美国工业过程排放研究

工业过程排放包括工业生产向空气中排放温室气体的所有非能源方式，从牲畜的肠道发酵到天然气管道泄漏。工艺排放包括甲烷、一氧化二氮和各种氟化气体（F气体），它们对全球变暖有重大影响。工业过程排放政策可以贡献全球累计排放量的10%以上，以满足两摄氏度目标.

2016 年，美国工艺排放产生了16 亿公吨二氧化碳，占所有行业相关排放量的55%，占整个经济排放的24%。2016年，中国产生了26亿吨工业过程排放量，占其工业排放量的28%，占整个经济体排放量的20%。

这些差异说明了如何发达和发展中的经济必须以不同的方式减少过程排放当国家拥有更多的重工业，更低能效的工业和更大的燃煤电力份额时。尽管有各种各样的可用技术和减少排放的技术，但没有一种技术或技术可以减少所有过程排放。

幸运的是，数量有限的工业过程负责大多数过程排放：2010年，七个工业过程排放源占全球所有过程排放的近90%。

在一小部分过程中，这种高排放浓度意味着少量的技术和策略，例如监测和 告要求，性能标准,碳定价，财政和技术援助可以对减少过程排放产生巨大影响。

策略描述和目标

由于世界上大多数过程排放都是从狭窄的活动产生的，因此，如果我们专注于九种特定类型的排放，我们的努力将最有效，并将产生更大的影响：

牲畜粪便发酵

天然气系统中的甲烷泄漏

水泥熟料生产

来自土壤、水稻种植和化肥使用的温室气体

垃圾填埋场产生的甲烷

制冷剂使用

煤矿甲烷泄漏

废水处理产生的甲烷

用于钢铁生产的冶金焦炭。

存在解决这些类型排放的技术，并且诸如监测和 告要求，绩效标准，碳定价以及财政和技术援助之类的政策可以帮助实现这些过程中的减排。成功计划的例子包括《蒙特利尔议定书》（2016年扩大到涵盖制冷剂）和甲烷减排举措，以促进在加利福尼亚州和津巴布韦使用厌氧消化池（下 讨论）。

畜牧业措施

畜牧业通过两种机制产生温室气体排放：粪便分解和肠道发酵。如果粪便不受管理，消耗粪便中营养物质的细菌会释放甲烷作为其新陈代谢的副产品。

减少这些排放的主要方法是在厌氧消化池中处理粪便，将产生的甲烷转化为电能。这有利于环境，并为农场或乳品厂运营提供电力。厌氧消化池是一种商业化技术，使其成为实现牲畜减排的有希望的方法。例如，2016年，加利福尼亚州通过了立法，将从2024年开始规范牲畜的温室气体排放，监管机构正专注于部署厌氧消化器，作为实现该州目标的一种手段。

例如，像牛这样的反刍动物可能会将5.5%-6.5%的饲料能量转化为甲烷，而马的这一百分比接近2.5%，猪（都是非反刍动物）的0.6%。由于全球农业系统中的牛数量众多，每头奶牛消耗的大量饲料以及反刍动物的高甲烷转化率，牛负责肠道发酵产生的大部分甲烷。

已经提出了各种技术来减少肠道发酵中的甲烷，例如改变给予动物的食物的类型，时间表或数量;包括食品中的补充剂;甚至给动物接种疫苗，使它们的免疫系统攻击产生甲烷的细菌。这些做法都尚未得到很好的确立或商业使用。

最后，减少粪便和肠道发酵排放的更直接方法是通过减少对肉类和乳制品的需求来减少农业系统中动物（特别是反刍动物）的数量。

防止天然气和石油系统的甲烷泄漏

甲烷是一种强大的温室气体，是天然气的主要成分。它是无色和无味的。（熟悉的天然气气味是出于安全原因而添加的气味。天然气在其经济生命周期的任何时候都可能泄漏：从生产天然气的井口，将天然气输送到客户的管道和仪表，客户拥有的管道和仪表后面的管道和阀门，或燃气用具。

