工业生产过程碳排放核算方法研究

□ 黄 炜 王逸伦 肖相泽 郦依洒 魏丹青 蒋晓雁 严佳辉

双碳国家战略对工业生产过程碳排放统计核算提出了新的要求。2021 年印发的《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实施意见》《2030 年前碳达峰行动方案》，明确提出支持行业、企业依据自身特点开展碳排放核算方法学研究，建立健全碳排放计量体系。根据国家部署，浙江也出台了《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实施意见》，明确提出要根据全国统一规范的碳排放统计核算体系要求，构建省级碳排放统计核算体系。按国家要求，碳达峰口径为全部领域二氧化碳排放，除已核算的能源活动领域外，主要即为工业生产过程。浙江工业生产过程碳排放的体量相对较大，年度碳排放在5000 万吨左右（2019 年数），以石化、钢铁和水泥行业碳排放为主。要实现全省的碳达峰，必须对这部分的碳排放施加调控，确保碳排放总量如期高质量达到峰值。

| 国内外工业生产过程碳排放核算方法综述

（一）相关文献评述

从学术研究上看，当前专门针对工业生产过程碳排放统计核算的研究尚较少，主要聚焦在行业、部门和区域上。在行业上，庞凌云等（2022）[1]、Kong Lingbo（2017）[2]、顾佰和等（2013）[3]在研究石化、造纸、化工行业碳减排问题时，分别建立了以重点产品碳排放强度为基础的核算方法、基于产品视角的核算方法，其原理都是首先确定单位产品质量或产值的碳排放。在部门上，Li Xiaoyan 等（2020）[4]、刘俊伶等（2019）[5]、周迪等（2019）[6]在研究中国35 个工业行业碳减排问题时，采用IPCC 推荐的方法，即采用固碳率简单估算，王勇等（2017）[7]、Wesseling J 等（2017）[8]、陈诗一（2009）[9]则只测算了能源活动领域的碳排放。在区域上，Jiang Jingjing 等（2019）[10]对涉及中国和印度的碳排放估算及预测进行评述，其中绝大多数都未专门涉及工业生产过程碳排放的核算。

（二）实践进展评述

从实践进展看，目前区域温室气体排放清单已将钢铁、水泥等行业纳入核算，建立了主要基于产品产量的核算方法，相关排放因子也有一定数据基础，但石化企业仅能遵循《中国石油化工企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》开展企业级核算。

1.石化行业。区域级算法：目前IPCC 和《浙江省温室气体清单编制指南（2022 年修订版）》均未引入石化行业区域级算法。企业级算法：在企业层面石化行业的工业生产过程碳排放目前主要在企业碳排放报告中披露，主要分为两类4 项排放源，其中催化裂化装置，催化重整装置等主要根据烧焦量核算，而制氢装置，乙烯裂解装置，乙二醇/环氧乙烷生产装置等，则主要依据碳质量平衡法核算。两类都需要大量的工厂级数据，难以直接引申为区域算法。

2.钢铁行业。区域级算法：根据《浙江省温室气体清单编制指南（2022 年修订版）》，钢铁生产过程碳排放=作为溶剂的石灰石数量×作为溶剂的石灰石碳排放因子+作为溶剂的白云石数量×作为溶剂的白云石排放因子+（炼钢用生铁数量×炼钢用生铁平均含碳率-炼钢的钢材产量×钢材产品的平均含碳率）×44/12。企业级算法：在企业碳排放报告中披露，主要分为溶剂消耗造成的排放、电炉内电极消耗的排放、生铁等含碳原材料的排放三方面。其计算方法为：钢铁生产过程碳排放=溶剂消耗造成的排放+电极消耗的排放+含碳原材料的排放。

3.水泥行业。区域级算法：根据《浙江省温室气体清单编制指南（2022 年修订版）》，水泥生产过程碳排放=扣除电石渣的水泥熟料产量×水泥生产过程平均排放因子。企业级算法：在企业碳排放报告中披露，主要分为原料分解产生的排放与生料中非燃料碳煅烧产生的排放两方面。其中，生料中非燃料碳煅烧产生的排放量极小，通常不予考虑。原料分解产生的排放=熟料对应的CO2排放量=（熟料产量+窑炉排气筒粉尘+旁路放风粉尘）×[（熟料中氧化钙含量-熟料中非碳酸盐来源的氧化钙含量）×44/56+（熟料中氧化镁含量-熟料中非碳酸盐来源的氧化镁含量）×44/40]

