碳中和約束下綠色減排體系的構建

田原宇，喬英云，張永寧

（中國石油大學（華東）化學工程學院，山東青島266580）

氣候變化是事關人類前途命運的共同挑戰，盡管全球氣溫升高是人為活動的結果或是自然周期變化尚在科學上存在不確定性，但氣候變化已是國際政治的核心議題，減排CO等溫室氣體既是國際潮流又是大勢所趨。2016 年175 個國家共同簽署的《巴黎協定》明確提出“到本世紀末，將全球平均溫升保持在相對于工業化前水平2℃以內，并為全球平均溫升控制在1.5℃以內付出努力，以降低氣候變化的風險與影響”后，越來越多的國家政府正在將其轉化為國家戰略，提出了無碳未來的愿景及其碳中和的目標。2020 年9 月22 日，習近平主席代表中國莊嚴承諾“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，爭取在2060 年前實現碳中和。”中國的新氣候目標和愿景彰顯了中國積極應對氣候變化、走綠色低碳發展道路的堅定決心，體現了中國構建人類命運共同體的責任擔當，但如何準確理解碳中和、選擇適合國情的碳減排方案成為破解我國經濟社會高質量發展、生態文明建設和應對氣候變化三贏難題的關鍵。

1 碳中和與溫室因子綠色減排體系解析

經濟活動只要消耗資源和能源，必然會產生碳排放，沒有絕對的零碳排放過程。工業化以前，自然界中碳循環過程基本平衡。大氣中所含的CO被陸地和海洋中的植物吸收，經光合作用轉化為有機物，并放出氧氣；然后有機物通過生物或地質過程以及人類活動消耗氧氣，又以CO的形式返回大氣中，基本達到了碳循環平衡。然而工業化以來，化石能源使用量劇增與使用效率低下，每年全球工業CO排放量增加至約300億噸，加之因人類活動、森林和農田退化，生物固碳量大幅降低，CO出現了約44%的過剩，自然界碳循環遭到破壞，逐年累計造成全球變暖。據測算，大氣中的CO濃度從工業化時期（1750 年）的277μL/L 增加到2019 年的415μL/L，聯合國政府間氣候專門委員會（IPCC）認為由此產生的溫室效應將為人類帶來海平面上升、冰川融化、熱浪侵襲、暴風雨和水災、干旱、疾病、經濟問題、沖突和戰爭、生物多樣化喪失、破壞生態系統等生存危機，CO成為世界各國亟待減排的溫室氣體。

然而CO又是光合作用必不可少的原料，每消耗22 噸CO將生產15 噸有機物和16 噸O；同時CO濃度增高有利于光合作用的進行和作物產量的提高。有機物是人類吃穿住行的基石，包括石油、煤和天然氣等化石能源也是千萬年前有機物的衍生物；氧氣又是人類生存的必需品。我國僅農業方面，2020年我國糧食總產量66949萬噸，加上秸稈的生物質生產總量達到了16 億噸，生物固碳消耗的CO高達23.5 億噸，同時釋放出了17 億噸O。按目前我國中低產田占耕地總面積70%，未來通過有效開展耕地質量保護與提升行動，我國糧食總產量將達到10 億噸，確保了我國的糧食安全，屆時生物固碳量將達到35億噸CO。

因此，CO具有“既是亟待減排的溫室氣體，又是人類生存必不可少的可再生資源”的雙重性，決定了CO減排目標應是實現CO排放與吸收平衡的凈零排放（碳中和，carbon neutral），而不是CO禁排或“零碳排放”，同時不可能也不能達到零碳排放；未來綠色低碳能源體系必定是以新能源、可再生能源和儲能為主，煤、油和氣保障的多元能源生產體系。由于碳排放問題實質上主要是能源問題，只有疏堵結合，才有可能積極穩妥地破解世界性的碳減排難題。一方面需要通過能源供應端綠色低碳化轉型，在確保能源安全前提下優先大力發展新能源和可再生能源、減量低碳化發展化石能源，從而降低碳排放總量；再一方面，需要在能源消費端通過全生命周期的節能提效降耗，降低能源消耗總量，從而減少碳排放總量；另一方面，需要在固碳端通過碳循環與捕集利用（carbon circle and capture utilization，3CU），從而消除必須排放的CO，高效低成本地實現碳中和。如果不計成本和效率、脫離實際，一味地強調碳減排，甚至向“無碳化”發展引導，那么不僅會破壞自然界中碳循環和氧循環的平衡，而且累積效應會使氧濃度降低到人和動物以及好氧生物不能承受的地步，從而引起更大的生態災害。鑒于氫能為二次能源、體積能量密度過低、封閉空間安全性以及生產/儲運/使用全生命周期低效性等，氫能應做實基礎研究和強化技術研發儲備，慎重推廣應用和發展。

