“双碳”目标下皮革产业绿色低碳发展与数字化转型的研究与实践

林炜，张龙，王春华，唐猷成，石碧

（四川大学轻工科学与工程学院，四川 成都 610065）

1 “双碳”目标对皮革产业带来的挑战和机遇

温室气体(Greenhouse Gases,GHGs)是具有温室效应气体的统称，主要包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫六种。其中，由于二氧化碳占比最大，一般将温室气体排放统称为“二氧化碳排放”，简称“碳排放”。当前，全面碳减排以应对全球气候变化已成为全球共识，欧美等发达国家纷纷制定碳中和目标和应对方案，并将其作为可持续发展和经济绿色低碳转型的重要推动力。作为碳排放最大的中国（2021 年碳排放量约为 120 亿吨）[1]，于 2020 年 9 月 22 日向全世界宣布了2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的重大国家战略目标（简称“双碳”目标）[2]。碳达峰是指二氧化碳排放量在某一时点达到最大值，之后进入下降回落阶段。关于碳中和(Carbon neutrality)，联合国政府间气候变化专门委员会的定义是：1 个组织在1 年内的二氧化碳排放通过二氧化碳消除技术达到平衡，或称为净零二氧化碳排放(Net-zero emissions)[3]。目前关于碳中和概念的通用理解是：碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，被全部抵消，达到相对“零排放”[4]。工业是我国国民经济的主导产业，也是能源资源消耗和污染物排放的重点领域、碳排放的大户[5]。当前，我国二氧化碳年排放量约为全球总排放量（～400 亿吨）的四分之一，其中工业排放约占总排放量的68%[6]。“双碳”目标的系统性与引领性，将对我国的生态环境改善和产业质量提升带来碳减排与绿色转型等多重效应，这对皮革工业来说既是挑战，又是机遇。

从面临的挑战来看，皮革工业是我国具有国际竞争优势的轻工支柱产业、出口创汇型产业和重要民生产业。但皮革加工过程能耗较高，且污染物的产生量较大。皮革生产需历经几十道工序，工艺繁杂，且使用的化料可能涉及4000 余种皮革化学品，导致环保及节能减排压力很大[7]。“双碳”目标的落地，使得皮革工业发展面临新的形势和挑战。国家标准《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2020）[8]中界定，用能单位的综合能耗核算范围包括一次能源、二次能源和生产使用的耗能工质（包括新水、软化水、压缩空气、氧气、氮气等）所消耗的能源（含用作原料的能源）。依据《工业企业温室气体排放核算和报告通则》（GB/T 32150-2015）[9]和国家发展和改革委员会2015 年7 月发布的《工业其他行业企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》[10]，工业企业温室气体排放源类别和气体种类包括化石燃料燃烧CO2排放、碳酸盐使用过程CO2排放、工业废水厌氧处理CH4排放、CH4回收与销毁量、CO2回收利用量、以及企业净购入的电力和热力隐含的CO2排放。因此就皮革生产企业而言，其综合能耗和碳排放的核算范围和关系如图1 所示。与由世界资源研究所（WRI） 和世界可持续发展工商理事会（WBCSD）联合制定的《温室气体核算体系》（GHG Protocol）相比，后者针对温室气体核算与报告设定的三个范围更细化。

图1 皮革企业综合能耗和碳排放的核算范围示意图Fig.1 Schematic showing the accounting scopes of comprehensive energy consumption and carbon emissions from leather enterprises

从发展机遇来看，“双碳”目标下碳减排促使皮革行业绿色技术创新，进而对皮革产业高质量发展具有显著促进作用。2022 年 6 月 17 日，工业和信息化部、生态环境部等联合印发的《关于推动轻工业高质量发展的指导意见》[11]提到“在深入推进绿色低碳转型方面，加大食品、皮革、…推动能效环保对标达标”。由此可见，皮革行业传统粗放的发展模式已不可延续，我国皮革产业向绿色低碳发展是顺应“双碳”目标要求、实现高质量与可持续发展的必由之路。