4.综合评述。通过对比三大行业区域级算法和企业级算法不难发现，在同一个行业内，无论哪种算法采用的活动水平数据标的基本是一致的，要么以投入的原材料量作为活动水平数据的标的，要么以工业生产过程的阶段性产物作为活动水平数据的标的。钢铁行业可以采用要素质量法以投入要素的消耗量核算工业生产过程的溶剂、电极和含碳原材料消耗的碳排放；水泥行业则可以采用产品质量法，根据其工业生产过程的阶段性产物核算其工业生产的排放量。而石化行业存在其一定的行业特殊性，该行业缺乏区域层面的算法，无法通过对照进行归纳整理；且石化行业生产过程中催化裂化、催化重整等装置是以生产设施作为边界开展生产，因此考虑以装置处理量法核算石化行业的催化裂化、催化重整装置的工业生产过程排放，制氢装置和乙二醇/环氧乙烷装置由于工艺流程脉络相对较为清晰和完整，考虑分别采用要素质量法和产品质量法进行核算。

| 工业生产过程碳排放核算设计

（一）总体思路

聚焦核算方法明确统一、核算参数本地化、核算过程规范简洁三个目标，对石化、钢铁、水泥等行业典型企业开展实地调研，对各排放源逐一解构对应分类至投入类、过程类、产出类三类排放源，分别建立要素质量法、装置处理量法、产品质量法三条技术路径，并基于省内其他企业开展试算验证，形成浙江省工业生产过程碳排放统计核算方法学体系，助力建立合理、可行的工业生产过程碳排放统计核算体系，并提出推进工业行业碳减排的政策建议。

（二）浙江工业生产过程碳排放特征

1.工业生产过程碳排放的总体特征。2019 年浙江工业生产过程的二氧化碳排放总量5000万吨左右，根据浙江工业生产过程温室气体排放清单及碳报告口径估算，浙江的工业生产过程碳排放主要发生在水泥、石化、钢铁三个行业，占比分别为60%以上、30%左右和10%不到。

2.工业生产过程碳排放的行业特征。

（1）石化行业。排放源类型：大榭石化、中海石油舟山公司主要涉及催化裂化装置、催化重整装置、制氢装置；镇海炼化主要涉及催化裂化装置、催化重整装置、制氢装置、催化汽油脱硫装置、乙烯裂解装置、乙二醇/环氧乙烷生产装置；浙石化主要涉及制氢装置、乙二醇/环氧乙烷生产装置。排放源占比结构：四家企业工业生产过程主要排放源包括催化裂化装置在内的8 种生产装置，其中催化裂化、催化重整、制氢、乙二醇/环氧乙烷生产是主要的排放源，这四类排放源产生的碳排放分别占企业工业生产过程碳排放的99.9%、99.9%、100%和100%。

（2）钢铁行业。排放源类型为浙江涉及钢铁联合生产的一般为使用电炉炼钢的小型炼钢企业，此类企业一般涉及的工业生产过程排放源为白云石、石灰石等溶剂消耗产生的排放以及电极等还原剂使用产生的排放，还有企业使用生铁等含碳原材料炼钢产生的排放。排放源占比结构：钢铁行业工业生产过程中一般占比较高的为白云石、石灰石等溶剂高温分解产生的碳排放占比为40%左右，使用生铁等含碳原材料排放占比为40%左右，使用电极等还原剂造成碳排放占比在20%左右。

（3）水泥行业。排放源类型为所有涉及熟料生产的水泥企业工业生产过程主要排放源均为生料中的碳酸盐。排放源占比结构：水泥行业工业生产过程主要排放源为原料分解产生的排放，占比在99%以上；生料中非燃料碳煅烧过程产生的排放占比在工业生产过程排放中占比不足1%，因此在计算工业生产过程的排放中可以暂不考虑此部分。

