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张锁江:过程工程——工业减碳“主力舰的发动机”

2022-07-21 中国科学报
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语音播报

  实现碳达峰、碳中和,是中国着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择,是构建人类命运共同体的庄严承诺。工业领域是碳排放的主要来源,作为世界工业大国,中国工业领域的减碳任务更是重中之重。

  必由之路:科技创新助推工业减碳

  今天,依靠科技创新的减碳仍然是工业进步的必由之路,也是全球工业的大势所趋。工业减碳面临的最大挑战就是如何在减碳的同时保证生产效率和效益,两者兼顾的根本在于科技创新。回顾工业发展的百年历史,工业生产效率的提高与科技创新支撑的节能减排相辅相成、互相促进。比如,许多行业致力于硫化物的减排,与此同时,通过工艺技术及系统集成创新实现了提效增收的目标。毋庸置疑,科技创新在工业生产的节能减排、效率提升中已经并将继续发挥巨大的作用。

  过程工程是研究物质转化过程中反应—传递耦合机制及其放大规律的科学。其在工业减碳中的重要地位,可以用一个形象的比喻来说明:如果说工业减碳是实现“双碳”目标的“主力舰”,那么过程工程可以被称为“主力舰的发动机”。我们相信,来自过程工程科学的创新成果必将为工业减碳注入源源不断的动力。

  源头减碳:过程工程提供“内驱力”

  过程工业涉及钢铁、有色、化工、建材等重要行业,经过上百年研究实践形成了大规模连续化生产过程,流程复杂、集成度高、工艺相对固化,牵一发而动全身。要对这些传统工艺进行变革,涉及从基本原理到工艺过程的多层次、多尺度系统创新。

  以钢铁行业为例,其碳排放主要集中在炼铁环节,即用碳把铁矿石还原成铁,矿石中的氧和碳生成二氧化碳排放出来。为降低这一关键环节的碳排放,发展更加先进、绿色的“氢冶金”将是钢铁行业低碳绿色发展的重要方向。从原理上看,“氢冶金”就是用氢替代碳作为冶金过程的燃料和还原剂。然而,想要真正实现“氢冶金”大规模工业化生产,远不止修改化学反应方程式那样简单,还将面临一系列基础科学及工程难题。用氢替代碳之后,物质在高炉、转炉、竖炉中具有什么样的传递和反应机理及规律?各个环节又如何环环相扣?研究清楚这些基础科学问题,需要过程工程这台“发动机”加足马力,最终创造出可以工业化的新工艺。

  另一个例子是石油化工中的催化裂化。传统的催化裂化是在热和催化剂的作用下使原油发生裂化反应,转变为汽油、柴油、烯烃、芳烃等。随着电动汽车行业的快速发展,未来汽油、柴油需求将大幅降低,原油多产化学品(烯烃、芳烃等)成为催化裂化的新发展方向。如何在流化床反应器中实现反应与传递的匹配,特别是小分子和大分子如何在一个反应器中实现高效裂解和重构,是过程工程研究需要突破的核心问题。只有使反应器中的每一个颗粒、每一个反应、每一次传递都尽在掌握,方能实现精准调控,从而有效支撑石油化工行业的绿色低碳变革。

  还有一个重要的例子是合成氨。一直以来,工业合成氨采用传统的“哈伯法”,通过两步化学反应获得氨。第一步,煤气化或天然气经蒸汽重整制备氢气;第二步,氢气与由空气经深冷分离获得的氮气,在高温高压条件下合成氨。两步反应均排放二氧化碳,其中第一步制氢过程是主要碳排放源。将来,第一步可以采用可再生的电能通过电解水制取氢,第二步可以用氢气与空气经膜分离获得的氮气,通过电热催化合成氨,以大幅降低二氧化碳排放。再进一步,采用绿电催化氮气和水在温和条件下直接合成氨,则可能实现合成氨行业二氧化碳的零排放。更进一步,从烟气或工业尾气中获取二氧化碳合成尿素,就变成了“负碳”过程。当然,这些想法要变成现实,绝不能仅仅停留在化学反应方程式层面的创新,反应器创新和工艺过程创新至关重要。必须弄清楚新工艺每一个环节中物质和能量如何传递、如何转化、如何实现多尺度过程的精准调控,才能从实验装置放大至工业装置,在实现减碳的同时产生巨大的经济效益。

  系统减碳:过程工程提供“向心力”

  过程工程必须始终牢记“系统工程”思维。这里的“系统”不仅指某一个反应过程、某一个工艺过程、某一个生产装置乃至某一个行业,更应当是整个工业领域的全面统筹,共同致力于减碳增效的中心目标,形成“向心力”。

  工业生产流程复杂、物流能流体系庞大,目前各产业往往孤立运行、集成度不够。从全局考虑,工业领域要实现碳中和目标需要在以下三个方面发力。第一,变革现有高物耗、高能耗、高碳排的工业发展模式。一方面要根据社会发展趋势,推动产业转型和产品结构升级;另一方面,要采用可再生能源或循环资源替代传统化石能源资源,如采用绿氢、绿电、绿热、生物质等。第二,应加强理论创新和基础研究。研发新一代绿色低碳变革性工艺,推动低碳流程重构和数字化智能转型等。第三,重视钢铁、有色、化工、建材等行业间的协同联动和集成减碳,尤其是跨行业的原料替代、电氢联用、循环耦合等。

  大有可为:过程工程正处机遇期

  当前,我们欣喜地看到,“双碳”目标下的过程工程正迎来发展的机遇期。一方面,党中央高度重视科技创新,这为过程工程未来发展提供了新机遇;另一方面,我国经过改革开放40多年的发展,已形成规模宏大的过程制造业,为工业领域技术持续迭代提供了良好土壤。

  未来,过程工程应加强与前沿学科及新兴产业的深度交叉融合,以绿色化、低碳化、高端化、智能化为发展方向,开展介科学理论创新、工艺及装备创新,以及流程再造,积极发挥过程工程在工业减碳“主力舰”中的“发动机”作用,为实现“双碳”目标提供科技支撑。

  (作者系澳门赌场院士、澳门赌场过程工程研究所所长、河南大学校长,记者甘晓整理)

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