另外，除了二氧化碳（CO?）外，能夠引起全球變暖和氣候變化的主要溫室氣體和氣溶膠還有水蒸氣（HO）、甲烷（CH）、氧化亞氮（N?O）、臭氧（O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF）以及霧、煙、塵埃等微粒物。水蒸氣是導致溫室效應的首位溫室氣體，在大氣中其濃度高出CO近兩個數量級、溫室效應是CO的4倍，水蒸氣所產生的溫室效應占整體溫室效應的60%～70%；其次是CO，目前濃度約為415μL/L，大約占整體溫室效應的26%；其他溫室氣體濃度更低，但能引起溫室效應卻比CO作用大很多，其CO當量見表1。

表1 溫室氣體的CO2當量[2]

微粒物主要來源于工業生產、加工過程、各種鍋爐或爐灶排出的煙塵以及汽車排出的污染物及由它轉化成的二次污染物，其溫室效應是二氧化碳的4000 多倍，而且黑碳類氣溶膠對冰川加速融化、暴雨和干旱等氣候變化標志性現象產生的影響要遠大于溫室氣體提高氣溫造成全球變暖的影響。2008—2017 年，本文作者帶領課題組在大雪降后放晴時連續10年利用學校體育場的室外乒乓球臺，通過雪面拋灑炭黑粉、窗玻璃吸附的塵埃、粉煤灰以及在雪層上設置利用紙箱和塑料薄膜制取的小型溫室，測試降雪的融化速度。實驗結果均證實，在同樣光照下，利用紙箱和塑料薄膜制備的溫室內溫度比環境溫度高2～3℃，10cm 左右的雪層從早晨8點到下午16 點融化不到一半；拋灑炭黑粉、窗外玻璃吸附的塵埃、粉煤灰的雪層2～3h 均已融化，融化的雪水并不能帶走這些黑碳類固體顆粒。這與中國科學院青藏高原研究所徐柏青研究員等與美國國家宇航局科學家合作完成“隨雪花從天而降的黑碳加速了青藏高原冰川的融化；而且融化的雪水并不能帶走黑碳，世界屋脊的命運將因黑碳的積累而不斷惡化；最近二十年，青藏高原冰川開始融化的時間明顯提前，而融化的持續時間更長，這其中天生吸熱的黑碳難辭其咎的研究結論相似，黑碳‘破壞力’會隨著積雪消融而不斷增強，當表層降雪流失殆盡，黑碳順勢滑入下一層積雪，繼續‘搞破壞’，并加速積雪的融化”。鑒于不同溫室因子來源、效應、調控方式、環境影響與危害各不相同，因此構建區別對待、分類處置、降污減碳的溫室因子綠色減排體系（見表2），避免碳中和概念的擴大化，是積極、謹慎、穩妥應對全球氣候變化的適宜途徑。

表2 溫室因子綠色減排體系

由于現有應對全球氣候變化的減排體系并不是以濃度最高、影響最大的首位溫室氣體水蒸氣為主要目標，而是以濃度排在第二位的CO作為核心目標，加之全球氣候自然周期變化的影響，使得國際碳減排行動頗受爭議。但由于上述溫室氣體和微粒物主要來源于工業生產、加工過程、各種鍋爐或爐灶排出的污染氣體和煙塵以及汽車排出的污染物及由它轉化成的二次污染物，在碳中和約束下實施“污染溫室因子禁排、CO凈零排放、調控CH產生和排放”的綠色減排方案，不論未來碳減排措施對應對氣候變化的效果是否有效，均能體現我國構建人類命運共同體的責任擔當，強有力地促進我國能源綠色低碳轉型、產業轉型升級和生態文明建設，確保社會經濟可持續高質量發展。

