以下文章來源于格緻論道講壇 ，作者朱慶山
我們應該如何實現減碳？
大家基本達成了一個共識：
靠修修補補已經沒有辦法了，
所以要對工業過程進行重塑。
朱慶山 · 中國科學院過程工程研究所研究員
格緻論道第83期 | 2022年6月25日 北京
大家好，我是來自中國科學院過程工程研究所的朱慶山。從第一次工業革命開始，機器對人工的替代，使我們征服自然的能力得到大幅提升。我們上天入地，似乎無所不能。
人類享受着工業帶來的便利，同時也承受着它帶來的污染。著名的倫敦光化學霧事件曾在很短的時間内造成了12000人的死亡，而我們自己對空氣污染狀态也不陌生。
不過，人類是解決問題的高手，我們現在已經能很好地控制這些污染物。倫敦、北京如今都是藍天白雲，似乎一切非常美好，好像我們已經解決了工業對環境的污染問題。真的是這樣嗎？應該說，有形的污染物已經被解決了，大家現在越來越關注看不見、摸不着的污染物——二氧化碳（CO₂）。
▲ 溫室氣體，包括CO₂、CH₄、N₂O、PFCs、HFCs、SF₆
二氧化碳有什麽問題？它有毒嗎？實際上二氧化碳無處不在，人類無時無刻不在呼吸着它。我們之所以關注這種氣體，是因爲它有一種特殊的能力：溫室效應，它可以把地球上的紅外線反射回來。
具有這種能力的不僅僅是二氧化碳，還有甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）、氫氟烴（HFCs）等氣體。當這些氣體濃度低的時候，它們就像給地球穿了件夾克，讓地球能夠保持一個合适的溫度；當它們的濃度高了以後，就像給地球穿上了棉襖，地球的溫度便會上升。所以我們說的全球氣候變暖，相當于是地球"發燒"了。
我們知道發燒非常難受，也會帶來很多問題。如果地球"發燒"了，同樣會造成非常嚴重的後果。據統計，在2004-2018年間，幾乎有2/3的極端天氣都與全球變暖有關。
▲ 巴黎協定：全球溫升控制在2℃以内，努力控制在1.5℃以内
爲了解決這個問題，在2015年，全世界最有權勢的一群大佬在巴黎開了場會，表示我們要努力把地球的溫升控制在1.5度以内。
控溫的核心實際上是控制二氧化碳的濃度，就像圖中的這條線一樣。那麽二氧化碳濃度爲什麽會上升呢？是因爲我們排放的二氧化碳超過了我們消耗的量。要想數值不上升，顯然排放量與消耗量必須相等，也就是我們所說的碳中和。我們國家已經承諾争取在2060年前實現這一目标。
工業排放的碳來自哪裏？
那麽我們來看一看我國碳排放的情況。根據丁仲禮副委員長領導的團隊所做的研究，目前我們國家的碳排放大概是100億噸，其中排在第一位的是電力，其次是工業，占了39%。如果将工業進一步細分，大體上可以分爲鋼鐵、有色、化工、建材這四大塊。工業爲什麽會排放這麽多二氧化碳呢？下面，讓我們一同追尋工業的碳足迹。
▲ 噸鋼CO₂排放1.8-2.2t
首先是鋼鐵行業。煉鐵的過程可以理解爲把三氧化二鐵（Fe₂O₃）裏面的氧去掉，然後得到金屬鐵。傳統的高爐煉鐵方式是用碳跟氧結合，這樣就會産生二氧化碳。按照方程式的理論計算，每噸鐵的二氧化碳排放大概在1.18噸。但制作鋼鐵的實際過程比這個複雜的多，是一個很長的流程。
像上圖所顯示的，我們煉鐵需要1600度的高溫，升溫通常需要通過碳加熱來實現，所以實際上會多消耗一些。高爐煉鐵的這個過程可能需要排放1.3噸，但我們還要做些原料準備，還要進行轉爐煉鋼等，所以一噸鋼的總體碳排放量就達到1.8-2.2噸。
▲ 噸鋁CO₂排放16.6t
