張凡，王樹眾，李艷輝，楊健喬，孫圣瀚

（1 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院能源戰(zhàn)略與低碳發(fā)展研究中心，四川 成都 610213）

二氧化碳排放所帶來(lái)的氣候變化危機(jī)是全球共同面對(duì)的一大挑戰(zhàn)，將全球平均氣溫上升幅度控制在2℃和1.5℃以內(nèi)的目標(biāo)已成為人類關(guān)于未來(lái)發(fā)展的共同愿景。據(jù)2021年《BP 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，2020年中國(guó)的二氧化碳排放量達(dá)到102.4億噸（含中國(guó)臺(tái)灣、中國(guó)香港），占全球二氧化碳排放量的31.7%。在嚴(yán)峻的碳排放形勢(shì)驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)對(duì)減少二氧化碳排放的關(guān)注日益密切。中國(guó)政府于2020年9月所提出的碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，雖然會(huì)對(duì)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)和能源系統(tǒng)造成極大沖擊，但能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中的開發(fā)潛力也帶來(lái)了新的就業(yè)機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)遇。

自工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)部門（特別是制造業(yè)）在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位，支撐著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。工業(yè)化進(jìn)程不僅深刻影響著社會(huì)思想、社會(huì)結(jié)構(gòu)和世界格局，同時(shí)伴隨著煤、石油和天然氣的迅速消耗，造成二氧化碳的排放量急劇增加。中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)都將制造業(yè)的發(fā)展置于國(guó)家行動(dòng)綱領(lǐng)之中，正由中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興離不開工業(yè)以及高端制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展。但同時(shí)，鋼鐵、化工、建材、石化、有色金屬冶煉作為我國(guó)制造業(yè)的重要組成部分，也是高能耗、高排放（“兩高”）的問(wèn)題行業(yè)，針對(duì)以上行業(yè)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)公布了2021 年版的能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平進(jìn)行約束。因此，制造業(yè)作為碳減排的重要領(lǐng)域，首先需要明確碳排放情況以及碳減排的潛力，從而制定完善且符合發(fā)展規(guī)律的目標(biāo)與相應(yīng)政策；然后需要加強(qiáng)低碳、零碳和脫碳技術(shù)的創(chuàng)新，加快“綠色制造”的轉(zhuǎn)型與相關(guān)部署，推進(jìn)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的愿景目標(biāo)，為減緩全球氣候變化、人類可持續(xù)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

1 中國(guó)制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

自2001 年中國(guó)加入WTO，我國(guó)長(zhǎng)期擔(dān)任著“世界工廠”的角色，現(xiàn)階段我國(guó)在全球經(jīng)濟(jì)體系中的地位與自身發(fā)展階段的需要決定我國(guó)仍將繼續(xù)發(fā)展制造業(yè)。制造業(yè)的發(fā)展勢(shì)必伴隨著能源的大量消耗與二氧化碳排放增多的問(wèn)題，總結(jié)中國(guó)制造業(yè)往年歷史趨勢(shì)與現(xiàn)狀，對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)形勢(shì)、制定實(shí)現(xiàn)碳中和的發(fā)展路徑有著重大意義。

1.1 碳排放來(lái)源復(fù)雜，碳核算方法仍需明確

厘清制造業(yè)碳排放途徑對(duì)于未來(lái)制造業(yè)向低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展至關(guān)重要。整體上講，制造業(yè)的碳排放主要有三種來(lái)源，包括燃料燃燒、報(bào)廢處理、外購(gòu)電力/熱力和工藝過(guò)程，其中尤以生產(chǎn)工藝的碳排放途徑復(fù)雜多樣，如電石法制乙炔工藝中，碳源不僅是石油（或煤）還包括石灰石（CaCO）。常見的二氧化碳排放計(jì)算方法是基于碳排放因子而非即時(shí)監(jiān)測(cè)，見表1。需要注意的是，作為原材料的化石燃料應(yīng)在能耗平衡計(jì)算中進(jìn)行合理扣除，同時(shí)體現(xiàn)出其他含碳原材料的碳排放效應(yīng)。目前，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）忽略了原材料在工藝過(guò)程中的碳排放；中國(guó)碳核算數(shù)據(jù)庫(kù)（CEADs）僅對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程的碳排放進(jìn)行了核算。而大部分的自上而下和自下而上碳排放計(jì)算方法均將碳排放因子設(shè)定為恒定值，并未考慮能效提升對(duì)于碳排放因子的影響。本文碳排放計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源于CEADs。

