目前，钢铁、水泥、化工三个行业的CO2排放约占全球总排放的18%，总耗能约为33亿吨标煤 i ，与美国全国一 次能源需求总量相当。
金融驱动重工业行业低碳转型 8 中国是全球最大的钢铁生产国和消费国，2020年国内粗钢产量为10.65亿吨，占全球56.4%8 ，钢材消费量为9.95 亿吨，占全球的56.2%。2020年，中国钢铁行业碳排放约占全国15%，占全球钢铁碳排放总量的60%以上9。目 前，国内钢铁生产仍以长流程为主，其吨钢生产碳排放为短流程的三倍左右。未来，国内的钢铁生产需要向低碳 冶金等方向转型，其碳减排手段则包含能效提升、废钢短流程、氢冶金工艺和碳捕集等。 钢铁生产中的能效提升主要包含余热余压利用、分布式能源耦合等。过去十年，中国钢铁行业在能效提升方面发 展迅速，重点钢企吨钢能耗从2010年的600千克标准煤降至2020年的545千克标准煤。但在对比同样的工艺流程 时，中国的吨钢碳排放和能耗与先进国家仍有差距，我国能效水平还存在一定提升空间。
废钢短流程是以废钢为原料、利用电炉生产粗钢，是未来钢铁低碳转型的主要方向之一。现阶段，受制于国内废 钢资源和电炉产能不足，短流程钢产量约占全国粗钢的10%。未来，随着社会废钢和进口废钢资源的逐步扩大和 回收体系的完善，短流程工艺得益于其自身在降低对进口铁矿石的依赖、大幅减少吨钢碳排放方面的关键作用， 将在中国钢铁产业结构中占据重要的位置。
氢冶金主要分为高炉喷吹氢气和氢气直接还原铁。其中，高炉喷吹氢气可对现有的高炉资源进行有效利用，从而 避免年轻资产大规模搁浅，并通过使用氢气替代部分喷吹煤和焦炭来降低碳排放。而直接还原铁的减碳潜力大， 氢气可将球团矿直接还原成固态海绵铁，在使用绿氢的情况下，减排潜力可达到95%。短期内，高炉喷吹氢气将 是行业的发展重点，而直接还原铁目前尚处于试点阶段，预见将在中长期实现更大规模投产。 碳捕集在钢铁行业的主要应用场景是对高炉-转炉路径中生成的二氧化碳进行捕集用于利用或封存。钢铁行业受 其自身工艺特点影响，排放源较多且浓度较低，碳捕集的难度和成本高。高炉气的二氧化碳含量相对转炉等其他 工序较高，可优先作为捕集对象，但冶金行业的碳捕集整体仍属于高成本技术。 此外，电解铁矿石等新兴技术如果能在中期大幅提升其技术成熟度，并有大规模成功试点落地，也将有可能在钢 铁行业产能结构中扮演重要角色。电解铁矿石是直接利用电能在高温或低温的情况下将铁矿石还原为铁，但目前 国内尚未有试点或规划，因此未来发展存在不确定性。
近期（2020-2030年）：钢铁行业主要依靠能效提升和废钢短流程的规模化发展实现碳减排。国家、行业 的相应政策中对超低排放改造、吨钢能耗及短流程炼钢发展等方面的要求也将进一步加速相关技术部署。 2022年1月，工信部发布了《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，要求力争在2025年80%以上钢 铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，确保在2030年前实现碳达峰。2022年7月工信部 等三部委发布的《方案》指出，到2025年，废钢铁加工准入企业年加工能力超过1.8亿吨，短流程炼钢占 比达15%。
中期（2030-2040年）：产量控减、废钢短流程成为降碳的主要抓手，氢冶金和碳捕集逐渐进入商业化 阶段。2030年后钢铁行业将从产量平台期进入产量下降期，预计到2040年粗钢产量将下降至7.8亿吨/ 年，将对钢铁行业的优化发展和落后产能淘汰提出更高要求。2040年，废钢的可获取量将进一步扩大， 回收比例和质量也将不断提高，预计短流程钢将扩大产能达到3.1亿吨/年。2040年，在氢气成本降低、 碳价、设备规模扩大等因素的驱动下，氢气直接还原铁和碳捕集技术路线将逐渐进入商业化试点阶段， 路线产量占比将各达到7%，共贡献每年约1.08亿吨的钢铁产量。2040年，钢铁行业的碳排放总量预计 为8.5亿吨/年，吨钢碳排放可以降至1.1吨CO2/吨粗钢11。
