中國重工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型路徑分析

目前，鋼鐵、水泥、化工三個行業(yè)的CO2排放約占全球總排放的18%，總耗能約為33億噸標(biāo)煤 i ，與美國全國一 次能源需求總量相當(dāng)。

1.鋼鐵行業(yè)

金融驅(qū)動重工業(yè)行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型 8 中國是全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費國，2020年國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量為10.65億噸，占全球56.4%8 ，鋼材消費量為9.95 億噸，占全球的56.2%。2020年，中國鋼鐵行業(yè)碳排放約占全國15%，占全球鋼鐵碳排放總量的60%以上9。目 前，國內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)仍以長流程為主，其噸鋼生產(chǎn)碳排放為短流程的三倍左右。未來，國內(nèi)的鋼鐵生產(chǎn)需要向低碳 冶金等方向轉(zhuǎn)型，其碳減排手段則包含能效提升、廢鋼短流程、氫冶金工藝和碳捕集等。 鋼鐵生產(chǎn)中的能效提升主要包含余熱余壓利用、分布式能源耦合等。過去十年，中國鋼鐵行業(yè)在能效提升方面發(fā) 展迅速，重點鋼企噸鋼能耗從2010年的600千克標(biāo)準(zhǔn)煤降至2020年的545千克標(biāo)準(zhǔn)煤。但在對比同樣的工藝流程 時，中國的噸鋼碳排放和能耗與先進國家仍有差距，我國能效水平還存在一定提升空間。

廢鋼短流程是以廢鋼為原料、利用電爐生產(chǎn)粗鋼，是未來鋼鐵低碳轉(zhuǎn)型的主要方向之一。現(xiàn)階段，受制于國內(nèi)廢 鋼資源和電爐產(chǎn)能不足，短流程鋼產(chǎn)量約占全國粗鋼的10%。未來，隨著社會廢鋼和進口廢鋼資源的逐步擴大和 回收體系的完善，短流程工藝得益于其自身在降低對進口鐵礦石的依賴、大幅減少噸鋼碳排放方面的關(guān)鍵作用， 將在中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的位置。

氫冶金主要分為高爐噴吹氫氣和氫氣直接還原鐵。其中，高爐噴吹氫氣可對現(xiàn)有的高爐資源進行有效利用，從而 避免年輕資產(chǎn)大規(guī)模擱淺，并通過使用氫氣替代部分噴吹煤和焦炭來降低碳排放。而直接還原鐵的減碳潛力大， 氫氣可將球團礦直接還原成固態(tài)海綿鐵，在使用綠氫的情況下，減排潛力可達到95%。短期內(nèi)，高爐噴吹氫氣將 是行業(yè)的發(fā)展重點，而直接還原鐵目前尚處于試點階段，預(yù)見將在中長期實現(xiàn)更大規(guī)模投產(chǎn)。 碳捕集在鋼鐵行業(yè)的主要應(yīng)用場景是對高爐-轉(zhuǎn)爐路徑中生成的二氧化碳進行捕集用于利用或封存。鋼鐵行業(yè)受 其自身工藝特點影響，排放源較多且濃度較低，碳捕集的難度和成本高。高爐氣的二氧化碳含量相對轉(zhuǎn)爐等其他 工序較高，可優(yōu)先作為捕集對象，但冶金行業(yè)的碳捕集整體仍屬于高成本技術(shù)。 此外，電解鐵礦石等新興技術(shù)如果能在中期大幅提升其技術(shù)成熟度，并有大規(guī)模成功試點落地，也將有可能在鋼 鐵行業(yè)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)中扮演重要角色。電解鐵礦石是直接利用電能在高溫或低溫的情況下將鐵礦石還原為鐵，但目前 國內(nèi)尚未有試點或規(guī)劃，因此未來發(fā)展存在不確定性。

近期（2020-2030年）：鋼鐵行業(yè)主要依靠能效提升和廢鋼短流程的規(guī)模化發(fā)展實現(xiàn)碳減排。國家、行業(yè) 的相應(yīng)政策中對超低排放改造、噸鋼能耗及短流程煉鋼發(fā)展等方面的要求也將進一步加速相關(guān)技術(shù)部署。 2022年1月，工信部發(fā)布了《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，要求力爭在2025年80%以上鋼 鐵產(chǎn)能完成超低排放改造，噸鋼綜合能耗降低2%以上，確保在2030年前實現(xiàn)碳達峰。2022年7月工信部 等三部委發(fā)布的《方案》指出，到2025年，廢鋼鐵加工準(zhǔn)入企業(yè)年加工能力超過1.8億噸，短流程煉鋼占 比達15%。