2 碳中和約束下綠色碳減排體系的構建

實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的、從工業文明向生態文明邁進的經濟社會系統性變革，需要從國家宏觀層面強化頂層設計到各行各業微觀層面統籌規劃、依據區域和產業特性，實施疏堵結合、積極穩妥的綠色碳減排，建設資源節約和循環型社會，確保實現經濟社會高質量發展、生態文明建設與應對氣候變化的三贏。

2.1 國家宏觀層面的碳減排措施

國家碳減排的相關政策體系、國家超級工程和行動是全社會協同實現2060 年前碳中和的基石和保證，也為生態環境保護、能源綠色低碳轉型、生態文明建設等提供了法理依據。

國家制定的《中華人民共和國節約能源法》《中華人民共和國可再生能源法》《中華人民共和國大氣污染防治法》《可再生能源中長期發展規劃》《中華人民共和國清潔生產促進法》等系列法律、規范和條例，為我國實現“30·60雙碳目標”提供了統一的行為標準和規范，奠定了堅實的基礎。如鼓勵發展電動汽車、光伏發電、風力發電、能源消費總量和強度雙控以及《當前國家重點鼓勵發展的產業、產品和技術目錄》《產業結構調整指導目錄》和《國務院關于加快培育和發展戰略新興產業的決定》等政策，為我國實現從煤炭時代向低碳電氣化時代跨越轉型提供了強勁的動力，促進了我國能源結構由高碳型向低碳型升級，引導實現“30·60雙碳”目標。在全國進行碳排放權交易試點為生態產品價值的實現提供了保障機制，也為“青山綠水就是金山銀山”的理念提供了依據，同時也是實施綠色碳減排的基石和保障。

基于我國區域和行業發展仍存在較大差距，為了確保經濟社會高質量發展，今后“雙碳”工作應著眼全局，從總體上算大賬：先確定我國現有農業、林業、草業和海洋等的生物固碳量，預測未來5～40年可能增加的潛在生物固碳量；再有效預估我國在碳達峰時化石能源消費量以及能源消耗總量，合理預測在碳中和時的化石能源消費量及其能源消耗總量，設計構建我國自主的多元綠色低碳能源體系的技術路徑；最后合理確定我國不同時期CO排放量上限，并根據經濟社會發展需求和低碳技術發展水平合理制定年度CO排放總量指標和減碳任務。作為發展中大國，鋼鐵、水泥、石化、建材等高耗能高排放產業對我國產業鏈的安全具有不可或缺的重要地位，不能為了減碳而盲目地一刀切。只有落后技術，沒有夕陽產業，國家相關部門應堅持全國一盤棋通盤考量，統籌考慮不同地區、不同行業、不同企業發展實際，定期出臺各行各業的《國家重點鼓勵發展、限制和淘汰的產業、產品和技術目錄》，引導各地按照區域資源特性分類施策，積極穩妥推進技術升級換代，做到產業上有保有壓，地區上有先有后，為西部地區預留一定發展時間和空間，與東部、中部地區實現梯度達峰，支持其發揮可再生能源豐富的優勢，通過承接東中部地區高載能產業轉移以及延伸產業鏈、提高產品附加值等方式帶動區域經濟高質量發展，這也有助于保障國家能源安全，一二三產業平衡發展，確保產業鏈的供應鏈安全。