远期（2040-2050年）：产量控减、废钢短流程仍将继续发挥重要作用，氢冶金和碳捕集将发挥更大作 用，助力实现碳中和目标。2050年粗钢产量预计为6.2亿吨/年，相较2040年减少20%。短流程产能有望 支撑高达60%钢铁产量，废钢需求量将达到4.1亿吨/年。氢气直接还原铁和碳捕集技术将实现规模化，可 分别达到总钢铁产量的近20%，即2.4亿吨/年左右的产量规模。2050年，钢铁行业的碳排放总量预计为 1.9亿吨/年，吨钢碳强度可以降至0.3吨CO2 /吨粗钢。
中国的水泥生产和消费量位于全球第一，2021年共生产水泥23.63亿吨，占世界的57%；消费量也占全球一半以 上 12。从碳排放的角度出发，2020年，中国水泥行业CO2排放量为13.7亿吨，仅次于电力和钢铁行业。目前，水 泥行业脱碳正面临来自过程减排与燃料替换的双重挑战。首先，水泥生产过程中由碳酸盐分解产生的过程排放约 占全行业排放（范围一与范围二）的60%。作为水泥生产的核心原材料，目前市场上尚不存在可以大规模替代现 有工艺的路径，也不存在水泥的大规模替代品。其次，水泥生产高度依赖化石燃料，煤炭在水泥工业中的热值占 比95%以上。 水泥行业要实现完全脱碳，必须采用综合措施，包括从需求端降低水泥消耗、创新低碳水泥品种、加大低碳能源 在燃料及电力中的替代率，以及推广碳捕集与封存利用技术以抵消难以消除的过程排放。
目前，国内的水泥生产能效水平已位于国际前列，但还有进一步提升空间。目前常用的水泥节能技术有熟料烧成 节能减排技术、粉磨系统节能减排技术、水泥生产数字化技术三种。基于这些技术应用，当前，我国水泥熟料单 位产品综合能耗在98~136千克标准煤/吨（2.9~4.0GJ/t）之间，与欧美水平持平或更优。然而，仍有部分能耗 较高的企业达不到国家标准的限定值，急需技术改造。如果能将全国水泥生产线从目前的熟料综合能耗3级标准 提升为1级，则可减少约14%的能耗与排放。 燃料替代发展尚处初级阶段，但提升空间巨大。从燃料替代技术路径看，近期可使用固体废物燃料、生物质燃 料，远期可考虑氢能、电力等其他新型燃料。固体废弃物燃料是较适合水泥行业的燃料替代方案。但中国水泥工 业的替代燃料发展较晚，水泥生产的热替代率较低，相比部分欧洲国家水泥行业50%以上的比率仍有较大提升空 间。
碳捕集、封存与利用是水泥碳中和的必要技术。碳捕集技术中的液体化学吸收技术、钙循环技术、第二代富氧 燃烧和LEILAC技术在水泥行业中均有较好的推广价值。但目前大规模采用CCUS还面临着不少挑战：一方面， 水泥厂地理分布较分散，不利于集中建设CCUS设施，且增加了CO2运输成本；另一方面，水泥窑烟气中的CO2 浓度通常低于30%，捕集能耗与成本较高。未来，随着技术成熟与规模化效应展现，CCUS有可能成为水泥行业 实现碳中和的核心技术之一。CO2还可以与下游混凝土结合生产建筑材料，并在地质封存、化工合成等场景中得 以应用。 另外，采用熟料替代、原料替代、创新低碳水泥品种也可实现减排目的。低碳新型水泥具有烧成温度低、碳排 放低的特点，有望在未来占有更高的市场份额。但由于新型水泥技术的成熟度和应用潜力具有不确定性，本文 不做重点分析。
