2022碳中和目标下的中国化工零碳之路.pdf

碳中和目标下的中国化工零碳之路2022.04rmi.org/4碳中和目标下的中国化工零碳之路前言 5第一章开启中国化工零碳之路：挑战与优势 6全球最大化工产品生产和消费国 7中国化工行业零碳转型的挑战 9中国化工行业零碳转型的优势 10第二章零碳图景下化工行业供需展望 11合成氨 12甲醇 13乙烯 14第三章化工行业碳减排路径：立足资源禀赋，发展颠覆技术 17技术可行性：化工行业碳减排路径 18经济可行性：零碳解决方案的成本分析 23第四章中国化工零碳之路：时间、空间演变和转型模式 33中国化工零碳转型时间线 34中国化工零碳产能地理分布 37中国化工零碳转型模式 43第五章政策建议 48报告参考文献 51目录rmi.org/5碳中和目标下的中国化工零碳之路化工行业i是中国实现碳中和的关键行业之一，全国化工行业的碳排放占工业领域总排放的20%、占全国二氧化碳总排放的13%。化工行业也是难减排行业，其能源和原料难以被电气化完全替代。此外，中国初级化工产品产能较新，也为快速转型带来一定挑战。在双碳目标下，中国已着力构建碳达峰碳中和“1+N”政策体系ii，增强顶层部署，并抓紧明确重点领域、重点行业以及各地的行动方案。根据中共中央国务院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意见，高耗能高排放项目严格落实产能等量或减量置换，对煤电、石化、煤化工等实行产能控制，未纳入国家有关领域产业规划的，一律不得新建改扩建炼油项目和新建乙烯项目。目前，中国化工企业在积极推进碳中和进程，例如，中国石化力争在国家目标提前十年实现碳中和，宝丰集团建设全球单厂规模最大太阳能电解水制氢项目以降低煤化工碳排放等等。落基山研究所（RMI）是国内最早开展中国零碳图景研究的机构之一。早在2019年，落基山研究所与能源转型委员会（ETC）发布中国2050：一个全面实现现代化国家的零碳图景报告，对中国全经济体实现零碳进行了情景分析，力图为国家长远战略目标决策提供技术参考。2021年9月，落基山研究所发布 碳中和目标下的中国钢铁零碳之路报告，对钢铁行业如何实现零碳转型和助力碳中和目标，进行了具体路线图的分析和搭建。本报告 碳中和目标下的中国化工零碳之路 同样是落基山研究所针对重工业零碳转型的系列研究报告之一，将针对化工行业，开展零碳转型路线图研究。i 本文中的化工行业是石化和化学工业行业，包含石油原料产业链和非石油原料产业链，是指利用石油、煤炭等上游原材料进行化学加工的产业。ii“1+N”即中国加速构建碳达峰、碳中和的政策体系，其中，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意见 即“”，是中央层面推进“双碳”工作的系统谋划和总体部署。2030年前碳达峰行动方案是碳达峰阶段的总体部署，“N”则包括能源、工业、交通运输、城乡建设等分领域分行业碳达峰实施方案，以及科技支撑、能源保障、碳汇能力、财政金融价格政策、标准计量体系、督察考核等保障方案。相比于钢铁和水泥的需求增长放缓，中国化工行业的整体需求随着社会经济水平的提升，需更长的时间达到需求峰值。与控制需求相比，生产技术路径的转型更为重要。本报告的研究聚焦化工行业的零碳生产情景。本报告中，零碳生产即在化工产品的生产过程中达到二氧化碳的净零排放（可利用CCS等末端处理技术），最终产品为零碳化工产品。在此基础上，化工行业应优化原料来源，促进生产过程和原料的零碳，与上下游行业共同努力实现全生命周期净零排放。低碳生产是零碳生产的过渡路径，即大幅度降低生产过程中的碳排放。化工行业需要充分利用多样的碳减排手段，从能源和原料角度，降低甚至消除生产过程中的碳排放，促进化工行业的碳达峰和碳中和。我们的分析表明，在碳中和目标下，中国三大化工产品合成氨、甲醇和乙烯的需求除了受传统用途驱动外，还将受新型需求点影响。此外，产品结构、原料结构、能耗结构和生产工艺也将发生巨大变化。由于供需关系、技术发展速度、成本构成等因素的不确定性，相比深入地研究和确定脱碳时间表，本研究更聚焦于在假设时间框架下中国化工行业的零碳转型趋势、短中长期安排和技术经济路线图，以期为政策制定、市场方向等提供参考。前言第一章开启中国化工零碳之路：挑战与优势rmi.org/7碳中和目标下的中国化工零碳之路化工行业的二氧化碳排放占工业领域总排放的20%、占全国二氧化碳总排放的13%。