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我们应该如何实现减碳？ 大家基本达成了一个共识： 靠修修补补已经没有办法了， 所以要对工业过程进行重塑。 朱庆山 · 中国科学院过程工程研究所研究员 大家好，我是来自中国科学院过程工程研究所的朱庆山。 从第一次工业革命开始，机器对人工的替代，使我们征服自然的能力得到大幅提升。我们上天入地，似乎无所不能。 人类享受着工业带来的便利，同时也承受着它带来的污染。著名的伦敦光化学雾事件曾在很短的时间内造成了12000人的死亡，而我们自己对空气污染状态也不陌生。
不过，人类是解决问题的高手，我们现在已经能很好地控制这些污染物。伦敦、北京如今都是蓝天白云，似乎一切非常美好，好像我们已经解决了工业对环境的污染问题。真的是这样吗？应该说，有形的污染物已经被解决了，大家现在越来越关注看不见、摸不着的污染物——二氧化碳（CO₂）。
▲ 温室气体，包括CO₂、CH₄、N₂O、PFCs、HFCs、SF₆ 二氧化碳有什么问题？它有毒吗？实际上二氧化碳无处不在，人类无时无刻不在呼吸着它。我们之所以关注这种气体，是因为它有一种特殊的能力：温室效应，它可以把地球上的红外线反射回来。 具有这种能力的不仅仅是二氧化碳，还有甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）、氢氟烃（HFCs）等气体。当这些气体浓度低的时候，它们就像给地球穿了件夹克，让地球能够保持一个合适的温度；当它们的浓度高了以后，就像给地球穿上了棉袄，地球的温度便会上升。所以我们说的全球气候变暖，相当于是地球“发烧”了。 我们知道发烧非常难受，也会带来很多问题。如果地球“发烧”了，同样会造成非常严重的后果。据统计，在2004-2018年间，几乎有2/3的极端天气都与全球变暖有关。  ▲ 巴黎协定：全球温升控制在2℃以内，努力控制在1.5℃以内 为了解决这个问题，在2015年，全世界最有权势的一群大佬在巴黎开了场会，表示我们要努力把地球的温升控制在1.5度以内。  控温的核心实际上是控制二氧化碳的浓度，就像图中的这条线一样。那么二氧化碳浓度为什么会上升呢？是因为我们排放的二氧化碳超过了我们消耗的量。要想数值不上升，显然排放量与消耗量必须相等，也就是我们所说的碳中和。我们国家已经承诺争取在2060年前实现这一目标。 工业排放的碳来自哪里？ 已完成：10% ////////// 那么我们来看一看我国碳排放的情况。根据丁仲礼副委员长领导的团队所做的研究，目前我们国家的碳排放大概是100亿吨，其中排在第一位的是电力，其次是工业，占了39%。如果将工业进一步细分，大体上可以分为钢铁、有色、化工、建材这四大块。工业为什么会排放这么多二氧化碳呢？下面，让我们一同追寻工业的碳足迹。  ▲ 吨钢CO₂排放1.8-2.2t 首先是钢铁行业。炼铁的过程可以理解为把三氧化二铁（Fe₂O₃）里面的氧去掉，然后得到金属铁。传统的高炉炼铁方式是用碳跟氧结合，这样就会产生二氧化碳。按照方程式的理论计算，每吨铁的二氧化碳排放大概在1.18吨。但制作钢铁的实际过程比这个复杂的多，是一个很长的流程。 像上图所显示的，我们炼铁需要1600度的高温，升温通常需要通过碳加热来实现，所以实际上会多消耗一些。高炉炼铁的这个过程可能需要排放1.3吨，但我们还要做些原料准备，还要进行转炉炼钢等，所以一吨钢的总体碳排放量就达到1.8-2.2吨。  ▲ 吨铝CO₂排放16.6t 我们再来看看有色。有色的碳排放主要是由电解铝造成的，电解铝的过程其实也是把氧化铝（Al₂O₃）中的氧去掉。这时候仅仅靠碳就不够了，还需要电，整个过程的理论电耗大概在6300度左右。如果按照图中的公式进行计算，理论上说制作1吨铝可能需要排放7.6吨的二氧化碳。  ▲ 吨熟料CO₂排放 0.89t 建材中最重要的是水泥。烧水泥的过程基本上就是氧化钙（CaO）跟二氧化硅（SiO₂）反应生成硅酸钙。从方程式上看，其实没有二氧化碳的参与，但氧化钙的生产过程会放出二氧化碳。所以按照方程式计算，碳酸钙分解氧化钙的过程大约会排放0.53吨的二氧化碳。根据这个流程，1吨水泥熟料烧下来大概会排放0.9吨二氧化碳。 接下来看化工。化工的产品特别多，所以我以合成氨为例和大家介绍一下。为什么选合成氨？因为我认为它是对人类影响最大的化工产品。由于合成氨的发明，我们的粮食产量得到大幅增加。  左图中的红线代表着我国的粮食总产量。在过去的几十年里，它差不多翻了3倍，其中合成氨功不可没。合成氨也得过3次诺贝尔奖，它的开创者哈伯被认为是“从空气中发明面包的魔术师”。  ▲ 合成氨碳排放 合成氨的化学反应看起来比较简单：氢气加氮气生成氨，所以这个方程式里面也没有二氧化碳。但是制造氢气的过程会产生二氧化碳，我们一般把这种氢气称为灰氢。按照方程式来看，制造1吨氨气需要排放二氧化碳1.9吨。虽然方程式很简单，但是合成氨的过程非常复杂，最终我们可能需要排放4-5吨的二氧化碳。 工业的低碳重塑之路 已完成：30% ////////// 前面介绍了这么多的工业过程，排放了这么多二氧化碳，那我们应该如何实现减碳？大家基本达成了一个共识：靠修修补补已经没有办法了，必须要对工业过程进行重塑。 工业产品非常多，它们有没有一些共性？通过分析，我们发现还是有一些共性存在的。目前，我们的工业需要化石能源的支撑，它本质上提供了三件重要的事情。 第一，提供了热量。因为很多反应都是在高温下进行的，所以我们需要加热，通过燃烧化石能源提供热量；第二，提供了电力，驱动了工业过程中电气设备的运行；第三，它还提供了原料：碳、一氧化碳，它们可以进一步转化成别的原料。  ▲ 低碳重塑三要素：能源 原料 流程 要对工业过程进行重塑，就是要替代化石能源。用什么来替代呢？显然我们可以用太阳能。比如我们可以通过聚光镜获得高品质的热源，这个热源就可以替代化石能源产生的热；第二，我们可以通过光伏、风电产生绿色的电力，它可以替代化石能源产生的电；第三，通过生物质可以产生生物碳、生物气，这也可以作为很好的替代原料。 通过上图可以看出，为了实现工业过程的低碳重塑，首先要改变能源，其次是原料，那就像人吃的东西变了以后，流程当然也要发生改变，所以说低碳重塑的三个要素是能源、原料和流程。下面我们来看一看，具体可以怎样改变、重塑这些流程。 ▲ 热化学到电化学 首先，我们可以通过电化学反应去替代传统的热化学反应。就像这两张图显示的，炼铁的过程需要通过碳还原三氧化二铁，事实上电很容易还原铁离子，铁离子得到电就生成铁，这是高中化学里面就有的反应。