我們再來看看有色。有色的碳排放主要是由電解鋁造成的，電解鋁的過程其實也是把氧化鋁（Al₂O₃）中的氧去掉。這時候僅僅靠碳就不夠了，還需要電，整個過程的理論電耗大概在6300度左右。如果按照圖中的公式進行計算，理論上說制作1噸鋁可能需要排放7.6噸的二氧化碳。
與鋼鐵一樣，它是一個很長的流程，實際的二氧化碳排放在16噸左右。
▲ 噸熟料CO₂排放 0.89t
建材中最重要的是水泥。燒水泥的過程基本上就是氧化鈣（CaO）跟二氧化矽（SiO₂）反應生成矽酸鈣。從方程式上看，其實沒有二氧化碳的參與，但氧化鈣的生産過程會放出二氧化碳。所以按照方程式計算，碳酸鈣分解氧化鈣的過程大約會排放0.53噸的二氧化碳。根據這個流程，1噸水泥熟料燒下來大概會排放0.9噸二氧化碳。
接下來看化工。化工的産品特别多，所以我以合成氨爲例和大家介紹一下。爲什麽選合成氨？因爲我認爲它是對人類影響最大的化工産品。由于合成氨的發明，我們的糧食産量得到大幅增加。
▲ 左圖：中美化肥使用量與糧食總産量對比
右圖：三位諾獎得主及相關成就
左圖中的紅線代表着我國的糧食總産量。在過去的幾十年裏，它差不多翻了3倍，其中合成氨功不可沒。合成氨也得過3次諾貝爾獎，它的開創者哈伯被認爲是"從空氣中發明面包的魔術師"。
▲ 合成氨碳排放
合成氨的化學反應看起來比較簡單：氫氣加氮氣生成氨，所以這個方程式裏面也沒有二氧化碳。但是制造氫氣的過程會産生二氧化碳，我們一般把這種氫氣稱爲灰氫。按照方程式來看，制造1噸氨氣需要排放二氧化碳1.9噸。雖然方程式很簡單，但是合成氨的過程非常複雜，最終我們可能需要排放4-5噸的二氧化碳。
工業的低碳重塑之路
前面介紹了這麽多的工業過程，排放了這麽多二氧化碳，那我們應該如何實現減碳？大家基本達成了一個共識：靠修修補補已經沒有辦法了，必須要對工業過程進行重塑。
工業産品非常多，它們有沒有一些共性？通過分析，我們發現還是有一些共性存在的。目前，我們的工業需要化石能源的支撐，它本質上提供了三件重要的事情。第一，提供了熱量。因爲很多反應都是在高溫下進行的，所以我們需要加熱，通過燃燒化石能源提供熱量；第二，提供了電力，驅動了工業過程中電氣設備的運行；第三，它還提供了原料：碳、一氧化碳，它們可以進一步轉化成别的原料。
▲ 低碳重塑三要素：能源 原料 流程
要對工業過程進行重塑，就是要替代化石能源。用什麽來替代呢？顯然我們可以用太陽能。比如我們可以通過聚光鏡獲得高品質的熱源，這個熱源就可以替代化石能源産生的熱；第二，我們可以通過光伏、風電産生綠色的電力，它可以替代化石能源産生的電；第三，通過生物質可以産生生物碳、生物氣，這也可以作爲很好的替代原料。
通過上圖可以看出，爲了實現工業過程的低碳重塑，首先要改變能源，其次是原料，那就像人吃的東西變了以後，流程當然也要發生改變，所以說低碳重塑的三個要素是能源、原料和流程。下面我們來看一看，具體可以怎樣改變、重塑這些流程。
▲ 熱化學到電化學
首先，我們可以通過電化學反應去替代傳統的熱化學反應。就像這兩張圖顯示的，煉鐵的過程需要通過碳還原三氧化二鐵，事實上電很容易還原鐵離子，鐵離子得到電就生成鐵，這是高中化學裏面就有的反應。
電化學反應是一類非常廣泛的應用。像這張圖所顯示的，二氧化碳加水加上電子可以合成各種各樣的化學品，這也是現在學術研究的熱點問題。
第二個重塑的路徑是用光化學反應替代熱化學反應。在太陽光的照射下，通過催化劑的作用可以把水分解成氫氣加氧氣。當然，在催化劑的作用下，也可以把二氧化碳加水合成含氧化合物。有時候我們還可以把電、光結合起來，生成更多的化合物。