1中国是全球最大的化工产品生产和消费国，中国化工行业零碳转型对全国实现碳中和目标至关重要，也对全球化工价值链低碳转型意义重大。中国化工的零碳转型之路挑战iii 工业生产部门分为过程工业和产品工业：过程工业的原料为自然资源，包括物理变化和化学变化，如化工行业、建材行业和冶金行业；产品工业的原料是工程工业的产品，以物理变化为主，产品大多为人类直接使用，如汽车、冰箱等的生产。iv 工业增加值是工业企业全部生产活动的总成果扣除了在生产过程中消耗或转移的物质产品和劳务价值后的余额，为工业企业生产过程中新增加的价值。和优势并存。其中，挑战包括持续增加的需求、高煤炭依赖程度和较年轻的资产。此外，中国化工零碳转型也具备独特的优势，包括较强的新技术部署能力、以具备零碳转型意愿和能力的国有化工企业为主导以及规模化、集成化发展优势等。全球最大化工产品生产和消费国化工行业在广义上为石化和化学工业行业，即石油原料产业链和非石油原料产业链。化工行业属于工业生产部门中的过程工业iii，即以自然资源为原料，通过物理和化学反应，生产用于非零售流通领域的通用大宗产品，作为产品工业的原料。化工产品的上游原材料主要包含煤炭、石油、天然气、原盐、石英石等自然资源。中国因为富煤缺油少气的资源特点，煤化工产业相对其他国家占比更大。化工行业产品众多，包含大宗化学品和精细化学品。大宗化学品的生产规模较大、利润水平较低，处于化工产业链上游，包含烯烃、芳烃等，而精细化学品则以大宗化学品为原料深加工而来，规模较小但附加值更高，用于农药、涂料等。中国是全球最大的化工产品生产国，国际影响力在逐步扩大。根据欧洲化学工业委员会CEFIC数据，如图表1，2019年中国化工产品产值合人民币10.4万亿元(1.48万亿欧元)，占全球的40.6%，预计2030年销售额将达到全球销售额的48.6%2。中国的化工行业近年来一直保持快速增长，工业增加值iv2015-2020年年均增长率为5.2%3。中国也是全球最大的化工产品消费国，且保持消费量的快速增长。根据德国化学工业协会VCI数据，中国2019年化工产品需求消费额折合人民币10.7万亿元(1.54万亿欧元)，占全球总消费额的41.6%，比2018年的39.1%增加了3个百分点4。分产品的全球市场份额也占主导地位，根据IHS Markit数据，中国的合成氨、甲醇和乙烯消费量分别占全球总消费量的约30%、60%和20%5。其中乙烯消费量为乙烯单体的表观消费量，若涵盖乙烯产业链下游产品，占比可进一步提高，如中国低密度聚乙烯(LDPE)消费量的全球占比为34%。图表1 全球分地区化工产品销售额和消费额(2019)0.02.04.06.08.010.012.0?/()1=7CEFIC,VCIrmi.org/8碳中和目标下的中国化工零碳之路0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%(%)IHS Markit整体来看，中国化工行业的低端产品的产能过剩，而高端产品的产能短缺。尿素、电石、烧碱、纯碱等传统化工产品，产能利用率长期较低，行业正努力控制低端产品的过剩产能，从土地供应、能源技术评价、环境影响评价等方面优化结构，利用符合政策要求的先进工艺提升项目整体技术水平和运营效率。高端聚烯烃、特种工程塑料、高端膜材料等高端产品，对外依存度保持在较高水平，需要国内产能进一步发展以缓解高端产品的进口压力与产业链安全风险。总的来说，多数传统化工产品产能增速放缓或产能总量下降，而化工新材料和专用化学品产能持续发展。图表2 全球分地区主要化工产品消费量(2020)数据来源：IHS Markitrmi.org/9碳中和目标下的中国化工零碳之路中国化工行业零碳转型的挑战化工是难减排的重工业行业之一，碳排放主要来自反应过程和能源消耗。中国化工部门碳排放约为每年13亿吨，在全国二氧化碳总排放中的占比为13%，占工业领域总排放的20%。此外，化工行业的非二氧化碳温室气体排放也将增加碳当量排放，如合成氨产业链中产生的氧化亚氮和天然气化工装置逸散的甲烷等。作为重点耗能和排放行业之一，化工行业的企业也有望在未来几年纳入全国碳市场，成为中国实现碳中和愿景的重点关注领域。中国化工行业零碳转型的挑战主要包括：从需求端看，行业仍处于上升期，化工产品的总需求整体仍将不断增加。总需求方面，中国人均化工产品消费额为折合人民币8107元，而美国的人均化工产品消费额为9584元，比中国高近20%。