电化学反应是一类非常广泛的应用。像这张图所显示的，二氧化碳加水加上电子可以合成各种各样的化学品，这也是现在学术研究的热点问题。 第二个重塑的路径是用光化学反应替代热化学反应。在太阳光的照射下，通过催化剂的作用可以把水分解成氢气加氧气。当然，在催化剂的作用下，也可以把二氧化碳加水合成含氧化合物。有时候我们还可以把电、光结合起来，生成更多的化合物。 第三个重塑的路径就是用氢替代这些化石原料。前面我们介绍，铁是利用碳还原三氧化二铁反应得到的，其实也可以通过氢还原。而这个氢是由“绿电”的电解水产生的，所以被称之为“绿氢”。 第四，可以用绿色能源供热替代高碳供热或者化石能源的供热。化学反应都需要热量，这些热量传统上都是由燃烧化石能源来提供的。就像做水泥的过程需要1400度的高温。而有了绿氢以后，我们可以“烧氢不烧碳”，这样就不会产生二氧化碳。当然，我们还可以直接用电加热，甚至通过太阳光加热。 ▲ 中国科学院电工研究所王志峰研究员团队提供 前面提到了聚光镜，这张图显示的就是通过聚光镜聚光产生高温的热，以此来烧水泥，烧出来的水泥质量也非常好。 ▲ 钢-化、有色-化、建材-化联产 最后，我们可以通过流程耦合替代单一的耦合。工业的生产过程会产生很多二氧化碳，以水泥为例，碳酸钙分解生成氧化钙加二氧化碳，二氧化碳本身无法避免。如果仅仅通过单一的工业，其实它是没办法解决的。 如果我们把二氧化碳跟绿氢耦合，就可以生成一氧化碳。大家知道一氧化碳是一种万能的合成气，它可以合成各种各样的化学品。比如我们可以合成甲烷，也就是天然气的主要成分；可以合成汽油，也可以合成甲醇。甲醇既是产品，也是一种中间产品，它还可以进一步加工为烯烃、合成乙醇等等。 这样的话，通过与绿氢结合，工业二氧化碳就可以生成品类丰富的化学品。这些化学品原来需要通过化石能源来获得碳，现在就有钢化联产、有色跟化工联产、建材跟化工联产等途径，用联产的方式来降低碳的排放。 以氢冶金：未来新趋势 已完成：50% ////////// 为了更好地说明重塑的具体过程，我以氢冶金为例来给大家做一些简单的介绍。氢冶金就是用氢气替代碳去还原三氧化二铁，它被认为是未来低碳炼铁的主要趋势。欧洲、日本、韩国都有这样的计划，我们国家也把它作为一个重要方向。发改委等三部委在《促进钢铁工业高质量发展的意见》中提出，要加快推进氢冶金等低碳冶金技术的研发。 我们怎么去替代？有两种路径。第一，我们可以在高炉上修修补补，在高炉下面开一个口，然后把氢气通进去。这样氢气就可以与铁矿石反应，部分替代焦炭。它的好处是对现有流程的改动较小，但它的缺陷是不能通得太多，否则会对高炉的运行造成影响。这种方式大概能减碳20%。 ▲ 流态化 如果要想全部减碳，显然我们需要用别的反应器，而不是高炉。我在这里以流化床反应器为例，这张图显示的是流态化。氢气进入反应器后，矿石会在容器内部浮起来，这个状态就叫做流化的状态。因为浮起来后可以跟氢气接触得更加充分，所以它的反应效率会非常高。 图中的这个装置叫做流化床，在工业上有非常广泛的应用。 实际上，我们研究所在上个世纪70年代就进行了用氢气炼铁的研究，已经做到了吨级的中试。从国际上看，1995年德国鲁奇公司曾经用天然气重整制氢，建了一个50万吨的氢气炼铁工厂，但因为经济原因没有运行下去。 要进行氢气炼铁的话，显然需要进一步提高效率。效率怎么提高？其实从原理上来说也并不复杂，这里举一个例子。一个颗粒的反应时间跟它直径的平方成正比，如果用0.1毫米的颗粒跟10毫米的颗粒相比，它的速度会提高1万倍。所以用细颗粒就可以提高反应速度。 ▲ 如何实现粘性粉体态化 但问题是，目前没有反应器能够处理这样的细颗粒。为什么做不了？因为细颗粒在还原的过程中会粘结在一起，就像泥巴一样团成一大坨，它就没办法浮起来。 ▲ 如何实现粗细颗粒同步转化 提高效率还面临着另外一个工程的问题，那就是铁矿的颗粒有大有小，但它们在反应器里的时间是一样的。前面提到，大颗粒跟小颗粒的反应时间不同，现在它们都同样的进出，就会导致小颗粒过度还原反应，大颗粒却反应不好。如果能让它的粒径跟反应时间匹配起来，效率就能得到提高。 还有要解决的第三个问题，即反应器的放大。这张图是美国的兰德公司在1980年提出的，它非常著名。通过研究，兰德公司发现一个工厂能否成功跟它的原料有十分重要的关系。如果是气体跟液体（左），工厂就很容易成功：你原来想两个月能调试成功，那么实际上三个月就可以调成；如果是固体，且比如像催化剂等性质已知的材料（中），那它就会困难很多；如果这个颗粒的性质是未知的，就像我们的矿粉，你原来规划可能五六个月可以调成，但实际情况是十几个月都调不成。所以这张图说明，性质不知的颗粒具有非常强的放大效应。 ▲ 粘结机理和强化方法 在过去的十几年里，我们的团队都在进行这方面的研究。我们首先研究这些颗粒为什么会粘结，是怎么粘结的？什么时候严重，什么时候不严重？通过建立一个数学模型，我们就可以计算它在什么条件是可以操作的，什么条件是不能操作的。这样的话，我们就可以为实际过程提供指导。 ▲ 粗细颗粒停留时间调控理论与方法 第二个方面，我们提出通过内构件去调控颗粒在流化床内停留的时间，让细颗粒待的时间短一点，粗颗粒待的时间长一点。我们建立了模型，建立了方法，确实可以实现这一目标。在右边这张图里，中间的虚线就是理论上不同大小的颗粒所需要的时间。可以看得到，我们通过调控，确实可以让它停留的时间与理论所需要时间完美地匹配起来，从而提高效率。 ▲ 粘性粉体流化床放大方法 第三个方面，我们一直在研究粘性粉体的放大规律。我们建立了模型和模拟的方法，可以对实际工业反应器里面的各种参数进行精细的模拟，以此预测它的反应条件。在这个基础上，我们还建立了全流程的模拟方法。在真正进行工业实验之前，可以先模拟一遍，看看存在什么问题，这样有助于下一步的优化。 ▲ 左：江南锰业20万吨级锰矿还原 我们建立的这些方法也在工业上得到了应用。左边这张图是我们在云南文山建立的20万吨级的锰矿还原情况。从右边这张图中可以看出，通过这些理论跟方法，与传统方式相比，我们大概可以降低52%的能耗、成本也能降低50%以上。这个工厂目前已经运行了七八年，企业取得了非常好的经济效益。 当然，我们还做了其他的冶金实践，如钛精矿、铁矿以及氧化铝等。我们还把方法拓展到固废的处理，比如建立了磷石膏、氟硅酸钠等很难处理的固废应用。 最近，我们把这个方法拓展到金属粉体的制备。比如我们制备了这种“卡脖子”的超细镍粉、铜粉，它们从国外买进来可能每吨就要上百万元。通过这个方法，现在我们基本上可以制备出这样的产品。 ▲ 光伏/风电→电解水制氢→流化床氢气炼铁 有了前面的这些积累以后，我们再反过头来研究前面提到的流化床氢气炼铁。因此，我们提出了右图所示的高效流化床炼铁工艺，它与光伏/风电、电解水制氢结合起来，形成了一整套的绿氢流化床炼铁流程。其中电解水制氢是与大连化物所的李灿院士一同合作的。 这套流程也受到了比较高的关注，曾经有国外的大企业找到我们，表示希望出几千万来做一个。但是我们觉得还是要跟国内合作，现在我们正在跟鞍钢做一个万吨级的示范。如果这个工程做成了，它将是国内外首套万吨级的绿色氢能流化床示范。我们希望通过这个项目探明它的还原规律，同时为百万吨级的铁矿还原提供关键参数，建立工艺包。 碳中和对我们意味着什么？ 