575｜朱庆山：做1吨铝，就要排放7 6吨的二氧化碳！如何重塑我们的工业过程？｜中国科学院过程工程研究所｜格致SELF скачать в хорошем качестве

575｜朱庆山：做1吨铝，就要排放7 6吨的二氧化碳！如何重塑我们的工业过程？｜中国科学院过程工程研究所｜格致SELF

欢迎订阅我的频道，https://bit.ly/3tnM6wI ，每日上新一支新影片😊 我们应该如何实现减碳？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。 朱庆山：做1吨铝，就要排放7 6吨的二氧化碳！如何重塑我们的工业过程？ 做1吨铝就要排放16吨左右的二氧化碳！如何重塑我们的工业过程？ 问工业要低碳 这种国外企业出价千万，想要购买的流化床到底厉害在哪？它不仅由我国的科学家自主研发，而且减碳、节能、省钱。在未来，世界首套万吨级绿氢流化床的成功建设，将为工业重塑提供一条新路径… 演讲者：朱庆山 中国科学院过程工程研究所研究员 演讲时间：2022年6月25日 格致论道第83期·双碳专场 碳索之路 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。著名的伦敦光化学雾事件曾在很短的时间内造成了12000人的死亡，而我们自己对空气污染状态也不陌生。 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（CO₂）。 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。 具有这种能力的不仅仅是二氧化碳，还有甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）、氢氟烃（HFCs）等气体。当这些气体浓度低的时候，它们就像给地球穿了件夹克，让地球能够保持一个合适的温度；当它们的浓度高了以后，就像给地球穿上了棉袄，地球的温度便会上升。所以我们说的全球气候变暖，相当于是地球“发烧”了。 我们知道发烧非常难受，也会带来很多问题。如果地球“发烧”了，同样会造成非常严重的后果。据统计，在2004-2018年间，几乎有2/3的极端天气都与全球变暖有关。 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？ 那么我们来看一看我国碳排放的情况。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（Fe₂O₃）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。按照方程式的理论计算，每吨铁的二氧化碳排放大概在1.18吨。但制作钢铁的实际过程比这个复杂的多，是一个很长的流程。 像上图所显示的，我们炼铁需要1600度的高温，升温通常需要通过碳加热来实现，所以实际上会多消耗一些。高炉炼铁的这个过程可能需要排放1.3吨，但我们还要做些原料准备，还要进行转炉炼钢等，所以一吨钢的总体碳排放量就达到1.8-2.2吨。 我们再来看看有色。有色的碳排放主要是由电解铝造成的，电解铝的过程其实也是把氧化铝（Al₂O₃）中的氧去掉。这时候仅仅靠碳就不够了，还需要电，整个过程的理论电耗大概在6300度左右。如果按照图中的公式进行计算，理论上说制作1吨铝可能需要排放7.6吨的二氧化碳。 与钢铁一样，它是一个很长的流程，实际的二氧化碳排放在16吨左右。 建材中最重要的是水泥。烧水泥的过程基本上就是氧化钙（CaO）跟二氧化硅（SiO₂）反应生成硅酸钙。从方程式上看，其实没有二氧化碳的参与，但氧化钙的生产过程会放出二氧化碳。所以按照方程式计算，碳酸钙分解氧化钙的过程大约会排放0.53吨的二氧化碳。根据这个流程，1吨水泥熟料烧下来大概会排放0.9吨二氧化碳。 接下来看化工。化工的产品特别多，所以我以合成氨为例和大家介绍一下。为什么选合成氨？因为我认为它是对人类影响最大的化工产品。由于合成氨的发明，我们的粮食产量得到大幅增加。 左图中的红线代表着我国的粮食总产量。在过去的几十年里，它差不多翻了3倍，其中合成氨功不可没。合成氨也得过3次诺贝尔奖，它的开创者哈伯被认为是“从空气中发明面包的魔术师”。 合成氨的化学反应看起来比较简单：氢气加氮气生成氨，所以这个方程式里面也没有二氧化碳。但是制造氢气的过程会产生二氧化碳，我们一般把这种氢气称为灰氢。按照方程式来看，制造1吨氨气需要排放二氧化碳1.9吨。虽然方程式很简单，但是合成氨的过程非常复杂，最终我们可能需要排放4-5吨的二氧化碳。 工业的低碳重塑之路 前面介绍了这么多的工业过程，排放了这么多二氧化碳，那我们应该如何实现减碳？大家基本达成了一个共识：靠修修补补已经没有办法了，必须要对工业过程进行重塑。 工业产品非常多，它们有没有一些共性？通过分析，我们发现还是有一些共性存在的。目前，我们的工业需要化石能源的支撑，它本质上提供了三件重要的事情。 第一，提供了热量。因为很多反应都是在高温下进行的，所以我们需要加热，通过燃烧化石能源提供热量；第二，提供了电力，驱动了工业过程中电气设备的运行；第三，它还提供了原料：碳、一氧化碳，它们可以进一步转化成别的原料。 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。下面我们来看一看，具体可以怎样改变、重塑这些流程。 首先，我们可以通过电化学反应去替代传统的热化学反应。就像这两张图显示的，炼铁的过程需要通过碳还原三氧化二铁，事实上电很容易还原铁离子，铁离子得到电就生成铁，这是高中化学里面就有的反应。 电化学反应是一类非常广泛的应用。像这张图所显示的，二氧化碳加水加上电子可以合成各种各样的化学品，这也是现在学术研究的热点问题。 第二个重塑的路径是用光化学反应替代热化学反应。在太阳光的照射下，通过催化剂的作用可以把水分解成氢气加氧气。当然，在催化剂的作用下，也可以把二氧化碳加水合成含氧化合物。有时候我们还可以把电、光结合起来，生成更多的化合物。 第三个重塑的路径就是用氢替代这些化石原料。前面我们介绍，铁是利用碳还原三氧化二铁反应得到的，其实也可以通过氢还原。而这个氢是由“绿电”的电解水产生的，所以被称之为“绿氢”。 第四，可以用绿色能源供热替代高碳供热或者化石能源的供热。化学反应都需要热量，这些热量传统上都是由燃烧化石能源来提供的。就像做水泥的过程需要1400度的高温。而有了绿氢以后，我们可以“烧氢不烧碳”，这样就不会产生二氧化碳。当然，我们还可以直接用电加热，甚至通过太阳光加热。 👇🏽歡迎嘗試我頻道裡的其他影片👇🏽 通信：   • 通信   人工智能：   • AI·人工智能   航天：   • 航天   宇宙：   • 宇宙   教育：   • 教育   少年中国：   • 少年中国   植物：   • 中国科学院植物研究所   生物：   • 生物   心理：   • 心理   医学：   • 医学   生态：   • 医学   环境：   • 环境   药学：   • 药学   数学：   • 数学   物理：   • 物理   化学：   • 化学   艺术：   • 艺术   摄影：   • 摄影   传媒：   • 传媒   考古：   • 考古   恐龙：   • 恐龙   诺贝尔奖：   • 诺贝尔奖   工程：   • 工程   #中科院 #格致论道 #科学 #科普 #知识 #知识科普 #格致論道 #科學 #知識 #知識科普 #教育 #self