天然气泄漏很难消除。单个石油和天然气田可能有多达一百万个连接（例如，管道，垫圈，阀门之间的接头），即使其中一小部分不是完全气密的，高压气体也可以被挤出。城市中的天然气管道可能已有数十年的历史并埋在地下，这使得泄漏的检测和修复变得困难。例如，波士顿市每十年损失价值10亿美元的天然气，尽管其老化的铸铁管道泄漏。

尽管如此，可以使用各种技术来检测和减少甲烷泄漏。红外摄像机可以可视化甲烷羽流，油田操作员可以定期使用配备摄像机的车辆检查其设备以检查泄漏。存在从新钻探的井中捕获回流中的气体的技术，这一过程称为绿色完井。

在美国，研究发现，石油和天然气生产设施中泄漏的甲烷数量不成比例地来自少数问题地点，这为解决这些机会提供了获得巨大利益的机会。在某些情况下，修复泄漏可以节省资金，因为气体流失到大气中就是运输并出售给最终用户的产品。

水泥熟料替代

水泥是混凝土的重要组成部分，是世界各地使用的最重要的建筑材料之一。熟料是一种硬质物质，按重量计占水泥的74%-84%，因世界地区而异，并且由碳酸钙（CaCO）分解产生3），石灰岩的主要成分，转化为石灰（CaO）和二氧化碳（CO2).公司简介2被释放到大气中，石灰与二氧化硅，铝和其他材料反应，成为熟料的一部分。

减轻水泥熟料排放的主要方法是减少熟料在水泥中的份额。其他材料如粉煤灰（煤燃烧产生的废物）可以代替熟料的一部分。然而，在水泥具有不良结构性能之前，熟料百分比的低点是有限制的。据估计，熟料百分比可降至70%。

减少排放的另一种方法是提高建筑质量和寿命，特别是在建筑标准可能低于发达国家的发展中国家。

例如，在中国，"平均时间段那......与许多发达国家的一个世纪或更长时间相比，住房仍然宜居是微不足道的35年"，许多建筑物的使用寿命不超过20年。如果建筑物、道路和其他基础设施需要每隔几十年重建一次，这需要更多的水泥生产，因此比一个世纪的建筑物需要更多的过程排放。

农田和肥料管理

种植作物通过分解土壤中的有机物和施肥产生温室气体排放。

每年，随着作物的生长，有机物被添加到土壤中，然后腐烂，释放出一氧化碳。2和甲烷。通常在种植前进行耕作（翻转和打碎土壤），以松动压实的土壤并混合养分。

然而，这个过程将有机物暴露在空气中，并加速排放到大气中。减少耕作土壤的频率或完全避免耕作可以允许更多的碳在土壤中积聚，直到土壤在大约20-25年内被碳饱和。然而，减少或取消耕作会降低某些作物的生产力。

每年收获后，种植草或豆类作为冬季的覆盖作物可以帮助减少土壤中有机物的释放。此外，冬季覆盖作物可能允许在下一季使用更少的肥料。

只要保持碳储存，就必须继续减少耕作和使用冬季覆盖作物。如果农田恢复到典型的耕作方式，储存的碳将释放到大气中。

施肥结果氮素2O排放，因为肥料中只有一部分氮被植物成功吸收。有一些技术可以增加植物使用的施用氮的比例，包括改进肥料施用方法和时间，减少肥料使用量以及使用硝化抑制剂。硝化抑制剂是减缓铵（NH）转化的化学物质4+在分解肥料中）到硝酸盐（NO3–，一种植物可用的氮形式），因此植物有时间在硝酸盐挥发或浸出之前捕获更多的硝酸盐。

此外，水稻种植有几个特别的考虑因素。在世界各地，大多数水稻都生长在稻田中，在整个生长季节，稻田会定期被水淹没。当稻田被淹没时，土壤处于厌氧环境中，或缺氧。这允许微生物在土壤中发酵有机物时产生甲烷。

减少水稻种植甲烷排放的一个关键方法是减少稻田被洪水淹没的时间。在生长季节中途排干田地或进行交替润湿和干燥可大大减少甲烷排放，这些做法可能会或可能不会降低作物产量，具体取决于土壤条件，气候条件，湿润和干燥技术和水稻品种。