第三個重塑的路徑就是用氫替代這些化石原料。前面我們介紹，鐵是利用碳還原三氧化二鐵反應得到的，其實也可以通過氫還原。而這個氫是由"綠電"的電解水産生的，所以被稱之爲"綠氫"。
第四，可以用綠色能源供熱替代高碳供熱或者化石能源的供熱。化學反應都需要熱量，這些熱量傳統上都是由燃燒化石能源來提供的。就像做水泥的過程需要1400度的高溫。而有了綠氫以後，我們可以"燒氫不燒碳"，這樣就不會産生二氧化碳。當然，我們還可以直接用電加熱，甚至通過太陽光加熱。
▲ 中國科學院電工研究所王志峰研究員團隊提供
前面提到了聚光鏡，這張圖顯示的就是通過聚光鏡聚光産生高溫的熱，以此來燒水泥，燒出來的水泥質量也非常好。
▲ 鋼-化、有色-化、建材-化聯産
最後，我們可以通過流程耦合替代單一的耦合。工業的生産過程會産生很多二氧化碳，以水泥爲例，碳酸鈣分解生成氧化鈣加二氧化碳，二氧化碳本身無法避免。如果僅僅通過單一的工業，其實它是沒辦法解決的。
如果我們把二氧化碳跟綠氫耦合，就可以生成一氧化碳。大家知道一氧化碳是一種萬能的合成氣，它可以合成各種各樣的化學品。比如我們可以合成甲烷，也就是天然氣的主要成分；可以合成汽油，也可以合成甲醇。甲醇既是産品，也是一種中間産品，它還可以進一步加工爲烯烴、合成乙醇等等。
這樣的話，通過與綠氫結合，工業二氧化碳就可以生成品類豐富的化學品。這些化學品原來需要通過化石能源來獲得碳，現在就有鋼化聯産、有色跟化工聯産、建材跟化工聯産等途徑，用聯産的方式來降低碳的排放。
以氫冶金：未來新趨勢
爲了更好地說明重塑的具體過程，我以氫冶金爲例來給大家做一些簡單的介紹。氫冶金就是用氫氣替代碳去還原三氧化二鐵，它被認爲是未來低碳煉鐵的主要趨勢。歐洲、日本、韓國都有這樣的計劃，我們國家也把它作爲一個重要方向。發改委等三部委在《促進鋼鐵工業高質量發展的意見》中提出，要加快推進氫冶金等低碳冶金技術的研發。
▲ 左：Fe₂O₃+C→Fe+CO₂
右：Fe₂O₃+H₂→Fe+H₂O
我們怎麽去替代？有兩種路徑。第一，我們可以在高爐上修修補補，在高爐下面開一個口，然後把氫氣通進去。這樣氫氣就可以與鐵礦石反應，部分替代焦炭。它的好處是對現有流程的改動較小，但它的缺陷是不能通得太多，否則會對高爐的運行造成影響。這種方式大概能減碳20%。
▲ 流态化
如果要想全部減碳，顯然我們需要用别的反應器，而不是高爐。我在這裏以流化床反應器爲例，這張圖顯示的是流态化。氫氣進入反應器後，礦石會在容器内部浮起來，這個狀态就叫做流化的狀态。因爲浮起來後可以跟氫氣接觸得更加充分，所以它的反應效率會非常高。
圖中的這個裝置叫做流化床，在工業上有非常廣泛的應用。
▲ 左：山東棗莊(1973-1980)
右：德國魯奇公司50萬噸氫氣煉鐵工廠(1995-2001)
實際上，我們研究所在上個世紀70年代就進行了用氫氣煉鐵的研究，已經做到了噸級的中試。從國際上看，1995年德國魯奇公司曾經用天然氣重整制氫，建了一個50萬噸的氫氣煉鐵工廠，但因爲經濟原因沒有運行下去。
要進行氫氣煉鐵的話，顯然需要進一步提高效率。效率怎麽提高？其實從原理上來說也并不複雜，這裏舉一個例子。一個顆粒的反應時間跟它直徑的平方成正比，如果用0.1毫米的顆粒跟10毫米的顆粒相比，它的速度會提高1萬倍。所以用細顆粒就可以提高反應速度。
▲ 如何實現粘性粉體态化
但問題是，目前沒有反應器能夠處理這樣的細顆粒。爲什麽做不了？因爲細顆粒在還原的過程中會粘結在一起，就像泥巴一樣團成一大坨，它就沒辦法浮起來。
▲ 如何實現粗細顆粒同步轉化