國家超級工程是我國集中力量辦大事的體制優勢，是從宏觀層面大時空、多方位、可持續實施綠色碳減排的關鍵和保障。三峽工程、高鐵及其鐵路網絡建設、西電東送及其特高壓輸送、南水北調、西氣東輸等系列超級工程不僅有助于能源綠色低碳轉型，而且從宏觀層面為實現節能減排和生態環境保護、經濟社會高質量發展以及應對氣候變化等提供了多方位的保證，利遠大于弊。如規劃中的藏水入疆工程，不僅可以利用雅魯藏布江的水位差梯級發電，強化和調控流經江河的水力發電能力，僅墨脫地區梯級電站為我國提供(6000～7000)萬千瓦的優質、廉價和穩定的低碳電力，按275g/kWh 標煤計算，每年將減少煤電消耗(1.32～1.54)億噸標煤，減少CO排放(3.30～3.85)億噸以及粉塵(231～269.5)萬噸、SO(990～1155)萬噸、NO(577.5～495)萬噸，而且調水600億噸到西部地區，在改善送水沿途和接水地區的生活、生產和環境治理用水狀況的同時，通過蒸發和降雨的水循環途徑還提高了西北地區的年降雨量，改善西北地區干旱半干旱的不利氣候和環境，低成本快速解決西部地區干旱缺水、生態環境惡化、荒漠化等難題，使西北生態環境逐步恢復到唐漢以前的狀態；同時又能大幅度提高有效耕地面積、糧食/森林/牧草產量以及生物固碳量，實現高質量發展社會經濟、生態文明建設和應對氣候變化的三不誤。

2.2 微觀層面的綠色碳減排模式

目前各行各業只有通過源頭上避免高碳排放、過程中控制碳排放、末端強化碳循環與捕集利用的全過程碳減排方案，以節能降耗和生物固碳為抓手，疏堵結合，依靠能源綠色低碳轉型，才能高效、低成本、可持續地實現低碳化，滿足自然界的碳循環和氧循環的平衡，確保經濟社會高質量發展、生態文明建設與應對氣候變化的三贏。

2.2.1 加快能源綠色低碳轉型，選擇低碳原料和變革性低碳技術，從源頭上避免高碳排放

目前我國化石能源占一次能源消費比重為85%，產生的碳排放約占全社會碳排放總量的87%。實現碳達峰、碳中和的關鍵是能源綠色低碳轉型，進行現有能源結構的“加減法”調整，使以煤為主的化石能源時代向低碳電氣化時代跨越。依據我國能源稟賦，進行水能/光能/風能/生物質能和地熱能等可再生低碳能源、廢棄物循環能源以及儲能技術的擴量提效降本，優先大力發展（加法）；煤、油和天然氣等高碳化石能源穩步減量低碳化和原料化，作為兜底與調峰能源（減法）；把合適的能源以合適的技術生產合適的產品用到合適的地方發揮合適的作用，構建以非化石能源為主體的新型電力體系，實施能源結構綠色低碳轉型，最大化地從源頭上降低碳排放，這是我國實現“2030 年前碳達峰和2060年前碳中和”目標的關鍵和基礎。

變革性低碳技術應是著眼于原料低碳化以及技術全生命周期高效清潔化的突破性、顛覆性技術，能使能源利用效率大幅提高，有效降低原料和能源消耗，有助于從源頭上避免高碳排放。作為我國最大碳排放的煤電，采用基于相變儲移供熱供冷的煤電熱冷多聯供工藝，煤炭利用效率高達85%以上，與目前大規模使用的、利用效率僅為30%～42%的單純燃煤發電工藝相比，相當于減少煤炭消耗50%以上，將帶來減少CO、SO、NO和微塵等排放50%的效果，同時也節約了運行成本、土地和投資等。作為現代煤化工的龍頭，合成型煤粉氣流床氣化技術目前普遍存在高耗水、高耗能和高污染的缺陷，如果利用干法排渣、灰渣分離的煤粉Y型氣流床氣化技術改造現有合成型氣化技術，耗水降低80%以上，能耗降低20%，灰渣比1∶6，氣化率大于98%。氣化渣作為地聚合物材料，不僅實現煤炭資源全資化利用和碳減排，而且避免了同量水泥熟料生產的碳排放，同時減少了煤氣化和水泥煅燒的三廢污染。作為現代石油化工的龍頭，采用原油分級氣相毫秒脫氫裂解制大宗基本化工原料（三烯和三苯）工藝、催化劑和裝備技術，利用大慶原油熱態中試結果，即單程轉化時化學品收率62.6%（三烯46.3%、三苯16.3%）、生焦僅為3%、甲烷產率小于5%；相對現有乙烯生產裝置，生產70%左右的三烯（乙烯、丙烯和丁烯）和三苯（苯、甲苯、二甲苯）以及其他化工原料，噸低碳烯烴生產節能50%以上，投資降低40%以上。

