)進行行業(yè)耦合，提升焦爐煤氣的利用率。作為化工企業(yè)，需要加快技術(shù)創(chuàng)新，減少碳排放，提高能源利用率，推廣清潔生產(chǎn)工藝，加強廢棄物回收利用等措施。同時，政府應(yīng)該加大環(huán)保政策力度，鼓勵企業(yè)積極參與碳交易市場，提高碳價，促進企業(yè)減排，加快轉(zhuǎn)型升級。只有在政府、企業(yè)和社會共同努力下，才能實現(xiàn)化工行業(yè)的綠色發(fā)展，推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。