英国基础工业资源流与直接排放的跨部门门到门核算及最佳实践节能潜力评估

《Resources, Conservation and Recycling》：Resource flows in the UK’s foundation industries

　　

上传文档未提供传统摘要，以下翻译依据标题下研究要点（highlights）：对英国基础工业（foundation industries）的物质流与能量流（material and energy flows）进行详细映射；提高能源利用与材料转化（material transformation）相关排放（emissions）的透明度；将英国基础工业与全球平均值（global averages）及最佳实践（best practices）进行基准比较（benchmarked）；最佳实践可使能源使用（energy use）降低28%，直接排放（direct emissions）降低15%。

本研究围绕英国基础工业（foundation industries，指水泥、陶瓷、化学品、玻璃、金属和纸等提供基础材料的行业）的资源流、能源利用与直接排放展开。研究背景是英国已确立2050年净零排放法定目标，工业仍是主要排放源之一；2019年工业约占英国排放15%，约78 MtCO₂。基础工业为基础设施和制造业提供水泥、陶瓷、化学品、玻璃、金属和纸等 essential materials，其规模、高温过程、化石燃料和含碳原料依赖使其难以脱碳。既有部门估算将约50 MtCO₂排放归因于28 Mt基础工业材料生产。英国工业政策组合包括能效、可再生能源、低碳氢、碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilisation and storage, CCUS）、商业模式变化和财政支持，但工业资产寿命长，投资需识别“低后悔行动”。能源效率研究和材料效率策略互补；仅改善过程能源可能不足，因为排放还受材料产量增长或原料化学转化驱动。既有物质流研究、工业能源研究和个别行业物质—能量流评估提供了部门洞见，但产品覆盖、系统边界、能源定义、排放分类和聚合方法不同，限制跨部门直接比较；生物源CO₂处理、焦炭在能源与工艺反应排放间的分配、外购电力排放排除等惯例可使部门排放估计相差可达两倍。因此，本研究的缺口不是缺乏物质流或能量流分析，而是缺乏可跨行业一致应用的门到门（gate-to-gate，指从物料、燃料和电力进入制造过程到产品、副产品、能源输出和直接排放离开设施）核算基线。研究问题是：英国基础工业选定产品对应哪些年度物质、能源和直接排放流；其能源与排放强度如何与全球平均值及已证明的能源最佳实践比较；哪些部门特征和资源流类别主导最佳实践差距，未来工业审查应优先哪些指标和数据缺口。研究人员对英国水泥、陶瓷、化学品、玻璃、金属和纸部门选定产品实施门到门资源流映射，整合物质输入、能源输入、回收材料、副产品、能源输出和直接排放，并区分化石燃料、生物基燃料和工艺反应排放（process-reaction emissions，指原料化学转化产生的CO₂）；将英国表现与边界一致全球平均值及产品组合调整（product-mix-adjusted）的能源最佳实践基准比较。该2019年基线支持跨部门比较、识别能源和材料效率优先领域，并为制造绩效监测指标选择提供依据；方法在保持一致产品定义、系统边界和计算程序时可迁移至其他部门和地区。论文发表在《Resources, Conservation and Recycling》。
关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用门到门资源流核算，以2019年为基准年，覆盖英国水泥、陶瓷、化学品、玻璃、金属和纸六类基础工业的选定产品；将物质输入、能源输入、回收材料、副产品、能源输出和直接CO₂排放纳入统一质量与能量守恒框架，并区分化石燃料、生物基燃料和工艺反应排放；数据取自政府报告与统计、国际数据库、贸易数据、行业机构、技术报告和同行评议文献；对缺失流采用工艺配方、物料收率和排放因子估算并校核；以能源强度、能效、回收能源占比、材料收率、再生成分和CO₂强度等指标，与边界一致全球平均值及产品组合调整的能源最佳实践基准比较。
研究结果：