（三）工业生产过程碳排放统计核算方法

1.基本原则。一是具有简便性和速算性，无需或尽量减少针对企业开展调研或从其他主管部门获取必要的计算数据。二是活动水平数据具有明确来源且可追溯。三是排放因子数据具有本地性且可在全省范围推广使用，浙江相同或相近工艺的企业使用时不产生明显偏移。

2.核算方法。对于投入型碳排放，考虑采用要素质量法。由于这类排放源和投入要素的质量直接相关，因此主要关注如何选取合适的投入要素，这些要素首先需要与排放过程的活动规模直接相关，其次要素的质量纳入统计体系中，相关的能源消耗是一类较为理想的指标。

对于过程型碳排放，考虑采用装置处理量法。这类排放源主要是石化行业的催化裂化装置、催化重整装置等。在相关的生产过程中，原料投入种类繁多，成分复杂，且其成分结构各家企业根据生产情况不尽相同，因此较难以一种或几种原材料或者是产出产品作为其活动水平数据。后经调研浙江石化企业发现，企业在实际生产过程中均会统计催化裂化、催化重整装置的装置处理量数据，该数据与原材料的投入量、装置产出量存在较强的线性关系，又是温室气体核复查补充数据表的关键指标之一，具有可追溯、可校验的特性。

对于产出型碳排放，考虑采用产品质量法。由于这类排放源和产品产出的质量直接相关，因此主要关注如何选取合适的产出产品，这些要素首先需要与排放过程的活动规模直接相关，其次产品的质量纳入统计体系中，企业的主要工业产品产量统计范畴内的产品是一类较为理想的指标。

具体的核算方法如下：

式（1）中，Eco2为二氧化碳排放总量，单位为吨；i在要素质量法中为每个单独的投入的原材料种类；在装置处理量法中为每个单独的装置；在产品质量法中为每个单独的投入的原材料种类；ADi在要素质量法中，为投入的原材料量，在装置处理量法中为工业生产过程的装置处理量；在产品质量法中，为单个产品的产量。单位均为吨；EFi为每个方法对应的排放因子，单位为吨二氧化碳/吨。

（四）排放因子的确定及优化

1.石化行业核算排放因子。

（1）催化裂化、催化重整装置的排放因子确定方式。对于催化裂化和催化重整生产过程，其活动水平数据主要为装置处理量，通过分析中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司、中海石油宁波大榭石化有限公司和中海石油舟山公司2016 年至2021 年装置处理量与碳排放量的数据分析其内在逻辑联系，可知装置处理量与碳排放量呈线性关系。通过计算得出，催化裂化装置排放因子为0.24tCO2/t，催化重整装置排放因子为0.001tCO2/t。

（2）制氢装置的排放因子确定方式。对于制氢的生产过程，其活动水平数据主要为原料煤的投入量，通过分析中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司和浙江石油化工有限公司原料煤投入量与碳排放量的数据分析其内在逻辑联系，可知原料煤投入量与碳排放量呈线性关系。通过计算得出，制氢装置排放因子为3.49tCO2/t。

（3）乙二醇/环氧乙烷的排放因子确定方式。对于环氧乙烷生产过程，其活动水平数据主要为环氧乙烷的产量，通过分析中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司和浙江石油化工有限公司环氧乙烷产量与碳排放量的数据分析其内在逻辑联系，可知环氧乙烷的产量与碳排放量呈线性关系。通过计算得出，乙二醇/环氧乙烷装置排放因子为0.26tCO2/t。

2.水泥行业核算排放因子。对于水泥熟料生产过程，以生产的熟料质量为活动水平，通过分析浙江63家熟料生产企业的熟料产量与碳排放量的数据分析其内在逻辑联系，可知熟料的产量与碳排放量呈线性关系。通过计算得出，熟料排放因子为0.53tCO2/t。