2 “双碳”目标下皮革行业绿色低碳转型的主要路径

2.1 皮革产业能源消费结构的调整与优化

以化石能源为主的能源消费特征是我国碳排放增长的主要因素[12]，占碳排放的80%以上；所以我国碳排放的减少离不开能源消费结构优化[13]。习近平总书记在2020 年12 月的气候雄心峰会上提出2030 年中国碳减排承诺：单位GDP 碳排放量较2005 年将下降65%，非化石能源在一次能源消费结构中的比重将达到25%左右。国务院于2021 年10 月 26 日印发了《2030 年前碳达峰行动方案》[14]，提出“到2025 年，单位国内生产总值能源消耗比2020 年下降13.5%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2020 年下降18%”。基于此目标，近年我国以供给侧结构性改革推进能源结构调整和转型升级，能源生产结构由煤炭为主向多元化转变，能源消费结构日趋低碳化[12]，新能源发电增势强劲，清洁化进程加快。特别是积极推进新能源开发利用，风能、太阳能等新能源和可再生能源较快增长。据报道，2020 年并网风电和并网太阳能发电量同比分别增长 15.1%和 16.6%[12]。

皮革工业从原料皮的获取到高值化加工利用的全生命周期链条长，加工工序繁多，特别是设备运转、污水处理、坯革干燥和水汽加热等阶段的电能和蒸汽消耗量大，在企业的综合能耗中占比较高，所引起的碳排放量也较高。因此，调整和优化能源消费结构是皮革产业绿色转型的重要手段，当然这很大程度上依赖于我国能源领域的创新技术变革。目前，煤炭在我国能源消费结构中仍占主导地位，现阶段皮革产业调整能源结构的举措要减少对化石能源资源的需求与消费，降低煤电的比重，提升清洁能源消费比重，比如通过电力市场购买绿色电力，就近大规模高比例利用天然气、氢能、生物燃料、垃圾衍生燃料等替代能源。

2.2 强化皮革节能减排工艺与技术是当前实现皮革行业绿色低碳转型的重要抓手

在皮革生产过程中，工艺处于基础与先导地位，是皮革企业实现绿色低碳转型发展的切入点和突破口。在“双碳”目标驱动下，我国皮革企业必须不断改进强化皮革节能减排工艺与技术，主要可从以下几点展开。一是从优化皮革生产工艺，在源头上降低生产能耗，并减少废水和污染物的排放。二是研发和使用低碳的生物基皮革化学品，生物基化学品是采用生物质原料替代化石原料制造而成的化学品，因其利用的是可再生碳，在环境可持续方面可减少各类废弃物特别是温室气体排放。三是从生产废物循环利用的角度实现节能降耗减排，强化皮革行业废水循环利用以及固体废物闭合回用技术的推广应用。四是从废弃物处理角度减少碳排放，加强皮革废水深度处理的研究和含铬固体废料跨产业链的资源再利用路径的技术研发，提升末端治理水平与能力。

2.3 加强皮革企业的数字化建设，赋能皮革工业绿色低碳发展

目前制革企业的生产工艺存在两大技术瓶颈：一方面工艺技术的关键环节仍普遍依赖于工程师“看皮做皮”经验，属于“试错式”工艺调整，局部式、静态式工艺优化，存在皮革化学品用量不精准、吸收率不高以及工艺参数精准控制程度低的现象，导致过程排放（废水厌氧处理CH4排放和碳酸盐使用过程排放）、净购入电力和热力引起的碳排放量增加，以及皮革化学品剂量过度、废液污染负荷高以及资源浪费等问题。另一方面，制革工艺过程控制的数字化、智能化程度还很低[15]。这主要是因为我国制革行业生产设备的数字化水平普遍较低，尤其国产的自动化、数字化设备缺乏，无法实时采集工艺数据和产品质量数据以及能源消耗数据，造成生产过程难以实现透明化管理，导致能源消耗缺乏科学管理，且生产效率的提升、产品质量的提高均高度依赖于生产人员的技术能力和熟练程度，这大大制约了制革企业的绿色低碳生产。此外，在能耗与碳排放管理方面，我国皮革行业缺乏具有行业特性的生产信息化管理系统，基本停留在原始的人工管理模式，能源管理自动化程度低，且能源管理分散，不够精细化，难以支持企业能耗及碳排放的动态分析、精细管控。