3.1 汇总资源流（Aggregate resource flows）：通过汇总六部门选定产品的年度物质、能源、能源输出和直接CO₂流，研究人员得出选定产品约33 Mt/yr制造产出；最大产品组为水泥9.02 Mt/yr、金属7.75 Mt/yr、化学品4.47 Mt/yr、陶瓷4.17 Mt/yr、纸3.85 Mt/yr和玻璃3.50 Mt/yr。矿物资源29.03 Mt/yr，约占除水和氧外材料输入的60%；回收材料7.17 Mt/yr，约占输入14%，主要为回收纸、金属废料和碎玻璃；水为最大流，77.16 Mt/yr。部门消耗约330 PJ/yr能源，化石燃料239.93 PJ/yr约占73%，外购电力63.02 PJ/yr、生物基燃料18.72 PJ/yr、废物衍生燃料7.95 PJ/yr；直接排放约27 MtCO₂/yr，其中工艺反应12.49 MtCO₂/yr、化石燃料燃烧12.27 MtCO₂/yr、生物基燃料燃烧2.10 MtCO₂/yr。能源输入中约84.09 PJ/yr分配至过程能量需求，244.06 PJ/yr为热损失，1.44 PJ/yr为回收或销售能源；热损失中约60 PJ/yr为高品位热、38 PJ/yr为中品位热。
3.2 部门资源流（Sectoral resource flows）：通过分部门资源流核算，研究人员得出六部门在生产规模、工艺化学、能源结构和回收材料/副产品依赖上差异显著。水泥生产7.91 Mt/yr熟料和1.11 Mt/yr骨料，消耗34.1 PJ/yr，排放6.7 MtCO₂/yr；工艺反应3.97 MtCO₂/yr，化石燃料2.10 MtCO₂/yr，生物基燃料0.65 MtCO₂/yr；2019年英国熟料—水泥比为87%，熟料生产是水泥层面排放主要决定因素。陶瓷生产4.17 Mt/yr，其中建筑砖瓦3.79 Mt/yr约占91%；消耗16.8 PJ/yr，排放1.04 MtCO₂/yr，燃料燃烧0.83 MtCO₂/yr、工艺反应0.21 MtCO₂/yr；低产量产品如耐火材料和日用陶瓷能源强度更高，部门内部差异大。化学品生产约4.47 Mt/yr氨及选定烯烃和芳烃产品；乙烯2.02 Mt/yr约占45%，丙烯1.15 Mt/yr、氨0.94 Mt/yr、BTX 0.37 Mt/yr；消耗约88.0 PJ/yr，主要天然气和电力，排放4.3 MtCO₂/yr，燃料3.03 MtCO₂/yr、工艺反应1.30 MtCO₂/yr。玻璃生产3.50 Mt/yr，包括容器玻璃2.20 Mt/yr、平板玻璃0.95 Mt/yr和玻璃纤维0.35 Mt/yr；消耗25.2 PJ/yr，排放约1.7 MtCO₂/yr，燃料1.21 MtCO₂/yr、工艺反应0.44 MtCO₂/yr；使用约1.10 Mt/yr碎玻璃，降低原生原料需求和熔融能耗。金属生产7.75 Mt/yr选定产品，以钢7.22 Mt/yr为主；消耗115.4 PJ/yr，为六部门最高，排放9.9 MtCO₂/yr，工艺反应6.57 MtCO₂/yr、燃料燃烧3.37 MtCO₂/yr；钢、铝和铅的原生/二次生产比例差异显著影响其物质、能源和排放特征。纸生产3.85 Mt/yr，包装纸1.94 Mt/yr、文化纸0.92 Mt/yr、生活用纸0.73 Mt/yr；回收纸为主要纤维输入3.0 Mt/yr；消耗50.0 PJ/yr，主要天然气和生物质衍生燃料，排放3.2 MtCO₂/yr，化石燃料1.75 MtCO₂/yr、生物基燃料1.45 MtCO₂/yr；能源输出以低品位热为主。
3.3 能源与排放（Energy and emissions）：通过产品基准和系统边界对齐比较，研究人员得出选定的英国产品总直接排放强度为0.85 kgCO₂/kg，与全球基准相等；总能源强度为10.4 MJ kg^?1，全球为9.1 MJ kg^?1，英国约高13%；由于外购电力排放被排除，直接排放强度比较可能有利于外购电力占比较高的部门。部门层面，英国水泥排放强度0.85 kgCO₂/kg、全球0.80 kgCO₂/kg，能源强度3.8 MJ kg^?1熟料、全球3.5 MJ kg^?1；陶瓷0.25 kgCO₂/kg和4.0 MJ kg^?1，全球0.32 kgCO₂/kg和4.1 MJ kg^?1；化学品0.97 kgCO₂/kg和19.7 MJ kg^?1，全球1.35 kgCO₂/kg和17.9 MJ kg^?1；玻璃0.47 kgCO₂/kg和7.2 MJ kg^?1，全球0.57 kgCO₂/kg和8.0 MJ kg^?1；金属1.28 kgCO₂/kg和14.9 MJ kg^?1，全球1.47 kgCO₂/kg和19.2 MJ kg^?1；纸0.83 kgCO₂/kg和13.0 MJ kg^?1，全球1.45 kgCO₂/kg和21.0 MJ kg^?1。上述比较为指示性；水泥按熟料基准评估，英国熟料—水泥比高于全球；陶瓷比较受砖瓦主导，可能低估低产量高能耗陶瓷产品；化学品结果对部门能源数据在四个大宗化学品组间分配敏感；玻璃和金属估计强度低于全球，但金属比较受原生/二次生产份额强烈影响；纸相对全球基准最低，反映回收纤维、生物质衍生燃料、热电联产（combined heat and power, CHP）和热回收系统使用，但本研究估计排放约为行业报告直接排放两倍，主要因核算边界和生物质衍生燃料排放处理差异。