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；对外依存度方面，高端化工产品自给率不足，如国内光伏级EVA和茂金属聚乙烯进口依赖度分别为75%和80%6，随着中国化工高精尖技术的突破，和政策资源对于高端产品供给的鼓励，高端化工产品的对外依存度会不断下降且产能会持续增加。从供给端看，中国化工生产对煤依赖度高，而与煤相关的碳强度大大高于其他原料。中国因为自身的煤炭资源禀赋，煤化工产业体量很大。以甲醇产品为例，中国甲醇产量有75%为煤制，而全球这个比例仅为35%7，美国和欧洲均没有煤制甲醇。煤炭相比其他的原料有更高的碳元素含量，生产碳含量相对较少的产品时，比其他原料碳排放更大。如生产一吨甲醇，煤炭路径的工业过程碳排放约为2.1吨，天然气路径的工业过程排放仅为0.7吨；而生产一吨合成氨的煤炭路径和天然气路径的工业过程碳排放分别为4.2吨和2.1吨8。中国庞大的煤化工产业为脱碳增加了难度。此外，中国化工生产相关资产仍偏年轻化，快速转型可能带来的搁浅资产风险更高。根据国际能源署IEA数据9，如图表3，中国年龄较新的产能在化工等重工业行业中占据全球总产能的一半以上。例如，中国目前合成氨生产设施投产后的平均运行年限仅13年，甲醇约8年，乙烯约7年，近期仍有不少新增产能规划建设，而典型的设施投产后的寿命均在30年甚至40年以上。与其他国家相应生产设施均接近退役时限的情况相比，中国化工行业在零碳转型的过程中，需要同时综合考虑有计划地淘汰高碳产能、在现有设施基础上进行碳减排改造、直接上新零碳产能等多种方案组合。因此，如何妥善处置现有资产，规划好转型的时间线并尽量避免资产搁浅的问题更为棘手。图表3 全球初级化工产品产能年龄构成(2020)rmi.org/10碳中和目标下的中国化工零碳之路中国化工行业零碳转型的优势v 乙烯装置中最关键的三台离心压缩机组，即裂解气压缩机、丙烯压缩机、乙烯压缩机中国化工行业在零碳转型的挑战中也孕育着三大机会：首先，中国具有较强的技术集成水平，且市场规模大，拥有快速规模化应用新技术的能力。乙烯成套工艺技术是石化产业技术含量最高、最复杂的技术之一，而2012-2013年中石油大庆石化60万吨和中石化武汉石化80万吨乙烯装置顺利投产，已标志着国产化大型乙烯成套技术工业化的成功。此外，随着沈鼓、陕鼓等装备制造厂技术水平提升，中国已成为世界上第五个可以制造百万吨级乙烯生产设备“三机”v的国家。在煤化工方面，继各类技术突破以来，中国快速实现了2000吨/天大型气化炉、大型变换炉、12万等级的空分设备、8万等级以上的空压机、百万吨煤制油反应器、60万吨级甲醇制乙烯（MTO）反应器等的规模化突破。目前，可助力脱碳的绿氢、CCS等技术初步发展。在未来，得益于中国快速规模化新技术的能力，这些技术有望快速实现成本降低。中国化工行业的主要企业以国有企业为主，有能力和资源带动行业的零碳转型。美国化学与工程新闻（C&EN）发布的2020年全球化工50强名单中，有5家中国内地企业入选，其中有3家为国有企业，即中石化、中石油和中国中化控股的先正达。中石化和中石油分别以616亿美元和227亿美元的销售额远远领先其他中国内地企业，国有企业占据中国化工市场的主要市场份额。国有企业是双碳行动的重点主体，一方面，国有企业受国家政策的约束力更强，另一方面，也承担示范和引领的角色。例如，国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知指出，重点领域国有企业特别是中央企业要制定实施企业碳达峰行动方案，发挥示范引领作用。此外，规模化布局与产业集成趋势明显，有利于资源、能源的充分利用和规模经济发挥。大型化装置可以提高能效，从而降低单位碳排放，如乙烯30万吨/年以下的小型装置能耗限定值为830kgoe/t，折CO2排放为2.56tCO2/t，而30万吨/以上的大型装置能耗限定值仅为720kgoe/t，折CO2排放为2.22tCO2/t10。园区化可充分发挥化工产业聚集的协同效应，依靠消费区或资源地，优化电能和热能利用，形成产业链纽带并实现标准化运营。根据中国石油和化学工业联合化工园区“十四五”发展指南及2035中长期发展展望，“十四五”期间中国将重点培育70个具有一流竞争力的化工园区。由于化工行业中产品种类众多，上下游链条复杂，本报告主要关注三个代表性产品，即合成氨、甲醇和乙烯。首先，从碳排放角度看，在中国化工行业的所有子行业中，目前合成氨、炼油和甲醇碳排放总量最高11。