全球石化产品生产的排放与系统层面脱碳路径

《Nature Sustainability》：Emissions and system-level decarbonization pathways for global petrochemical production

　　

石化工业占全球工业温室气体（GHG）排放的13%、总温室气体排放的3.5%，但缺乏全球一致的设施级排放清单。研究人员提出一项自下而上的评估，涵盖37,379个生产设施、81种化学品与2,043个制造工艺的历史、现状与未来排放。研究人员估计，石化生产在2023年排放2.0±0.8 GtCO2e，在一切如常情景下到2050年可能升至3.0±1.2 GtCO2e。排放高度集中，2023年53%的排放来自10%的设施。初级化学品中，乙烯（ethylene）与氨（ammonia）为最大排放源，2023年分别为290±50 MtCO2e与250±50 MtCO2e。情景分析表明，脱碳应优先改造高排放设施，措施包括效率提升、替代燃料与原料，同时结合广泛的需求削减与电网脱碳。该分析为产业界、研究人员与政策制定者靶向石化行业有效脱碳提供依据。

研究背景方面，自1980年以来石化产量增长500%，初级化学品包括氨（ammonia）、甲醇（methanol）、乙烯（ethylene）、丙烯（propylene）、丁二烯（butadiene）、苯（benzene）、甲苯（toluene）和二甲苯（xylenes）。石化行业占工业能源使用30%、全球石油需求14%、天然气需求9%。该行业脱碳面临化石原料使用、化学反应过程排放、工艺高度集成、基础设施更替慢、高温供热替代技术未商业化等障碍。既有联合国气候变化框架公约（UNFCCC）温室气体数据库多依赖国家自报，存在内部不一致且细分不足；因此亟需设施级、产品级、工艺级的高分辨率排放核算来支撑靶向脱碳。

研究人员构建化学工艺导向的从原料开采（cradle）到产品出厂（gate）排放评估模型，整合资源流、产量、反应与热力学原理并量化不确定性。研究覆盖1978至2020年历史排放，并借助ICIS、国际肥料协会（IFA）、联合国粮农组织（FAO）等产量与产能预测推演至2050。研究得出：2020年全球石化行业从原料到出厂温室气体排放为1.8±0.7 GtCO₂e；中国占37%；间接能源使用占45%，原料开采与加工占34%；二氧化碳占100年尺度下74%影响，甲烷（CH₄）占15%，氧化亚氮（N₂O）占11%。排放高度集中，10%设施贡献53%排放。一切如常情景下2050年达3.0±1.2 GtCO₂e；即便电力深度脱碳、碳捕集与封存（CCS）全覆盖、生物基原料替代全部化石燃料的乐观情景，2050年仍有残余排放，没有任何单一杠杆可实现净零。该文相关成果发表于《Nature Sustainability》。

关键技术方法上，研究人员使用ICIS供应与需求数据库获取37,379个设施产能及81种化学品产量，用IFA与FAO补充肥料与农业化学品数据；用IHS PEP Yearbook的2,043个工艺配方计算质量与能量平衡；用ecoinvent 3.10获取区域电力与原料上游排放因子；按国家、产品与技术类型假设容量—产量比并做质量分配；将排放拆分为原料（feedstock）、直接过程（direct process）、直接能源使用（direct energy use）与间接能源使用（indirect energy use）；以S曲线模拟电力脱碳、CCS、生物原料等减缓措施在设施层面的推广。

全球尺度与构成（Global scale and composition of petrochemical emissions）：研究人员通过区域、产品、排放源、气体与年份五维分解，得出2020年行业总排放1.8±0.7 GtCO₂e，中国为最大排放国；间接排放占主体，热塑性塑料间接排放突出；CO₂、CH₄、N₂O贡献结构清晰，且与IEA直接排放口径存在差异但在不确定性范围内可比。

排放在国家、产品与设施间集中（Emissions are concentrated across countries, products and facilities）：研究人员发现前九国1990年占63%、2020年占76%、2050年占79%；83%下游产品排放为上游客体化学品的隐含排放；中国在各产品组均主导，甲醇中国占65%±16%排放且多数集中于单设施；10%设施产生53%从原料到出厂排放，说明优先改造少数设施可获巨量减排。