中期（2030-2040年）：產(chǎn)量控減、廢鋼短流程成為降碳的主要抓手，氫冶金和碳捕集逐漸進入商業(yè)化 階段。2030年后鋼鐵行業(yè)將從產(chǎn)量平臺期進入產(chǎn)量下降期，預(yù)計到2040年粗鋼產(chǎn)量將下降至7.8億噸/ 年，將對鋼鐵行業(yè)的優(yōu)化發(fā)展和落后產(chǎn)能淘汰提出更高要求。2040年，廢鋼的可獲取量將進一步擴大， 回收比例和質(zhì)量也將不斷提高，預(yù)計短流程鋼將擴大產(chǎn)能達到3.1億噸/年。2040年，在氫氣成本降低、 碳價、設(shè)備規(guī)模擴大等因素的驅(qū)動下，氫氣直接還原鐵和碳捕集技術(shù)路線將逐漸進入商業(yè)化試點階段， 路線產(chǎn)量占比將各達到7%，共貢獻每年約1.08億噸的鋼鐵產(chǎn)量。2040年，鋼鐵行業(yè)的碳排放總量預(yù)計 為8.5億噸/年，噸鋼碳排放可以降至1.1噸CO2/噸粗鋼11。

遠期（2040-2050年）：產(chǎn)量控減、廢鋼短流程仍將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，氫冶金和碳捕集將發(fā)揮更大作 用，助力實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。2050年粗鋼產(chǎn)量預(yù)計為6.2億噸/年，相較2040年減少20%。短流程產(chǎn)能有望 支撐高達60%鋼鐵產(chǎn)量，廢鋼需求量將達到4.1億噸/年。氫氣直接還原鐵和碳捕集技術(shù)將實現(xiàn)規(guī)模化，可 分別達到總鋼鐵產(chǎn)量的近20%，即2.4億噸/年左右的產(chǎn)量規(guī)模。2050年，鋼鐵行業(yè)的碳排放總量預(yù)計為 1.9億噸/年，噸鋼碳強度可以降至0.3噸CO2 /噸粗鋼。

2.水泥行業(yè)

中國的水泥生產(chǎn)和消費量位于全球第一，2021年共生產(chǎn)水泥23.63億噸，占世界的57%；消費量也占全球一半以 上 12。從碳排放的角度出發(fā)，2020年，中國水泥行業(yè)CO2排放量為13.7億噸，僅次于電力和鋼鐵行業(yè)。目前，水 泥行業(yè)脫碳正面臨來自過程減排與燃料替換的雙重挑戰(zhàn)。首先，水泥生產(chǎn)過程中由碳酸鹽分解產(chǎn)生的過程排放約 占全行業(yè)排放（范圍一與范圍二）的60%。作為水泥生產(chǎn)的核心原材料，目前市場上尚不存在可以大規(guī)模替代現(xiàn) 有工藝的路徑，也不存在水泥的大規(guī)模替代品。其次，水泥生產(chǎn)高度依賴化石燃料，煤炭在水泥工業(yè)中的熱值占 比95%以上。 水泥行業(yè)要實現(xiàn)完全脫碳，必須采用綜合措施，包括從需求端降低水泥消耗、創(chuàng)新低碳水泥品種、加大低碳能源 在燃料及電力中的替代率，以及推廣碳捕集與封存利用技術(shù)以抵消難以消除的過程排放。

目前，國內(nèi)的水泥生產(chǎn)能效水平已位于國際前列，但還有進一步提升空間。目前常用的水泥節(jié)能技術(shù)有熟料燒成 節(jié)能減排技術(shù)、粉磨系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)、水泥生產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)三種。基于這些技術(shù)應(yīng)用，當(dāng)前，我國水泥熟料單 位產(chǎn)品綜合能耗在98~136千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸（2.9~4.0GJ/t）之間，與歐美水平持平或更優(yōu)。然而，仍有部分能耗 較高的企業(yè)達不到國家標(biāo)準(zhǔn)的限定值，急需技術(shù)改造。如果能將全國水泥生產(chǎn)線從目前的熟料綜合能耗3級標(biāo)準(zhǔn) 提升為1級，則可減少約14%的能耗與排放。 燃料替代發(fā)展尚處初級階段，但提升空間巨大。從燃料替代技術(shù)路徑看，近期可使用固體廢物燃料、生物質(zhì)燃 料，遠期可考慮氫能、電力等其他新型燃料。固體廢棄物燃料是較適合水泥行業(yè)的燃料替代方案。但中國水泥工 業(yè)的替代燃料發(fā)展較晚，水泥生產(chǎn)的熱替代率較低，相比部分歐洲國家水泥行業(yè)50%以上的比率仍有較大提升空 間。