考虑到未来成品油需求量增长潜力受限，炼油产业的产能规模将有收缩的趋势。乙烯产业目前当量自给率约为60%，产能增长潜能大，未来乙烯产业的碳排放也将随之增长。因此合成氨、甲醇和乙烯将是未来化工行业碳减排的主要关注点。其次，从在价值链中的地位看，合成氨、甲醇和乙烯下游产品众多且附加值高，是化工产业的关键基础化学品。例如，乙烯是石油化工中最重要的基础化学品之一，乙烯产品占石化产品的75%以上12。乙烯下游的各品类高端塑料也是推动社会全方面发展的重要产品。图表4 中国化工行业子行业碳排放(2020)0.00.51.01.52.02.5PX()第二章零碳图景下化工行业供需展望rmi.org/12碳中和目标下的中国化工零碳之路化工行业是难减排行业中为数不多的整体需求量仍在增长的部门，产业链较长且产品繁多，细分产品的供需关系复杂。本研究认为，未来合成氨消费量将先降后升，主要需求来源为农业和工业，长期有作为船用燃料的增长潜能；甲醇消费量将先升后降，需求包括乙烯制取、甲醇燃料和传统下游，其中用于乙烯制取稳中有升，甲醇燃料和传统下游逐步收紧；乙烯消费量持续增长，主要由终端产品塑料的庞大市场支撑，但由于塑料回收技术和体系日益成熟，原生塑料需求减少，导致乙烯消费量增速放缓。随着中国工业化、城镇化逐渐步入后期，钢铁、水泥的需求长期来看将有较明显的减量趋势。而与钢铁、水泥不同，化工行业零碳转型的一大挑战是相关产品需求仍有持续上涨趋势。因此，分析化工零碳转型的第一步，是对行业内主要产品的供给和需求进行展望，深入分析其影响因素，以及碳中和新约束对产品供求情况的作用。本章将针对合成氨、甲醇和乙烯三个主要基础化工产品的供需情况进行分析展望。合成氨合成氨的供需量主要受下游需求影响，受进出口影响较小。合成氨2020年的表观消费量为6000万吨，增速约为2%，主要消费领域为农业部门和工业部门，未来，船运燃料或将成为合成氨的重要需求增长点。农业是合成氨需求的主要来源，其次是工业需求。其中，在农业领域，合成氨主要用于生产尿素，进而直接施肥或生产复合肥。在工业中，合成氨可用于生产三聚氰胺、脲醛树脂、炸药、杀虫剂等。目前，合成氨在农业的消费量占总体的约70%，工业约占30%。在“减肥增化”的背景下，未来合成氨的农业消费占比将逐渐下降，而工业方面的需求可呈上涨趋势。此外，在碳中和背景下，除目前已有用途外，合成氨作为潜在的船运新型燃料，可能出现新的需求增长点。合成氨在农业方面的需求呈降低趋势，主要原因是化肥利用效率的提高。“十三五”以来，我国化肥消费总量呈下降趋势，提前实现了农业部2015年提出的到2020年化肥使用量零增长行动方案。随着中国人口增长放缓、渐趋稳定并缓慢下降，中国的化肥消费量将逐渐平稳并下降。从利用效率看，中国目前耕地单位面积化肥使用量约为主要发达国家水平的两倍，化肥使用效率较低，2017年仅为35%，远不及美国的52%和欧洲的68%，充分挖掘效率提升潜力将大大降低化肥需求量。此外，受肥效提高、有机肥替代、环保治理升级和落后产能加速退出等多重因素影响，未来农业用合成氨消费将不断减少。事实上，根据国家统计局数据，近五年国内化肥产量已呈现不断下降趋势，年均降幅达6.3%。工业方面，合成氨的需求有可能上升。在工业领域，合成氨的主要产品炸药、脲醛树脂等广泛应用于采石采矿、土木建筑等领域。随着经济的发展和国民生活品质的提升，相应的合成氨工业需求将有一定程度上涨。但考虑到中国的工业化、城镇化逐渐步入后期阶段，相关开发、土建等需求空间有限，这部分的合成氨需求也不会出现大规模上涨。未来，合成氨作为船运等领域的新型能源，可能爆发新的需求增长点。作为能源载体，合成氨具有稳定可靠、易液化易储运等特点，且可利用氢制取并可在必要时转化为氢，是克服氢较难实现长距离、高效、安全、低成本运输等问题的重要介质。长途大型船运目前正在从高排放的燃料油或柴油逐步转化为低碳的液化天然气（LNG），而在零碳趋势下，合成氨将成为长途船运的重要选择。根据挪威船级社DNV的预测，在激进情境下2050年合成氨燃料将占到全球总船用燃料的25%13。在RMI的零碳情景下，到2050年，中国船运50%的能源需求将由合成氨提供。此外，合成氨也可直接燃烧或掺入其他燃料用于发电。例如，日本最大的电力生产商JERA公司计划在20242025年实现日本碧南四号燃煤发电厂中掺入20%的合成氨，2035年前在所有自营燃煤发电厂掺混20%合成氨燃料，并逐步提高掺混比例，于2050年前实现100%合成氨热力发电。合成氨的进口依赖度较低，长期有出口潜能。