表1 典型碳排放計(jì)算方法

1.2 支撐著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但能耗高、排放高

制造業(yè)在全國(guó)能耗、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、二氧化碳排放中長(zhǎng)期處于重要且穩(wěn)定地位，見圖1。制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱作用不僅體現(xiàn)在長(zhǎng)期保持在26%以上的GDP 占比，更為重要的是工業(yè)產(chǎn)品支撐著其他各行各業(yè)的發(fā)展、維護(hù)著人民生活和國(guó)家安全。此外，在2020 年整個(gè)工業(yè)增加值的增長(zhǎng)速度為2.4%時(shí)，制造業(yè)3.4%的增長(zhǎng)率明顯領(lǐng)先于采礦業(yè)和電力、熱力、燃?xì)饧八a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)。因此，富有戰(zhàn)略意義和發(fā)展勢(shì)頭的制造業(yè)將持續(xù)保持著重要地位。

圖1 制造業(yè)在全國(guó)能耗、GDP、二氧化碳排放中占比

能耗方面，不同于其他產(chǎn)業(yè)將化石燃料僅作為燃燒供能的使用特點(diǎn)，制造業(yè)在原料供應(yīng)和能源消耗環(huán)節(jié)對(duì)于化石燃料均有著巨大需求，如新冠肺炎疫情的暴發(fā)，使得生產(chǎn)醫(yī)療防護(hù)設(shè)備的原材料——熔噴布的需求迅速增大，而熔噴布的源頭材料則是石油和煤。二氧化碳排放方面，2019 年制造業(yè)占全社會(huì)總排放量的35.8%，是繼電力、熱力供應(yīng)部門（占全社會(huì)總排放量的47.4%）外的第二大碳排放部門，但制造業(yè)總能耗卻高于電力、熱力供應(yīng)部門，說(shuō)明制造業(yè)單位能耗的碳排放強(qiáng)度低于電力、熱力供應(yīng)部門。

與全國(guó)單位GDP 能源消耗和單位GDP 二氧化碳排放相比，制造業(yè)屬于問(wèn)題行業(yè)，見圖2。減小差距的關(guān)鍵在于發(fā)展高端制造業(yè)和綠色制造業(yè)。此外，“十四五”規(guī)劃中明確提出單位GDP能源消耗降低13.5%和單位GDP 二氧化碳排放降低18%的約束性指標(biāo)，這對(duì)于低產(chǎn)值高排放的制造企業(yè)無(wú)疑是沉重打擊，但同時(shí)也是創(chuàng)新型、科技型制造企業(yè)發(fā)展的機(jī)遇。