已完成：80% ////////// 前面给大家介绍了一些工业重塑的路径，那么工业重塑到底是容易还是难？我觉得这个问题有三个方面。 首先需要认识到，它实际上是一个任重道远的长期过程，不可能一蹴而就。我们国家以化石能源为主的能源结构还会长期存在，绿色能源的替代有个过程。所以我认为这是一个超级马拉松长跑，不能把它当作50米短跑，否则会出问题。 第二，要想实现碳中和，我们就需要硬核的科技，最主要的是光伏、风电等可再生能源，它们具有低成本和高稳定性的优势，当然也包括大规模的储能。还有电化学转化、前面提到的绿氢转化、流程耦合的转化等一系列的技术突破，它们跟绿氢、可再生能源结合以后才可以实现低碳的重塑。当然我们要认识到，这个过程是非常困难的，但是也不能低估长期技术进步的力量，还要做一个乐观主义者。尽管它很困难，但是通过努力，我们一定能够实现。 第三，工业低碳需要统筹地推进。碳中和这件事看起来是技术问题，但是它又不能仅仅依靠技术解决。需要多方共同的努力，产学研政商企都要发力，甚至还要形成一定的标准、规划、法规等，才有可能实现这个目标。 碳中和看起来非常困难，那么为什么要去做呢？我觉得，气候变化会影响到全人类，谁都逃不了。所以我们进行碳中和，不仅仅是在践行人类命运共同体理念，也体现了我们的大国担当。 我觉得更重要的，是我们高质量发展的内生需求。在前三次工业革命中，我们国家都大幅落后于世界。比如在十几年以前，大家还在用上图的方式收粮食。 但是如果你看一看国外的情况，就会发现美国在1910年开始进行农业机械化，1940年就已经基本完成了。在1940年的时候，它的农业机械化已经达到95%，我们到现在可能才有50%。我想说的是，在别人已经跑得很远的情况下，我们想要追上它其实是非常困难的。即使你花了很多努力，想要超越也是艰难的。 但是碳中和不一样。目前，国外和我国几乎都没有掌握碳中和的工业重塑技术，都在起步阶段，所以我们基本上位于同一条起跑线。也就是说换了一个赛道，现在我们没有那么大的差距，这就提供了换道超车的契机，也是我们科技强国的突破口。 还有一个比较关键的原因。如果能实现碳中和，我们将大幅提升能源技术与产业链的安全性。因为我们的能源全部自给了，就不用通过马六甲海峡运输石油，就不会有那么多技术被卡脖子，可以发挥我们光伏产业的优势。 很多人会问：碳中和跟我有关系吗？我又不从事工业低碳。我想说的是，碳中和跟我们每一个人息息相关。你觉得这个工厂有雾霾，可以跑到一个没有雾霾的地方；但气候变化你是躲不开的，因为它有蝴蝶效应，有突然性，你不知道它什么时候会发生，所以与我们每个人都有关系。 碳中和会带来能源结构、工业生产、消费体系的巨变，所以一大批产业可能会消失，还有一大批技术也会应运而生，产生新的产业。如果我们不关注它，如果我们在一个被淘汰的技术行业里，哪怕到了被淘汰的时候，时代都不会跟你打一声招呼。所以我们必须要拥抱碳中和，关注碳中和。 最后我想说，碳中和本质上是年轻人的事业。就像到碳达峰的时候，我已经退休了；到碳中和的时候，可能现在刚刚毕业的大学生也该退休了，所以碳中和需要年轻人去努力实现。我们前面讲到，在探索碳中和的过程中会出现很多新的赛道，有很多机遇，如果我们年轻人能将自己的事业跟国家碳中和的大势结合起来，那么一定会有一个辉煌的未来。 我的汇报就到这里，谢谢大家！ |
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