近期（2020-2030年）：水泥行业减碳主要依靠降低水泥产量和提升能效来实现行业碳排放的尽早达峰。2022 年2月，国家发改委发布的《指南》包括《水泥行业节能降碳改造升级实施制指南》，要求到2025年，水泥行业 能效标杆水平以上的熟料产能比例达到30%，能效基准水平以下熟料产能基本清零，因此十年内水泥行业仍需 大量部署节能技术。未来，熟料烧成和智能化节能技术普及率将从目前的30~40%提升到90%以上。2022年7月 工信部等三部委发布的《方案》指出，建材行业到2030年原燃料替代水平要大幅提高，并突破包括氢能煅烧在 内的低碳技术。因此，预计下一步也会开始初步推广将生物质和固废燃料作为替代性燃料，以此来逐步降低行 业对煤炭的依赖。到2030年，预计水泥生产燃料热能的5%左右会被固废燃料替代；氢能和电力技术仍处在开发 阶段。早期水泥生产用燃料热值的约5%将被固体废物燃料所取代。CCUS项目进入开发和示范阶段；到2030 年，约2%的水泥碳排放可使用CCUS捕集。 中期（2030-2040年）：产量控减、替代燃料和CCUS将共同推动水泥行业减排。节能技术在这一时期减碳作用 将大幅下降，除仍需在部分发展不平衡地区进一步推广外，节能技术的普及率可以接近100%。随着废弃物的收 集、分类和预处理实现标准化和商业化，到2040年，固废燃料将基本实现量产，可实现约15%的燃料热值替 代。氢能和电力制水泥技术将开展试点和示范，并在部分新建窑炉中的采用过程中替代约2%的热值。CCUS技 术已逐渐成熟，能捕集约10%的水泥碳排放。
远期（2040-2060年）：替代燃料和CCUS将在水泥行业减排中发挥更大作用。此时CCUS和替代燃料体现出较 强的经济性，零碳水泥将与碳价机制相结合显示出其成本优势。到2050年，水泥行业中有40%的CO2排放可以 被捕集。2040年之后基于新型窑炉结构的技术如氢煅烧、电力窑、LEILAC等将在更大程度上得到应用，到2050 年固废和氢能绿电将分别替代28%、10%左右的燃烧热值。2050-2060年，氢能与电力等新型替代燃料技术将 成熟并实现商业化，CCUS技术将得到全面推广。在这个阶段，固废和氢能绿电将分别实现45%、25%的热值替 代率。在水泥行业产生的的CO2排放中有90%可以被捕集。水泥行业的CO2净排放以及水泥产品的碳强度将接近 净零水平。
石化和化工是国民经济的支柱产业，也是主要重工业行业之一。近年来，随着我国工业扩张与生活水平的提升， 化工品的供给与需求均实现高速增长。中国石化和化工行业每年约排放13亿吨CO2，占全国碳排放总量的13%、 工业碳排放总量的20% 13。石化和化工行业产品类别多样且复杂，本文以合成氨、甲醇和乙烯三个代表性产品为 例，对该行业的碳减排路径进行分析。 石化和化工行业脱碳面临的主要挑战来自原燃料低碳化和需求量上涨。我国化工品的生产高度依赖化石能源，进 而导致化工产品碳含量较高，加剧了石化和化工行业在脱碳过程中所面临的的挑战。与此同时，随着国内经济水 平和国民生活品质的提升，中国对于化工产品需求总量有较大的增长空间，高端化工产品的对外依存度会不断下 降，产能则将持续增加，因此石化和化工行业碳中和之路相较产量下行的行业将面临更大压力。
石化和化工行业的碳中和路径主要从供给侧和消费侧两个维度开展。在供给侧，碳排放主要来自反应过程和能源 消耗，减碳路径除了传统的节能增效之外，原料替代、燃料替代和CCUS等末端治理技术也将带来极大的减排潜 力。在消费侧，减排的重点则是减少对能耗密集型产品的依赖，并通过消费减量、产品结构调整、资源循环利用 等手段进一步提升资源化利用水平。未来，节能措施仍将贡献一定的减排潜力；但能源结构调整、资源循环利 用、末端捕集封存是实现零碳发展的必要途径。 节能技术中，余热余压回收利用、蒸馏系统能效提升、循环水系统优化等是较为常见的技术选择。以合成氨为 例，中国对主要高耗能产品单位综合能耗水平的要求已从2005年的1460千克标准煤/吨降至2020年的1264千克 标准煤/吨，累计降幅约为15%。未来，能量转化效率、余热余压回收利用、过程热集成水平等技术的进一步提 升，将为石化和化工行业节能降碳改造升级注入较大潜力。
