碳中和背景下新型煤化工产业碳减排路径研究

■邹绍辉，刘冰

一、引言与文献综述

中国在传统煤化工领域的发展已经趋于稳定，新型煤化工产业产能近几年快速增长。截至2020年6月，中国在建及规划煤制油项目产能达3600万吨。随着产业规模的扩大，新型煤化工产业已经成为中国煤化工产业碳排放增量的主要贡献者。2015年中国新型煤化工产业碳排放量仅为0.67亿吨，2019年达到1.96亿吨，年均增长30.78%，如此快速的碳排放增长量对环境造成了严重影响。中国是全球第一大碳排放国家，2019年碳排放量超100亿吨，但是作为负责任的大国中国积极承担起碳减排的重任。

伴随着对环境保护的日益重视，碳排放逐渐成为学者研究的焦点。已有研究主要集中在以下四个方面。

一是碳排放测算研究。已有研究大多根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》或者2011年发布的《省级温室气体清单编制指南》给出的能源系数法进行计算。两者的差别主要体现在各种能源默认排放因子的区别以及时空差异。赵敏等（2009）运用IPCC提供的方法对上海1994—2007年能源消费碳排放量进行测算。发现在此期间上海市能源消费碳排放不断增长，碳排放强度不断下降。二是碳排放影响因素研究。碳排放影响因素模型主要有Kaya模型（Kaya，1989）、LMDI模型（Ang，2004）、STIRPAT模型（York et al.，2003）等。其中Kaya模型主要用于分析一国的碳排放总量，而LMDI模型在Kaya模型的基础上发展而来，同时具有消除残差项，可以进行加法与乘法分解等优点。三是碳排放对经济增长和金融的影响。王健和甄庆媛（2018）选取2000—2015年的数据，从经济增长的水平与方式出发探究长江经济带碳排放与经济增长的关系，发现长江经济带EKC曲线成立，产业结构、技术水平等对碳排放有抑制作用，并且预测该区域2030年前可以达到碳达峰。曾国栋（2021）从国家战略层面出发论述了碳达峰与碳中和对金融带来的影响，认为碳中和这一目标的实现将深刻影响我国能源、产业与投资结构。四是碳减排研究。相关学者通常从产业与行业的角度研究碳减排潜力与路径。王靖添等（2021）设置基准、结构优化、技术进步与低碳四种情景测算中国交通运输碳减排潜力，结果发现低碳情景碳减排潜力最大。刘俊伶等（2019）构建能源系统模型，预测工业的发展趋势。探讨不同情景下中长期低碳转型的可能路径。

综上所述，国内外学者针对碳排放测度、碳排放影响因素、碳排放对经济增长与金融的影响以及碳减排路径进行了大量研究。2020年9月22日，***主席在第七十五届联合国大会讲话时提到，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”基于碳中和背景下新型煤化工产业的碳排放测度、影响因素和碳减排路径相关研究较少。因此，首先通过改进的能源系数法测算中国新型煤化工产业2010—2019年碳排放量。之后，建立LMDI模型，研究排放结构、排放强度、产业结构、经济发展水平与劳动力规模对新型煤化工产业碳排放的影响。最后，设置不同情景探讨新型煤化工产业碳减排路径，研究新型煤化工产业在中国实现碳中和目标过程中的碳减排潜力与碳达峰情况。

二、研究范围与研究方法

（一）研究范围

新型煤化工产业主要以生产洁净能源与可替代石油产品为主。主要产品有煤制烯烃、甲醇制烯烃、煤制乙二醇、煤制天然气和煤制油（分为直接液化与间接液化）。以上述6种主要新型煤化工产品为研究对象展开研究。

根据产业链划分可以将中国新型煤化工产业划分为上游、中游与下游。产业链上游包括原材料、燃料、电力与蒸汽的生产，中游为产品生产过程，下游为煤化工产品的延长加工。Gao et al.（2018）研究表明煤化工产业链上游不是碳排放的主要贡献力量，同时煤化工产业链下游的延长深加工属于其他细分制造业。因此，本文研究的系统边界为新型煤化工产品的生产过程以及上游电力与蒸汽的生产过程。其中，新型煤化工产品生产过程的碳排放包括原料煤转化为煤化工产品的工艺流程排放以及燃料煤直接燃烧排放。

（二）研究方法

1.新型煤化工产业碳排放量测算方法

根据碳排放系数法对新型煤化工产业的碳排放量进行测算。新型煤化工产业的原料与燃料均为煤炭，但所用煤种间差异较大，导致很难采用能源碳排放系数方法计算碳排放量。将通过最终产品产量与产品生产碳排放系数相乘的方法测算新型煤化工产业的碳排放量。具体见式（1）：