圖2 全國(guó)與制造業(yè)的能耗強(qiáng)度與碳排放強(qiáng)度

1.3 重點(diǎn)行業(yè)作用明顯，碳減排難度較大

制造業(yè)門類下共計(jì)30 個(gè)大類，但在能源消耗與碳排放方面，鋼鐵、化工、建材、石化及煉焦、有色金屬冶煉行業(yè)表現(xiàn)突出，見圖3。雖然鋼鐵業(yè)受到政府控制產(chǎn)能措施的壓制，但仍體現(xiàn)出耗能大戶和排放大戶的特點(diǎn)?；ば袠I(yè)部分碳元素被固定在化工產(chǎn)品中，而水泥作為建材行業(yè)中最重要的產(chǎn)品，在生產(chǎn)過(guò)程和化石燃料燃燒供能過(guò)程均排放出大量的二氧化碳。因此，即使2019 年化工行業(yè)能耗是建材行業(yè)的1.6倍，但建材行業(yè)碳排放卻是化工行業(yè)的6.8 倍。石化及煉焦、有色金屬冶煉行業(yè)與化工行業(yè)有典型的行業(yè)特點(diǎn)，單位能耗的二氧化碳排放量相對(duì)較低。2014年，5個(gè)行業(yè)的碳排放總量首次出現(xiàn)下降，并在之后的年份保持下降趨勢(shì)，體現(xiàn)出節(jié)能減排工作取得一定成效，但同時(shí)也表現(xiàn)出減排程度不明顯并在2019 年出現(xiàn)反彈的問(wèn)題。由于我國(guó)全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家與持續(xù)推進(jìn)城鎮(zhèn)化的發(fā)展要求，以及基礎(chǔ)設(shè)施的不斷新建與升級(jí)，使得5個(gè)行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品在短期內(nèi)仍將持續(xù)增加。同時(shí)，2021年5月底生態(tài)環(huán)境部發(fā)文將加強(qiáng)對(duì)5 個(gè)行業(yè)的碳排放環(huán)評(píng)與管理，企業(yè)入市難度加大。

圖3 制造業(yè)重點(diǎn)行業(yè)能源消耗量與二氧化碳排放量

1.4 煤炭消費(fèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，電力消費(fèi)逐年上升

大量使用煤炭是造成我國(guó)碳排放量巨大的主要因素。終端能源消費(fèi)方面，煤炭、原油、電力是我國(guó)當(dāng)前主要消費(fèi)的能源類型（2019年分別占48.4%、16.2%、15.5%）。但在一次能源消費(fèi)中，大部分焦炭和電力還是來(lái)源于煤炭。相比2019 年全國(guó)終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，制造業(yè)煤炭消費(fèi)占比較低（35.3%）、原油消費(fèi)占比較高（29.4%）；而焦炭主要用于冶金、鑄造和化工過(guò)程，因此在制造業(yè)中焦炭消費(fèi)占比（13.9%）高于全國(guó)焦炭消費(fèi)（7.6%）。在終端能源消費(fèi)環(huán)節(jié)中，電力消費(fèi)可以認(rèn)為是不產(chǎn)生碳排放的過(guò)程。隨著取消工業(yè)燃煤鍋爐、電力替代工業(yè)用煤消費(fèi)（即煤改電）的轉(zhuǎn)型，制造業(yè)終端煤炭消費(fèi)占比下降，終端電力消費(fèi)占比從2006 年的11.72%提升到2019 年的14.5%，使得終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)趨向低碳發(fā)展。但從全生命周期分析考慮，燃煤發(fā)電的發(fā)展模式無(wú)法滿足“雙碳”目標(biāo)的要求，擴(kuò)大可再生能源發(fā)電比例是能源轉(zhuǎn)型中的一個(gè)重要議題。

2 制造業(yè)減排通用對(duì)策

各機(jī)構(gòu)及研究人員均對(duì)中國(guó)2050 年制造業(yè)碳減排路徑開展了大量研究。清華大學(xué)對(duì)于工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型設(shè)置了4 種情景，見表2，并指出加速電氣化是降低能源消耗過(guò)程碳排放的最有效對(duì)策，而對(duì)于工業(yè)過(guò)程的碳減排則主要依托于工藝革新、原料替代和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。國(guó)際能源署（IEA）對(duì)于中國(guó)的碳中和發(fā)展路徑設(shè)置了實(shí)現(xiàn)“雙碳”承諾和加速轉(zhuǎn)型的兩種情景，其中中國(guó)工業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”承諾情景的碳排放見圖4，并指出碳排放減少的主要因素在于低碳技術(shù)和燃料轉(zhuǎn)型，另外節(jié)能也有部分貢獻(xiàn)。世界資源研究所（WRI）對(duì)工業(yè)部門現(xiàn)有政策情景向強(qiáng)化行動(dòng)情景轉(zhuǎn)型過(guò)程中的減排效果進(jìn)行了分解，見圖5，其預(yù)測(cè)優(yōu)化生產(chǎn)、提升能效分別可貢獻(xiàn)總減排量的20.7%和21.2%。麥肯錫公司預(yù)測(cè)，源頭減量對(duì)制造業(yè)中鋼鐵業(yè)和水泥業(yè)兩大碳排放行業(yè)的減排效果明顯，見圖6。因源頭的需求縮減，使鋼鐵業(yè)和水泥業(yè)在2050 年較2020年減少32.33%，僅次于碳捕集所帶來(lái)的減排效果。雖然各研究結(jié)果對(duì)于減排力度的預(yù)測(cè)有所不同，但調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃、使用清潔能源、碳捕集、工藝過(guò)程優(yōu)化等減排對(duì)策是快速降低制造業(yè)碳排放的重要手段已成為共識(shí)。其中前三類對(duì)策適用于制造業(yè)中的各個(gè)行業(yè)，因制造業(yè)各工藝過(guò)程特點(diǎn)各異，對(duì)于工藝過(guò)程的碳減排對(duì)策將在第3節(jié)進(jìn)行介紹。

