碳中和背景下化工行業綠色發展的策略

苗乃乾，黎妍，張家斌

(山東氫谷新能源技術研究院，山東 濟南 250001)

0 引言

化工行業是脫碳任務量最大的行業之一，也是全國碳排放總量較高的行業之一。在中國實現雙碳目標的背景下，化工行業需要承擔更加嚴峻的減碳壓力。傳統的減碳措施難以深度實現化工行業的凈零排放，H2作為清潔低碳的二次能源，有望在化工行業發揮重要作用。中國H2年產量在3 300 萬t 左右，其中大部分被用于化工領域，其制H2環節是主要的碳排放來源。使用H2替代傳統的灰H2可以減少大量的碳排放，是加快化工行業低碳轉型的關鍵。因此，化工行業需要加強技術創新，提高資源利用效率，推廣低碳技術和綠色制造技術，并探索H2等可再生能源的利用，以實現碳中和與可持續發展。

1 化工行業綠色發展的必要性

根據國家統計局能源和環境統計局的數據測算，2020 年中國的CO2排放總量約103 億t，主要來源于電力、工業、交通、建筑等生產部門。其中，來自工業部門的化工行業(包括石油和化工行業)的碳排量總量為13.78 億t，占全國CO2消費總量的13.37%，其中直接排放9.18 億t，電力排放4.6 億t，在工業領域碳排放量僅次于冶金行業。從碳排放總量以及占比來看，化工行業的碳排放量如此之大，對環境造成了巨大的負面影響，綠色發展是化工行業不可或缺的選擇[1]。

在碳中和背景下，化工行業作為“高能耗、高排放”的產業，必定面臨著緊迫的減排壓力，而且碳排放政策也在日漸收緊。為了應對氣候變化和減少碳排放，我國政府已經推出了一系列的環保政策，其中包括成立碳排放權交易市場。該市場的成立將促進企業間的碳排放權交易，推動企業減少碳排放和轉型升級，實現碳排放減少和經濟發展的雙贏。化工企業作為重要的碳排放行業，應當積極參與碳排放權交易市場，減少碳排放，推動綠色發展。高能耗行業重點領域能效標桿水平和基準水平如表1 所示，同時，國家發改委發布的《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南(2022 年版)》文件中提出要依法依規淘汰不符合綠色低碳轉型發展要求的落后工藝技術和生產裝置，對能效在基準水平之下，無法在規定時限內通過改造升級達到基準水平以上的產能，要通過市場化方式、法治化手段推動其加快退出[2]。在碳交易制度和落后產能清退制度的建立和完善下，代表著碳排放的排放指標將進入硬約束時代，化工行業嚴格把控碳排放成為未來發展的主要要求。

表1 高能耗行業重點領域能效標桿水平和基準水平(2021 年版)

另外，盡管中國有著十分豐富的煤炭資源，但是石油和天然氣的對外依存度分別超過七成和四成，化石能源作為不可再生資源，儲量有限。2021 年，國家相關部門發布的《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確提出，到2030 年，中國非化石能源消費比重將達到25%，到2060 年將達到80%。隨著環保意識的加強和環保政策的逐步完善，化工企業正在加速轉向使用非化石能源。非化石能源的使用可以減少化工企業的碳排放和污染物排放，同時也可以降低企業的能源成本，提高競爭力。因此，化工企業要積極采取措施，加速推廣和使用非化石能源，實現綠色轉型。

2 化工行業減碳的可行性及前景

石油煉化、合成氨、合成CH4O、現代煤化工的碳排放主要來自合成反應中的C、H 轉換過程，即CO與H2O 反應制H2，而含H 量最低的煤炭劣勢最明顯、碳排放最高。例如，煤制烯烴的單t 過程排放量可達到6 t 的CO2。對于合成氨，2020 年，中國合成氨直接排放CO2約2.19 億t，占化工行業碳排放總量的15.9%，占全國碳排放總量的2.2%。合成氨的H 源主要來自煤炭、天然氣和焦炭副產H2與蘭炭副產H2，其中煤炭路線的碳排放強度約為4.2 kgCO2/kgNH3，天然氣路線的碳排放強度約為2.04 kgCO2/kgNH3。每合成1 t 氨，煤炭路線的碳排放約為4.2 t，天然氣路線的碳排放約為2.04 t[3]。

如圖1 所示，2020 年，全國化工行業的碳排放總量約為6.2 億 t，其中合成CH4O 直接排放CO2約1.96 億 t，占化工行業排放總量的14.2%，占中國碳排放總量的2%。合成CH4O 的H 源主要來自煤炭、天然氣和焦爐氣，其中煤炭路線的碳排放強度大約為3.1 kgCO2/kg CH2OH，天然氣路線的碳排放強度大約為0.58 kgCO2/kg CH2OH。對石油煉化，2020 年，中國石油煉化直接排放CO2約2 億 t，占石化化工行業排放總量的14.5%，占中國碳排放總量的2%左右。