合成氨在常温下为气态，需经加压或降温液化以长途船运，相对于常温下固态或液态的产品更难进出口。2020年合成氨进口量120万吨，仅占合成氨表观消费量的2%。中短期来看，中国合成氨需求量下降，将进一步压缩合成氨的进口量。长期来看，合成氨燃料需求将增长，推动国内合成氨先进产能的发展，促进合成氨燃料的出口。综合上述三大领域，RMI对零碳图景下合成氨的需求进行了测算。如图表5所示，合成氨需求变化将经历三个阶段：2025年前，合成氨的总需求在6000万吨左右稳中有降，其中农业需求受政策影响下降，工业需求因下游行业发展而增加；2025年到2035年，主要受氮肥效率大幅提升带来的合成氨农业需求萎缩影响，合成氨总需求量下降至2035年的约4600万吨，此时，工业需求量增速放缓，合成氨作为能源在2030年前后出现试点但并未形成规模化应用；2035年至2050年，合成氨总需求量由于作为能源的需求扩张而增加，合成氨作为燃料应用出现规模化商业化应用；到2050年，燃料端应用达到总需求量的50%，农业端和工业端需求趋于平稳。rmi.org/13碳中和目标下的中国化工零碳之路甲醇中国甲醇供需情况主要受下游消费影响，进出口对中国甲醇供需的长期影响有限，总体供需趋势为先增后减。2020年，中国甲醇的表观消费量为8170万吨vi，增速约为6%。甲醇的需求侧有作为原料甲醇制乙烯（MTO）、传统下游（乙酸、MTBE、甲醛等）和作为燃料应用，占比分别为51%、34%和15%。未来制乙烯需求占比不断扩大，而传统下游占比下降，甲醇燃料需求占比稳中有升。乙酸、MTBE、甲醛等的传统下游需求稳中有降，且长期降幅将逐步增大。甲醇的传统下游为乙酸、MTBE、甲醛等，主要用于建材装潢、成品油添加剂等领域。未来，在环保、安监、双控的背景下，传统下游需求量将受到限制。MTO的增长潜能较大，MTO可以高效利用煤炭资源，并缓解对进口原油的依赖。乙烯是重要的石油化工行业基础化工品，利用甲醇制乙烯将提高甲醇需求端的经济效益。当煤炭价格较低且油价较高时，煤制甲醇制乙烯的成本优势大于石脑油制乙烯工艺。以MTO为主的甲醇新型下游需求占比在2020年从44%增至51%。未来，若乙烯需求量随着下游高端塑料等需求增加而增加，将向上传导至甲醇需求上涨。但由于现阶段甲醇制取多以煤炭为原料，能耗和碳排放问题将限制甲醇制乙烯路径需求量。vi 根据中国石油和化学工业联合会和山东隆众信息技术有限公司组织编写的 中国石化市场预警报告（2021）的数据甲醇燃料是一种较为清洁的液态燃料，其作为燃料的需求有望有一定增长，但长期需求有限。以甲醇代替煤炭作为燃料，排放的PM2.5将减少80%以上，氮氧化物减少90%以上14。“十三五”期间，随着对高效、清洁燃料的大力推广和煤改气等政策的执行，甲醇燃料得到一定程度的发展，应用领域包括甲醇汽油、甲醇汽车、甲醇锅炉、甲醇灶台以及船舶燃料等。2020年，甲醇燃料消费量为1220万吨，占甲醇消费总量的15%。在电气化应用受限的领域，甲醇作为清洁的易储存燃料可以发挥重要作用，且在低温条件下有比电池更稳定的功能表现。甲醇相对氢有更高的安全稳定性和体积能量密度，也可作为氢的储存媒介，在应用场景中转化成氢能。此外，液态燃料属性也使甲醇的应用通过少量改造，可以最大化地利用现有基础设施，如管道、油库、加油站等。甲醇进口量将随着国内供需结构的优化而缓步下降。2020年甲醇进口1300万吨，占总表观消费量的16%，而出口仅在偶有套利空间时少量发生。国内计划产能和在建产能的陆续投产，将在短期内减少进口依赖度，中期对产能结构的调整优化使得甲醇进口量趋于稳定，长期的甲醇需求下降可能进一步压低甲醇进口量。甲醇的未来需求量也受到绿色甲醇制取技术发展的影响。现有的煤炭为主的生产路径碳排放高，如果可大规模推广甲醇的低碳、零碳生产路径，则可从供给端推动需求端发展，进而扩大甲醇行业的市场规模。图表5 中国合成氨供需展望0100020003000400050006000700080009000100002020202120222023202420252026202720282029203020312032203320342035203620372038203920402041204220432044204520462047204820492050(rmi.org/14碳中和目标下的中国化工零碳之路根据RMI分析，如图表6，甲醇的供需变化将经历两个阶段：2030年前，甲醇的总表观消费量将持续上涨，到2030年达约1亿吨。