中国制造业碳排放问题分析与减排对策建议

张凡，王树众，李艳辉，杨健乔，孙圣瀚

（1 西安交通大学能源与动力工程学院，热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049；2 清华四川能源互联网研究院能源战略与低碳发展研究中心，四川 成都 610213）

二氧化碳排放所带来的气候变化危机是全球共同面对的一大挑战，将全球平均气温上升幅度控制在2℃和1.5℃以内的目标已成为人类关于未来发展的共同愿景。据2021年《BP 世界能源统计年鉴》，2020年中国的二氧化碳排放量达到102.4亿吨（含中国台湾、中国香港），占全球二氧化碳排放量的31.7%。在严峻的碳排放形势驱动下，中国对减少二氧化碳排放的关注日益密切。中国政府于2020年9月所提出的碳达峰和碳中和目标，虽然会对现有能源结构和能源系统造成极大冲击，但能源转型过程中的开发潜力也带来了新的就业机会和经济发展机遇。

自工业革命以来，工业部门（特别是制造业）在国民经济中占据重要地位，支撑着经济社会的发展。工业化进程不仅深刻影响着社会思想、社会结构和世界格局，同时伴随着煤、石油和天然气的迅速消耗，造成二氧化碳的排放量急剧增加。中国长期以来都将制造业的发展置于国家行动纲领之中，正由中国制造向中国创造转变，实现中华民族伟大复兴离不开工业以及高端制造业的持续发展。但同时，钢铁、化工、建材、石化、有色金属冶炼作为我国制造业的重要组成部分，也是高能耗、高排放（“两高”）的问题行业，针对以上行业国家发展改革委员会公布了2021 年版的能效标杆水平和基准水平进行约束。因此，制造业作为碳减排的重要领域，首先需要明确碳排放情况以及碳减排的潜力，从而制定完善且符合发展规律的目标与相应政策；然后需要加强低碳、零碳和脱碳技术的创新，加快“绿色制造”的转型与相关部署，推进我国实现碳达峰、碳中和的愿景目标，为减缓全球气候变化、人类可持续发展作出更大贡献。

1 中国制造业发展现状与存在的问题

自2001 年中国加入WTO，我国长期担任着“世界工厂”的角色，现阶段我国在全球经济体系中的地位与自身发展阶段的需要决定我国仍将继续发展制造业。制造业的发展势必伴随着能源的大量消耗与二氧化碳排放增多的问题，总结中国制造业往年历史趋势与现状，对于预测未来形势、制定实现碳中和的发展路径有着重大意义。

1.1 碳排放来源复杂，碳核算方法仍需明确

厘清制造业碳排放途径对于未来制造业向低碳转型发展至关重要。整体上讲，制造业的碳排放主要有三种来源，包括燃料燃烧、报废处理、外购电力/热力和工艺过程，其中尤以生产工艺的碳排放途径复杂多样，如电石法制乙炔工艺中，碳源不仅是石油（或煤）还包括石灰石（CaCO）。常见的二氧化碳排放计算方法是基于碳排放因子而非即时监测，见表1。需要注意的是，作为原材料的化石燃料应在能耗平衡计算中进行合理扣除，同时体现出其他含碳原材料的碳排放效应。目前，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）忽略了原材料在工艺过程中的碳排放；中国碳核算数据库（CEADs）仅对水泥生产过程的碳排放进行了核算。而大部分的自上而下和自下而上碳排放计算方法均将碳排放因子设定为恒定值，并未考虑能效提升对于碳排放因子的影响。本文碳排放计算数据来源于CEADs。

表1 典型碳排放计算方法

1.2 支撑着国民经济的发展，但能耗高、排放高

制造业在全国能耗、国内生产总值（GDP）、二氧化碳排放中长期处于重要且稳定地位，见图1。制造业在国民经济中的支柱作用不仅体现在长期保持在26%以上的GDP 占比，更为重要的是工业产品支撑着其他各行各业的发展、维护着人民生活和国家安全。此外，在2020 年整个工业增加值的增长速度为2.4%时，制造业3.4%的增长率明显领先于采矿业和电力、热力、燃气及水生产和供应业。因此，富有战略意义和发展势头的制造业将持续保持着重要地位。