圖1 中國2020 年化工行業碳排放占比及構成

目前，石油煉化、合成氨、合成CH4O 的碳排放總量約6.2 億t，占化工行業的44.6%，這些化工產品的碳排放主要發生在制H2環節[4]。但是，如果使用H2代替高碳排放的灰H2等制H2方式，化工行業可以在理論上減少大部分碳排放，實現減排目標和低碳轉型。

3 碳中和背景下化工行業綠色發展的策略

3.1 以H2 為基礎進行行業耦合

在化工行業中，氫能被廣泛用于生產基礎材料，如，工業氣體或化肥以及石油化工產品及衍生品。在實現“雙碳”目標的壓力下，氫能夠促進化學工業和可再生能源電力之間的行業耦合。與其他應用領域的主要區別在于，氫能在化工領域中一般是用作原料而非能源。通過使用綠色H2，化學品制造業可以逐漸替代化石燃料H2，包括合成氨、CH4O 和其他化學品的制造。這將有助于減少化學工業對化石燃料的依賴，降低碳排放，推動化工行業實現綠色可持續發展。

行業耦合是指將不同產業之間的能源、物質和信息相互聯系，以便于實現資源共享、優化能源利用和提高經濟效益的一種方式。例如，可再生能源可以廣泛應用于工業、交通、建筑、農業等領域，以實現能源的多樣化和高效利用。同時，行業耦合還可以促進產業升級和轉型，推動經濟可持續發展[5]。例如，光伏發電與建筑領域耦合，可以實現建筑物自給自足的能源供應；可再生電力與交通行業耦合，可以實現電動汽車的普及和推廣；將生物質能與農業行業耦合，可以實現農業廢棄物的資源化利用等。因此，行業耦合可以為能源轉型提供一個高效、可靠和可持續的解決方案，促進可再生能源的廣泛應用，推動能源產業的轉型升級。

如圖2 所示，在行業耦合的框架下，綠H2可以通過費托合成或CH4O 制造以及隨后的煉化工序生產包括汽油、柴油、煤油在內的目前交通行業使用的所有常規燃料。同時，CH4O 也是制造熱固性塑料、纖維、彈性體、溶劑、添加劑等化學品的重要原料。值得注意的是，全世界生產的CH4O 有大約1/4 被用來制造甲醛，以進一步生產合成樹脂等化學品。利用綠H2生產合成燃料和化學品，不僅可以降低碳排放，還可以減少對傳統石油資源的依賴，推動能源轉型和可持續發展。同時，這一過程也需要解決綠H2生產成本高、儲運等技術難題。因此，加強技術研發和政策支持，推動綠H2產業的發展和應用，具有重要的戰略意義[6]。

圖2 以H2為基礎進行行業耦合

3.2 提升焦爐煤氣的利用率

在近期，焦爐煤氣是一種可行的替代H2原料，可以作為通往綠H 化工的過渡方案。2020 年，中國CH4O(100 萬t/a) 和合成氨生產中有30 萬t/a 的H2氣來源于焦爐煤氣，分別占比12.5%和3%。隨著“雙碳”目標和《“十四五”原材料工業發展規劃》等政策的推進，焦爐煤氣在化工行業的利用率有望進一步提高。焦爐煤氣是鋼鐵生產過程中產生的一種副產品，含有高濃度的H2和一些有害氣體。通過對焦爐煤氣進行凈化和加H 處理，可以將其轉化為高純度的H2氣，用于化工行業的生產過程。這種方法不僅可以降低化工行業的碳排放，還可以增加焦化企業的收益，并緩解H2供應緊張的問題。然而，焦爐煤氣的H2含量和純度都有限，需要進一步提高凈化和加H 處理的效率和技術水平。同時，焦爐煤氣的利用也需要解決儲運和配套設施的問題[7]。因此，在推動焦爐煤氣在化工行業的利用過程中，需要加強技術研發和政策支持。具體而言，可以從以下幾個方面入手：

第一，技術創新。研發更高效的凈化技術，例如：采用吸附、膜分離等技術，降低焦爐煤氣中的雜質含量，提高H2含量和純度；研發更加高效的H2催化加H 技術，通過改善催化劑性能和反應條件，提高H2利用效率和產物選擇性，減少副產物的生成；研發新型的儲運和配套設施，例如：采用燃料電池、液H2儲存等技術，提高H2的儲存和運輸效率，降低成本。此外，還可以考慮與其他領域的技術進行跨界融合，例如：結合生物技術、化學合成等技術，研發新型的H2生產和利用技術。對化工行業綠色發展的需求，可以根據具體的應用場景和需求，研發相應的配套設施和技術，例如開發可再生能源與H2的聯合生產技術，開發基于H2的新型化工產品等，以滿足綠色化工的需求。

