“我國要實現碳中和，首先要明晰碳排放主要來自于哪里？能源45%，工業39%，工業包括鋼鐵、有色、化工、建材等等，另外交通10%，建材5%，其他相對來說較少。”中國科學院院士、中國科學院過程工程研究所所長、河南大學校長張鎖江在5月20日~23日舉辦的2023大灣區科學論壇上指出，目前能源生產和工業生產過程中的碳排放量約占我國碳排放總量的85%，工業碳減排是重中之重，需從產能端、用能端和碳匯端“三端”發力，通過技術變革實現碳中和。
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部分發言實錄
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尊敬的梁主席、白院長、王省長、丁院士，各位院士專家和朋友們： 本@文$內.容.來.自：中`國`碳`排*放^交*易^網 t a np ai fan g.c om
今天向大家匯報一下關于《碳中和：工業技術變革及系統重構》的思考。氣候變暖威脅人類生存。工業革命以來，特別是近年來碳排放量激增，大氣中的二氧化碳濃度接近400 ppm，比工業革命前提高約50%，將溫度變化控制在2攝氏度以內成為全世界的共識，所以碳中和也成為了全球關注的重大問題。 夲呅內傛萊源亍：ф啯碳*排*放^鮫*易-網 τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
我國要實現碳中和，首先要明晰碳排放主要來自于哪里？能源45%，工業39%，工業包括鋼鐵、有色、化工、建材等等，另外交通10%，建材5%，其他相對來說較少，比如農業1%左右，所以碳排放的重點是能源生產和工業過程，總共約占到85%。 本`文@內-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網 ta n pa i fa ng . co m
我國目前碳排放大約100億噸，達峰之前還會增加一些。如果我們仍然采用傳統的方式且不加以控制，碳中和是不可能實現的。如果采用新的政策嚴格控制，碳達峰、碳中和就有可能提前實現，所以必須要有相應的政策，通過技術變革來推動實現碳中和。 本文+內-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網 t a n pa ifa ng .c om
碳中和是一個大系統。丁仲禮副委員長提出了“三端發力”，包括產能端、用能端和碳匯端。從這個系統可以看到，未來能源系統中化石能源的使用要逐步減少，特別是汽柴油的使用，未來石油主要用來做化學品。新能源發電要和煤炭燃燒發電配合起來，構成多能互補的能源系統。在新能源系統中，最重要的是新能源的儲存，包括儲氫和儲電等技術。在工業用能端，鋼鐵、有色、化工、建材這幾個行業是相互銜接的，各個過程耦合起來，鋼鐵、有色等金屬使用后可回收處理后作為原料再次使用，廢棄塑料等也可再循環利用起來，還需結合CCUS技術，才有可能實現碳中和，所以要“三端”發力。那么，我今天主要匯報三個方面的技術進展。 內-容-來-自；中_國_碳_0排放￥交-易=網 t an pa i fa ng . c om
第一是工業低碳技術。工業領域里面最主要的是鋼鐵、有色、化工和建材。而我國是一個發展中大國，又不得不發展重工業，所以工業過程是碳減排的重中之重，因為它支撐了國家約20%的GDP。工業過程排放二氧化碳的原理是什么呢？所有的礦物質，如鐵和鋁，在自然界都是以氧化物形式存在的，用碳還原生產鐵、鋁就要排放大量二氧化碳。第二個是建材行業，碳酸鈣加熱分解生成氧化鈣，就必然排放二氧化碳。化工生產過程中主要做油品和化學品，工藝過程也會排放二氧化碳，高溫高壓的生產條件也會增加碳排放。另外一個是化工過程的合成氨技術，它排放了2億噸左右的二氧化碳。整個體系的變革就是要從原來的熱碳驅動改成電氫驅動，原來用碳還原的過程要改成用氫或電來還原。比如氧化鐵由碳來還原會產生二氧化碳，改成用氫還原或者用電還原，就可以避免二氧化碳的產生。另外，鋁的還原也要低碳化，這些都要進行技術變革，以實現減少碳排放，具體我就不一一展開了。
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下面我講幾個例子。一個是氫冶金替代碳冶金。這個系統中的一個重要變化，就是原來用碳作為還原劑，現在可以用富氫氣、合成氣來作為還原劑，將來要完全用氫作還原劑，我們國家已經在做萬噸級的示范，過程所也取得了一些非常重要的進展。