同樣的技術，如基于快速熱解的低階煤分級分質利用、中低階粉煤分級熱解氣化、鈣焦球團分級氧熱法原位生產電石、煤和生物質氣化聯合循環發電（IGCC）、粉煤和鐵礦粉氣流床原位氣化還原熔融煉鐵、超臨界CO高效發電、汽車電動化等技術，與現有的對應技術相比，均能大幅度消減污染、能耗和物耗，從源頭上避免了高碳排放。這是目前CO減排最有效的途徑，一方面需要通過國家政策和稅收、產業結構調整和升級，以及合理的能源定價機制和能源產品價格來引導實現；另一方面需要持續不斷的技術創新，尤其是變革性、顛覆性技術創新的支撐。

2.2.2 提升現有產業，強化節能降耗，過程中控碳排放

全過程節能降耗和提高終端產品利用率（效率、壽命和重復利用率等）都是有效的減排措施。根據統計，每節約1kWh 電，就相應節約了0.4kg標準煤，同時減少污染排放0.007kg 碳粉塵、0.997kg 二氧化碳、0.03kg 二氧化硫和0.015kg 氮氧化物。如農業中使用腐殖酸緩控增效肥料，并采用相應的耕作模式，在將化肥使用效率從目前的25%左右提高到40%以上的同時，又提高了作物產量和品質，從而減少了肥料消費量以及避免了生產這部分肥料所產生的CO排放。在建筑領域，合理的結構設計和材料選型可以節約大量的鋼材、水泥和石灰等高耗能高排放產品的消耗量。化工行業合理選擇高轉化率高選擇性的催化劑以及高效節能的分離、反應、換熱和泵送裝備及其調頻技術等，均可大幅度降低能耗。

其他行業節能降耗的技術和產品更是不勝枚舉。這是目前CO減排最容易實現、成本最低并且具有較大收益的途徑，亟需在國家政策強制下加快推廣應用減污降碳技術，通過企業自身調整和改造就可實現。

2.2.3 實施CO循環與捕集利用（3CU），從末端上減少碳排放

末端減少/消除碳排放是迫不得已和最終解決CO減排的方法，也是目前國內外研究和開發的重點和熱點。盡管CO捕集與封存（CCS）被宣傳為未來大規模減少溫室氣體排放、減緩全球變暖最經濟可行的方法，但存在捕集封存成本高、技術尚不成熟、泄露的潛在風險等缺陷，同時又不利于自然界碳循環和氧循環的平衡，CCS 應慎重發展和應用。利用光合作用的生物固碳是自然界解決碳循環和氧循環平衡的最經濟、最主要的模式，也是維護食物安全、生態安全和人類健康的保護傘。解決自然界人為排放的每年數以十億噸級CO的過剩難題，除了被動減少CO產生量，更為積極、主動的減碳措施應該是3CU，而不是CCS或CCUS（CO捕集利用與封存）。碳循環末端減少碳排放的主要措施，即生物利用光合作用實現固碳從而加快碳循環，儲存了太陽能，增加CO消耗量和O釋放量，主動消減CO過剩，副產的固碳生物質又是優質的可再生能源和用途廣泛的原材料，又能進一步降低化石能源消費量以及CO排放量，從而實現自然界碳循環和氧循環的平衡。其次是CO作為工質化和原料化的捕集利用，即通過工質化利用就是作為工作介質發揮CO替代和節能降耗效應，如CO驅采油、超臨界CO發電、超臨界CO印染、超臨界CO噴涂、超臨界CO萃取、超臨界CO清洗以及CO輔助注射成型、制造干冰等；CO原料化利用就是通過生產特定化學品實現CO固定，如生產尿素、碳酸二甲酯、納米碳酸鈣、碳酸丙烯酯、氨基甲酸酯、聚酮、聚脲等化學品以及設施農業的氣肥等。

