科技创新支撑重点工业低碳流程再造

2024-01-02王超许晔中国科学技术发展战略研究院

科技中国 2023年9期

■文/王超许晔（中国科学技术发展战略研究院）

工业部门是我国能源消耗和CO2排放的主要领域。2022年，我国能源消费总量为54.1亿吨标准煤，工业占比超过60%，工业领域能否率先达峰是实现2030碳达峰目标的关键。钢铁、水泥和石化为我国工业领域碳减排重点行业，占工业部门碳排放总量的80%以上。基于流程工艺特征，梳理行业碳排放现状，剖析行业碳减排瓶颈，提出工艺流程再造建议，对我国“双碳”战略具有重要意义。

一、重点工业领域行业发展及碳排放现状

（一）钢铁行业是我国工业部门第一大碳排放源

我国是全球最大的钢铁生产国和消费国。2020年，我国生产粗钢10.65亿吨，占全球56.4%；消费钢材9.9 5 亿吨，占全球56.2%。2019年，我国钢铁行业CO2排放量为15.74亿吨，占全国碳排放总量的17%，成为仅次于电力部门的第二大排放源。产业结构方面，碳排放强度较低的短流程电炉炼钢，我国占比仅10.4%，显著低于全球平均水平（约33%）。

基于我国钢铁行业发展现状，未来钢铁行业将由长流程炼钢向短流程炼钢转型，后者产量比例不断提高。与此同时，钢铁行业将与能源、化工等产业深度融合，零碳电力和清洁能源使用占比进一步提升，“钢-化”联产技术进一步推广，氢基炼铁等前沿技术也将加快技术研发和应用推广。

（二）过程排放是水泥行业最大碳排放源头

2000年以来，我国水泥产量保持快速增长，数个年份增长率超过10%，于2014年达到产量峰值（24.76亿吨），随后稳定在23亿吨/年，产量超过全球总产量的50%。2021年，我国水泥产量为23.8亿吨。作为全球最大的水泥生产国，我国人均水泥消费量约1700kg，远高于发达国家人均600kg～700kg的水泥消费峰值。在碳排放方面，2020年我国水泥行业CO2排放量约13.7亿吨，占全国碳排放总量的13%，仅次于电力和钢铁行业。

鉴于我国人口进入低增长阶段、城镇化水平提升、基础设施建设放缓等因素影响，未来我国水泥需求量将呈现下降趋势。中国水泥协会预测，熟料需求量将从2021年15.5亿吨降至2050年5.6亿吨，降幅约三分之二。

（三）石化行业面临产品需求持续增长和碳排放强度长期居高双重挑战

“十三五”期间，炼油规模扩大和乙烯产能增长等因素导致石化行业能源消费总量持续上涨，碳排放总量年均增速约10%。石化行业碳排放来源主要包括化石燃料燃烧、生产过程和电力/热力间接碳排放三类，占比分别约55%、35%和10%。石化行业年排放量占全国总量的4%～5%。同钢铁、水泥等工业行业相比，石化行业低碳减排面临石化产品需求持续增长和行业碳排放强度长期居高两个突出特点。

石化行业将经历由传统燃料型石化企业向高端化工型石化企业转型发展趋势，以行业碳排放强度增加换取石化产品全生命周期碳排放强度下降。中国石化石油化工科学研究院统计测算，传统燃料型石化企业排放强度约0.2吨CO2/吨原油，化工转型后企业排放强度将达0.4～0.6吨CO2/吨原油。虽然企业生产环节碳排放大幅增加，但石化产品全生命周期的碳排放强度下降50%以上。

二、重点工业领域低碳流程再造的制约因素

（一）高化石能源占比是工业领域高碳排放的共性问题

钢铁行业，我国与欧美发达国家在用能结构方面存在较大差异。我国钢铁冶炼用能以焦炭和煤为主体能源，占比分别为55%和32%，美、英两国钢铁冶炼用能以电力和天然气为主体能源，其天然气用能占比分别达34%和32%，在同等热值情况下，煤炭燃烧产生的CO2是天然气的2倍多。

水泥行业，化石燃料燃烧及电力消耗产生的碳排放分别占水泥行业全流程碳排放的35%和5%。相比发达国家与世界平均水平，我国水泥生产以煤炭为主体能源，替代能源占比很低。我国每吨熟料的热能使用中非化石燃料占比仅2%左右，欧洲国家可达40%以上。

（二）低碳流程再造存在行业差异性制约因素

我国钢铁生产以长流程为主，碳排放强度大。全球钢铁行业基于“高炉—转炉”长流程的产量占比约73%，美国仅占30%左右，我国占比高达90%。长流程炼钢以煤炭为主体能源，其碳排放量为短流程的3倍。美国、韩国和日本粗钢碳排放强度分别为1100kg/吨、1300kg/吨和1450kg/吨，我国为1859kg/吨。