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第二個是電解鋁。我們國家有色的碳排放中，電解鋁占了約60%，電解鋁耗的電占全國總用電的7%左右，相當于兩到三個三峽發電量。電解鋁中最重要的幾個環節是鋁土礦到三氧化二鋁，再就是用三氧化二鋁往后去做鋁的還原過程。現在主要發展兩個技術，一個是惰性陽極技術，一個是離子液體電解鋁技術。 本+文`內.容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網 t a np ai fan g.com
在石化行業中最重要的是油品。石油如果不做汽柴油，以后就要與綠氫相結合，通過流化床反應器來做成化學品。這里最主要的一個科學問題，就是小分子裂解溫度比較高，大分子裂解溫度比較低，都要在流化床反應器中的非常小的空間里面實現反應，所以提出了反應微區和整個反應器如何來調控的問題。
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現在我們國家在這方面的進展非常快，已經完成了中試規模的研究，三烯收率可達到50%以上，化學品收率可達到60%以上。如果石油全部來做烯烴、芳烴以后，進一步還可以制備一系列化學品。烯烴做到α-烯烴可以做潤滑油，上海高研院在這方面有一些突破；也可以做MMA，即有機玻璃原料；C4可以再做尼龍，或進一步發展光刻膠等等；還有芳烴可以做均酐，是電子信息材料的原料，所以應該以石化行業的工藝創新為源頭，來引領整個石化行業的變革。
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我們在大亞灣做了幾個工業示范裝置，其中包括離子液體催化二氧化碳合成鋰電池電解液溶劑等。大亞灣里面的石化園區是非常完整的產業鏈，它的產值超過了3000億。
第二方面，簡單匯報一下能源的低碳變革。能源的低碳變革就是要依靠風光電，還有非常重要的一塊，就是生物質。生物質如果能做乙醇，進一步生產烯烴。生物質做乙醇可以靠生物的方法，也可以靠化學的方法。另外就是發的電如何儲存的問題，一個是儲電，一個是儲氫。氫的另外一個儲存方式就是合成氨，或者合成甲醇（液態陽光）。我這里介紹幾個最新的進展，一個是生物質做乙醇。這是美國的一個工廠圖，我們國內也在做，現在最重要的問題就是發酵過程的酶太貴，生產1噸產品要耗費3000~5000元，只有把酶的價格降下來，才可能解決生產的問題。現在正在發展的技術，是在實驗室從二氧化碳直接碳碳重構合成乙醇，這個在實驗室中已經走通了。其中我們提出了一個概念叫離子酶，因為我們主要做離子液體，這個過程如果能夠實現產業化或者能夠在科技上有所突破以后，它的意義是非常重大的，生物質的鏈就打通了。 本`文內.容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網 t a npai fan g.com
在能源存儲使用方面，我們通常做的電池都是正負極固定的，比如現有的鋰電池。我們承擔了科技部的一個變革性項目，國外也在做，就是使正負極能流動起來。正負極流動起來以后，就形成了鋰漿料電池或者鈉漿料電池。如果能解決化工上漿料順暢流動的問題，將來的汽車就可以灌注液體了，電量用完以后把液體抽出來，然后再把新液體灌進去，就可以繼續使用，這作為新一代的技術，兼具了鋰電池和液流電池兩者的優點。
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再進一步是氫的發展，氫在化工上最重要的用途就是合成氨，合成氨排放了約2億噸的二氧化碳，占總碳排的約2%。我國7成以上的合成氨工藝采用煤炭制氫，將來如果綠氫出來以后，再通過空氣膜分離出來氮氣，氮氣和氫氣通過電熱催化合成氨。同時，反應后氣體中氨的濃度只有10%~20%，原料氣需要循環，我們已經在努力解決這方面的問題了。這一項技術的未來就是氮氣加水合成氨，如果這個課題突破了，整個合成氨工業將發生一個大的變革。工業過程創新現在面臨著前所未有的大機遇。
第三方面，我將匯報碳捕集利用。關于碳捕集利用，我們在討論的時候，認為自然界最重要的是碳匯，靠生態來固碳，但是我們可以用物理或化學的方法把它捕集起來，然后再和氫結合，就可以通過熱、光、電、生物轉化的方法來合成化學品，比如合成乙醇、甲醇等。我們還可以適當考慮碳的封存，但是碳封存實際上只能作為一項儲備技術，因為封存是不具有經濟性的。 本`文-內.容.來.自：中`國^碳`排*放*交^易^網 ta np ai fan g.com
在這里我想跟大家匯報的是，我們在大亞灣跟新宙邦合作，用二氧化碳和環氧乙烷生產碳酸酯，在2021年建成了10萬噸裝置，現在又新建了15萬噸裝置，總共是25萬噸。碳酸酯的量我們估算需要300~400萬噸，隨著鋰電池和鈉電池的飛速發展，能夠真正地實現較大規模的“變廢為寶”。 本`文@內-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網 t an pa ifa ng . c om
