張鎖江：過程工程——工業(yè)減碳“主力艦的發(fā)動(dòng)機(jī)”

 

　　過程工業(yè)涉及鋼鐵、有色、化工、建材等重要行業(yè)，經(jīng)過上百年研究實(shí)踐形成了大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)過程，流程復(fù)雜、集成度高、工藝相對(duì)固化，牽一發(fā)而動(dòng)全身。要對(duì)這些傳統(tǒng)工藝進(jìn)行變革，涉及從基本原理到工藝過程的多層次、多尺度系統(tǒng)創(chuàng)新。

 

　　以鋼鐵行業(yè)為例，其碳排放主要集中在煉鐵環(huán)節(jié)，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(guān)鍵環(huán)節(jié)的碳排放，發(fā)展更加先進(jìn)、綠色的“氫冶金”將是鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)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(shí)現(xiàn)“氫冶金”大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，遠(yuǎn)不止修改化學(xué)反應(yīng)方程式那樣簡單，還將面臨一系列基礎(chǔ)科學(xué)及工程難題。用氫替代碳之后，物質(zhì)在高爐、轉(zhuǎn)爐、豎爐中具有什么樣的傳遞和反應(yīng)機(jī)理及規(guī)律？各個(gè)環(huán)節(jié)又如何環(huán)環(huán)相扣？研究清楚這些基礎(chǔ)科學(xué)問題，需要過程工程這臺(tái)“發(fā)動(dòng)機(jī)”加足馬力，最終創(chuàng)造出可以工業(yè)化的新工藝。

 

　　另一個(gè)例子是石油化工中的催化裂化。傳統(tǒng)的催化裂化是在熱和催化劑的作用下使原油發(fā)生裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槠?、柴油、烯烴、芳烴等。隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，未來汽油、柴油需求將大幅降低，原油多產(chǎn)化學(xué)品（烯烴、芳烴等）成為催化裂化的新發(fā)展方向。如何在流化床反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)反應(yīng)與傳遞的匹配，特別是小分子和大分子如何在一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)高效裂解和重構(gòu)，是過程工程研究需要突破的核心問題。只有使反應(yīng)器中的每一個(gè)顆粒、每一個(gè)反應(yīng)、每一次傳遞都盡在掌握，方能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，從而有效支撐石油化工行業(yè)的綠色低碳變革。

 

　　還有一個(gè)重要的例子是合成氨。一直以來，工業(yè)合成氨采用傳統(tǒng)的“哈伯法”，通過兩步化學(xué)反應(yīng)獲得氨。第一步，煤氣化或天然氣經(jīng)蒸汽重整制備氫氣；第二步，氫氣與由空氣經(jīng)深冷分離獲得的氮?dú)?，在高溫高壓條件下合成氨。兩步反應(yīng)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(jīng)膜分離獲得的氮?dú)猓ㄟ^電熱催化合成氨，以大幅降低二氧化碳排放。再進(jìn)一步，采用綠電催化氮?dú)夂退跍睾蜅l件下直接合成氨，則可能實(shí)現(xiàn)合成氨行業(yè)二氧化碳的零排放。更進(jìn)一步，從煙氣或工業(yè)尾氣中獲取二氧化碳合成尿素，就變成了“負(fù)碳”過程。當(dāng)然，這些想法要變成現(xiàn)實(shí)，絕不能僅僅停留在化學(xué)反應(yīng)方程式層面的創(chuàng)新，反應(yīng)器創(chuàng)新和工藝過程創(chuàng)新至關(guān)重要。必須弄清楚新工藝每一個(gè)環(huán)節(jié)中物質(zhì)和能量如何傳遞、如何轉(zhuǎn)化、如何實(shí)現(xiàn)多尺度過程的精準(zhǔn)調(diào)控，才能從實(shí)驗(yàn)裝置放大至工業(yè)裝置，在實(shí)現(xiàn)減碳的同時(shí)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_0排放￥交-易=網(wǎng) t an pa i fa ng . c om