“碳中和目标从化学本质看，就是碳和氢的平衡和循环。”在近日举行的香山科学会议第746次学术讨论会上，中国科学院院士、华东师范大学石油化工科学研究院教授何鸣元表示，工程热化学是实现碳中和目标的重要科学技术基础。

此次会议上，专家指出，工程热化学领域科技创新是推动绿色低碳发展、实现循环经济的必由之路，对实现“双碳”目标具有重要意义。

占关键工业行业化学反应80%

“相对于光、电诱发的化学反应，热诱发、热驱动的化学反应统称为热化学反应。”沈阳化工大学特色资源化工与材料教育部重点实验室主任许光文介绍，这种化学反应紧密关联热生成、热传递、热利用，往往以高温为特点，可能占据能源、冶金、材料、环境等关键工业行业化学反应的80%。

据了解，经典意义的热化学转化有3类过程，即焚烧、气化和热解。其自由基链式反应的本质特征使气液固3种相态的物质均可发生热化学反应。从工业视角分析，规模化和经济性是热化学转化要求的重要特点。

“碳能源包括天然气、石油、生物质和煤，还可以计入二氧化碳。”何鸣元从化学的角度分析道，碳能源的有效利用在于碳和氢的平衡，其中必然包括一系列的分子断键与重构。无论从大分子裂解生成较小的分子，或者从小分子构建成较大的分子，热化学转化在很多过程中都可以发挥重要甚至不可替代的作用。

许光文提到，一方面，各种能源燃料转化、矿产资源加工、废弃物无害化、各类动力获取及爆轰等，都依赖热化学反应形成的技术、装备及工程；另一方面，通过热化学反应途径排放的二氧化碳占据了人类活动总碳排放的90%以上。

工业过程中的重要科技基础

当下，工程热化学领域科技创新的重要性正日益凸显。

专家认为，工程热化学作为工业过程中重要的科学技术基础，对构建以新能源为支撑的绿色低碳工业体系，推动工业过程流程再造和智能化转型，实现“双碳”目标具有重要意义。

“以钢铁冶金行业为例，冶炼过程包括铁矿石的预处理、炼焦、炼铁、炼钢、铸造以及轧制等过程，在这一长流程中包含了大量的工程热化学问题。”北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室主任郭占成介绍。

郭占成表示，钢铁冶金作为能源消耗与碳排放重点行业，正在从效率优先向兼顾节能与环境友好转变。钢铁冶炼技术的进步与发展离不开工程热化学基础理论作为科学参考。

从石化行业来看，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院院长李明丰分析，随着一系列低碳减排政策的推出，石化行业正在发生从传统能源化工向新型能源化工的绿色转型。石化行业将呈现以石油、天然气、煤、生物质、废塑料、二氧化碳等为原料的多元化供应格局，涉及蒸汽裂解、焦化、热解、氧化、燃烧、干馏等多种热化学反应的工艺过程与工程。

李明丰认为，梳理工程热化学在石化领域的应用及发展，提出该领域的共性问题，是构建新型现代工程热化学及其创新体系的重要一环。

“双碳”背景下面临诸多挑战

“双碳”背景下，工程热化学领域相关技术创新，既面临重大机遇，又面临重大挑战。

中国科学院院士、中国科学院工程热物理研究所金红光研究员举了一些例子：燃料燃烧反应发生于1000℃—1700℃，但发电系统的最高工作温度仍局限于600℃，高温热能一直未能转化为电能。许光文同时指出，电石、冶金硅、电熔镁砂等的现有生产技术要求1500℃—2500℃高温、大量使用电弧炉加热，金属铝、镁、锌等的生产更需使用高温电解技术，造成能耗高、过程效率低，亟须过程低温化技术，实现直接加热或替代电解的变革性技术，显著推进工业节能和低碳排放。

此外，有效利用生物基碳燃料或实现碳基产品循环，推动化石碳的利用量大幅减少，也要求产业模式的创新和大规模热解碳化技术的突破；利用“碳”作为反应物的热化学工业过程众多，如基于焦炭的铁矿石碳还原，亟须应用低碳富氢气体甚至零碳的纯氢替代焦炭，这正成为冶金学科的热点和难点。

“热化学反应相关技术创新，甚至变革性替代，是实现低碳发展的保障。或者说，不解决热化学反应过程中二氧化碳的排放问题，本质上就难以达成碳中和目标。”许光文总结说。（刘园园）

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