在这一阶段，MTO和燃料需求为甲醇需求增长的主要驱动力，其中，用于MTO的甲醇在2030年可达近5200万吨，而其他传统甲醇下游如甲醚等缓步下降。2030年至2050年，甲醇总消费量在峰值年2030年后持续走低，到2050年降至6950万吨。MTO因为下游烯烃产业能耗碳排放限制而略有下降，传统甲醇下游需求保持减少趋势。而作为燃料，一方面在电气化趋势下，甲醇锅炉、甲醇灶具等逐步淘汰拉低甲醇需求，另方面，船运、路面交通零碳化转型可能拉高甲醇需求，综合来看，甲醇作为燃料的需求于2035年后基本保持平稳趋势。乙烯国内乙烯的产量主要由下游需求量和进出口量两方面驱动，本研究主要分析下游需求的影响。由于乙烯不适宜长途运输，全球通常以乙烯下游衍生物而不是乙烯的形式进行贸易。目前，国内乙烯下游需求中，聚乙烯、乙二醇、苯乙烯均存在较大进口缺口，2019年进口依赖度约48%、56%、26%。未来国内煤化工制乙烯路径的发展有可能降低进口依赖。综上，由于进出口情况还会受各国产品成本、资源可得性、各类产品供需等多重因素影响，未来发展趋势不确定因素较大。本研究在假设乙烯需求均来自国内自给的情景中，分析未来供需情况。乙烯是石化工业的基础原料，其产品占石化产品的75%以上。2020年，我国乙烯产量为2160万吨，表观消费量3370万吨，当量消费量6280万吨。聚乙烯是乙烯最大的下游产品，占比61%，另外，乙二醇占17%、苯乙烯占6.5%、环氧乙烷5%。未来，乙烯的下游消费中，聚乙烯仍将是最大的增长点，其余领域消费较为平稳。聚乙烯是被最广泛应用的塑料品种之一，本研究从分析塑料的未来需求入手，探究对乙烯供需的可能影响。塑料是数量庞大且未来需求仍将持续上涨的化工终端产品。近10年来，在经济发展的大背景下，全球塑料市场规模稳步增加。2019年，全球原生塑料产量达到3.7亿吨。面对需求快速增长，世界自然基金会预测，如果在废塑料处理技术及管理方式上无重大改变及发展，则至2030年原生塑料产量将在目前基础上再次提升40%。中国是全球最大的塑料生产和消费国，目前每年的塑料表观消费量超过8000万吨。未来，随着生活水平提高，中国对塑料的需求仍将持续上涨。目前，中国的年人均塑料消费量为45kg左右15，约是主要发达国家的一半，假设到2050年，中国的人均塑料消费量接近当前部分发达国家的平均消费量，那么届时中国塑料消费总量将达到1.2亿吨以上。图表6 中国甲醇供需展望0200040006000800010000120002020202120222023202420252026202720282029203020312032203320342035203620372038203920402041204220432044204520462047204820492050(rmi.org/15碳中和目标下的中国化工零碳之路塑料是乙烯需求的主要来源，其回收利用潜力的充分释放，可大大降低对初级原料乙烯的需求。此外，生物基等替代原料也可能降低原料乙烯的需求量。过去5年，中国每年的塑料回收量在1800万吨左右，目前，按占废塑料产生量的比例计，中国的塑料回收利用率为27.8%16。通过减少低质包装塑料产能，限制包装塑料出口，提高包装用废塑料回收比例，预计到2030年和2035年废弃塑料回收利用体系分别增加1000万吨/年、1500万吨/年的回收和处理能力17。进一步，通过新型回收利用技术的发展和有效回收模式的形成，若到2050年，塑料的回收利用率达到60%，来自替代原料的塑料制品占到总需求的10%vii，那么来自乙烯原料的塑料需求将仅占到总需求的55%。如果考虑改善消费习惯从而延长塑料制品的使用寿命等其他因素，和照常发展情况相比，塑料制品对乙烯原料的需求量还将进一步降低。塑料回收利用潜力的释放主要来自于两方面，即由回收体系完善带动的物理回收viii水平提升，和由技术进步驱动的化学回收ix市场的扩张。2030年前，塑料回收利用潜力的释放主要来自物理回收水平的提高，而化学回收在2030年后有望得到较大规模的应vii 能源转型委员会和Material Economics分析，到2050年，全球范围内来自替代原料的塑料可占到总需求量的10%左右。viii 物理回收指塑料被收集、分类、清洗、磨成薄片，再分类，然后熔化成小球，用于制造新产品的过程。ix 化学回收是指通过一系列的化学过程将废塑料转化为塑料单体等组分，进而制造新的塑料或其它有价值的化工产品的过程。用。物理回收潜力的释放主要来自前端回收、分类和收集系统的完善。