如何实现工业减碳？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。
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。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。
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。
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？
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。首先是钢铁行业。炼铁的过程可以理解为把三氧化二铁里面的氧去掉，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。
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。
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。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%。
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。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。
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。
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。
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。
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？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。
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。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。
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。
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！