然而，在一些自然淹没的地区，农民对灌溉系统缺乏可靠的控制，或者田地不够平坦（由于形成了干湿口袋），这些水管理做法可能是不可能的。

防止垃圾填埋场甲烷泄漏

垃圾填埋场中厌氧条件下有机物质的分解导致甲烷的产生，甲烷约占垃圾填埋场气体的50%。垃圾填埋场气体不是被允许进入大气，而是可以通过在垃圾填埋场中钻井并使用鼓风机或真空系统来收获。这允许气体被收集在中心点，在那里它可以用来发电（通常通过为内燃机供电）或者可以直接用于替代另一种燃料，如天然气或煤。

减少垃圾填埋场甲烷排放的另一种方法是通过减少食物垃圾和堆肥等技术将有机废物从垃圾填埋场转移（在堆肥过程中，分解通常发生在有氧条件下，其产生的甲烷比厌氧分解少得多）。

替代高全球变暖潜能值制冷剂

氟化气体（F气体）是用于各种工业目的的化学品。例如，F气体通常用作制冷剂，作为气溶胶罐中的推进剂，以及作为高压传输系统中的电绝缘体。

许多含氟气体是消耗臭氧层物质的替代品，这些物质破坏了地球的臭氧层，并且由于1987年《蒙特利尔议定书》而基本上被逐步淘汰。虽然今天工业中使用的剩余F气体不会破坏臭氧层，但许多是强大且寿命长的温室气体，因此它们对全球变暖做出了重大贡献。

产生的大多数含氟气体最终都会到达大气层。例如，空调中的制冷剂可能会缓慢泄漏，或者当空调在其使用寿命结束时 废时可能会释放出来。减少含氟气体排放的一种方法是更好地密封系统以防止泄漏，并为含有含氟气体的旧产品建立回收或回收计划。

然而，最好的技术是通过在工业应用中替代不同的化学品来避免产生F气体。最好的选择是既不会导致全球变暖也不会破坏臭氧层，但仍然允许系统高效运行的化学物质。

环保制冷剂的例子包括R-717（氨），R-744（CO2）、R-1270（丙烯）、R-290（丙烷）、R-600a（异丁烷）和 R-1150（乙烯）。其中一些替代品具有自身的危险性（例如，丙烷是高度易燃的），但不同的替代品可用于不同的应用以降低风险。

2016年《蒙特利尔议定书》的基加利修正案作为本节案例研究之一进行讨论，要求逐步淘汰许多含氟气体，并替代危害较小的制冷剂和推进剂。

控制煤矿开采过程中的甲烷泄漏

由于煤是在地下形成数百万年，甲烷也在煤层中形成的。煤层气是指在这些煤层中形成的所有甲烷，而煤矿甲烷是指通过采矿活动释放的甲烷部分。

捕获的煤矿甲烷可以用于经济高效的用途。捕获的煤矿甲烷最常用于发电、区域供热或锅炉燃料，也可以在现场用于煤炭干燥、为矿用锅炉加油或其他用途。

最后，减少使用煤炭作为能源的技术（如可再生能源）可能会减少煤矿，从而减少煤矿甲烷的排放。

减少废水处理产生的甲烷排放

甲烷是由分解的有机物质产生的，特别是在厌氧条件下。在发达国家，大多数废水在好氧条件下处理，因此直接产生的甲烷很少。然而，水处理后残留的生物固体，如果管理不当，可能会产生甲烷。在发展中国家，废水如果经过处理，通常在厌氧条件下处理，直接产生甲烷。

生物固体可以在厌氧消化器中处理。（厌氧消化器将在前面的"牲畜措施"部分讨论，稍后将作为案例研究进行讨论。在没有现代废水处理设施的发展中国家，如果人口和基础设施能够支持这些设施，最好的解决方案是建造集中式好氧水处理厂。