碳捕集、封存與利用是水泥碳中和的必要技術(shù)。碳捕集技術(shù)中的液體化學(xué)吸收技術(shù)、鈣循環(huán)技術(shù)、第二代富氧 燃燒和LEILAC技術(shù)在水泥行業(yè)中均有較好的推廣價值。但目前大規(guī)模采用CCUS還面臨著不少挑戰(zhàn)：一方面， 水泥廠地理分布較分散，不利于集中建設(shè)CCUS設(shè)施，且增加了CO2運輸成本；另一方面，水泥窯煙氣中的CO2 濃度通常低于30%，捕集能耗與成本較高。未來，隨著技術(shù)成熟與規(guī)模化效應(yīng)展現(xiàn)，CCUS有可能成為水泥行業(yè) 實現(xiàn)碳中和的核心技術(shù)之一。CO2還可以與下游混凝土結(jié)合生產(chǎn)建筑材料，并在地質(zhì)封存、化工合成等場景中得 以應(yīng)用。 另外，采用熟料替代、原料替代、創(chuàng)新低碳水泥品種也可實現(xiàn)減排目的。低碳新型水泥具有燒成溫度低、碳排 放低的特點，有望在未來占有更高的市場份額。但由于新型水泥技術(shù)的成熟度和應(yīng)用潛力具有不確定性，本文 不做重點分析。

近期（2020-2030年）：水泥行業(yè)減碳主要依靠降低水泥產(chǎn)量和提升能效來實現(xiàn)行業(yè)碳排放的盡早達峰。2022 年2月，國家發(fā)改委發(fā)布的《指南》包括《水泥行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施制指南》，要求到2025年，水泥行業(yè) 能效標(biāo)桿水平以上的熟料產(chǎn)能比例達到30%，能效基準(zhǔn)水平以下熟料產(chǎn)能基本清零，因此十年內(nèi)水泥行業(yè)仍需 大量部署節(jié)能技術(shù)。未來，熟料燒成和智能化節(jié)能技術(shù)普及率將從目前的30~40%提升到90%以上。2022年7月 工信部等三部委發(fā)布的《方案》指出，建材行業(yè)到2030年原燃料替代水平要大幅提高，并突破包括氫能煅燒在 內(nèi)的低碳技術(shù)。因此，預(yù)計下一步也會開始初步推廣將生物質(zhì)和固廢燃料作為替代性燃料，以此來逐步降低行 業(yè)對煤炭的依賴。到2030年，預(yù)計水泥生產(chǎn)燃料熱能的5%左右會被固廢燃料替代；氫能和電力技術(shù)仍處在開發(fā) 階段。早期水泥生產(chǎn)用燃料熱值的約5%將被固體廢物燃料所取代。CCUS項目進入開發(fā)和示范階段；到2030 年，約2%的水泥碳排放可使用CCUS捕集。 中期（2030-2040年）：產(chǎn)量控減、替代燃料和CCUS將共同推動水泥行業(yè)減排。節(jié)能技術(shù)在這一時期減碳作用 將大幅下降，除仍需在部分發(fā)展不平衡地區(qū)進一步推廣外，節(jié)能技術(shù)的普及率可以接近100%。隨著廢棄物的收 集、分類和預(yù)處理實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化，到2040年，固廢燃料將基本實現(xiàn)量產(chǎn)，可實現(xiàn)約15%的燃料熱值替 代。氫能和電力制水泥技術(shù)將開展試點和示范，并在部分新建窯爐中的采用過程中替代約2%的熱值。CCUS技 術(shù)已逐漸成熟，能捕集約10%的水泥碳排放。

