科技創(chuàng)新支撐重點工業(yè)低碳流程再造

■文/王超 許曄（中國科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究院）

工業(yè)部門是我國能源消耗和CO2排放的主要領域。2022年，我國能源消費總量為54.1億噸標準煤，工業(yè)占比超過60%，工業(yè)領域能否率先達峰是實現(xiàn)2030碳達峰目標的關鍵。鋼鐵、水泥和石化為我國工業(yè)領域碳減排重點行業(yè)，占工業(yè)部門碳排放總量的80%以上?；诹鞒坦に囂卣鳎崂硇袠I(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，對我國“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。

一、重點工業(yè)領域行業(yè)發(fā)展及碳排放現(xiàn)狀

（一）鋼鐵行業(yè)是我國工業(yè)部門第一大碳排放源

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

基于我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，未來鋼鐵行業(yè)將由長流程煉鋼向短流程煉鋼轉型，后者產(chǎn)量比例不斷提高。與此同時，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一步提升，“鋼-化”聯(lián)產(chǎn)技術進一步推廣，氫基煉鐵等前沿技術也將加快技術研發(fā)和應用推廣。

（二）過程排放是水泥行業(yè)最大碳排放源頭

2000年以來，我國水泥產(chǎn)量保持快速增長，數(shù)個年份增長率超過10%，于2014年達到產(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，我國水泥產(chǎn)量為23.8億噸。作為全球最大的水泥生產(chǎn)國，我國人均水泥消費量約1700kg，遠高于發(fā)達國家人均600kg～700kg的水泥消費峰值。在碳排放方面，2020年我國水泥行業(yè)CO2排放量約13.7億噸，占全國碳排放總量的13%，僅次于電力和鋼鐵行業(yè)。

鑒于我國人口進入低增長階段、城鎮(zhèn)化水平提升、基礎設施建設放緩等因素影響，未來我國水泥需求量將呈現(xiàn)下降趨勢。中國水泥協(xié)會預測，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)增長和碳排放強度長期居高雙重挑戰(zhàn)

“十三五”期間，煉油規(guī)模擴大和乙烯產(chǎn)能增長等因素導致石化行業(yè)能源消費總量持續(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)增長和行業(yè)碳排放強度長期居高兩個突出特點。

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)轉型發(fā)展趨勢，以行業(yè)碳排放強度增加換取石化產(chǎn)品全生命周期碳排放強度下降。中國石化石油化工科學研究院統(tǒng)計測算，傳統(tǒng)燃料型石化企業(yè)排放強度約0.2噸CO2/噸原油，化工轉型后企業(yè)排放強度將達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度下降50%以上。

二、重點工業(yè)領域低碳流程再造的制約因素

（一）高化石能源占比是工業(yè)領域高碳排放的共性問題

鋼鐵行業(yè)，我國與歐美發(fā)達國家在用能結構方面存在較大差異。我國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)達國家與世界平均水平，我國水泥生產(chǎn)以煤炭為主體能源，替代能源占比很低。我國每噸熟料的熱能使用中非化石燃料占比僅2%左右，歐洲國家可達40%以上。

（二）低碳流程再造存在行業(yè)差異性制約因素

我國鋼鐵生產(chǎn)以長流程為主，碳排放強度大。全球鋼鐵行業(yè)基于“高爐—轉爐”長流程的產(chǎn)量占比約73%，美國僅占30%左右，我國占比高達90%。長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、韓國和日本粗鋼碳排放強度分別為1100kg/噸、1300kg/噸和1450kg/噸，我國為1859kg/噸。

過程排放是水泥行業(yè)碳減排最大難點。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)轉型將提高生產(chǎn)流程碳排放強度。此外，同鋼鐵、水泥等工業(yè)行業(yè)相比，石化行業(yè)低碳減排面臨兩個突出特點，一是石化行業(yè)產(chǎn)品需求呈持續(xù)上漲趨勢，二是石化行業(yè)碳排放總量較低但碳排放強度較高。

（三）我國工業(yè)能效水平仍需進一步提高

近年來，我國工業(yè)領域節(jié)能降耗成效顯著。2021年與2012年相比，單位GDP能耗累計降低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)略目標下，我國工業(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)于標桿水平產(chǎn)能占比分別為6%和5%，低于基準水平產(chǎn)能占比分別為30%和24%。根據(jù)2025年重點領域標桿水平產(chǎn)能占比超過30%的目標，工業(yè)領域開展大規(guī)模能效提升行動迫在眉睫。