否则，现有的厌氧泻湖可能会用盖子和沼气捕获系统进行改造，这是一种简单而低成本的措施。此外，重要的是要确保员工接受培训，以维护和有效运营设施。

捕获的沼气可以处理并出售给天然气公用事业公司或用作车队车辆的燃料。捕获的沼气也可以燃烧以发电或热能，理想情况下是在热电联产系统中。

减少钢铁冶金焦炭产量

大多数钢铁是在高炉或碱性氧气炉中制造的。这些熔炉用于将开采的铁矿石转化为生铁或将生铁和各种合金金属转化为钢。高炉由焦炭为燃料，焦炭是煤粉在无氧环境中加热时产生的一种物质，这一过程称为焦化。焦炭既用作化学还原剂（从铁矿石中的氧化铁中除去氧气），又可产生炼钢所需的高温。

有几种技术可以减少焦炭的生产和使用。电弧炉可以在不需要煤的情况下产生制造钢铁所需的高温，但它们不提供碳源作为化学还原剂，因此它们主要用于重复使用废钢而不是制造新钢。

现代高炉设计可以减少生产一定数量的钢所需的焦炭量。钢铁公司正在开发技术，允许使用天然气代替焦炭作为炼钢中的碳源，从而抵消生产焦炭时产生的排放。

减少过程排放的政策

监视和 告要求可能是应用某些其他政策的必要先决条件，例如性能标准,财政激励，或碳价.目前，很少有工业设施测量或跟踪其过程排放。在直接测量可能不切实际的情况下（例如，在农业经营中），可以开发方程式，根据所发生的活动的数量和类型（例如，奶牛场中的牛的数量，喂养的牛，粪便的管理方式）来估计过程排放量。

性能标准在调节能源使用的背景下（例如汽车在给定数量的汽油上可以行驶的距离）可能是最熟悉的，但它们也可以应用于过程排放源。例如，政府可以要求从垃圾填埋场捕获一定比例的垃圾填埋气体，或者在水泥中使用的熟料不超过一定比例。

在天然气和石油行业，标准可能要求绿色完井，以减少井口的甲烷泄漏。煤矿可能受到甲烷捕获和燃烧要求的约束。为了控制含氟气体，政府可能会禁止特定的制冷剂和推进剂。标准也可用于解决建筑质量和寿命问题，降低重建建筑物所需的水泥量。

碳价格通过碳税或限额与交易计划可以为公司提供财务激励，以找到具有成本效益的方法来减少过程排放。当然，为了有效，碳价格不仅必须适用于与能源有关的排放，还必须适用于过程排放，并且不仅必须对一氧化碳征收。2但也涉及其他温室气体。

融资援助可以帮助公司购买不同或升级的设备，例如乳制品的厌氧消化器，或重新装备其装配线以使用冰箱和空调中F气体的替代品。融资可以通过赠款、低息贷款、贷款担保、循环基金、绿色银行或其他机制提供。

政府采购决策可以考虑生命周期排放，包括过程排放。如果政府拒绝购买制造成本高的商品（或对这些商品采用"影子价格"，使它们与以更环保的方式生产的商品竞争的能力降低），这将鼓励那些希望向政府出售商品的公司减少排放。这类政策的一个例子是加利福尼亚州的"购买清洁法案"。

B. 技术援助可以帮助一些企业，特别是中小型企业和农民，了解其过程排放源和减排战略。有关最佳实践检查和维护协议的信息有助于避免性能随时间推移而下降。在发展中国家和处理含有许多小生产者的行业，如农业（畜牧业措施、农田管理）以及一些国家的水泥和废物管理行业时，技术援助可能特别有用。

经济信号用于货物或材料替代

何时应用此策略

由于几乎每个国家都有农业或工业生产，因此几乎每个国家都可能从其中一些政策的实施中受益。在选择在某一特定国家重点制定的政策时，应以可以改变的相关行业和做法的普遍性为指导。

美国和中国在上下 中一切照旧的流程排放。

例如，在城市化迅速和建筑质量问题的国家，如中国，要求建筑和基础设施质量的法规，以促进长寿，可能是最优先的政策之一。把强壮的建筑规范在一个国家仍在扩大其基础设施基础和建设存量的同时，到位，以避免与重建相关的成本和排放。在一个已经城市化并拥有高质量建筑存量的国家，这些政策就不那么重要了。

