苗乃乾，黎妍，张家斌

(山东氢谷新能源技术研究院，山东 济南 250001)

0 引言

化工行业是脱碳任务量最大的行业之一，也是全国碳排放总量较高的行业之一。在中国实现双碳目标的背景下，化工行业需要承担更加严峻的减碳压力。传统的减碳措施难以深度实现化工行业的净零排放，H2作为清洁低碳的二次能源，有望在化工行业发挥重要作用。中国H2年产量在3 300 万t 左右，其中大部分被用于化工领域，其制H2环节是主要的碳排放来源。使用H2替代传统的灰H2可以减少大量的碳排放，是加快化工行业低碳转型的关键。因此，化工行业需要加强技术创新，提高资源利用效率，推广低碳技术和绿色制造技术，并探索H2等可再生能源的利用，以实现碳中和与可持续发展。

1 化工行业绿色发展的必要性

根据国家统计局能源和环境统计局的数据测算，2020 年中国的CO2排放总量约103 亿t，主要来源于电力、工业、交通、建筑等生产部门。其中，来自工业部门的化工行业(包括石油和化工行业)的碳排量总量为13.78 亿t，占全国CO2消费总量的13.37%，其中直接排放9.18 亿t，电力排放4.6 亿t，在工业领域碳排放量仅次于冶金行业。从碳排放总量以及占比来看，化工行业的碳排放量如此之大，对环境造成了巨大的负面影响，绿色发展是化工行业不可或缺的选择[1]。

在碳中和背景下，化工行业作为“高能耗、高排放”的产业，必定面临着紧迫的减排压力，而且碳排放政策也在日渐收紧。为了应对气候变化和减少碳排放，我国政府已经推出了一系列的环保政策，其中包括成立碳排放权交易市场。该市场的成立将促进企业间的碳排放权交易，推动企业减少碳排放和转型升级，实现碳排放减少和经济发展的双赢。化工企业作为重要的碳排放行业，应当积极参与碳排放权交易市场，减少碳排放，推动绿色发展。高能耗行业重点领域能效标杆水平和基准水平如表1 所示，同时，国家发改委发布的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022 年版)》文件中提出要依法依规淘汰不符合绿色低碳转型发展要求的落后工艺技术和生产装置，对能效在基准水平之下，无法在规定时限内通过改造升级达到基准水平以上的产能，要通过市场化方式、法治化手段推动其加快退出[2]。在碳交易制度和落后产能清退制度的建立和完善下，代表着碳排放的排放指标将进入硬约束时代，化工行业严格把控碳排放成为未来发展的主要要求。

表1 高能耗行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021 年版)

另外，尽管中国有着十分丰富的煤炭资源，但是石油和天然气的对外依存度分别超过七成和四成，化石能源作为不可再生资源，储量有限。2021 年，国家相关部门发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中明确提出，到2030 年，中国非化石能源消费比重将达到25%，到2060 年将达到80%。随着环保意识的加强和环保政策的逐步完善，化工企业正在加速转向使用非化石能源。非化石能源的使用可以减少化工企业的碳排放和污染物排放，同时也可以降低企业的能源成本，提高竞争力。因此，化工企业要积极采取措施，加速推广和使用非化石能源，实现绿色转型。

2 化工行业减碳的可行性及前景

石油炼化、合成氨、合成CH4O、现代煤化工的碳排放主要来自合成反应中的C、H 转换过程，即CO与H2O 反应制H2，而含H 量最低的煤炭劣势最明显、碳排放最高。例如，煤制烯烃的单t 过程排放量可达到6 t 的CO2。对于合成氨，2020 年，中国合成氨直接排放CO2约2.19 亿t，占化工行业碳排放总量的15.9%，占全国碳排放总量的2.2%。合成氨的H 源主要来自煤炭、天然气和焦炭副产H2与兰炭副产H2，其中煤炭路线的碳排放强度约为4.2 kgCO2/kgNH3，天然气路线的碳排放强度约为2.04 kgCO2/kgNH3。每合成1 t 氨，煤炭路线的碳排放约为4.2 t，天然气路线的碳排放约为2.04 t[3]。

如图1 所示，2020 年，全国化工行业的碳排放总量约为6.2 亿 t，其中合成CH4O 直接排放CO2约1.96 亿 t，占化工行业排放总量的14.2%，占中国碳排放总量的2%。合成CH4O 的H 源主要来自煤炭、天然气和焦炉气，其中煤炭路线的碳排放强度大约为3.1 kgCO2/kg CH2OH，天然气路线的碳排放强度大约为0.58 kgCO2/kg CH2OH。对石油炼化，2020 年，中国石油炼化直接排放CO2约2 亿 t，占石化化工行业排放总量的14.5%，占中国碳排放总量的2%左右。