以欧盟为例，2018年的2910万吨塑料中，混合收集的1510万吨废塑料只有6%可用于物理回收，而分类收集的1400万吨废塑料有62%可用于物理回收。化学回收方面，目前相关关键技术和成套技术已经有显著的进展和突破，并陆续进入验证示范阶段，未来需要进一步技术突破和产业链条完善，快速实现规模化。目前，巴斯夫、科思创、陶氏等领先企业均在塑料化学循环领域进行了系列布局，在国内，中石油、中石化也一直密切关注相关领域。例如，中石油在“十四五”期间，全面布局相关研究，包括单一化塑料材料回收利用技术、新型废塑料优化技术等；中石化也已全面启动成套技术开发和工业应用，同时着手相关产品标准研究。根据RMI分析，如图表8所示，中国乙烯的供需将保持上升趋势，到2050年，供需量接近8800万吨，与2020年乙烯的表观消费量相比，增长了37%。乙烯供需的上涨主要来自于以塑料为代表的终端产品需求的上涨，与未充分发挥塑料回收利用潜力的照常发展情况相比，2050年中国乙烯的供需水平可降低约40%。图表7 塑料需求量和回收量预测17%0%1%20%1%5%23%12%10%100%83%100%74%100%55%()020406080100120140203020502020rmi.org/16碳中和目标下的中国化工零碳之路图表8 中国乙烯供需展望(当量)0100020003000400050006000700080009000100002020202120222023202420252026202720282029203020312032203320342035203620372038203920402041204220432044204520462047204820492050(第三章化工行业碳减排路径：立足资源禀赋，发展颠覆技术rmi.org/18碳中和目标下的中国化工零碳之路图表9 石化和化工行业碳减排路径化工行业碳减排可从消费侧和供给侧入手，路径包括消费减量、产品高端化、终端替代、效率提升、燃料替代、原料替代和末端处理这七大方面。从技术方案看，在化工产品生产中，可从原料低碳、燃料低碳和系统节能三个维度考虑碳减排。从经济性看，绿氢、CCS等颠覆性技术的成本下降将使化工低碳、零碳生产的成本竞争力将大大提升。本章将主要以合成氨、甲醇、乙烯三大产品为例，探讨中国化工零碳转型的技术可行性和经济可行性。技术可行性：化工行业碳减排路径化工行业低碳、零碳转型应从需求侧和供给侧两方面入手，碳减排抓手包括需求减量、效率提升、燃料和原料替代以及末端处理等多个方面。消费侧的碳减排举措包括消费减量、产品高端化、终端替代三类；供给侧的碳减排举措包括效率提升、燃料替代、原料替代和末端处理四大类（图表9）。?CCUS?rmi.org/19碳中和目标下的中国化工零碳之路消费侧碳减排路径消费侧碳减排的重点是减少对能耗密集型产品的依赖度，一方面是通过提高效率、回收利用等减少同等服务水平下的需求，另一方面也包括向更绿色、环保、高端的产品或替代产品转移。需求侧碳减排路径包括消费减量、产品高端化、终端替代等。消费减量消费减量可以从源头降低能耗和碳排放，不同产品的消费减量潜能不同。与未来能源和社会体系相融合的应用将有更高的需求增长，如甲醇和合成氨在交通运输中对传统燃料的替代；而在部分传统领域，尤其是高耗能高污染行业，消费减量的潜能更大，如甲醇下游甲醛制胶板、合成氨下游尿素制化肥、乙烯下游制塑料等，都会随着经济结构的变化、循环经济的深入和生活习惯的改变有一定的下探空间。提高废塑料回收率、增加化肥利用率和优化建筑行业材料都会促进消费减量。产品高端化产品高端化可有效淘汰落后产能和优化低端产能，降低行业能耗和碳排放。中国的化工产业的产量和产能均处世界前列，但是在高端产品的产业链上仍然存在技术受制于发达国家的问题。以烯烃行业为例，整体上同质化严重，且主要集中在世界石化产业链的中低端，高端高性能聚烯烃产品关键技术短缺18。国内烯烃产业仍然有较高的当量进口量，进口产品集中于以茂金属聚乙烯为代表的高端聚烯烃产品。聚甲醛等工程塑料产品产业链也有很大的深度发展潜质。终端替代在满足服务功能的同时，化工产品在终端应用上可以由更环保的产品提供。如在材料上，可以通过生物基材料的发展和推广进行替代。根据Nova Institute的报告19，2020年全球生物基塑料等结构高分子材料的产量为420万吨，为化石资源基产量的1%。生物基结构高分子材料年复合增长率高达8%，并预计在未来五年持续增长。