目前，二氧化碳的進一步轉化有兩個大突破：一是通過酶來做液體燃料，如合成甲醇。另外是天津工生所做的合成淀粉，它為我們提供了新的路線、新的希望。當然從化工的角度來講，要實現經濟性還有很長的路要走，這個工藝的第一步甲醇合成是通過化學的方法，未來可能是生物與化學轉化相結合的方法，這樣才可能開發出來具有大規模經濟性的技術。
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最后一部分是未來展望。實現零碳目標，可能需要分以下四步： 本*文`內/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網-tan pai fang . c o m
第一階段是現在的系統要繼續運行，但新建的裝置必須要控制為低碳的，排放量要比現有水平低5%~10%。碳的排放不能再增加很多，要控制在5%以內； 本文@內/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網-tan pai fang . com
第二階段是減碳，新能源發電成本降低以后，要大幅度通過市場調節來減少化石能源的使用，推動工業結構的減碳；
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第三階段是低碳，大規模的可再生發電成本越來越低以后，我們就可以大規模地推進工業的試驗，把碳排放減少到50%甚至到60%； 本/文-內/容/來/自:中-國-碳-排-放-網-tan pai fang . com
最后才是碳中和階段，碳中和階段即新能源的電力系統成本必須非常低且非常穩定，工業結構的調整必須按照低碳的方式運行，CCUS必須發力。丁仲禮副委員長曾領導開展“中國碳中和框架路線圖研究”咨詢項目，據估算，自然界吸收的碳+CCUS最多能達到25億噸，碳排放必須要減少70%到80%才能實現真正的碳中和。所以碳中和將催生新一輪的科技革命，最早是蒸汽機，第二次是電力，第三次是信息，那么再往后的第四次工業革命可能是能源+人工智能+生命健康的革命，這個革命將徹底重塑能源和工業體系。所以我們的研發范式必須要改變，原來我們的研發是在實驗室做完實驗再到企業，企業在使用我們技術時還需要重新理解生產原理、核驗數據等，這個周期特別長，一般需要10年到15年才能搞出一個大規模的應用。
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但現在碳中和的發展趨勢，要求工藝的變革必須從一開始就要產學研相結合，一開始就要和企業一起確定研發目標、研發產品和研發方向，產學研結合共同推進產業化。我認為這個研發范式必須從線性的改為立體的、協同攻關的模式。從工藝放大來講，這個過程是多尺度的問題，它包括原子層次、微區層次、反應器、系統層次等等，我們所多尺度團隊一直在做這方面的工作。現在來看，傳統的熱力學理論在納微尺度層次是不適用的，因此我們需要發展新的理論。 本`文@內/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網-tan pai fang. com
我們前面聽了丁肇中先生的報告以及幾位專家的報告，非常受啟發，一方面要發展理論；另一方面要發展人工智能技術，這兩方面結合起來，才能顛覆傳統的工業發展模式。
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還有幾個非常值得思考的問題，前段時間我們跟發改委能源所在交流的時候提到以下三個問題需要深入研究：第一，AI如何深刻影響未來能源及工業系統。第二，將來生物質和風光電到底能做成多大的規模，其經濟性怎么樣，我國到底該怎么發展？這需要頂層設計和戰略研究。第三，儲能及氫能到底怎么發展，氫能的輸送和天然氣的輸送完全是不同的材料，這樣一種新體系是非常需要戰略層面的研究，不是一個兩個科學家可以解決的。
黨的二十大提出，實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，我認為這對我們的影響是非常大的。在此，希望利用這個機會，向社會發出倡議：大家都要積極投入到碳中和當中來，碳中和與每個人息息相關，不僅是一個學校、一個單位，所有人都和碳中和有關。作為一個科研工作者，希望在科學院、科技部的指導下做出一些工作，貢獻一些我的微薄力量。 本@文$內.容.來.自：中`國`碳`排*放^交*易^網 t a np ai fan g.c om
謝謝大家！
智庫大學堂第六期 主講人：張鎖江院士 主持人：何鳴元院士 本`文內.容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網 t a npai fan g.com
國家工信部備案/許可證編號