图1 制造业在全国能耗、GDP、二氧化碳排放中占比

能耗方面，不同于其他产业将化石燃料仅作为燃烧供能的使用特点，制造业在原料供应和能源消耗环节对于化石燃料均有着巨大需求，如新冠肺炎疫情的暴发，使得生产医疗防护设备的原材料——熔喷布的需求迅速增大，而熔喷布的源头材料则是石油和煤。二氧化碳排放方面，2019 年制造业占全社会总排放量的35.8%，是继电力、热力供应部门（占全社会总排放量的47.4%）外的第二大碳排放部门，但制造业总能耗却高于电力、热力供应部门，说明制造业单位能耗的碳排放强度低于电力、热力供应部门。

与全国单位GDP 能源消耗和单位GDP 二氧化碳排放相比，制造业属于问题行业，见图2。减小差距的关键在于发展高端制造业和绿色制造业。此外，“十四五”规划中明确提出单位GDP能源消耗降低13.5%和单位GDP 二氧化碳排放降低18%的约束性指标，这对于低产值高排放的制造企业无疑是沉重打击，但同时也是创新型、科技型制造企业发展的机遇。

图2 全国与制造业的能耗强度与碳排放强度

1.3 重点行业作用明显，碳减排难度较大

制造业门类下共计30 个大类，但在能源消耗与碳排放方面，钢铁、化工、建材、石化及炼焦、有色金属冶炼行业表现突出，见图3。虽然钢铁业受到政府控制产能措施的压制，但仍体现出耗能大户和排放大户的特点。化工行业部分碳元素被固定在化工产品中，而水泥作为建材行业中最重要的产品，在生产过程和化石燃料燃烧供能过程均排放出大量的二氧化碳。因此，即使2019 年化工行业能耗是建材行业的1.6倍，但建材行业碳排放却是化工行业的6.8 倍。石化及炼焦、有色金属冶炼行业与化工行业有典型的行业特点，单位能耗的二氧化碳排放量相对较低。2014年，5个行业的碳排放总量首次出现下降，并在之后的年份保持下降趋势，体现出节能减排工作取得一定成效，但同时也表现出减排程度不明显并在2019 年出现反弹的问题。由于我国全面建设社会主义现代化国家与持续推进城镇化的发展要求，以及基础设施的不断新建与升级，使得5个行业的工业产品在短期内仍将持续增加。同时，2021年5月底生态环境部发文将加强对5 个行业的碳排放环评与管理，企业入市难度加大。

图3 制造业重点行业能源消耗量与二氧化碳排放量

1.4 煤炭消费占据主导地位，电力消费逐年上升

大量使用煤炭是造成我国碳排放量巨大的主要因素。终端能源消费方面，煤炭、原油、电力是我国当前主要消费的能源类型（2019年分别占48.4%、16.2%、15.5%）。但在一次能源消费中，大部分焦炭和电力还是来源于煤炭。相比2019 年全国终端能源消费结构，制造业煤炭消费占比较低（35.3%）、原油消费占比较高（29.4%）；而焦炭主要用于冶金、铸造和化工过程，因此在制造业中焦炭消费占比（13.9%）高于全国焦炭消费（7.6%）。在终端能源消费环节中，电力消费可以认为是不产生碳排放的过程。随着取消工业燃煤锅炉、电力替代工业用煤消费（即煤改电）的转型，制造业终端煤炭消费占比下降，终端电力消费占比从2006 年的11.72%提升到2019 年的14.5%，使得终端能源消费结构趋向低碳发展。但从全生命周期分析考虑，燃煤发电的发展模式无法满足“双碳”目标的要求，扩大可再生能源发电比例是能源转型中的一个重要议题。