中国生物基化学品研究起步较晚，但在“十二五”国家科技支撑计划中，生物基材料和生物基化学品被列为研究核心，下游材料应用和商业模式的发展获得大力推动。各省政策要求限制和禁止不可降解塑料的使用，也将推动可降解生物基材料的推广20。供给侧碳减排路径供给侧碳减排路径对化工生产提出更高的技术要求。化工行业的碳排放主要来自反应过程和能源消耗。不同生产路径有不同的排放结构，如煤制甲醇的主要碳排放来源为反应过程，而乙烷制乙烯的主要碳排放来源为能源消耗。供给侧碳减排主要从反应过程和能源消耗入手，辅以负碳技术，以充分实现碳减排。具体措施包括：效率提升化工反应大多在高温高压催化剂的反应条件下进行，因此对于能源消耗有较高的要求，有效管理热能、催化剂高效化等都是提高能效的有效方法。蒸汽再压缩等热能管理技术可提高热能利用效率，新型催化剂的应用可以降低化学反应所需的温度，从而减少能源消耗，降低碳排放。例如，林德公司的EDHOX技术可将烯烃蒸汽裂解的反应温度从870C降低到400C以下，该技术已在德国开展试点项目21。燃料替代效率提升是通过减少能源需求量来降低碳排放，而燃料替代是从燃料本身的角度，通过降低或者消除单位能源对应的碳排放量，以达到碳减排的目的。具体地，可以利用低碳或零碳的清洁能源替代传统的高排放化石能源，包括：电加热电气化是替代化石能源的重要手段，化学反应中的温度压力要求大多可通过以电为能源的反应器达到，例如电裂解炉可以作为制取烯烃的反应器。巴斯夫、沙特基础工业和林德公司正在共同开发推广电加热蒸汽裂解炉22，并计划2025年实现商业化。现阶段，电裂解技术发展的瓶颈主要来自电网、设备、电加热效率等。使用绿电进行电加热对该技术环境属性的提升至关重要，目前中国的电力结构以煤电为主，电力的碳排放较高。随着新能源推广和绿电市场化交易提升，零碳电力将可为化工脱碳提供重要的绿色能源。生物质生物质资源包含秸秆、畜禽粪便、林业废弃物等，工业利用的生物质燃料多为生物质天然气或生物质液体燃料。生物质燃料以燃烧的形式供热，与传统的化工加热炉差异较小。目前生物质燃料技术较为成熟，但是经济性和资源可得性受限。为了缓解原料资源性问题，以埃克森美孚为代表的公司和科研机构，投资研发以非粮食为原料的第二代生物质燃料23。国内的生物质发展前景、以及是否有充足的生物质燃料用于化工行业，取决于未来的政策指引、市场情况和第二代生物质燃料的技术进展。rmi.org/20碳中和目标下的中国化工零碳之路 氢能氢能是理想的清洁能源，燃烧后仅生成水，且可满足特定化学反应需要的较高温度。陶氏化学与生态催化技术公司和西南研究院就“氢气燃烧与节能乙烯生产的集成”进行合作。未来氢能在化工的能源应用主要集中在温度需求较高、电炉很难高效率运行的场景，或在氢气资源条件较好的情况下作为加热燃料的主要能源或灵活性能源。原料替代原料替代可以降低反应过程的碳排放。提高化工产品转化率为现阶段的主要方式，例如利用乙烷制取乙烯可大幅提高乙烯产品的收率。长期来看，零碳来源的资源将成为化工生产的主要原料，在不能完全实现原料零碳的情况下，通过调配原料比例，也可以最大限度减少反应过程的碳排放。绿氢和Power-to-X（PtX）绿氢的应用可以有效地解决传统化石能源原料碳氢比偏高的问题。以煤化工为例，煤炭与水通过水煤气变换反应生产合成气制取甲醇，由于原料煤碳组分偏高，部分碳以二氧化碳形式排放。如果利用绿氢将这部分碳加以利用，将会最大化降低化工反应过程的碳排放。而PtX技术则大幅降低对化石资源的依赖，利用空气中或者工业捕捉的二氧化碳，与绿氢结合制取化工产品。绿氢和PtX都已有相关的试点，如何通过技术革新和政策指引降低成本，将成为未来发展的关键。生物质生物质的化工原料利用多以乙醇为中间体，制取乙烯等高附加值化学品。生物质制乙醇的技术成熟，在部分资源丰富的国家地区经济性尚可，且乙醇制乙烯转化率高。中国生物质资源较为匮乏，且未来发展路径尚不明晰，大规模获取生物质原料存在难度，生物质制化工品的成本可能长期处于较高水平。末端处理对于经过原料、能源等不同维度的碳减排仍然剩余的碳排放，负碳技术将成为支撑全面脱碳的末端处理手段。CCS（碳捕集与封存）将捕集的二氧化碳处理压缩并注入地下的油气田或咸水层，并永久封存在地下。为提高经济性，中短期的CCS可以与成熟油气田EOR（提高采收率）相结合，而长期应以咸水层封存为主以提高封存量。总体来看，在化工生产中，可从原料替代、燃料替代和系统节能三个维度考虑碳减排。其中，作为原料的碳源应从化石燃料逐步过渡到生物质、沼气和二氧化