遠期（2040-2060年）：替代燃料和CCUS將在水泥行業(yè)減排中發(fā)揮更大作用。此時CCUS和替代燃料體現(xiàn)出較 強的經(jīng)濟性，零碳水泥將與碳價機制相結(jié)合顯示出其成本優(yōu)勢。到2050年，水泥行業(yè)中有40%的CO2排放可以 被捕集。2040年之后基于新型窯爐結(jié)構(gòu)的技術(shù)如氫煅燒、電力窯、LEILAC等將在更大程度上得到應(yīng)用，到2050 年固廢和氫能綠電將分別替代28%、10%左右的燃燒熱值。2050-2060年，氫能與電力等新型替代燃料技術(shù)將 成熟并實現(xiàn)商業(yè)化，CCUS技術(shù)將得到全面推廣。在這個階段，固廢和氫能綠電將分別實現(xiàn)45%、25%的熱值替 代率。在水泥行業(yè)產(chǎn)生的的CO2排放中有90%可以被捕集。水泥行業(yè)的CO2凈排放以及水泥產(chǎn)品的碳強度將接近 凈零水平。

3.石化和化工行業(yè)

石化和化工是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，也是主要重工業(yè)行業(yè)之一。近年來，隨著我國工業(yè)擴張與生活水平的提升， 化工品的供給與需求均實現(xiàn)高速增長。中國石化和化工行業(yè)每年約排放13億噸CO2，占全國碳排放總量的13%、 工業(yè)碳排放總量的20% 13。石化和化工行業(yè)產(chǎn)品類別多樣且復(fù)雜，本文以合成氨、甲醇和乙烯三個代表性產(chǎn)品為 例，對該行業(yè)的碳減排路徑進行分析。 石化和化工行業(yè)脫碳面臨的主要挑戰(zhàn)來自原燃料低碳化和需求量上漲。我國化工品的生產(chǎn)高度依賴化石能源，進 而導(dǎo)致化工產(chǎn)品碳含量較高，加劇了石化和化工行業(yè)在脫碳過程中所面臨的的挑戰(zhàn)。與此同時，隨著國內(nèi)經(jīng)濟水 平和國民生活品質(zhì)的提升，中國對于化工產(chǎn)品需求總量有較大的增長空間，高端化工產(chǎn)品的對外依存度會不斷下 降，產(chǎn)能則將持續(xù)增加，因此石化和化工行業(yè)碳中和之路相較產(chǎn)量下行的行業(yè)將面臨更大壓力。

石化和化工行業(yè)的碳中和路徑主要從供給側(cè)和消費側(cè)兩個維度開展。在供給側(cè)，碳排放主要來自反應(yīng)過程和能源 消耗，減碳路徑除了傳統(tǒng)的節(jié)能增效之外，原料替代、燃料替代和CCUS等末端治理技術(shù)也將帶來極大的減排潛 力。在消費側(cè)，減排的重點則是減少對能耗密集型產(chǎn)品的依賴，并通過消費減量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源循環(huán)利用 等手段進一步提升資源化利用水平。未來，節(jié)能措施仍將貢獻一定的減排潛力；但能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源循環(huán)利 用、末端捕集封存是實現(xiàn)零碳發(fā)展的必要途徑。 節(jié)能技術(shù)中，余熱余壓回收利用、蒸餾系統(tǒng)能效提升、循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化等是較為常見的技術(shù)選擇。以合成氨為 例，中國對主要高耗能產(chǎn)品單位綜合能耗水平的要求已從2005年的1460千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸降至2020年的1264千克 標(biāo)準(zhǔn)煤/噸，累計降幅約為15%。未來，能量轉(zhuǎn)化效率、余熱余壓回收利用、過程熱集成水平等技術(shù)的進一步提 升，將為石化和化工行業(yè)節(jié)能降碳改造升級注入較大潛力。