图1 中国2020 年化工行业碳排放占比及构成

目前，石油炼化、合成氨、合成CH4O 的碳排放总量约6.2 亿t，占化工行业的44.6%，这些化工产品的碳排放主要发生在制H2环节[4]。但是，如果使用H2代替高碳排放的灰H2等制H2方式，化工行业可以在理论上减少大部分碳排放，实现减排目标和低碳转型。

3 碳中和背景下化工行业绿色发展的策略

3.1 以H2 为基础进行行业耦合

在化工行业中，氢能被广泛用于生产基础材料，如，工业气体或化肥以及石油化工产品及衍生品。在实现“双碳”目标的压力下，氢能够促进化学工业和可再生能源电力之间的行业耦合。与其他应用领域的主要区别在于，氢能在化工领域中一般是用作原料而非能源。通过使用绿色H2，化学品制造业可以逐渐替代化石燃料H2，包括合成氨、CH4O 和其他化学品的制造。这将有助于减少化学工业对化石燃料的依赖，降低碳排放，推动化工行业实现绿色可持续发展。

行业耦合是指将不同产业之间的能源、物质和信息相互联系，以便于实现资源共享、优化能源利用和提高经济效益的一种方式。例如，可再生能源可以广泛应用于工业、交通、建筑、农业等领域，以实现能源的多样化和高效利用。同时，行业耦合还可以促进产业升级和转型，推动经济可持续发展[5]。例如，光伏发电与建筑领域耦合，可以实现建筑物自给自足的能源供应；可再生电力与交通行业耦合，可以实现电动汽车的普及和推广；将生物质能与农业行业耦合，可以实现农业废弃物的资源化利用等。因此，行业耦合可以为能源转型提供一个高效、可靠和可持续的解决方案，促进可再生能源的广泛应用，推动能源产业的转型升级。

如图2 所示，在行业耦合的框架下，绿H2可以通过费托合成或CH4O 制造以及随后的炼化工序生产包括汽油、柴油、煤油在内的目前交通行业使用的所有常规燃料。同时，CH4O 也是制造热固性塑料、纤维、弹性体、溶剂、添加剂等化学品的重要原料。值得注意的是，全世界生产的CH4O 有大约1/4 被用来制造甲醛，以进一步生产合成树脂等化学品。利用绿H2生产合成燃料和化学品，不仅可以降低碳排放，还可以减少对传统石油资源的依赖，推动能源转型和可持续发展。同时，这一过程也需要解决绿H2生产成本高、储运等技术难题。因此，加强技术研发和政策支持，推动绿H2产业的发展和应用，具有重要的战略意义[6]。

图2 以H2为基础进行行业耦合

3.2 提升焦炉煤气的利用率

在近期，焦炉煤气是一种可行的替代H2原料，可以作为通往绿H 化工的过渡方案。2020 年，中国CH4O(100 万t/a) 和合成氨生产中有30 万t/a 的H2气来源于焦炉煤气，分别占比12.5%和3%。随着“双碳”目标和《“十四五”原材料工业发展规划》等政策的推进，焦炉煤气在化工行业的利用率有望进一步提高。焦炉煤气是钢铁生产过程中产生的一种副产品，含有高浓度的H2和一些有害气体。通过对焦炉煤气进行净化和加H 处理，可以将其转化为高纯度的H2气，用于化工行业的生产过程。这种方法不仅可以降低化工行业的碳排放，还可以增加焦化企业的收益，并缓解H2供应紧张的问题。然而，焦炉煤气的H2含量和纯度都有限，需要进一步提高净化和加H 处理的效率和技术水平。同时，焦炉煤气的利用也需要解决储运和配套设施的问题[7]。因此，在推动焦炉煤气在化工行业的利用过程中，需要加强技术研发和政策支持。具体而言，可以从以下几个方面入手：

第一，技术创新。研发更高效的净化技术，例如：采用吸附、膜分离等技术，降低焦炉煤气中的杂质含量，提高H2含量和纯度；研发更加高效的H2催化加H 技术，通过改善催化剂性能和反应条件，提高H2利用效率和产物选择性，减少副产物的生成；研发新型的储运和配套设施，例如：采用燃料电池、液H2储存等技术，提高H2的储存和运输效率，降低成本。此外，还可以考虑与其他领域的技术进行跨界融合，例如：结合生物技术、化学合成等技术，研发新型的H2生产和利用技术。对化工行业绿色发展的需求，可以根据具体的应用场景和需求，研发相应的配套设施和技术，例如开发可再生能源与H2的联合生产技术，开发基于H2的新型化工产品等，以满足绿色化工的需求。