第二，政策支持。對于焦爐煤氣凈化和加H 處理等投資較大的技術和設備，可以給予財政補貼或稅收優惠，降低企業的投資成本和運營成本，提高企業的經濟收益；建立專項基金，用于支持焦爐煤氣利用和氫能產業的發展和推廣，鼓勵企業加大對焦爐煤氣利用的投入和研發力度；出臺相關法規和政策，規范焦爐煤氣的排放和利用，鼓勵企業加大對焦爐煤氣的回收和利用力度，減少焦爐煤氣的浪費和環境污染；制定相關的技術標準和規范，促進焦爐煤氣凈化和加H 處理技術的標準化和規范化，提高技術水平和產品質量，促進產業的健康發展。同時，政府可以加強與企業的溝通與合作，了解企業的需求和問題，提供相關支持和幫助，共同推動焦爐煤氣的利用和氫能產業的發展[8]。

第三，市場培育。建立氫能示范項目，推廣焦爐煤氣的利用和氫能技術的應用。建立氫能化工園區，引導和扶持企業采用焦爐煤氣加H2技術，提高焦爐煤氣利用率；加強氫能產業鏈的布局和發展，構建完整的氫能產業體系，提高氫能產業的競爭力和市場地位。建立H2生產、H2儲運應用等產業鏈，促進氫能產業的協同發展；加強氫能市場的推廣和宣傳，提高公眾對氫能的認知和信任度，擴大氫能在化工領域的應用范圍。開展氫能科普活動，組織氫能展覽會和技術交流會等，推廣氫能技術和應用。通過以上措施，可以促進氫能產業的發展和推廣，擴大焦爐煤氣的利用范圍和規模，提高焦爐煤氣利用率，推動綠色化工的發展。

3.3 推廣循環經濟

化工行業是經濟發展的重要支柱產業，但是由于其特殊的生產過程和產品特性，容易導致環境污染和資源浪費。當今，循環經濟已成為全球可持續發展的戰略方向，推廣循環經濟也成為化工行業綠色發展的重要策略之一。循環經濟的核心是通過物質循環和能源循環，實現資源的高效利用和廢棄物的有效處理，減少環境污染和資源浪費。具體而言，循環經濟包括以下幾個方面：

第一，建立廢棄物回收利用體系。化工行業生產的廢棄物種類繁多、含有有害物質，如果不進行有效的處理和回收利用，容易對環境造成污染。因此，建立廢棄物回收利用體系是推廣循環經濟的重要舉措。可以通過政策引導、技術支持、金融扶持等多種手段，鼓勵企業進行廢棄物回收利用，形成以廢變寶的產業鏈，實現資源的高效利用和廢棄物的有效處理。

第二，推廣循環生產模式。循環生產模式是指在生產過程中，將廢棄物作為原材料進行再利用，實現資源的閉環利用。化工行業可以通過推廣循環生產模式，實現生產過程的綠色化和環保化。例如，采用廢棄物回收利用技術，將生產過程中產生的廢水、廢氣、廢渣等進行再利用，降低環境污染和資源浪費。

第三，倡導綠色消費觀念。綠色消費觀念是指消費者在購買產品時，優先選擇環保、節能、可再生的產品。化工企業可以通過各種渠道，如：網站、微信公眾號、電視廣告等，向公眾普及環保知識，提高公眾對綠色消費的認知度，借助一些環保組織或公益機構的力量，組織一些環保宣傳活動，如：主題演講、環保展覽、環保義賣等，向公眾傳遞綠色消費的理念。此外，化工企業還可以加入一些環保組織，如全球環境基金會等，共同推動環保事業。加入這些組織，不僅可以增強企業的環保意識，同時也可以獲得更多的環保知識和技術支持，從而更好地推廣綠色消費觀念，促進循環經濟的發展。

第四，加強技術創新和產業合作。技術創新和產業合作是推廣循環經濟的重要手段。化工企業可以加強與科研機構和其他產業的合作，共同研發和推廣循環經濟相關技術和產品，實現資源共享和優勢互補，推動化工行業綠色發展。

4 結語

在碳中和背景下，化工行業綠色發展是未來的必然趨勢。為了實現碳中和，以綠氫為基礎進行行業耦合，提升焦爐煤氣的利用率。作為化工企業，需要加快技術創新，減少碳排放，提高能源利用率，推廣清潔生產工藝，加強廢棄物回收利用等措施。同時，政府應該加大環保政策力度，鼓勵企業積極參與碳交易市場，提高碳價，促進企業減排，加快轉型升級。只有在政府、企業和社會共同努力下，才能實現化工行業的綠色發展，推動經濟高質量發展，實現可持續發展。