强化科技研发 实现工业低碳流程再造

佟庆　张金玉　林涵逸　彭杵真　黄俊灵

党的二十大报告指出，碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要加快实施创新驱动发展战略，加快节能降碳先进技术研发和推广，推进工业等领域清洁低碳转型。科技部等九部门联合发布的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》中提出，构建低碳零碳负碳技术创新体系，形成一批支撑钢铁、水泥等行业低碳转型的科技成果，实现低碳流程再造技术的大规模工业化应用。工信部等三部门联合印发的《工业领域碳达峰实施方案》提出，加快工业绿色低碳技术变革，以钢铁、水泥等行业为重点，聚焦低碳原料替代、短流程制造等关键技术，推进生产制造工艺革新和设备改造，减少工业过程温室气体排放。针对以上政策文件的要求，本文以原材料工业为重点开展工业低碳流程再造研究，为推动工业低碳转型提供技术支持。

一、工业低碳流程再造对我國低碳转型至关重要

“十四五”至2035年是我国实现碳达峰碳中和的关键时期，也是实施工业低碳流程再造、推动高质量发展的重要阶段。

（一）工业部门是我国经济增长的重要支柱，也是主要碳排放来源

工业部门是我国经济增长的重要支柱，也是终端能源消费和碳排放的最主要来源。2022年，中国工业增加值为40.16万亿元，占GDP的33.19%。2021年，工业部门终端能源消费量为33.76亿tce，占全国终端能源消费总量的64.2%。工业部门终端消费中煤炭占41.64%，石油产品占14.59%，天然气占9.5%，电力消费占26.69%，热力消费和其他占7.57%。工业部门的二氧化碳排放主要来自于终端能源消费的燃烧排放，以及原材料发生化学反应所导致的工业生产过程排放。2020年，工业部门二氧化碳排放总量约47亿吨，约占我国二氧化碳排放总量的47.5%。

（二）原材料行业工艺流程复杂，在工业排放中占比高

钢铁、水泥、合成氨等原材料行业是我国工业部门的排放“大户”，碳排放特征复杂，涉及高炉、窑炉等多个特殊工艺流程，既包括煤炭为主的能源燃烧排放，还包括石灰石等含碳原材料所导致的工业过程排放。2020年，钢铁行业二氧化碳排放量约19亿吨、水泥行业约13亿吨、合成氨行业约1.3亿吨。上述三大原材料行业合计占工业部门二氧化碳排放总量的比重约为70%。

（三）低碳流程再造工艺是工业低碳转型重要手段

低碳流程再造工艺包括源头控制、过程革新以及末端治理三个环节。源头控制工艺技术主要包括使用天然气、氢能等低碳零碳原料燃料替代煤炭和其他高碳原材料，电气化技术及其他新型低碳零碳生产流程技术，适用于新建产能或新旧产能置换。过程革新技术主要包括各类节能节材技术、新型催化剂、余热余能利用技术等，适用于既有产能的低碳技术改造。末端治理技术是对高碳工业设施的尾气进行回收处置，实施碳捕集、再利用或封存（CCUS）。

二、分阶段实现三大原材料行业低碳流程再造

本文深入调研了国内外针对钢铁、水泥、合成氨行业的低碳流程工艺技术研发与应用案例，根据相关技术的成熟度、节能降碳效果等实际情况，提出三大行业系统性技术变革路径。

（一）钢铁行业低碳技术变革路径

在钢铁行业源头生产工艺上，采用氢气直接还原技术、氢基熔融还原技术、电炉炼废钢技术，逐渐替代传统的长流程钢铁冶炼技术。2020—2030年期间，淘汰长流程冶炼落后产能，电炉炼钢技术普及率逐渐提高至18%。2030年以后，两种氢冶金技术有望付诸商业化应用，普及率逐渐提高。在2045年，氢冶金和电炉炼钢技术在全行业的普及率合计超过50%，超过长流程冶炼技术占比。到2060年，氢冶金和电炉炼钢技术普及率合计达到80%；长流程冶炼技术占比减至20%。

钢铁行业过程革新技术主要包括烧结环冷竖式冷却、蓄热式燃烧技术等。烧结环冷竖式冷却技术目前已有一定应用基础，预计普及率在2025年增加至15.1%、2030年达到29.3%、2035年达到43.4%、2050年达到85.9%、2060年达到100%。蓄热式燃烧技术门槛高、推广难度大，预计2030年前普及率小于1%，在2035年、2050年和2060年的普及率将分别达到20.8%、80.2%和100.0%。

长流程钢铁生产末端治理CCUS技术可望在2030年后商业化应用，2050年普及率达到75.3%，2060年普及率达到100%。

经过上述低碳流程再造，钢铁行业可在“十四五”期间实现碳排放达峰，峰值低于20亿吨二氧化碳，2060年实现近零排放。

（二）水泥行业低碳技术变革路径

水泥行业源头生产工艺低碳变革的关键路径是使用替代原（燃）料技术、高贝利特水泥生产技术和硫铝酸盐水泥生产技术逐步取代普通硅酸盐水泥熟料生产技术。预计普通硅酸盐水泥熟料技术占比逐渐下降，到2030年、2035年、2040年和2045年分别降至88.9%、80.7%、72.6%和64.4%。在2045—2050年间，以上三项替代工艺总占比与普通硅酸盐水泥熟料技术持平。到2060年，替代原（燃）料技术、高贝利特水泥生产技术和硫铝酸盐水泥生产技术普及率合计可以达到60%，普通硅酸盐水泥熟料技术占比降至40%。