2050年组合与优先脱碳路径（Combined and prioritized decarbonization pathways to 2050）：研究人员比较一切如常、情景1、优先情景1、情景2、优先情景2，发现多种杠杆必须并用；优先在设施层面推广减缓措施，可使截至2050年比非优先情景少排23±3 GtCO₂e，并把排放低于2020年的时点从2045年提前到2025年；电气化效果高度依赖电网碳强度，需求削减比任何单一供给侧措施减排更大。

讨论部分总结：研究人员指出，细粒度排放数据能识别价值链重点目标，透明一致方法可加速净零；己二酸（adipic acid）因N₂O直接释放而高排，催化手段可削约90%。生产网络集成制约减缓选择，烯烃与芳烃多在集成装置中联产，原料替代会引发连锁影响；氨与甲醇多为独立装置，更易转向生物质气化或绿色氨。没有任何单一杠杆可交付净零石化；CCS主要处理直接过程排放，尿素生产消耗氨厂部分CO₂；生物基原料若无限替代会带来生物多样性、耕地与水土压力，应选择性用于分子级碳需求场景。电气化可行性取决于工艺温度，热电联产装置改造困难。下游产品替代如尼龙6替代尼龙6,6可降低N₂O负担。中国、美国、印度少数国家集中排放，为政策协同提供机会，但消费端责任与贸易转移须纳入公平转型。研究限于从原料到出厂，未量化使用与报废排放，也未量化毒性、营养盐污染、微塑料暴露等非气候影响，未来应联接贸易、消费、库存与末端路径，并加入厂龄、热力集成、可再生资源与封存条件等约束。

研究结论部分翻译：准确、细粒度的排放数据对于识别化工价值链中的优先脱碳目标至关重要。本研究表明，跨生产设施的一致、透明方法有助于加速迈向净零。增强供应链透明度可揭示减排机会并推动供应商采取可持续实践；但为降低不确定性并有效追踪进展，报告覆盖与标准必须改进。更上游生产环节的排放治理对行业意义重大。优先处理排放强度最高的设施对快速脱碳至关重要。尽管电气化长期可减缓排放，但在高排放强度电网地区过早推行可能加剧问题。细粒度数据可支撑针对具体化学品、排放源与设施的方案。己二酸生产排放主要来自制造过程中N₂O直接释放，金属与生物催化剂可减少约90%。排放分布不均，10%设施占53%排放，优先这些设施比均匀推进更有效。生产网络集成限制减缓选择：烯烃与芳烃在集成石化联合体中共用原料与公用工程，原料替代会产生级联影响；氨与甲醇多为独立厂，更宜转向生物质气化与电解制氢的绿色氨。无论原料集成与否，厂内换热网络与热电联产都使单装置改造困难。氨与乙烯2020年排放相近，但结构不同意味缓解路径不同。所有情景都需多杠杆并用，即便乐观情景2也难在2050年净零；电气化长期可行但短期可能增加排放，需求削减是最强杠杆之一。碳捕集不是万能，CCS主要治直接过程排放，尿素耗用氨厂CO₂使可封存量受限。可再生碳可减上游原料排放，但生物基原料大规模替代会有生态与社会后果，应优先用于必须以碳为分子原料的高价值场景。丁二烯等副产品网络使原料替代必须考虑联产依赖。电气化受温度制约，低温蒸汽可由电极锅炉替代，裂解等高温工艺需大改。下游替代如尼龙6替代尼龙6,6可降低N₂O排放并利于化学回收。供给侧电气化和原料替代均不能单独解决主导行业的间接排放，需求削减必须成为可信净零路径的一部分。少数生产国集中排放便于政策协同，但消费端排放责任与贸易需纳入公平脱碳；氮肥与塑料的下游使用及报废排放日益成为挑战。化工与能源部门必须协调，结合效率、替代原料、碳捕集与需求侧政策。本研究聚焦从原料到出厂，未量化使用阶段与报废处理排放，也未量化毒性、营养盐污染、水资源与生物多样性影响；未来应联接设施级生产模型与产品库存、国际贸易、消费模式及末端路径，并在区域与设施层评估厂龄、工艺配置、电网强度、可再生资源、碳运输与地质封存条件。更优的设施产量与技术路线披露将降低不确定性，支撑针对化学品、设施与区域条件的转型路径。