表2 清華大學(xué)-工業(yè)部門（不含電力和熱力供應(yīng)）二氧化碳排放預(yù)測(cè) 單位：億噸

圖4 IEA-中國(guó)工業(yè)二氧化碳排放

圖5 WRI-中國(guó)2050年工業(yè)（不含電力和熱力供應(yīng)）減排效果分解

圖6 麥肯錫公司-中國(guó)鋼鐵業(yè)和水泥業(yè)CO2減排路徑圖

2.1 源頭減量與廢棄品回收

源頭減量并不意味著突然減少或關(guān)停“兩高”企業(yè)生產(chǎn)，而是指在符合發(fā)展前提下進(jìn)行供給側(cè)改革。對(duì)于未來(lái)壓減“兩高”產(chǎn)品產(chǎn)量的手段建議以嚴(yán)控新入產(chǎn)能、重組現(xiàn)有配置和逐步壓縮產(chǎn)量為主。在國(guó)務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中也提到，需嚴(yán)控鋼鐵、有色金屬、建材、石油化工行業(yè)產(chǎn)能，加大淘汰落后產(chǎn)能力度。廢棄品回收主要針對(duì)于廢鋼和廢棄塑料。利用廢鋼通過(guò)電爐直接短流程煉鋼比長(zhǎng)流程煉鋼過(guò)程的碳排放量低，預(yù)計(jì)可貢獻(xiàn)鋼鐵業(yè)二氧化碳減排量的20%。而廢棄塑料的回收率僅占9%，大部分塑料被肆意丟棄、填埋或是焚燒，嚴(yán)重污染著土壤、海洋和空氣，對(duì)于人類的健康和其他生物的生存均有極大的傷害。

此外，制造業(yè)復(fù)雜的生產(chǎn)特點(diǎn)使得二氧化碳減排難度相比于電力、熱力行業(yè)更大，因此設(shè)定合理的碳中和時(shí)間尤為重要，不應(yīng)以“一刀切”式的管理措施限制產(chǎn)品生產(chǎn)、截?cái)嘀圃鞓I(yè)的發(fā)展道路。對(duì)此，應(yīng)在建立準(zhǔn)確的碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法（LMDI）等方法明確人口、經(jīng)濟(jì)、能源等驅(qū)動(dòng)因素的作用程度，從而對(duì)各行業(yè)的未來(lái)發(fā)展制定合理的低碳發(fā)展規(guī)劃。

2.2 能源替代

制造業(yè)所排放的一部分二氧化碳是在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，另外一部分主要是由于燃燒化石燃料為生產(chǎn)過(guò)程供能產(chǎn)生的。自2010 年，我國(guó)通過(guò)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，已減少CO總排放量的11%，說(shuō)明能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)具有重要作用。若要實(shí)現(xiàn)碳中和（凈零排放）的目標(biāo)，則需要在終端提升電氣化——以電替代煤，并在電力供應(yīng)側(cè)大幅提升可再生能源比例。2021年，國(guó)際能源署（IEA）在報(bào)告《能源部門實(shí)現(xiàn)2050 凈零排放路線圖》中提出：到2050 年，全球能源供應(yīng)總量的三分之二將來(lái)自可再生能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)電合計(jì)占能源消耗總量的35%。