拥有大量天然气生产和旧天然气分销基础设施的国家，如美国，是解决甲烷泄漏政策的主要目标。拥有大型煤炭开采作业的国家应考虑解决煤矿甲烷问题。任何生产制冷剂和推进剂的国家都应该利用政策来强制要求从含氟气体过渡到更安全的化学品。

成功案例

《蒙特利尔议定书》

《蒙特利尔议定书》是一项具有里程碑意义的国际协议，于1987年敲定，此后经过多次修订，最近一次是2016年在基加利。在该条约中，各国同意逐步淘汰正在逐步破坏地球平流层臭氧层的消耗臭氧物质，而平流层臭氧层保护地球表面免受有害辐射。该条约成功地将100多种消耗臭氧层物质的排放量减少了99%以上。

该议定书被广泛认为是最成功的国际环境条约。事实上，联合国秘书长科菲·安南指出，这"也许是迄今为止最成功的国际协定"（即环境或其他方面）。这是联合国历史上第一项得到普遍批准的条约。

最初，《蒙特利尔议定书》主要针对两类气体：氯氟烃（CFCs）和氢氯氟烃（HCFCs），这两种气体都会破坏臭氧层，也是强效温室气体。氟氯化碳是两类气体中危害较大的一种，其逐步淘汰速度将比氟氯烃更快。对该议定书进行了多次修正，以将新的化学品列入受控物质清单，并加快该清单上已有化学品的逐步淘汰时间表。

2016年，根据基加利修正案，该协议被修改为要求逐步淘汰氢氟碳化物（HFCs）。这类化学品不会对臭氧层造成损害，但氢氟碳化物是强效温室气体，它们用于某些与之前的氟氯化碳和氟氯烃相同的目的（如制冷剂和气溶胶推进剂）。该修正案以及各国为遵守该修正案而采取的行动可能是减少全球含氟气体过程排放的最佳政策选择。

成功的原因

《蒙特利尔议定书》的成功有几个原因。首先，臭氧层消耗背后的科学被公众广泛接受。在1973年发现氟氯化碳可能导致臭氧消耗之后，制造氟氯化碳和气溶胶的行业，特别是杜邦，进行了大规模的虚假宣传运动，试图对其产品与臭氧层损害之间的联系提出质疑。然而，1985年在南极洲上空发现的臭氧空洞有助于证实科学并证明问题的紧迫性，催化了国际社会。

第二，《蒙特利尔议定书》包括一个多边基金，该基金为发达国家提供了一种提供财政支助的途径，帮助发展中国家摆脱氟氯化碳和氟氯烃的使用。今天，这一基金在促进逐步淘汰少数发展中国家仍在生产的最后一批氟氯烃方面仍然很重要。

第三，该条约避免了政治化。在美国，这是共和党总统罗纳德·里根（Ronald Reagan）在环境方面取得的最高成就，并得到了共和党和民主党总统的支持和加强。

国家实施案例：美国和日本

作为一项国际条约，《蒙特利尔议定书》必须通过每个国家的法律生效。这就是本节中的策略设计指南的用武之地。

例如，美国环境保护署（EPA）通过重大新替代品政策计划实施了HFC淘汰。根据该计划，EPA评估了各种不同用例的替代化学品，例如用于灭火的化学品，家用冰箱和机动车空调系统。EPA考虑的因素包括对臭氧消耗的影响，气候变化，对人类的暴露和毒性，可燃性以及其他环境影响。EPA使用比较风险框架：它不要求物质是无风险的，并且只限制影响明显比替代品差的化学品，以避免干扰市场对替代物质的选择。

日本一直是利用政策加速从含氟气体过渡的领导者。甚至在《基加利修正案》之前，日本就已经制定了开始减少制冷剂排放的政策。日本法律于2015年颁布，涵盖整个产品生命周期。它逐步减少制造商和进口商的制冷剂生产，促进低全球变暖潜能值和非碳氟化合物产品，通过要求定期检查和维护来防止设备在使用过程中泄漏，并促进许可公司在设备寿命结束时的回收利用。