“双碳”目标下，新一代数字化技术正成为驱动产业绿色低碳转型、实现节能降耗减排的重要引擎。数字化技术赋能皮革工业绿色低碳转型主要体现在以下三个方面：一是考虑到清洁能源和电能替代需要一个长期过程，通过对制革工艺和设备进行数字化改造，通过改善设备运行效率从而提升能源使用效率，有效降低碳排放，是现阶段皮革企业实现绿色低碳发展的有效途径；二是运用数字化技术构建皮革专用的能耗在线监控系统与管控系统，实现能源的精细化管理和优化利用，避免能源浪费，为精准“降碳”奠定基础；三是借助于数字化赋能皮革企业的精细化管理，提升生产管理效率，降低能源消费侧的消耗，节能降碳。

2.4 借力工业互联网，加速皮革工业迈向数字化与绿色低碳转型之路

工业互联网是实现产业数字化的基石，也是推动碳减排工作迈上新台阶、助力实现双碳目标的利器。工业互联网通过全面构建人、机、物的互联，有效支持工业制造全要素、全产业链、全价值链信息的全面链接。基于这些能力特性，工业互联网成为产业生产力提升与环境友好之间的新平衡点，可显著提升制造业数字化、网络化、智能化发展水平，帮助企业实现碳数据采集、计算、分析、决策甚至碳交易的全过程动态生命周期管理。特别是在新冠肺炎疫情“大战大考”下，工业互联网对制造业赋能、赋值、赋智作用日益凸显。工业互联网技术也正向皮革行业的渗透，发展皮革工业互联网是皮革行业实现数字化与绿色低碳转型的关键支撑。研制“生态皮革+ 工业互联网”关键技术，已列入《皮革行业“十四五”高质量发展指导意见（2021-2025 年）》[16]。这既是实现制革生产的标准化、工艺过程的数字化和精准控制以及柔性生产的必经途径，也是应对世界产业格局发展变化、提高皮革及其制品质量档次与国际竞争力的关键。

基于此，四川大学皮革学科于2020 年10 月首创了集服务产业、教学、科研于一体的“生态皮革工业互联网研究中心”。中心正积极开展生态制革过程中的生产设备数字化改造技术研究和信息化系统建设工作，其中包括：一、利用感知技术对制革转鼓进行数字化改造，并以碳中和目标为约束条件，对生产工艺参数进行优化分析，从而降低皮革生产过程排放、净购入电力和热力引起的碳排放。二、研发基于分布式控制系统的制革用自动配料系统和自动加料系统，以精准控制化工材料的加入量，实现精准减污，减少化学品浪费及其产生的废水和废弃物处理过程的碳排放；三、结合制革行业特性，研发制革专用的生产制造执行系统和能耗及碳排放管理系统，从而实现生产过程的实时数据的采集和生产计划调度以及能耗及碳排放的精细化管理，促进供需精确匹配与高效对接以及碳排放的精准监测，减少因管理问题导致的人力、物力和资源浪费带来的不必要的碳排放。

目前，中心已成功研发出1 套与制革工艺相融合的皮革企业能耗及碳排放管理系统，可实时监测企业电、水、燃气、蒸汽等各类能源的消耗情况，智能分析企业总体用能和碳排放、各工序能耗和碳排放、能耗设备利用情况、能源成本和用能预测等数据，为企业提供节能目标的工艺优化和能源智能管理、碳排放评估数据支持和辅助决策服务，提高能耗及碳排放管理的数字化水平。此外，皮革企业能耗及碳排放管理系统可以为政府监管部门提供能耗及碳排放基础数据，助力政府监管部门根据各时期碳排放规律和近期碳排放状况，分析重点行业、企业的碳排放趋势，对未来的碳排放量、低碳目标做出科学预测。