此外，與可再生電力并列的另一重要分支——?dú)淠艿南嚓P(guān)報(bào)告也為人類未來(lái)零碳發(fā)展提供了方案，如“氫能歐洲”組織的《氫能法案：創(chuàng)造歐洲氫經(jīng)濟(jì)》報(bào)告。氫能產(chǎn)業(yè)由制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和用氫四部分組成，使用氫能具有來(lái)源豐富、過(guò)程高效且清潔、儲(chǔ)運(yùn)方式多樣的優(yōu)點(diǎn)。但Howarth 等研究表明，與化石燃料直接燃燒供能相比，使用灰氫（即化石燃料制得的氫氣）和藍(lán)氫（即化石燃料制得的氫氣+碳捕集）的溫室氣體（CO+CH）總排放量都更大，因此氫能產(chǎn)業(yè)的低碳性是建立在大規(guī)模生產(chǎn)綠氫（即通過(guò)再生能源、核能電解水所制得的氫氣）的基礎(chǔ)上。同時(shí)氫氣體積能量密度低、易爆炸、易泄露的問(wèn)題，也為氫能的發(fā)展路徑增添了更多質(zhì)疑。

2.3 碳捕集、利用與封存

碳捕集、利用與封存（CCUS）作為實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底技術(shù)，保障著碳減排的最后一道防線。碳捕集是指捕集發(fā)電和工業(yè)過(guò)程中所排放的二氧化碳，分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒和化學(xué)鏈燃燒（CLC）技術(shù)，其中CLC 技術(shù)因其碳捕集效率高（96%以上）、能效高、成本低的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。2021年，中歐污染物減排項(xiàng)目擬在中國(guó)建造3MW的CLC技術(shù)平臺(tái)，是目前全球規(guī)模最大的測(cè)試裝置。二氧化碳可利用其物化性質(zhì)作為冷凍劑、調(diào)節(jié)劑、保護(hù)氣等用途，或是作為原料轉(zhuǎn)化合成化學(xué)品。二氧化碳封存主要是利用廢棄油氣藏、不可開采煤層、深部鹽水層等進(jìn)行地質(zhì)封存，利用礦物質(zhì)碳化進(jìn)行地表封存也有部分報(bào)道。但需要注意的是，CO地質(zhì)儲(chǔ)存存在泄露風(fēng)險(xiǎn)，泄露后可能產(chǎn)生環(huán)境危害和安全事故。綜合考慮下，二氧化碳驅(qū)油是既能綠色增產(chǎn)石油采收率，又能實(shí)現(xiàn)二氧化碳封存的新方向。2021年7月，中國(guó)石化開啟建設(shè)我國(guó)最大的CCUS 項(xiàng)目——齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用石化生產(chǎn)過(guò)程中所捕集的二氧化碳運(yùn)輸?shù)絼倮吞镞M(jìn)行驅(qū)油，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳封存，預(yù)計(jì)每年可以減少二氧化碳排放100萬(wàn)噸。

2.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

缺乏高端化、差異化特點(diǎn)的制造業(yè)，終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品同質(zhì)化，進(jìn)而出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩、無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基于新一代信息技術(shù)，與工業(yè)制造相結(jié)合，通過(guò)搭建產(chǎn)業(yè)鏈上下游對(duì)接平臺(tái)、匯聚企業(yè)生產(chǎn)的信息數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，同時(shí)也有利于碳排放的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。新式工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系由產(chǎn)業(yè)層、商業(yè)層、應(yīng)用層、能力層組成，其中產(chǎn)業(yè)層引領(lǐng)商業(yè)層、商業(yè)層指導(dǎo)應(yīng)用層、應(yīng)用層賦能于能力層、同時(shí)下級(jí)層級(jí)支撐著上級(jí)層級(jí)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在帶來(lái)效率的同時(shí)，其開放的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)也伴生了安全隱患。因此，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、平臺(tái)、安全等相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建，是當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。