日本与日本化学工业 和日本汽车制造商 等14个国内行业组织合作，实施带有制冷剂和全球变暖潜能值信息的产品标签，并鼓励制造商制定和实现自愿目标。

津巴布韦国家国内沼气计划和加州乳品消化池研发计划

在本节讨论的工艺减排技术中，粪便和有机废物的厌氧消化池是最广泛适用的。政府资助沼气池建设的计划存在于从世界上最发达和高科技经济体之一的加利福尼亚到津巴布韦农村地区。这里讨论了这两个程序，以说明可用于成功部署此技术的方法范围。

在加利福尼亚州，该州的食品和农业部运营着乳制品消化器研发计划，该计划为在加利福尼亚州的乳制品厂安装消化器提供财政援助。该计划由该州的温室气体减排基金资助。2017年，18个项目共获得3510万美元的资金，项目总成本为1.064亿美元，因此每1美元政府在私营部门的资金中撬动超过3美元。

项目发起人必须提交详细的申请，并根据各种标准进行仔细评估，包括对弱势社区的益处，财务实力，温室气体减排估算，经济和环境共同效益以及项目准备情况（包括遵守《加州环境质量法》和其他法律，以及与周边社区的联系）。获奖者必须在项目投入运营后10年内重新移植经过验证的减排量。

在津巴布韦，三个政府部门与两个荷兰非政府组织SNV和Hivos合作，创建了国家国内沼气计划。该计划旨在在整个津巴布韦建造沼气池，以促进沼气（有机物质分解产生的气体混合物，主要是甲烷）的产生。

津巴布韦产生的沼气将直接用于烹饪和照明以及为沼气燃烧设备供电，而不是像加利福尼亚州那样用于发电。厌氧消化器在非洲农村地区使用时有很多好处。除了减少排放外，沼气池还可以改善农场的卫生条件，消除传统生物质燃烧造成的室内空气污染，显着减少与食物制备相关的工作量，并生产高质量的肥料（发酵生物浆）。

然而，厌氧消化器需要大量的粪便和水才能有效运行，因此它们可能不适合非洲无法获得可靠可用水源的地区。迄今为止，在津巴布韦的这一计划下，已有70多名泥瓦匠和18名零件制造商接受了如何建造沼气厂的培训。该项目已为超过1，385户家庭提供了沼气，目标是到2018年建造8，000个沼气池，并旨在建立一个充满活力的当地沼气部门，最终将为67，000多个家庭提供服务。

美国减少天然气和石油工业甲烷泄漏的法规

2012年，美国环保署颁布了限制天然气和石油作业中挥发性有机化合物（一种当地空气污染物）排放的标准。2016年，该规则扩大到涵盖温室气体，特别是甲烷，并涵盖更广泛的工业活动和设备。新规定还要求业主和运营商发现并修复甲烷泄漏。

这些规则要求按固定的时间表（每年或每季度两次，具体取决于设备类型）监控泄漏。这些规则允许多种泄漏检测方法，包括光学成像或使用有机蒸气分析仪，并允许生产商申请使用其他技术，以允许创新。

该规则还分阶段要求钻井公司进行绿色完井。在新井钻探后，在开始生产之前，从井中提取一种称为返排的物质（钻井液，气体，油，水和泥浆的混合物）。此过程需要一天到几周的时间。（涉及水力压裂或"水力压裂"的井比非压裂井产生更多的回流。

在常规的完井中，回流被引导到露天矿坑或储罐，在那里从混合物中释放的气体被排放到大气中，或者有时被燃烧。在"绿色完井"中，设备用于分离返排混合物的气体，液体和固体成分，并捕获气体以供现场使用或销售。必要的技术已经成熟，可以捕获回流中高达90%的气体。

美国环保署估计，该规则将在2025年产生6.9亿美元的气候效益，超过5.3亿美元的成本，并且由于有毒空气污染物的减少，还将改善公共卫生（减少疾病和死亡）。

结论

存在着处理这些类型排放的技术，以及诸如监测和 告要求等政策。性能标准,碳定价，财政和技术援助可以帮助实现减排。成功计划的例子包括蒙特利尔议定书（2016年扩大到涵盖F气体）以及加利福尼亚州和津巴布韦的厌氧消化器部署计划。编译 陈讲运

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