3.钢铁行业核算排放因子。钢铁行业工业生产过程企业级算法中，碳排放量和活动水平呈线性关系，且相应的活动水平数值获取方式较为简单，符合统计框架体系，因此考虑直接应用企业级算法的排放因子：溶剂高温分解产生碳排放，以投入的溶剂白云石、石灰石质量为活动水平，白云石排放因子为0.47tCO2/t，石灰石排放因子为0.44 tCO2/t，炼钢降碳造成逃逸碳排放，以投入的生铁质量为活动水平，生铁排放因子0.17 tCO2/t。使用电极造成碳排放，以投入的电极质量为活动水平，电极排放因子为3.66tCO2/t。

| 展望和建议

（一）测算方法的展望

本文分别以要素质量法、装置处理量法、产品质量法三条技术路径来测算浙江石化、钢铁和水泥行业工业生产过程碳排放，其中石化行业的装置处理量法是基于浙江石化企业的排放特性及工艺特点创新研究所得，在日后的研究中，还需要从以下方面深入研究：

1.对于钢铁行业，目前省内以电炉炼钢、钢压延加工及钢铁联合生产为主的企业，考虑浙江实际和生产工艺的稳定性，考虑进一步深化粗钢产量与碳排放量之间的正相关性研究，探索采用产品质量法测算钢铁行业工业生产过程排放的路径和可行性。

2.对于石化行业，目前涉及浙江石化企业主要的是催化裂化、催化重整、环氧乙烷/乙二醇生产、煤制氢4 个生产装置，考虑到全省绿色发展转型的需求，以及国家对煤制氢生产装置的限制，以后考虑将油制氢、液态烃制氢等其他制氢装置的生产过程排放核算方法纳入。同时对于本文创新的催化裂化和催化重整的装置处理量法，进一步探索采用省外相关企业数据验证核算体系，对排放因子进一步优化。

3.对于其他行业，考虑日后进一步扩大研究范围，将浙江涉及的脱硫、合成氨生产、纯碱生产、石灰生产等工业生产过程排放纳入。

（二）政策启示及建议

1.推进企业产品升级、管理优化。依据本文之前章节的研究可知，工业生产过程排放主要由原料投入、设备处理及产品产出三个方面引起，对于企业层面来说一是积极寻求绿色原料替代，在技术可行的情况下使用绿色原料替代碳排放强度较高的生产原材料；二是强化设备管理，提升设备处理效率，避免设备因维护不到位、管理不到位等原因造成装置处理能力下降导致的碳排放上升；三是积极寻求产品替代升级，对接产业链下游，合力开展产品替代研究，探索以更绿色、更经济的产品替代现有碳排放强度较高的产品。

2.推进生产设备、工艺改造创新。对于投入型的工业生产过程碳排放来说，以煤制氢为例，应探索在一定经济条件下，大规模使用油制氢、液态烃制氢等生产工艺，油制氢的工业生产过程排放较煤制氢要低10%左右。对于过程型的工业生产过程碳排放来说，以催化裂化、催化重整装置为例，主要取决于其装置处理量，应提高系统运行效率和电源开发综合效益。鼓励应用短流程、反应过程强化、催化裂化余热发生超高压蒸汽技术等低碳生产工艺，加强甲烷与挥发性有机物（VOCs）协同管控；对于产出型的工业生产过程碳排放来说，以环氧乙烷/乙二醇装置为例，由于其工业生产过程碳排放主要由产量决定，企业应积极开展产品生产工艺的改进研究和创新，通过改进生产工艺的方式降低产品生产过程排放。

3.加强支持与保障。从主管部门的角度看，工业生产过程排放并非由消费侧结构性引发，因此无法通过调整能源结构或者产业结构等较为直接的方式降低工业生产过程碳排放，应从政策角度引导相关行业企业自发开展原材料、生产设备、工艺流程的改进与创新，主管部门主要做好引导与监管的工作：一是摸清家底，开展工业生产过程排放统计核算，探索加强碳排放管理；二是加强监管，对本区域新上的工业生产过程碳排放较高的项目采取必要的审批手段，敦促、引导既有的生产过程碳排放较高的企业开展绿色低碳升级改造；三是积极开展面向企业的节能降碳宣传、指导，普及“间接排放”等碳排放知识，全面推行绿色制造，大力创建绿色工厂、绿色园区、绿色产品，实现绿色制造由点到面、逐步扩展、全面覆盖。