2 制造业减排通用对策

各机构及研究人员均对中国2050 年制造业碳减排路径开展了大量研究。清华大学对于工业低碳转型设置了4 种情景，见表2，并指出加速电气化是降低能源消耗过程碳排放的最有效对策，而对于工业过程的碳减排则主要依托于工艺革新、原料替代和产业结构调整。国际能源署（IEA）对于中国的碳中和发展路径设置了实现“双碳”承诺和加速转型的两种情景，其中中国工业实现“双碳”承诺情景的碳排放见图4，并指出碳排放减少的主要因素在于低碳技术和燃料转型，另外节能也有部分贡献。世界资源研究所（WRI）对工业部门现有政策情景向强化行动情景转型过程中的减排效果进行了分解，见图5，其预测优化生产、提升能效分别可贡献总减排量的20.7%和21.2%。麦肯锡公司预测，源头减量对制造业中钢铁业和水泥业两大碳排放行业的减排效果明显，见图6。因源头的需求缩减，使钢铁业和水泥业在2050 年较2020年减少32.33%，仅次于碳捕集所带来的减排效果。虽然各研究结果对于减排力度的预测有所不同，但调整生产计划、使用清洁能源、碳捕集、工艺过程优化等减排对策是快速降低制造业碳排放的重要手段已成为共识。其中前三类对策适用于制造业中的各个行业，因制造业各工艺过程特点各异，对于工艺过程的碳减排对策将在第3节进行介绍。

表2 清华大学-工业部门（不含电力和热力供应）二氧化碳排放预测 单位：亿吨

图4 IEA-中国工业二氧化碳排放

图5 WRI-中国2050年工业（不含电力和热力供应）减排效果分解

图6 麦肯锡公司-中国钢铁业和水泥业CO2减排路径图

2.1 源头减量与废弃品回收

源头减量并不意味着突然减少或关停“两高”企业生产，而是指在符合发展前提下进行供给侧改革。对于未来压减“两高”产品产量的手段建议以严控新入产能、重组现有配置和逐步压缩产量为主。在国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》中也提到，需严控钢铁、有色金属、建材、石油化工行业产能，加大淘汰落后产能力度。废弃品回收主要针对于废钢和废弃塑料。利用废钢通过电炉直接短流程炼钢比长流程炼钢过程的碳排放量低，预计可贡献钢铁业二氧化碳减排量的20%。而废弃塑料的回收率仅占9%，大部分塑料被肆意丢弃、填埋或是焚烧，严重污染着土壤、海洋和空气，对于人类的健康和其他生物的生存均有极大的伤害。

此外，制造业复杂的生产特点使得二氧化碳减排难度相比于电力、热力行业更大，因此设定合理的碳中和时间尤为重要，不应以“一刀切”式的管理措施限制产品生产、截断制造业的发展道路。对此，应在建立准确的碳排放监测数据基础上，利用对数平均迪氏指数分解法（LMDI）等方法明确人口、经济、能源等驱动因素的作用程度，从而对各行业的未来发展制定合理的低碳发展规划。

2.2 能源替代

制造业所排放的一部分二氧化碳是在生产过程中产生的，另外一部分主要是由于燃烧化石燃料为生产过程供能产生的。自2010 年，我国通过调整能源结构，已减少CO总排放量的11%，说明能源结构调整对实现减排目标具有重要作用。若要实现碳中和（净零排放）的目标，则需要在终端提升电气化——以电替代煤，并在电力供应侧大幅提升可再生能源比例。2021年，国际能源署（IEA）在报告《能源部门实现2050 净零排放路线图》中提出：到2050 年，全球能源供应总量的三分之二将来自可再生能源，太阳能光伏发电和风电合计占能源消耗总量的35%。

此外，与可再生电力并列的另一重要分支——氢能的相关报告也为人类未来零碳发展提供了方案，如“氢能欧洲”组织的《氢能法案：创造欧洲氢经济》报告。氢能产业由制氢、储氢、运氢和用氢四部分组成，使用氢能具有来源丰富、过程高效且清洁、储运方式多样的优点。但Howarth 等研究表明，与化石燃料直接燃烧供能相比，使用灰氢（即化石燃料制得的氢气）和蓝氢（即化石燃料制得的氢气+碳捕集）的温室气体（CO+CH）总排放量都更大，因此氢能产业的低碳性是建立在大规模生产绿氢（即通过再生能源、核能电解水所制得的氢气）的基础上。同时氢气体积能量密度低、易爆炸、易泄露的问题，也为氢能的发展路径增添了更多质疑。