其中，Ctotal表示新型煤化工产业总碳排放量（百万吨）；i表示新型煤化工产品种类，共6种；Ci表示第i种新型煤化工产品的碳排放量（百万吨）；Ei表示第i种新型煤化工产品的产量（百万吨）；Fi表示第i种新型煤化工产品的碳排放系数（tCO2/t）。

2.新型煤化工产业碳排放影响因素分解模型

结合新型煤化工产业碳排放量测算方法，运用LMDI模型将碳排放影响因素分解为排放结构、排放强度、产业结构、经济发展水平和劳动力规模。具体见式（2）：

其中，IV表示新型煤化工产业产值（百亿）；G表示工业总产值（百亿）；P表示工业年平均从业人数（百万人）。令：

因此：

其中，ESi为第i种新型煤化工产品的碳排放量与总排放量的比值，表示新型煤化工产业的产品排放结构；EI为新型煤化工产业总排放量与新型煤化工产业总产值的比值，表示新型煤化工产业的排放强度；IS为新型煤化工产业产值与工业总产值的比值，表示产业结构；EDL表示工业总产值与工业年平均从业人数的比值，表示经济发展水平；LS为工业年平均从业人数，表示劳动力规模。通过上述转化，将新型煤化工产业碳排放影响因素分解为产品排放结构效应、排放强度效应、产业结构效应、经济发展水平效应与劳动力规模效应。

根据LMDI模型加和法将基期到第T期的碳排放变化分解为上述影响效应之和：

式（4）中：

根据LMDI模型乘积法将基期到第T期的碳排放变化分解为上述影响效应之积：

由上述公式定义可知，△CES、DES表示产品排放结构效应，△CEI、DEI表示碳排放强度效应，△CIS、DIS表示产业结构效应，△CEDL、DEDL表示经济发展水平效应，△CLS、DLS表示劳动力规模效应。

3.新型煤化工产业碳达峰与碳减排路径情景分析

以国家对新型煤化工产业的政策为情景设置调节因素。预测不同情景下新型煤化工产业2021—2030年碳排放变化情况，探讨新型煤化工产业未来的碳减排路径。根据政策变化将新型煤化工产业发展情景分为既有政策情景、特定政策情景与强化政策情景。政策分类主要以CCUS技术的使用推广率以及新型煤化工产业新增产能为标准。CCUS是指碳捕集、利用与封存技术。该技术对煤基企业碳减排具有重要意义，因此将CCUS技术的使用推广率作为主要的情景设置调节因素。中国新型煤化工产业在过去十年里迅猛发展，产能大幅度扩张。但是由于受技术、成本、利润和碳排放的影响，新型煤化工产业存在产能不及预期，开工率长期不足100%的问题。在中国2060年实现碳中和的目标背景下，新型煤化工产业又面临碳减排的挑战。因此新型煤化工产业新增产能也是情景设置的标准之一。表1为新型煤化工产业未来发展情景设置。

表1 新型煤化工产业发展情景设置

三、数据来源与处理

（一）碳排放测算与影响因素数据来源

由于我国尚未对煤化工产业相关数据进行系统的统计与披露。研究涉及新型煤化工产品产量数据均来自于国家官方报道、各大煤化工上市企业年报、各大协会网站等公开数据来源，确保数据的完整度与准确度。各种煤化工产品的碳排放系数参考Zhang et al.（2019）、Liu et al.（2011）的研究。加之，在国民经济分类中没有新型煤化工产业的具体分类，因此以石油加工、炼焦（煤炭）、核燃料加工业与化学原料和化学制品制造业产值代替新型煤化工产业产值。2010—2016年新型煤化工产业产值与工业总产值来源于2011—2017年《中国工业统计年鉴》，2017—2019年数据来源于公开资料。2010—2016年工业年平均从业人数数据来源于《中国工业统计年鉴》，其中2012年数据缺失，通过SPSS补齐2012年数据并且预测2017—2019年工业年平均从业人数。表2为各种新型煤化工产品碳排放系数。