2.5 强化科技创新引领是实现皮革行业绿色低碳转型的核心支撑

皮革产业的数字化技术创新是皮革行业绿色低碳转型与高质量发展的核心支撑。目前，尽管我国的一些皮革企业在信息化服务和数字化改造方面已陆续开展了建设性工作，在生产效率和综合效益提升方面的成效已显现；然而，在核心的制革生产过程中实际应用工业互联网技术来应对“双碳”目标挑战的企业很少[17]，最主要原因是皮革行业缺乏与工业互联网相关的关键共性技术。针对目前皮革行业绿色低碳转型发展的共性难点和痛点问题，我们认为亟需研发的共性技术主要有以下二大块。一是如何将物联网技术、大数据技术和人工智能技术与生态制革工艺技术深度融合，对现有皮革生产过程的关键设备（如转鼓、进配料设备）进行数字化改造和升级，并准确获取生态皮革生产过程中的基础数据；通过数据分析，构建出生态皮革制造工艺模型库和知识库，以节能降碳为目标实现生产工艺参数的持续优化。二是如何结合制革行业的特性，将工业互联网技术与生态皮革制造工艺技术深度融合，进而研制出适合皮革行业的生产制造过程的信息物理系统（CPS），实现生产工艺的精准控制与智能制造，突破传统皮革行业普遍依赖经验的现状，最大限度提升皮革生产效能，从而实现全面节能、精准减污降碳。这些关键技术的研发，需要皮革学科与计算机、人工智能、物联网、大数据等相关学科交叉融合、领域的协同攻关。

2.6 皮革产业“双碳”人才培养是实现皮革行业绿色低碳转型的根本和不竭源泉

产业的创新驱动实质是人才驱动，产业的创新发展离不开人才的支撑。双碳目标下皮革行业的绿色低碳转型与发展，急需能运用新一代信息技术围绕双碳目标解决皮革产业相关问题的“跨学科-贯通式”复合型人才，这对从事皮革专业人才的知识技能和综合素质提出了新要求。2022 年5 月7 日，教育部印发的《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》为皮革产业“双碳”人才的培养提供了原则和方向。高校轻化工程专业皮革方向人才培养模式需要改革创新：设有轻化工程专业皮革方向的各高校要以培养服务于绿色低碳时代下皮革制造业的复合型人才为目标，积极引导和加快皮革专业跨界复合型人才培养体系建设。近年，作者团队结合双碳目标下皮革行业发展对人才的需求，开展了《面向新工科的轻化工程专业信息化、数字化改造》的研究工作，获得了第二批国家级新工科研究与实践项目的立项支持。已着力开展课程体系修订、科研和虚拟仿真教学平台建设工作，特别需要“皮革+工业互联网”方向师资力量的提升，并结合多方协同育人等进行轻化工程专业人才培养模式的改革创新，为面向数字经济时代我国皮革乃至轻工行业提供高层次复合型技术人才。

四川大学是我国率先开展碳中和领域科学研究和人才培养的高校之一。早在2011 年，四川大学就成立了新能源与低碳技术研究院。2022 年3 月18日，四川大学碳中和未来技术学院正式揭牌成立，由石碧院士担任院长，目前已设立全国首个碳中和技术的博士学科点，牵头编写全国首本《碳中和技术概论》教材，并开设了“碳中和技术概论”专业课程和核心通识课程，碳中和学科建设也已取得实质性进展。未来将围绕国家在资源、能源、环境和生态等的重大科技需求，主动服务国家和地方战略需要，助力实现“双碳”目标。

3 结语

“双碳”目标下绿色低碳发展是当今新一轮科技革命和产业变革的方向，绿色经济已成为全球产业竞争重点。皮革行业发展工业互联网将促进产业低碳绿色工艺革新和数字化转型。皮革工业互联网的建设对于皮革产业尚属新兴事物，没有成熟的经验可供借鉴，因此需要皮革产业“政产学研用”积极合作、共同探索适合我国皮革产业绿色低碳发展和数字化转型的路径，凝心聚力推动我国皮革产业的高质量可持续发展。