2.3 碳捕集、利用与封存

碳捕集、利用与封存（CCUS）作为实现碳中和的兜底技术，保障着碳减排的最后一道防线。碳捕集是指捕集发电和工业过程中所排放的二氧化碳，分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链燃烧（CLC）技术，其中CLC 技术因其碳捕集效率高（96%以上）、能效高、成本低的优势而备受关注。2021年，中欧污染物减排项目拟在中国建造3MW的CLC技术平台，是目前全球规模最大的测试装置。二氧化碳可利用其物化性质作为冷冻剂、调节剂、保护气等用途，或是作为原料转化合成化学品。二氧化碳封存主要是利用废弃油气藏、不可开采煤层、深部盐水层等进行地质封存，利用矿物质碳化进行地表封存也有部分报道。但需要注意的是，CO地质储存存在泄露风险，泄露后可能产生环境危害和安全事故。综合考虑下，二氧化碳驱油是既能绿色增产石油采收率，又能实现二氧化碳封存的新方向。2021年7月，中国石化开启建设我国最大的CCUS 项目——齐鲁石化-胜利油田CCUS项目，该项目利用石化生产过程中所捕集的二氧化碳运输到胜利油田进行驱油，同时实现二氧化碳封存，预计每年可以减少二氧化碳排放100万吨。

2.4 工业互联网

缺乏高端化、差异化特点的制造业，终会导致产品同质化，进而出现产能过剩、无序竞争等问题。工业互联网基于新一代信息技术，与工业制造相结合，通过搭建产业链上下游对接平台、汇聚企业生产的信息数据，从而实现制造业数字化、网络化、智能化发展，同时也有利于碳排放的实时监测。新式工业互联网体系由产业层、商业层、应用层、能力层组成，其中产业层引领商业层、商业层指导应用层、应用层赋能于能力层、同时下级层级支撑着上级层级。工业互联网在带来效率的同时，其开放的网络特点也伴生了安全隐患。因此，网络、数据、平台、安全等相关领域的标准体系构建，是当前工业互联网发展和应用的关键。

3 重点行业低碳生产工艺

制造业产品丰富、生产工艺繁多，面对同一种工业产品可以使用不同的原材料与工艺流程，而面对同一种原材料也可以有不同的工业产品与工艺流程。因此，通过不同的生产工艺或者对已有工艺进行改进，可以实现大幅度降低碳排放量。另外，如能在生产工艺中实现二氧化碳资源化转化利用，将争取到碳中和的主动。钢铁业碳排放量巨大、煤化工和石油炼制工艺复杂，对这些行业的生产工艺进行改造可以有效减少碳排放。建材（水泥）业生产工艺稳定，因此对于该过程的工艺改造难度较大，采用新型原材料替代碳排放强度强的石灰质原料是降低碳排放的最有效对策。有色冶金工艺改造方面，主要围绕着富氧侧吹熔池熔炼粗铜和新式电解铝展开，本文不作详述。

3.1 钢铁生产工艺

氢气直接还原生产钢铁技术是以氢气替代焦炭作为还原剂，将铁矿球团转化为海绵铁的生产过程，是目前从源头实现钢铁业碳减排的最佳方案。全球第一个非化石能源钢铁厂——HYBRIT项目于2020 年正式启动。该项目主要围绕着氢气炼钢和替代燃料两个重点展开，该项目与传统高炉工艺区别见图7。燃料的作用在于生产铁矿球团，热裂解油、氢气和等离子体可能被用作适应于生产工业球团矿的替代燃料。氢气替代焦炭作为炼铁的还原剂，可以有效减少高炉的二氧化碳排放，但氢气炼钢的减排性是建立在制氢工艺绿色、产量巨大的前提上。