（四）快速低碳轉型面臨較大資產(chǎn)擱淺風險問題

鋼鐵行業(yè)，我國高爐設施（長流程煉鋼）投產(chǎn)后平均運行時間約為13年，目前大部分高爐設施運行時間還未達到正常使用年限的三分之一。水泥行業(yè)，全球范圍內(nèi)水泥廠平均運行壽命為40年，而我國水泥生產(chǎn)設施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，我國工業(yè)領域快速推進低碳轉型一方面會使現(xiàn)有生產(chǎn)設備的資產(chǎn)擱淺風險上升，另一方面因設備投產(chǎn)年限短，流程再造將進一步抬高企業(yè)運行成本。

（五）碳排放數(shù)據(jù)采集亟須加強，評價體系亟須完善

現(xiàn)階段我國工業(yè)領域碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎薄弱，不同機構的調(diào)查統(tǒng)計存在明顯差異，全國性工業(yè)企業(yè)碳排放和產(chǎn)品碳足跡核算工作處于起步階段，重點行業(yè)亦未建立基于實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的碳足跡數(shù)據(jù)庫，面向碳減排的具體路徑謀劃以及應對國家碳邊境稅缺少基礎數(shù)據(jù)支撐。

三、政策建議

（一）推動工業(yè)領域共性關鍵技術研發(fā)

清潔能源技術和C C U S 技術（碳捕集利用與封存）是重點工業(yè)低碳流程再造的共性技術?；茉慈紵嵌鄠€重點工業(yè)行業(yè)碳排放的主要源頭，清潔能源技術成為實現(xiàn)工業(yè)領域系統(tǒng)性脫碳的核心技術路徑，應加速推動可再生能源（光伏、風電）和新型燃料（氫能、生物質(zhì)能）技術研發(fā)及推廣應用。此外，CCUS技術作為工業(yè)領域脫碳的兜底保障，能夠通過碳抵消機制和跨行業(yè)利用實現(xiàn)工業(yè)領域全生命周期碳減排，應持續(xù)開展CCUS技術研發(fā)，全面推進工藝流程脫碳與工藝變革。

（二）結合行業(yè)特點加快低碳技術研發(fā)、示范與推廣

針對工業(yè)領域不同行業(yè)生產(chǎn)流程差異性特征及低碳流程再造面臨的關鍵問題，開展重點行業(yè)關鍵技術研發(fā)。

鋼鐵行業(yè)重點研發(fā)領域聚焦于短流程煉鋼工藝攻關、長流程煉鋼工藝改進和前沿顛覆性技術探索三個方面。關鍵核心技術研發(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。

水泥行業(yè)重點研發(fā)領域應圍繞減少石灰石用量和燃煤消耗的源頭減碳技術，并協(xié)同采用富/氧煅燒與CO2捕集、利用等前沿技術，實現(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、粉磨系統(tǒng)減排技術和生產(chǎn)數(shù)字化技術；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。

石化行業(yè)重點研發(fā)領域圍繞生產(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、低碳強度芳烴生產(chǎn)等技術。

（三）加快推動能效提升技術應用

加強工業(yè)領域重點行業(yè)全過程節(jié)能管理，從生產(chǎn)裝置、換熱網(wǎng)絡、氫氣系統(tǒng)、瓦斯系統(tǒng)、蒸汽動力系統(tǒng)、低溫熱系統(tǒng)等多層面切入，識別生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排機遇，推進節(jié)能技術、工藝和裝備應用，全面提高工業(yè)領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度。

（四）推進國產(chǎn)化工業(yè)軟件開發(fā)與應用

加快推進流程模擬等國產(chǎn)化工業(yè)軟件開發(fā)與應用，聚焦設計、生產(chǎn)、管理、服務等工業(yè)領域智能制造全過程，強化關鍵核心技術攻關，提升工業(yè)軟件自主保障能力。將流程模擬、數(shù)字孿生、人工智能等技術應用于工業(yè)領域重點行業(yè)的反應裝置、分離系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡、公用工程等全流程，提升精細化管理水平，助力綠色生產(chǎn)和節(jié)能降碳進程。

（五）加快工業(yè)領域低碳標準研究與制定

現(xiàn)有低碳標準在碳排放核算、生命周期碳足跡評價、低碳產(chǎn)品以及低碳技術等方面存在不健全和缺失問題。為全面支撐工業(yè)領域低碳發(fā)展，需要加快推進工業(yè)領域全方位體系化低碳標準的制定。

（六）聚焦前沿熱點領域構建國際科技合作機制

圍繞工業(yè)流程低碳再造所需的跨行業(yè)共性技術和重點行業(yè)特性技術，聚焦綠氫制備、甲烷熱解、生物燃料、CCUS等前沿熱點領域，鎖定不同領域技術領先國家，通過雙邊合作、多邊平臺、民間交流、學術研討、項目共研等多種合作形式，積極推動工業(yè)流程低碳再造關鍵技術國際科技合作，穩(wěn)步推動我國工業(yè)領域低碳轉型。