过程排放是水泥行业碳减排最大难点。过程排放包括两方面：一是水泥生产过程中碳酸盐（主要来自石灰石）分解产生的CO2，占比约60%；二是水泥生产过程中化石燃料燃烧产生CO2排放，占比约35%。虽然业界在探索原料替代工艺方面取得了突破，但尚未出现能广泛替代石灰石的替代原料、生产工艺或替代性胶凝材料。

石化行业低碳流程再造面临的突出问题是传统燃料型企业向高端化工型企业转型将提高生产流程碳排放强度。此外，同钢铁、水泥等工业行业相比，石化行业低碳减排面临两个突出特点，一是石化行业产品需求呈持续上涨趋势，二是石化行业碳排放总量较低但碳排放强度较高。

（三）我国工业能效水平仍需进一步提高

近年来，我国工业领域节能降耗成效显著。2021年与2012年相比，单位GDP能耗累计降低26.4%，年均下降3.3%；规模以上工业单位增加值能耗累计降低36.2%，年均下降4.9%；吨钢、合成氨生产单耗分别下降9.8%和7.1%。

“双碳”战略目标下，我国工业能效水平仍需提高。截至2020年底，钢铁和水泥行业能效优于标杆水平产能占比分别为6%和5%，低于基准水平产能占比分别为30%和24%。根据2025年重点领域标杆水平产能占比超过30%的目标，工业领域开展大规模能效提升行动迫在眉睫。

（四）快速低碳转型面临较大资产搁浅风险问题

钢铁行业，我国高炉设施（长流程炼钢）投产后平均运行时间约为13年，目前大部分高炉设施运行时间还未达到正常使用年限的三分之一。水泥行业，全球范围内水泥厂平均运行寿命为40年，而我国水泥生产设施20年内新建占比约90%，10年内新建占比约40%。“双碳”背景下，我国工业领域快速推进低碳转型一方面会使现有生产设备的资产搁浅风险上升，另一方面因设备投产年限短，流程再造将进一步抬高企业运行成本。

（五）碳排放数据采集亟须加强，评价体系亟须完善

现阶段我国工业领域碳排放统计数据基础薄弱，不同机构的调查统计存在明显差异，全国性工业企业碳排放和产品碳足迹核算工作处于起步阶段，重点行业亦未建立基于实际生产数据的碳足迹数据库，面向碳减排的具体路径谋划以及应对国家碳边境税缺少基础数据支撑。

三、政策建议

（一）推动工业领域共性关键技术研发

清洁能源技术和C C U S 技术（碳捕集利用与封存）是重点工业低碳流程再造的共性技术。化石能源燃烧是多个重点工业行业碳排放的主要源头，清洁能源技术成为实现工业领域系统性脱碳的核心技术路径，应加速推动可再生能源（光伏、风电）和新型燃料（氢能、生物质能）技术研发及推广应用。此外，CCUS技术作为工业领域脱碳的兜底保障，能够通过碳抵消机制和跨行业利用实现工业领域全生命周期碳减排，应持续开展CCUS技术研发，全面推进工艺流程脱碳与工艺变革。

（二）结合行业特点加快低碳技术研发、示范与推广

针对工业领域不同行业生产流程差异性特征及低碳流程再造面临的关键问题，开展重点行业关键技术研发。

钢铁行业重点研发领域聚焦于短流程炼钢工艺攻关、长流程炼钢工艺改进和前沿颠覆性技术探索三个方面。关键核心技术研发包括：纯氧高炉、高炉喷吹氢气、熔融还原、氢直接还原铁、氢等离子体熔融还原、直接电解等技术。

水泥行业重点研发领域应围绕减少石灰石用量和燃煤消耗的源头减碳技术，并协同采用富/氧煅烧与CO2捕集、利用等前沿技术，实现生产过程的直接降碳和能源消耗的间接降碳。能效提升方面包括熟料烧成节能技术、粉磨系统减排技术和生产数字化技术；燃料替代方面包括生物质燃料替代、固体废弃物燃料替代，以及氢能、电窑炉；低碳水泥配方方面包括降低熟料系数、原料替代等技术。

石化行业重点研发领域围绕生产过程减碳、原料燃料减碳、生产过程零碳。主要技术包括：低碳化石燃料、煤化工耦合制氢、电能加热、组分炼油、低生焦催化裂化、浆态床双氧水、低碳强度芳烃生产等技术。

（三）加快推动能效提升技术应用

加强工业领域重点行业全过程节能管理，从生产装置、换热网络、氢气系统、瓦斯系统、蒸汽动力系统、低温热系统等多层面切入，识别生产过程中的节能减排机遇，推进节能技术、工艺和装备应用，全面提高工业领域能源综合利用效率，有效控制化石能源消耗总量，大幅降低能源资源消耗和碳排放强度。

（四）推进国产化工业软件开发与应用

加快推进流程模拟等国产化工业软件开发与应用，聚焦设计、生产、管理、服务等工业领域智能制造全过程，强化关键核心技术攻关，提升工业软件自主保障能力。将流程模拟、数字孪生、人工智能等技术应用于工业领域重点行业的反应装置、分离系统、换热网络、公用工程等全流程，提升精细化管理水平，助力绿色生产和节能降碳进程。