表2 新型煤化工产业产品碳排放系数（tCO2/t）

（二）情景分析数据来源

CCUS技术在煤化工领域还没有得到大规模的推广使用。因此，根据不同情境下新型煤化工产业碳减排强度大小设置CCUS技术的使用推广率。

表3 不同情景CCUS推广使用率

情景分析中新型煤化工产业的产能与产量以2019年为基准。由于2020年新冠肺炎疫情的出现，新型煤化工产业受到影响，因此情景预测从2021年开始，截至2030年。新型煤化工产业新增产能主要考虑示范项目在“十四五”期间的平稳运行，稳步推进已获批项目的建设与投产，并设定新建项目3年建设、4年达产。同时，由于新型煤化工产业产能难以充分释放，按照逐年提升有效产能利用率的原则预测2021—2030年新型煤化工项目产能利用率与实际产量。表4和表5分别是2019年新型煤化工产业产能、产量与2021—2030年新型煤化工产业产能预测。

表4 新型煤化工产业产能和产量

表5 新型煤化工产业产能预测

四、结果与分析

（一）新型煤化工产业碳排放测算结果

2010—2019年正是中国“十二五”和“十三五”计划实施的十年。在这十年间，中国经济经历了高速增长、由高速增长转向中高速增长和中高速增长三个历程。在经济发展的大背景下，中国煤化工产业也历经多次转型升级。新型煤化工产业在这十年间迅猛发展，产能迅速扩张。新型煤化工产品产量从2010年的14.7万吨增长到2019年的2647.92万吨，年均增长78.08%。在此期间碳排放量也逐年增长，由表6可知从2010年的1.13百万吨增长到2019年的196.32百万吨，年均增长77.37%。

表6 新型煤化工产业产品碳排放量

图1 是2010—2019年不同新型煤化工产品的碳排放变化趋势。可以看出煤制烯烃在这十年中碳排放增长最快，其次是煤制油间接。这与二者产量增速快与碳排放系数大有直接关系。煤制乙二醇、煤制天然气和甲醇制烯烃碳排放增速小于煤制烯烃与煤制油。由此可见，煤制烯烃与煤制油间接是新型煤化工产业碳排放增加的主要贡献者。

图1 2010—2019年新型煤化工产业产品碳排放趋势

（二）新型煤化工产业碳排放影响因素分析

1.分解结果整体分析

根据LMDI模型对新型煤化工产业碳排放影响因素进行分解，表7是分解结果。总体上看，中国新型煤化工产业碳排放量呈不断增长的趋势。其中，排放强度效应对碳排放的拉动作用最大，其次是经济发展水平。劳动力规模对碳排放起到了微弱的促进作用。排放结构效应是抑制碳排放增长的主要因素（一直小于1）。而产业结构效应整体上呈促进作用，在2010—2016年起促进作用，2016—2019年逐渐抑制碳排放的增长。

2.分解结果具体分析

（1）排放结构效应：排放结构指不同新型煤化工产品碳排放量占总碳排放量的比值。从分解结果可知排放结构效应是抑制碳排放的最主要因素，并且抑制作用越来越强烈，从2011年的-2.27到2019年的-14.91。这主要是因为不同新型煤化工产品的产量与碳排放因子不同导致的，这同时说明改善新型煤化工产业排放结构可以有效抑制新型煤化工产业碳排放的增长，比如减缓煤制烯烃项目的产能建设。

（2）排放强度效应：碳排放强度表示碳排放量与产业产值的比值，能够反映新型煤化工产品单位产值碳排放量的高低。从分解结果可知排放强度效应是促进新型煤化工产业碳排放最强有力的因素。并且促进效果越来越明显，2019年数值达到180.38。这主要是因为新型煤化工产业碳排放的增长速度远大于产值的增长速度，导致排放强度越来越大。

（3）产业结构效应：产业结构指新型煤化工产业产值占工业总产值比重。从表7可知产业结构效应对新型煤化工产业碳排放整体呈促进作用。主要因为新型煤化工产业发展速度快，占工业总产值比重整体呈上升趋势，因此该因素对新型煤化工产业主要起促进作用。

（4）经济发展水平效应：从分解结果可以看出经济发展水平是拉动新型煤化工产业碳排放的主要因素之一。从2010年的5.84到2019年的24.07。这主要是因为经济的发展创造出更多的市场与需求，拉动了新型煤化工产业的长足发展，碳排放量也随之增长。并且在可以预测的未来，经济发展水平仍然会是促进新型煤化工产业碳排放增长的主要因素。

（5）劳动力规模效应：从表7可以看出劳动力规模效应对新型煤化工产业碳排放起到微弱的促进作用。这说明劳动力规模对新型煤化工产业的发展起到重要作用。新型煤化工产业现在需要更多高素质、高学历、同时管理技能与工艺技能高超的劳动力来满足绿色发展与节能减排的发展要求。