第二，政策支持。对于焦炉煤气净化和加H 处理等投资较大的技术和设备，可以给予财政补贴或税收优惠，降低企业的投资成本和运营成本，提高企业的经济收益；建立专项基金，用于支持焦炉煤气利用和氢能产业的发展和推广，鼓励企业加大对焦炉煤气利用的投入和研发力度；出台相关法规和政策，规范焦炉煤气的排放和利用，鼓励企业加大对焦炉煤气的回收和利用力度，减少焦炉煤气的浪费和环境污染；制定相关的技术标准和规范，促进焦炉煤气净化和加H 处理技术的标准化和规范化，提高技术水平和产品质量，促进产业的健康发展。同时，政府可以加强与企业的沟通与合作，了解企业的需求和问题，提供相关支持和帮助，共同推动焦炉煤气的利用和氢能产业的发展[8]。

第三，市场培育。建立氢能示范项目，推广焦炉煤气的利用和氢能技术的应用。建立氢能化工园区，引导和扶持企业采用焦炉煤气加H2技术，提高焦炉煤气利用率；加强氢能产业链的布局和发展，构建完整的氢能产业体系，提高氢能产业的竞争力和市场地位。建立H2生产、H2储运应用等产业链，促进氢能产业的协同发展；加强氢能市场的推广和宣传，提高公众对氢能的认知和信任度，扩大氢能在化工领域的应用范围。开展氢能科普活动，组织氢能展览会和技术交流会等，推广氢能技术和应用。通过以上措施，可以促进氢能产业的发展和推广，扩大焦炉煤气的利用范围和规模，提高焦炉煤气利用率，推动绿色化工的发展。

3.3 推广循环经济

化工行业是经济发展的重要支柱产业，但是由于其特殊的生产过程和产品特性，容易导致环境污染和资源浪费。当今，循环经济已成为全球可持续发展的战略方向，推广循环经济也成为化工行业绿色发展的重要策略之一。循环经济的核心是通过物质循环和能源循环，实现资源的高效利用和废弃物的有效处理，减少环境污染和资源浪费。具体而言，循环经济包括以下几个方面：

第一，建立废弃物回收利用体系。化工行业生产的废弃物种类繁多、含有有害物质，如果不进行有效的处理和回收利用，容易对环境造成污染。因此，建立废弃物回收利用体系是推广循环经济的重要举措。可以通过政策引导、技术支持、金融扶持等多种手段，鼓励企业进行废弃物回收利用，形成以废变宝的产业链，实现资源的高效利用和废弃物的有效处理。

第二，推广循环生产模式。循环生产模式是指在生产过程中，将废弃物作为原材料进行再利用，实现资源的闭环利用。化工行业可以通过推广循环生产模式，实现生产过程的绿色化和环保化。例如，采用废弃物回收利用技术，将生产过程中产生的废水、废气、废渣等进行再利用，降低环境污染和资源浪费。

第三，倡导绿色消费观念。绿色消费观念是指消费者在购买产品时，优先选择环保、节能、可再生的产品。化工企业可以通过各种渠道，如：网站、微信公众号、电视广告等，向公众普及环保知识，提高公众对绿色消费的认知度，借助一些环保组织或公益机构的力量，组织一些环保宣传活动，如：主题演讲、环保展览、环保义卖等，向公众传递绿色消费的理念。此外，化工企业还可以加入一些环保组织，如全球环境基金会等，共同推动环保事业。加入这些组织，不仅可以增强企业的环保意识，同时也可以获得更多的环保知识和技术支持，从而更好地推广绿色消费观念，促进循环经济的发展。

第四，加强技术创新和产业合作。技术创新和产业合作是推广循环经济的重要手段。化工企业可以加强与科研机构和其他产业的合作，共同研发和推广循环经济相关技术和产品，实现资源共享和优势互补，推动化工行业绿色发展。

4 结语

在碳中和背景下，化工行业绿色发展是未来的必然趋势。为了实现碳中和，以绿氢为基础进行行业耦合，提升焦炉煤气的利用率。作为化工企业，需要加快技术创新，减少碳排放，提高能源利用率，推广清洁生产工艺，加强废弃物回收利用等措施。同时，政府应该加大环保政策力度，鼓励企业积极参与碳交易市场，提高碳价，促进企业减排，加快转型升级。只有在政府、企业和社会共同努力下，才能实现化工行业的绿色发展，推动经济高质量发展，实现可持续发展。