提高效率還面臨着另外一個工程的問題，那就是鐵礦的顆粒有大有小，但它們在反應器裏的時間是一樣的。前面提到，大顆粒跟小顆粒的反應時間不同，現在它們都同樣的進出，就會導緻小顆粒過度還原反應，大顆粒卻反應不好。如果能讓它的粒徑跟反應時間匹配起來，效率就能得到提高。
還有要解決的第三個問題，即反應器的放大。這張圖是美國的蘭德公司在1980年提出的，它非常著名。通過研究，蘭德公司發現一個工廠能否成功跟它的原料有十分重要的關系。如果是氣體跟液體（左），工廠就很容易成功：你原來想兩個月能調試成功，那麽實際上三個月就可以調成；如果是固體，且比如像催化劑等性質已知的材料（中），那它就會困難很多；如果這個顆粒的性質是未知的，就像我們的礦粉，你原來規劃可能五六個月可以調成，但實際情況是十幾個月都調不成。所以這張圖說明，性質不知的顆粒具有非常強的放大效應。
▲ 粘結機理和強化方法
在過去的十幾年裏，我們的團隊都在進行這方面的研究。我們首先研究這些顆粒爲什麽會粘結，是怎麽粘結的？什麽時候嚴重，什麽時候不嚴重？通過建立一個數學模型，我們就可以計算它在什麽條件是可以操作的，什麽條件是不能操作的。這樣的話，我們就可以爲實際過程提供指導。
▲ 粗細顆粒停留時間調控理論與方法
第二個方面，我們提出通過内構件去調控顆粒在流化床内停留的時間，讓細顆粒待的時間短一點，粗顆粒待的時間長一點。我們建立了模型，建立了方法，确實可以實現這一目标。在右邊這張圖裏，中間的虛線就是理論上不同大小的顆粒所需要的時間。可以看得到，我們通過調控，确實可以讓它停留的時間與理論所需要時間完美地匹配起來，從而提高效率。
▲ 粘性粉體流化床放大方法
第三個方面，我們一直在研究粘性粉體的放大規律。我們建立了模型和模拟的方法，可以對實際工業反應器裏面的各種參數進行精細的模拟，以此預測它的反應條件。在這個基礎上，我們還建立了全流程的模拟方法。在真正進行工業實驗之前，可以先模拟一遍，看看存在什麽問題，這樣有助于下一步的優化。
▲ 左：江南錳業20萬噸級錳礦還原
我們建立的這些方法也在工業上得到了應用。左邊這張圖是我們在雲南文山建立的20萬噸級的錳礦還原情況。從右邊這張圖中可以看出，通過這些理論跟方法，與傳統方式相比，我們大概可以降低52%的能耗、成本也能降低50%以上。這個工廠目前已經運行了七八年，企業取得了非常好的經濟效益。
▲ 攀鋼集團：萬噸級钛精礦氧化還原越鋼集團：10萬噸級鐵礦磁化焙燒多氟多：千噸級氟矽酸鈉中鋁山東：12萬噸氧化鋁攀枝花龍蟒：50萬噸钛精礦氧化雲天化環保：45萬噸磷石膏煅燒
當然，我們還做了其他的冶金實踐，如钛精礦、鐵礦以及氧化鋁等。我們還把方法拓展到固廢的處理，比如建立了磷石膏、氟矽酸鈉等很難處理的固廢應用。
▲ 百噸級CVD制備珠光顔料百噸級納米鎳粉還原百噸級納米銅粉還原
最近，我們把這個方法拓展到金屬粉體的制備。比如我們制備了這種"卡脖子"的超細鎳粉、銅粉，它們從國外買進來可能每噸就要上百萬元。通過這個方法，現在我們基本上可以制備出這樣的産品。
▲ 光伏/風電→電解水制氫→流化床氫氣煉鐵
有了前面的這些積累以後，我們再反過頭來研究前面提到的流化床氫氣煉鐵。因此，我們提出了右圖所示的高效流化床煉鐵工藝，它與光伏/風電、電解水制氫結合起來，形成了一整套的綠氫流化床煉鐵流程。其中電解水制氫是與大連化物所的李燦院士一同合作的。
這套流程也受到了比較高的關注，曾經有國外的大企業找到我們，表示希望出幾千萬來做一個。但是我們覺得還是要跟國内合作，現在我們正在跟鞍鋼做一個萬噸級的示範。如果這個工程做成了，它将是國内外首套萬噸級的綠色氫能流化床示範。我們希望通過這個項目探明它的還原規律，同時爲百萬噸級的鐵礦還原提供關鍵參數，建立工藝包。
