张锁江：过程工程——工业减碳“主力舰的发动机”

 

　　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。 内-容-来-自；中_国_碳_0排放￥交-易=网 t an pa i fa ng . c om