绿氢的制储运技术是石化和化工行业减排的重要技术，将大幅降低化工原料中氢的碳排放。石化和化工行业是氢 气的重要消费部门。以生产合成氨和甲醇为例，它们消耗的氢气约占氢气总产量的60%14，发展绿氢将为石化和 化工生产带来极大的减排潜力。2020年，我国产氢中煤制氢、天然气制氢、工业副产氢的占比为62%、19%、 18%，而绿氢占比仅为1%14。现阶段绿氢发展的主要障碍是成本。未来，随着电解槽成本的进一步下降、电解 效率的提升、电力成本的降低，可使绿氢成本具有竞争力，并逐步替代化石能源氢。 碳捕集技术在石化和化工行业的应用具有较大优势，这主要得益于石化和化工生产中排放的高浓度二氧化碳使单 位捕集成本更具经济性。以合成氨为例，2020年约有77%的产品来自以煤为源头的生产路径13，此路径下生产1 吨合成氨将排放4.2吨二氧化碳15。由于降低了CO2纯化成本以及规模经济性，高浓度CO2使碳捕集单位成本更 低。未来随着碳价对高耗能、高排放行业的约束，碳捕集技术不仅可以为企业节省环境成本，还可以在将捕集的 二氧化碳从工业排放源分离后直接加以利用，为有机化学品提供碳源的同时减少煤炭的消耗。
近期（2020-2030年）：石化和化工行业的减碳以节能增效技术和淘汰落后产能为主，并重点培育前 沿技术开发应用。2022年国家发改委发布的《指南》中对合成氨、现代煤化工、乙烯等行业分别提出 了更高的发展目标。在能效方面，要求到2025年，合成氨行业、煤制甲醇行业能效标杆水平以上产能 比例分别达到15%、30%，能效基准水平以下产能基本清零；乙烯行业在提升规模化水平、原料结构 轻质化、低碳化发展的同时，实现行业标杆产能比例达到30%以上，能效基准水平以下产能有序开展 改造提升。在技术应用领域，加快节能装备、余热余压利用、能量系统优化等成熟工艺应用；同时将 培育绿色能源、绿氢的耦合利用、电气化等前沿技术的应用与示范。预计到2030年，绿氢替代灰氢为 石化和化工生产提供原料的生产路径在合成氨和甲醇行业的普及率有望达到20%。碳捕集技术在石化 和化工中的应用相对较成熟， 2030年在合成氨、甲醇、乙烯生产中的普及率分别可达20%-30%13 。 中期（2030-2040年）：绿氢和碳捕集技术的成熟度和经济性会有显著提升，将在石化和化工行业中 实现普遍应用。预计到2040年，石化和化工产品生产路径更加低碳化，绿氢制合成氨、甲醇的路径将 成为新产能的最优选择，在合成氨和甲醇行业的普及率有望达到40%13。与此同时，绿色甲醇制乙烯 的生产路径也有望实现小规模应用。碳捕集技术在合成氨、甲醇、乙烯生产中的普及率进一步提升， 最高可超过40%。节能增效技术与落后产能淘汰等传统手段也将继续发挥减碳潜力。
远期（2040-2050年）：绿氢和碳捕集技术将在石化和化工行业中实现约90%的普及率，推动石化和 化工行业实现近零排放13。到2050年，随着老旧产能的退出与绿氢的市场化发展，新增石化和化工产 能将以绿氢为原料的生产路径为主，绿氢路径在合成氨和甲醇行业的普及率有望分别达到70%和 60%13。虽然仍有部分在运行或新增的产能以化石能源为原料，这些产能也将通过安装碳捕集装置实 现降碳目标。乙烯行业以石脑油和轻烃为原料的生产路径也将配备碳捕集装置，并实现70%的普及 率；近20%的乙烯产能将由绿色甲醇联产，实现零碳化13。到2050年石化和化工行业的过程排放将实 现近零排放。