綠氫的制儲運技術(shù)是石化和化工行業(yè)減排的重要技術(shù)，將大幅降低化工原料中氫的碳排放。石化和化工行業(yè)是氫 氣的重要消費部門。以生產(chǎn)合成氨和甲醇為例，它們消耗的氫氣約占氫氣總產(chǎn)量的60%14，發(fā)展綠氫將為石化和 化工生產(chǎn)帶來極大的減排潛力。2020年，我國產(chǎn)氫中煤制氫、天然氣制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫的占比為62%、19%、 18%，而綠氫占比僅為1%14。現(xiàn)階段綠氫發(fā)展的主要障礙是成本。未來，隨著電解槽成本的進一步下降、電解 效率的提升、電力成本的降低，可使綠氫成本具有競爭力，并逐步替代化石能源氫。 碳捕集技術(shù)在石化和化工行業(yè)的應(yīng)用具有較大優(yōu)勢，這主要得益于石化和化工生產(chǎn)中排放的高濃度二氧化碳使單 位捕集成本更具經(jīng)濟性。以合成氨為例，2020年約有77%的產(chǎn)品來自以煤為源頭的生產(chǎn)路徑13，此路徑下生產(chǎn)1 噸合成氨將排放4.2噸二氧化碳15。由于降低了CO2純化成本以及規(guī)模經(jīng)濟性，高濃度CO2使碳捕集單位成本更 低。未來隨著碳價對高耗能、高排放行業(yè)的約束，碳捕集技術(shù)不僅可以為企業(yè)節(jié)省環(huán)境成本，還可以在將捕集的 二氧化碳從工業(yè)排放源分離后直接加以利用，為有機化學(xué)品提供碳源的同時減少煤炭的消耗。

近期（2020-2030年）：石化和化工行業(yè)的減碳以節(jié)能增效技術(shù)和淘汰落后產(chǎn)能為主，并重點培育前 沿技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。2022年國家發(fā)改委發(fā)布的《指南》中對合成氨、現(xiàn)代煤化工、乙烯等行業(yè)分別提出 了更高的發(fā)展目標(biāo)。在能效方面，要求到2025年，合成氨行業(yè)、煤制甲醇行業(yè)能效標(biāo)桿水平以上產(chǎn)能 比例分別達到15%、30%，能效基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能基本清零；乙烯行業(yè)在提升規(guī)模化水平、原料結(jié)構(gòu) 輕質(zhì)化、低碳化發(fā)展的同時，實現(xiàn)行業(yè)標(biāo)桿產(chǎn)能比例達到30%以上，能效基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能有序開展 改造提升。在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，加快節(jié)能裝備、余熱余壓利用、能量系統(tǒng)優(yōu)化等成熟工藝應(yīng)用；同時將 培育綠色能源、綠氫的耦合利用、電氣化等前沿技術(shù)的應(yīng)用與示范。預(yù)計到2030年，綠氫替代灰氫為 石化和化工生產(chǎn)提供原料的生產(chǎn)路徑在合成氨和甲醇行業(yè)的普及率有望達到20%。碳捕集技術(shù)在石化 和化工中的應(yīng)用相對較成熟， 2030年在合成氨、甲醇、乙烯生產(chǎn)中的普及率分別可達20%-30%13 。 中期（2030-2040年）：綠氫和碳捕集技術(shù)的成熟度和經(jīng)濟性會有顯著提升，將在石化和化工行業(yè)中 實現(xiàn)普遍應(yīng)用。預(yù)計到2040年，石化和化工產(chǎn)品生產(chǎn)路徑更加低碳化，綠氫制合成氨、甲醇的路徑將 成為新產(chǎn)能的最優(yōu)選擇，在合成氨和甲醇行業(yè)的普及率有望達到40%13。與此同時，綠色甲醇制乙烯 的生產(chǎn)路徑也有望實現(xiàn)小規(guī)模應(yīng)用。碳捕集技術(shù)在合成氨、甲醇、乙烯生產(chǎn)中的普及率進一步提升， 最高可超過40%。節(jié)能增效技術(shù)與落后產(chǎn)能淘汰等傳統(tǒng)手段也將繼續(xù)發(fā)揮減碳潛力。

遠期（2040-2050年）：綠氫和碳捕集技術(shù)將在石化和化工行業(yè)中實現(xiàn)約90%的普及率，推動石化和 化工行業(yè)實現(xiàn)近零排放13。到2050年，隨著老舊產(chǎn)能的退出與綠氫的市場化發(fā)展，新增石化和化工產(chǎn) 能將以綠氫為原料的生產(chǎn)路徑為主，綠氫路徑在合成氨和甲醇行業(yè)的普及率有望分別達到70%和 60%13。雖然仍有部分在運行或新增的產(chǎn)能以化石能源為原料，這些產(chǎn)能也將通過安裝碳捕集裝置實 現(xiàn)降碳目標(biāo)。乙烯行業(yè)以石腦油和輕烴為原料的生產(chǎn)路徑也將配備碳捕集裝置，并實現(xiàn)70%的普及 率；近20%的乙烯產(chǎn)能將由綠色甲醇聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)零碳化13。到2050年石化和化工行業(yè)的過程排放將實 現(xiàn)近零排放。