碳中和對我們意味着什麽？
前面給大家介紹了一些工業重塑的路徑，那麽工業重塑到底是容易還是難？我覺得這個問題有三個方面。
首先需要認識到，它實際上是一個任重道遠的長期過程，不可能一蹴而就。我們國家以化石能源爲主的能源結構還會長期存在，綠色能源的替代有個過程。所以我認爲這是一個超級馬拉松長跑，不能把它當作50米短跑，否則會出問題。
第二，要想實現碳中和，我們就需要硬核的科技，最主要的是光伏、風電等可再生能源，它們具有低成本和高穩定性的優勢，當然也包括大規模的儲能。還有電化學轉化、前面提到的綠氫轉化、流程耦合的轉化等一系列的技術突破，它們跟綠氫、可再生能源結合以後才可以實現低碳的重塑。當然我們要認識到，這個過程是非常困難的，但是也不能低估長期技術進步的力量，還要做一個樂觀主義者。盡管它很困難，但是通過努力，我們一定能夠實現。
第三，工業低碳需要統籌地推進。碳中和這件事看起來是技術問題，但是它又不能僅僅依靠技術解決。需要多方共同的努力，産學研政商企都要發力，甚至還要形成一定的标準、規劃、法規等，才有可能實現這個目标。
碳中和看起來非常困難，那麽爲什麽要去做呢？我覺得，氣候變化會影響到全人類，誰都逃不了。所以我們進行碳中和，不僅僅是在踐行人類命運共同體理念，也體現了我們的大國擔當。
我覺得更重要的，是我們高質量發展的内生需求。在前三次工業革命中，我們國家都大幅落後于世界。比如在十幾年以前，大家還在用上圖的方式收糧食。
但是如果你看一看國外的情況，就會發現美國在1910年開始進行農業機械化，1940年就已經基本完成了。在1940年的時候，它的農業機械化已經達到95%，我們到現在可能才有50%。我想說的是，在别人已經跑得很遠的情況下，我們想要追上它其實是非常困難的。即使你花了很多努力，想要超越也是艱難的。
但是碳中和不一樣。目前，國外和我國幾乎都沒有掌握碳中和的工業重塑技術，都在起步階段，所以我們基本上位于同一條起跑線。也就是說換了一個賽道，現在我們沒有那麽大的差距，這就提供了換道超車的契機，也是我們科技強國的突破口。
還有一個比較關鍵的原因。如果能實現碳中和，我們将大幅提升能源技術與産業鏈的安全性。因爲我們的能源全部自給了，就不用通過馬六甲海峽運輸石油，就不會有那麽多技術被卡脖子，可以發揮我們光伏産業的優勢。
很多人會問：碳中和跟我有關系嗎？我又不從事工業低碳。我想說的是，碳中和跟我們每一個人息息相關。你覺得這個工廠有霧霾，可以跑到一個沒有霧霾的地方；但氣候變化你是躲不開的，因爲它有蝴蝶效應，有突然性，你不知道它什麽時候會發生，所以與我們每個人都有關系。
碳中和會帶來能源結構、工業生産、消費體系的巨變，所以一大批産業可能會消失，還有一大批技術也會應運而生，産生新的産業。如果我們不關注它，如果我們在一個被淘汰的技術行業裏，哪怕到了被淘汰的時候，時代都不會跟你打一聲招呼。所以我們必須要擁抱碳中和，關注碳中和。
最後我想說，碳中和本質上是年輕人的事業。就像到碳達峰的時候，我已經退休了；到碳中和的時候，可能現在剛剛畢業的大學生也該退休了，所以碳中和需要年輕人去努力實現。我們前面講到，在探索碳中和的過程中會出現很多新的賽道，有很多機遇，如果我們年輕人能将自己的事業跟國家碳中和的大勢結合起來，那麽一定會有一個輝煌的未來。
我的彙報就到這裏，謝謝大家！
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