水泥行业过程革新关键技术包括数字孪生和智能制造、多级预热器预分解、第四代篦冷机、四通道燃烧器等。数字孪生和智能制造技术在2025年前普及率在1%左右；之后普及率逐渐增加，预计到2045年达到60%以上、2050年达到80%以上、2055年达到100%。多级预热器预分解技术2025年前普及率低于1%；预计在2030年、2035年和2040年分别达到15.1%、29.3%和43.4%；至2060年，技术普及率可以达到100%。四通道燃烧器的技术普及率2020年已经达到30%，推广难度不大，可望于2060年达到100%推广。

水泥行业末端治理CCUS技术门槛高、推广难度大，预计2035年前普及率均小于1%；之后，随着技术成熟，到2040年、2045年和2050年技术普及率分别达到25.8%、50.5%和73.5%；至2060年，在水泥行业得到100%普及。

经过上述低碳流程再造，水泥行业可在“十四五”期间实现碳排放达峰，峰值不超过13亿吨二氧化碳，2060年实现近零排放。

（三）合成氨行业低碳技术变革路径

在合成氨源头生产工艺方面，预计到2025年、2030年和2035年煤基合成氨工艺占比分别降至 77.1%、73.3%、61.6%，在2055—2060年間完全淘汰煤基合成氨。随着清洁能源的发展及绿氨相关技术的成熟，绿氢一体化合成氨工艺将在2030—2035年间开始商业化应用，2060年在行业生产工艺中占比达到40%。2035年开始，氮气电化学合成氨生产工艺也有望开始推广，到2060年普及率达到20%。天然气合成氨生产工艺在国内外已经是成熟的源头控制生产技术，但受到天然气资源供应限制，预计未来发展空间有限，技术普及率缓慢上升，2060年在行业生产工艺中占比达到40%。此外，天然气合成氨生产工艺仍会导致一定的碳排放，如不考虑技术成熟度，与前两种净零排放生产工艺相比，不具优势。

在合成氨过程革新技术方面，到2030年，氨合成回路分子筛、先进煤气化、煤基合成氨能源管控系统等技术能得到一定普及，技术普及率分别为7.8%、7.8%、14.1%，为行业碳达峰作出贡献。从2035年开始，逐渐推广数字孪生与智能制造、高效催化剂、等温变换等过程革新技术，几项技术普及率在2050年均达到19.8%，2060年在相关生产工艺内得到100%推广。

在末端治理方面，煤基合成氨和天然气合成氨尾气中含有较高浓度的二氧化碳，因此CCUS的捕集难度和成本低于大多数工业行业，从2030年开始，逐渐推广CCUS技术，到2060年在合成氨行业的普及率达到40%。

三、政策建议

基于对三大原材料工业分阶段实施低碳流程再造的路径分析，提出以下政策建议。

（一）制定三大原材料行业低碳流程工艺技术路线图

低碳生产流程再造是工业部门中长期脱碳的关键路径。对于钢铁、水泥、合成氨等“两高”原材料工业，应广泛征求行业、企业意见，制定并发布分行业的低碳流程工艺技术路线图，提出分行业分排放源的流程工艺技术构成、重要目标年的技术普及率、排放因子、排放效果等里程碑指标，为重点工业行业实现低碳转型提供技术引领，进一步带动整个工业部门高质量发展。

（二）加强突破性低碳零碳负碳流程工艺技术研发与应用

对于钢铁行业，重点推进绿氢直接还原技术、绿氢熔融还原技术的研发与示范。对于水泥行业，加快推进原料燃料替代技术，加强电石渣、硅钙渣、钢渣、石英污泥、造纸污泥等固体废弃物资源作为替代原料和替代燃料的循环利用；研发与推广高贝利特水泥等新型低钙水泥技术。对于合成氨行业，加快推进绿氢合成氨一体化技术，为2030年后的大规模工业应用做好准备。CCUS等负碳技术中远期将成为三大原材料行业实现碳中和的保障性技术，应加强燃烧后化学吸收、新型碳捕集工艺与材料的研发、试点示范项目建设等。

（三）强化资金保障

根据三大行业主要低碳流程再造技术示范项目数据来看，多项突破性技术的投资成本昂贵，氢冶金技术的比投资超过3300元/吨钢，绿氢合成氨一体化技术比投资约为13000元/吨氨，工业CCUS技术比投资约为13000元/吨二氧化碳，比已实现商业化利用技术的比投资高二至三个数量级。据此计算，三大行业在2020—2060年间实施低碳流程再造所需的投资需求总计可达6.5万亿元人民币，主要投资集中在2035年后。应及早做好资金安排，强化资金保障。

〔本文系国家自然科学基金项目“面向碳中和的环境协同治理研究”（项目编号：72140003）研究成果〕

（佟庆，清华大学-中国长江三峡集团有限公司气候变化治理机制与绿色低碳转型战略联合研究中心研究员、清华大学核能与新能源技术研究院高级工程师。张金玉，中国矿业大学（北京）博士生。林涵逸，中国科学技术大学博士生。彭杵真，清华大学核能与新能源技术研究院博士生。黄俊灵，清华大学-中国长江三峡集团有限公司气候变化治理机制与绿色低碳转型战略联合研究中心副主任、中国长江三峡集团有限公司国际清洁能源研究室）