3.4 最佳实践差距（Best practice gap）：通过将当前英国表现与产品组合调整的能源最佳实践（best practice，指领先设施已实现的最低观测能耗）比较，研究人员得出采用最佳实践可使选定基础工业产品能耗从约330 PJ/yr降至238 PJ/yr，降低约28%；绝对节能约水泥10.4 PJ/yr、陶瓷3.0 PJ/yr、化学品23.2 PJ/yr、玻璃7.7 PJ/yr、金属22.3 PJ/yr、纸24.7 PJ/yr，化学品、金属和纸绝对差距最大。在假设节能按现有能源载体结构比例分配、产品产量和工艺反应排放保持不变时，直接CO₂排放将从约27 MtCO₂/yr降至23 MtCO₂/yr，降低约15%；部门减排约水泥0.8 MtCO₂/yr、陶瓷0.1 MtCO₂/yr、化学品0.8 MtCO₂/yr、玻璃0.4 MtCO₂/yr、金属0.6 MtCO₂/yr、纸1.6 MtCO₂/yr。
讨论部分表明，部门间相似的能源或排放强度可能源于不同过程。水泥和原生钢具有显著工艺反应排放；水泥主要来自石灰石煅烧并受熟料—水泥比影响；传统炼钢中焦炭兼具能源载体和还原剂功能，英国钢部门约消耗2 Mt/yr焦炭、约60 PJ/yr，需分别核算能源和工艺反应排放。产品组成影响比较，陶瓷产品能源强度可约2.3至50 MJ kg^?1；化学品原料和生产路线不同；金属原生/二次生产份额尤其重要，英国钢原生/二次比约80%:20%，全球约70%:30%，英国铝以二次生产为主而全球以原生铝为主。燃料相关排放可通过效率、电气化、燃料替代或低碳能源降低，工艺反应排放则需材料组成、生产路线变化或碳捕集（carbon capture）。优先干预因部门而异：水泥需窑效和替代燃料并降低熟料含量；钢铁现有路线效率改进难与增加二次生产或改变原生炼钢相比，氢替代焦炭需工艺设计、能源供应和基础设施变化；玻璃和纸可结合能效与回收材料，增加碎玻璃降低原生原料和熔融能耗，回收纤维已是英国纸主要材料输入。材料共生（material symbiosis）如冶金渣用于水泥质产品可降低原生资源需求，但受组成、一致性、运输距离、可用性和产品标准约束。能源输出可支持内部或跨部门热回收，如原料预热、蒸汽系统集成、热泵、区域供热和发电，但估计能量并非直接可回收热，需流级评估。内部材料循环不应自动等同于消费后回收材料。选定基础工业产品约占英国制造业材料消费45%、能源39%、直接排放37%；最佳实践差距约相当于制造业能源11%和直接排放6%，能效可贡献有意义减排，但进一步减排需燃料结构、生产路线、二次材料或碳捕集变化。未来监测应报告产品产出和生产路线，区分化石、生物基和工艺反应排放，量化回收材料和副产品输入及回收、出口或销售和排弃能源。局限包括产品级数据可得性和一致性不足、来源参考年与边界差异、部分流由配方和系数估算，尤其影响陶瓷和化学品；结果对水泥和钢主导的聚合值较不敏感；选定产品不覆盖全部基础工业活动，不能直接与更广部门定义估计比较；本研究仅含Scope 1直接排放，门到门边界排除上游提取、材料燃料生产、运输和外购电排放，生物基燃料排放按燃烧报告且不赋予边界外碳吸收信用；最佳实践分析未考虑厂龄、资本成本、技术兼容性、运行约束和实施时间，按现有能源结构比例分配是简化假设而非详细脱碳路径，仅捕捉一个脱碳杠杆。
研究结论翻译：本研究提供了2019年英国基础工业选定产品门到门物质流、能源使用、能源输出和直接CO₂排放的综合评估。所分析产品约代表33 Mt/yr产出，消耗330 PJ/yr能源，并产生27 MtCO₂/yr直接排放。回收材料约占材料输入14%，但部门仍强烈依赖原生矿物资源和化石燃料。结果揭示部门差异源于工艺化学、产品组成、燃料结构和原生/二次生产平衡。水泥和金属对总排放贡献最大，而水泥和原生钢的工艺反应排放需要超出燃料替代和能效的干预。相反，增加碎玻璃、废料、回收纤维、辅助胶凝材料（supplementary cementitious materials, SCMs）和其他二次输入提供降低材料和能源需求的机会。与能源最佳实践值比较表明能源使用可降低约28%。在假设这些减少按现有能源结构比例发生时，直接排放将降低约15%。这些估计量化了相对于已证明工业实践的性能差距，而非实施路径。分析还表明，部门或国家间比较需要一致产品定义、生产路线、参考年、核算边界和供应链截断点，因为这些选择影响能源和排放强度。该方法提供透明基线，若后续评估采用一致数据源和计算程序，可支持未来监测。改进产品级和过程级材料输入、按载体能源、生产路线、回收材料以及化石、生物基和工艺反应排放报告，将加强工业脱碳进展的未来评估。