對于煤化工、鋼鐵、水泥和石灰等行業的高濃度CO（體積分數大于60%）排放，采用CO捕集利用生產特定化學品或工質化利用，是特定工礦企業減排成本和能耗較低、經濟效益較好的末端減碳措施。

對于數量多、分布廣的如發電和中小鍋爐等低濃度CO（體積分數小于16%）排放，工礦企業應充分利用國內碳交易機制，將CO減排與土地提質和農林業增產增收相結合，按照合理的CO減排量，將用于CO捕集利用的投資和操作費用的一部分，依據碳交易機制納稅反哺農業和林業，實現異地化低成本生物固碳，突破目前碳減排對經濟發展的負面影響，是實現低成本碳減排的積極有效途徑。另外，我國目前高達73 億畝的重金屬污染、鹽堿化、草場退化、沙化和荒漠化、水土流失等退化土地以及廢棄礦山等亟待生態修復治理，按僅有10%的退化土地種植固碳植物（如太空蘆竹、狼牙草等），年畝產干草5 噸以上，則每年可轉化CO53.5 億噸，生產生物質36.5 億噸、O38.9 億噸，即可中和我國目前CO排放量的50%。同時這部分高含纖維素的固碳植物可擇優大規模地用于造紙和飼料，生產工業纖維原料、再生纖維、可降解塑料、生物腐植酸環境修復材料和平臺化合物，達到長期固定CO的要求；殘余固碳植物可用于氣化發電，又能代替部分煤炭，為實現能源綠色低碳轉型提供支撐，同時退化土地種植固碳植物也為我國社會經濟高質量發展提供了可靠的能源和碳排放指標以及巨大的發展空間，在滿足自然界碳循環和氧循環的平衡、確保經濟社會良性發展和人民生活水平逐步提高的同時，兼顧解決國家能源安全、糧食安全、保護耕地與城鎮化、以工哺農、三農問題和環境保護等戰略性難題，從而確保我國實現工業、農業、政府和社會的多贏，在2060 年前實現碳中和，進而提高我國應對全球氣候變化的國際地位。

3 結論

（1）基于對CO具有“既是亟待減排的溫室氣體，又是人類生存必不可少的可再生資源”雙重性的認知，構建了碳中和約束下的“污染溫室因子禁排、CO凈零排放、調控CH產生和排放”的溫室因子綠色減排體系，不論未來碳減排措施對應對氣候變化的效果是否有效，均能強有力地促進我國能源綠色低碳轉型、產業轉型升級和生態文明建設，確保社會經濟可持續高質量發展。

（2）在國家宏觀層面，相關減排政策體系、國家級巨型工程和行動是實施綠色減排的基石和支撐體系，為我國實現“30·60 雙碳目標”、生態環境保護、能源綠色低碳轉型、生態文明建設等提供了法理依據、標準和規范；同時引導各地按照區域資源和產業特性，分類施策，產業上有保有壓，地區上有先有后，疏堵結合、綠色減排，高效、低成本、可持續地降污減碳，建設資源節約和循環型社會，保障國家能源安全、一二三產業平衡發展，確保產業鏈供應鏈安全。

（3）在微觀技術層面，構建全過程控碳排放的CO綠色減排模式，實施源頭上避免高碳排放、過程中控制碳排放、末端強化碳循環與捕集利用（3CU），依靠能源綠色低碳轉型，以節能降耗和生物固碳為抓手，疏堵結合，從而滿足自然界的碳循環和氧循環平衡的需求，高效低成本地實現經濟社會高質量低碳化發展、生態文明建設與應對氣候變化的三贏，確保我國實現2030 年前達到峰值和2060年前實現碳中和的愿景。