3 重點(diǎn)行業(yè)低碳生產(chǎn)工藝

制造業(yè)產(chǎn)品豐富、生產(chǎn)工藝繁多，面對(duì)同一種工業(yè)產(chǎn)品可以使用不同的原材料與工藝流程，而面對(duì)同一種原材料也可以有不同的工業(yè)產(chǎn)品與工藝流程。因此，通過(guò)不同的生產(chǎn)工藝或者對(duì)已有工藝進(jìn)行改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)大幅度降低碳排放量。另外，如能在生產(chǎn)工藝中實(shí)現(xiàn)二氧化碳資源化轉(zhuǎn)化利用，將爭(zhēng)取到碳中和的主動(dòng)。鋼鐵業(yè)碳排放量巨大、煤化工和石油煉制工藝復(fù)雜，對(duì)這些行業(yè)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造可以有效減少碳排放。建材（水泥）業(yè)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，因此對(duì)于該過(guò)程的工藝改造難度較大，采用新型原材料替代碳排放強(qiáng)度強(qiáng)的石灰質(zhì)原料是降低碳排放的最有效對(duì)策。有色冶金工藝改造方面，主要圍繞著富氧側(cè)吹熔池熔煉粗銅和新式電解鋁展開，本文不作詳述。

3.1 鋼鐵生產(chǎn)工藝

氫氣直接還原生產(chǎn)鋼鐵技術(shù)是以氫氣替代焦炭作為還原劑，將鐵礦球團(tuán)轉(zhuǎn)化為海綿鐵的生產(chǎn)過(guò)程，是目前從源頭實(shí)現(xiàn)鋼鐵業(yè)碳減排的最佳方案。全球第一個(gè)非化石能源鋼鐵廠——HYBRIT項(xiàng)目于2020 年正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目主要圍繞著氫氣煉鋼和替代燃料兩個(gè)重點(diǎn)展開，該項(xiàng)目與傳統(tǒng)高爐工藝區(qū)別見圖7。燃料的作用在于生產(chǎn)鐵礦球團(tuán)，熱裂解油、氫氣和等離子體可能被用作適應(yīng)于生產(chǎn)工業(yè)球團(tuán)礦的替代燃料。氫氣替代焦炭作為煉鐵的還原劑，可以有效減少高爐的二氧化碳排放，但氫氣煉鋼的減排性是建立在制氫工藝綠色、產(chǎn)量巨大的前提上。

圖7 傳統(tǒng)高爐工藝和HYBRIT工藝流程對(duì)比

此外，生物質(zhì)煉鋼、新型熔融還原工藝和電解鐵礦石工藝等低碳煉鋼技術(shù)不斷發(fā)展成熟，雖然距離工業(yè)化還有一定距離，但未來(lái)也有可能為鋼鐵業(yè)向碳中和轉(zhuǎn)型提供支持。

3.2 煤化工工藝

煤化工工藝減排思路主要是使用清潔能源和利用二氧化碳實(shí)現(xiàn)資源化轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)煤化工方面，主要涉及焦炭、電石、合成氨等產(chǎn)品的制取，不僅環(huán)境污染大而且產(chǎn)品附加值低，正逐步被現(xiàn)代煤化工取代。而合成氨工業(yè)因電化學(xué)合成氨技術(shù)的發(fā)展，也逐步走向低碳化?，F(xiàn)代煤化工方面，其主要產(chǎn)品為人造石油、天然氣、烯烴和乙二醇，2020年總產(chǎn)能約2647 萬(wàn)噸且持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)噸產(chǎn)品二氧化碳排放量高達(dá)4.8～9t，是典型的高碳產(chǎn)業(yè)。煤炭的氫碳比為0.2～1.0，為了獲得利于后續(xù)石油、甲醇等產(chǎn)品合成工藝的高氫碳比（2.05～2.15）合成氣，常會(huì)利用水煤氣變換反應(yīng)將CO 變換為H，隨之生成的CO便會(huì)被排放到大氣中，見式(1)。因此，減少或取消水煤氣變換過(guò)程，通過(guò)可再生電力制取的氫氣來(lái)調(diào)節(jié)合成氣的H/CO比，使得更多的碳元素被固定在化工產(chǎn)品中，可以實(shí)現(xiàn)碳減排的目的。

