工業減碳“主力艦”中的“發動機”——過程工程

張鎖江

實現碳達峰、碳中和，是中國著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾。工業領域是碳排放的主要來源，作為世界工業大國，中國工業領域的減碳任務更是重中之重。

必由之路：科技創新助推工業減碳

今天，依靠科技創新的減碳仍然是工業進步的必由之路，也是全球工業的大勢所趨。工業減碳面臨的最大挑戰就是如何在減碳的同時保證生產效率和效益，兩者兼顧的根本在于科技創新。回顧工業發展的百年歷史，工業生產效率的提高與科技創新支撐的節能減排相輔相成、互相促進。比如，許多行業致力于硫化物的減排，與此同時，通過工藝技術及系統集成創新實現了提效增收的目標。毋庸置疑，科技創新在工業生產的節能減排、效率提升中已經并將繼續發揮巨大的作用。

過程工程是研究物質轉化過程中反應—傳遞耦合機制及其放大規律的科學。其在工業減碳中的重要地位，可以用一個形象的比喻來說明：如果說工業減碳是實現“雙碳”目標的“主力艦”，那么過程工程可以被稱為“主力艦的發動機”。我們相信，來自過程工程科學的創新成果必將為工業減碳注入源源不斷的動力。

源頭減碳：過程工程提供“內驅力”

過程工業涉及鋼鐵、有色、化工、建材等重要行業，經過上百年研究實踐形成了大規模連續化生產過程，流程復雜、集成度高、工藝相對固化，牽一發而動全身。要對這些傳統工藝進行變革，涉及從基本原理到工藝過程的多層次、多尺度系統創新。

以鋼鐵行業為例，其碳排放主要集中在煉鐵環節，即用碳把鐵礦石還原成鐵，礦石中的氧和碳生成二氧化碳排放出來。為降低這一關鍵環節的碳排放，發展更加先進、綠色的“氫冶金”將是鋼鐵行業低碳綠色發展的重要方向。從原理上看，“氫冶金”就是用氫替代碳作為冶金過程的燃料和還原劑。然而，想要真正實現“氫冶金”大規模工業化生產，遠不止修改化學反應方程式那樣簡單，還將面臨一系列基礎科學及工程難題。用氫替代碳之后，物質在高爐、轉爐、豎爐中具有什么樣的傳遞和反應機理及規律？各個環節又如何環環相扣？研究清楚這些基礎科學問題，需要過程工程這臺“發動機”加足馬力，最終創造出可以工業化的新工藝。

另一個例子是石油化工中的催化裂化。傳統的催化裂化是在熱和催化劑的作用下使原油發生裂化反應，轉變為汽油、柴油、烯烴、芳烴等。隨著電動汽車行業的快速發展，未來汽油、柴油需求將大幅降低，原油多產化學品（烯烴、芳烴等）成為催化裂化的新發展方向。如何在流化床反應器中實現反應與傳遞的匹配，特別是小分子和大分子如何在一個反應器中實現高效裂解和重構，是過程工程研究需要突破的核心問題。只有使反應器中的每一個顆粒、每一個反應、每一次傳遞都盡在掌握，方能實現精準調控，從而有效支撐石油化工行業的綠色低碳變革。

還有一個重要的例子是合成氨。一直以來，工業合成氨采用傳統的“哈伯法”，通過兩步化學反應獲得氨。第一步，煤氣化或天然氣經蒸汽重整制備氫氣；第二步，氫氣與由空氣經深冷分離獲得的氮氣，在高溫高壓條件下合成氨。兩步反應均排放二氧化碳，其中第一步制氫過程是主要碳排放源。將來，第一步可以采用可再生的電能通過電解水制取氫，第二步可以用氫氣與空氣經膜分離獲得的氮氣，通過電熱催化合成氨，以大幅降低二氧化碳排放。再進一步，采用綠電催化氮氣和水在溫和條件下直接合成氨，則可能實現合成氨行業二氧化碳的零排放。更進一步，從煙氣或工業尾氣中獲取二氧化碳合成尿素，就變成了“負碳”過程。當然，這些想法要變成現實，絕不能僅僅停留在化學反應方程式層面的創新，反應器創新和工藝過程創新至關重要。必須弄清楚新工藝每一個環節中物質和能量如何傳遞、如何轉化、如何實現多尺度過程的精準調控，才能從實驗裝置放大至工業裝置，在實現減碳的同時產生巨大的經濟效益。

系統減碳：過程工程提供“向心力”

過程工程必須始終牢記“系統工程”思維。這里的“系統”不僅指某一個反應過程、某一個工藝過程、某一個生產裝置乃至某一個行業，更應當是整個工業領域的全面統籌，共同致力于減碳增效的中心目標，形成“向心力”。

工業生產流程復雜、物流能流體系龐大，目前各產業往往孤立運行、集成度不夠。從全局考慮，工業領域要實現碳中和目標需要在以下三個方面發力。第一，變革現有高物耗、高能耗、高碳排的工業發展模式。一方面要根據社會發展趨勢，推動產業轉型和產品結構升級；另一方面，要采用可再生能源或循環資源替代傳統化石能源資源，如采用綠氫、綠電、綠熱、生物質等。第二，應加強理論創新和基礎研究。研發新一代綠色低碳變革性工藝，推動低碳流程重構和數字化智能轉型等。第三，重視鋼鐵、有色、化工、建材等行業間的協同聯動和集成減碳，尤其是跨行業的原料替代、電氫聯用、循環耦合等。

大有可為：過程工程正處機遇期

當前，我們欣喜地看到，“雙碳”目標下的過程工程正迎來發展的機遇期。一方面，黨中央高度重視科技創新，這為過程工程未來發展提供了新機遇；另一方面，我國經過改革開放40多年的發展，已形成規模宏大的過程制造業，為工業領域技術持續迭代提供了良好土壤。

未來，過程工程應加強與前沿學科及新興產業的深度交叉融合，以綠色化、低碳化、高端化、智能化為發展方向，開展介科學理論創新、工藝及裝備創新，以及流程再造，積極發揮過程工程在工業減碳“主力艦”中的“發動機”作用，為實現“雙碳”目標提供科技支撐。