图7 传统高炉工艺和HYBRIT工艺流程对比

此外，生物质炼钢、新型熔融还原工艺和电解铁矿石工艺等低碳炼钢技术不断发展成熟，虽然距离工业化还有一定距离，但未来也有可能为钢铁业向碳中和转型提供支持。

3.2 煤化工工艺

煤化工工艺减排思路主要是使用清洁能源和利用二氧化碳实现资源化转化。传统煤化工方面，主要涉及焦炭、电石、合成氨等产品的制取，不仅环境污染大而且产品附加值低，正逐步被现代煤化工取代。而合成氨工业因电化学合成氨技术的发展，也逐步走向低碳化。现代煤化工方面，其主要产品为人造石油、天然气、烯烃和乙二醇，2020年总产能约2647 万吨且持续增长，同时吨产品二氧化碳排放量高达4.8～9t，是典型的高碳产业。煤炭的氢碳比为0.2～1.0，为了获得利于后续石油、甲醇等产品合成工艺的高氢碳比（2.05～2.15）合成气，常会利用水煤气变换反应将CO 变换为H，随之生成的CO便会被排放到大气中，见式(1)。因此，减少或取消水煤气变换过程，通过可再生电力制取的氢气来调节合成气的H/CO比，使得更多的碳元素被固定在化工产品中，可以实现碳减排的目的。

煤制甲醇是现代煤化工中产能最多的工艺，甲醇也是后续进而制烯烃、汽油、芳香烃等化学品的中间产物，该工艺的碳排放源主要也是来自于水煤气变换和净化工序。除了补充绿氢方案外，甲醇的合成还可以利用光催化和电化学的方法，通过二氧化碳加氢反应合成甲醇，见式(2)。高活性和高选择性催化剂的制备是实现二氧化碳转化的难点，大连化学物理研究所制备的二维硫化钼催化剂具有低温、高效、长寿命的特点，有望实现二氧化碳的大规模转化利用。

此外，二氧化碳和甲烷重整制合成气，二氧化碳制烯烃、芳烃等高价值化学品也取得了一系列研究与应用进展，国内二氧化碳化工利用的部分代表项目见表3。

表3 国内二氧化碳化工利用代表项目

3.3 石油炼制工艺

传统的炼油厂以生产燃料油为主，主要工艺包括常减压蒸馏、“五朵金花”炼油技术。在碳中和目标下，未来炼油厂将逐渐走向最大化生产化学品的发展方向。随着炼油厂向化工型改制，加氢裂化和加氢精制工艺将会成为炼油厂的核心技术路线，因此炼油厂势必增加对氢气的需求。与其他需氢行业相比，炼油厂具有自身在生产环节（如催化重整、催化裂化），同时也会生产副产品氢气的特点。此外，氢气成本是第二成本要素（仅次于原油），优化炼化氢气管网、增加化学品附加值是未来炼油厂提升收益的主要方向。

生物燃料是符合低碳发展理念的燃料油替代品。短期内对于燃料油需求问题，生物柴油提供了一种解决方案。目前生物柴油已经历三代发展，见图8。其中，微藻因其油脂含量高、生长速度快、产量高等特点，成为最具发展潜力的生物质之一。此外，也可以将秸秆、畜禽粪便、生活垃圾等废弃生物质转化为生物燃料或化学品，既能改善能源结构，同时也能减少环境污染，是化工原料多元化战略的重要方向。

图8 常见的生物柴油制备方法

4 结语

制造业产品丰富、工艺繁多，作为国民经济的支柱，同时具有碳排放情况复杂的特征。适用于制造业的碳排放核算方法还需进一步明确。制造业虽然具有高能耗、高排放的特征，但却是连接着自然资源与人类社会的重要环节，与采矿、电力、建筑等行业关系密切。制造业碳排放主要集中在钢铁、建材、化工、石化及炼焦、有色金属冶炼5 个行业。能源结构方面，虽电力占比逐年上升，但煤炭依然是主要的能源消费。因此，对制造业未来绿色发展有如下建议。

（1）建设节约型社会，提倡产品回收利用。旨在从生产端减少产量，提高回收再生产能效。

（2）制定碳减排政策，加快清洁能源部署。旨在淘汰落后产能，构建清洁能源体系。

（3）加快低碳技术创新与应用。旨在提升工艺能效，并支撑再生能源、CCUS 技术的大规模部署。

（4）推动制造业数字化转型。旨在实时监测碳排放，形成多行业融合生产体系，并控制无效产能。