煤制甲醇是現(xiàn)代煤化工中產(chǎn)能最多的工藝，甲醇也是后續(xù)進(jìn)而制烯烴、汽油、芳香烴等化學(xué)品的中間產(chǎn)物，該工藝的碳排放源主要也是來(lái)自于水煤氣變換和凈化工序。除了補(bǔ)充綠氫方案外，甲醇的合成還可以利用光催化和電化學(xué)的方法，通過(guò)二氧化碳加氫反應(yīng)合成甲醇，見式(2)。高活性和高選擇性催化劑的制備是實(shí)現(xiàn)二氧化碳轉(zhuǎn)化的難點(diǎn)，大連化學(xué)物理研究所制備的二維硫化鉬催化劑具有低溫、高效、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)二氧化碳的大規(guī)模轉(zhuǎn)化利用。

此外，二氧化碳和甲烷重整制合成氣，二氧化碳制烯烴、芳烴等高價(jià)值化學(xué)品也取得了一系列研究與應(yīng)用進(jìn)展，國(guó)內(nèi)二氧化碳化工利用的部分代表項(xiàng)目見表3。

表3 國(guó)內(nèi)二氧化碳化工利用代表項(xiàng)目

3.3 石油煉制工藝

傳統(tǒng)的煉油廠以生產(chǎn)燃料油為主，主要工藝包括常減壓蒸餾、“五朵金花”煉油技術(shù)。在碳中和目標(biāo)下，未來(lái)煉油廠將逐漸走向最大化生產(chǎn)化學(xué)品的發(fā)展方向。隨著煉油廠向化工型改制，加氫裂化和加氫精制工藝將會(huì)成為煉油廠的核心技術(shù)路線，因此煉油廠勢(shì)必增加對(duì)氫氣的需求。與其他需氫行業(yè)相比，煉油廠具有自身在生產(chǎn)環(huán)節(jié)（如催化重整、催化裂化），同時(shí)也會(huì)生產(chǎn)副產(chǎn)品氫氣的特點(diǎn)。此外，氫氣成本是第二成本要素（僅次于原油），優(yōu)化煉化氫氣管網(wǎng)、增加化學(xué)品附加值是未來(lái)煉油廠提升收益的主要方向。

生物燃料是符合低碳發(fā)展理念的燃料油替代品。短期內(nèi)對(duì)于燃料油需求問(wèn)題，生物柴油提供了一種解決方案。目前生物柴油已經(jīng)歷三代發(fā)展，見圖8。其中，微藻因其油脂含量高、生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)之一。此外，也可以將秸稈、畜禽糞便、生活垃圾等廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料或化學(xué)品，既能改善能源結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能減少環(huán)境污染，是化工原料多元化戰(zhàn)略的重要方向。

圖8 常見的生物柴油制備方法

4 結(jié)語(yǔ)

制造業(yè)產(chǎn)品豐富、工藝繁多，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，同時(shí)具有碳排放情況復(fù)雜的特征。適用于制造業(yè)的碳排放核算方法還需進(jìn)一步明確。制造業(yè)雖然具有高能耗、高排放的特征，但卻是連接著自然資源與人類社會(huì)的重要環(huán)節(jié)，與采礦、電力、建筑等行業(yè)關(guān)系密切。制造業(yè)碳排放主要集中在鋼鐵、建材、化工、石化及煉焦、有色金屬冶煉5 個(gè)行業(yè)。能源結(jié)構(gòu)方面，雖電力占比逐年上升，但煤炭依然是主要的能源消費(fèi)。因此，對(duì)制造業(yè)未來(lái)綠色發(fā)展有如下建議。

（1）建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，提倡產(chǎn)品回收利用。旨在從生產(chǎn)端減少產(chǎn)量，提高回收再生產(chǎn)能效。

（2）制定碳減排政策，加快清潔能源部署。旨在淘汰落后產(chǎn)能，構(gòu)建清潔能源體系。

（3）加快低碳技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用。旨在提升工藝能效，并支撐再生能源、CCUS 技術(shù)的大規(guī)模部署。

（4）推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳排放，形成多行業(yè)融合生產(chǎn)體系，并控制無(wú)效產(chǎn)能。