表7 新型煤化工产业碳排放因素分解结果

（三）新型煤化工产业碳减排路径与碳达峰情景分析

表8 和图2是不同情景下新型煤化工产业2021—2030年碳排放预测情况。

表8 新型煤化工产业碳排放情景预测

图2 2021—2030年新型煤化工产业不同情境下碳排放预测趋势

可以看出，在既有政策情景下，由于没有大规模使用CCUS技术，碳排放随着产能的扩张以及产能有效率的提高快速增加。直到2028年新型煤化工产业才达到碳达峰，为356.96百万吨。在特定政策情景下，由于CCUS技术的推广与使用，新型煤化工产业碳排放在2025年就达到了峰值，为308百万吨，从2025年之后开始迅速下降。并随着新型煤化工产业产能有效率与CCUS技术推广使用率达到100%，新型煤化工产业碳排放于2029年达到最低值182.94百万吨。在强化政策情景下，由于CCUS技术的大规模推广与使用，新型煤化工产业碳减排速度显著，于2025年达到峰值257.81百万吨，并且峰值小于特定情境下碳排放峰值。强化情景下新型煤化工产业碳排放最终于2028年达到稳定值182.94百万吨。

新型煤化工产业在三种情景下均于2030年以前达到碳达峰，既有政策情景要晚于特定政策情景与强化政策情景，并且峰值远远高于后两种情形。特定政策情景与强化政策情景碳排放于同一年达峰，但特定政策情景下峰值要高于强化政策情景。从碳减排潜力角度分析，2030年特定政策情景与强化政策情景下的碳排放比既定政策情景下的碳排放降低49%。从减排路径看，强化政策情景下的减排路径对新型煤化工产业早日实现碳中和目标最有利。在该路径下，新型煤化工产业于2025年接近碳达峰，2028年达到碳排放稳定值，此后通过CCUS技术改进与工艺流程改进，碳排放将进一步降低，减排率进一步提高。配合森林碳汇机制的完善，新型煤化工产业将早日实现碳中和这一目标。

五、结论与对策

首先测算了中国新型煤化工产业2010—2019年碳排放量，然后建立LMDI模型研究新型煤化工产业碳排放的影响因素，最后设置不同情景预测2021—2030年中国新型煤化工产业碳排放情况，得出以下结论：

第一，2010—2019年中国新型煤化工产业碳排放量一直处于增长状态，且增长速度较快。2019年新型煤化工产业碳排放量高达1.96亿吨，占全国总碳排放量的2%。在实现碳中和的目标背景下，新型煤化工产业减排任务艰巨。第二，排放结构效应是抑制中国新型煤化工产业碳排放量增长的最主要因素，这说明改善新型煤化工产业排放结构可以有效抑制碳排放的增长。排放强度效应、产业结构效应、经济发展水平效应与劳动力规模效应对新型煤化工产业碳排放都起到了正向促进作用。其中排放强度效应最为明显，这主要是因为新型煤化工产业发展速度快，碳排放增速高导致的。经济发展水平也是促进碳排放的主要因素。产业结构效应与劳动力规模效应对新型煤化工产业碳排量促进作用有限。第三，情景预测结果显示，既有政策情景、特定政策情景与强化政策情景下新型煤化工产业都会于2030年前碳达峰。其中既有政策情景最晚，于2028年达到峰值。特定政策情景与强化政策情景均于2025年达到峰值，并且于2030年前新型煤化工产业碳排放量将达到稳定值182.94百万吨。此后通过工艺技术流程与CCUS技术的改进，新型煤化工产业碳排放量会逐年下降，在中国不断增加森林碳汇与其他减排措施的强有力实施下，新型煤化工产业将会在2060年前实现碳中和的目标。

根据研究结论给出以下新型煤化工产业减排建议。一是调整产业结构。中国新型煤化工产业碳排放量占总碳排放量的比重在快速增加。这从侧面说明新型煤化工产业碳排放过高，因此要将新型煤化工产业占比控制在合理的范围内，政府应加强对新型煤化工产业项目的管控。二是降低排放强度。2010—2019年中国新型煤化工产业碳排放强度不断上升，因此一方面要大力发展新型煤化工清洁技术，提高工艺水平，降低工艺流程的碳排放；另一方面要积极延长新型煤化工产业链，完善新型煤化工产业链下游产业建设，增加新型煤化工产业链产值。加快降低碳排放强度。三是加快CCUS技术的发展与应用。从结果可以看出CCUS技术是新型煤化工产业实现碳减排的关键措施。各大煤基产业要加大研发投入，同时实现碳减排与二氧化碳资源化的目标。