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工程热化学:推进“碳中和”宏大工程的重要科学

工程热化学:推进“碳中和”宏大工程的重要科学

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“热”是人类最早熟知、最普遍获得并利用的基本能量,也是物质变化的最主要诱因和驱动力。包括化石资源形成的地球亿万年间的种种演变、作为当今社会发展关键支撑的大规模能源和资源的加工利用等,绝大部分都源于“热”及由其诱发或驱动的化学反应而完成。可以说:没有“热化学反应”科学与技术的支撑,就不可能有人类历史的多次工业革命发生和今日社会的高度文明。


但是,“热”诱发、“热”驱动的关联能源、资源的大规模热化学反应工业也是“二氧化碳”来源的主体,占据人类活动碳排放的90%以上,仅我国就每年超过90亿吨,并高度集中于能源、冶金、材料等工业(下图)。因此,低碳可持续发展战略的落实和于2060年达成“碳中和”目标,对热化学反应科学与技术提出了全新的挑战。面临如此大规模的紧迫减碳工程,必须涉及巨量的物质转化与能量转变,重新思考热能、热化学反应工程与工业意义重大。


19世纪初诞生了“热化学(Thermochemistry)”研究方向,专注“化学反应及物理变化的热效应”。完成物质转化和能量转变的热化学反应过程必须融合“热”、“化学反应”和“流动传递”,只有在从反应到反应器、再到工业过程的不同尺度上保障“热”与“反应”、能量与物质的协同匹配,方才可能实现工业过程的消耗最少、排放最低、产出最大的绿色可持续目标,有效推进高碳排放的热化学反应工业向低碳、甚至零碳排放的绿色过程转变。

这一发展目标的本质就是要求热化学反应科学与技术的高水平创新、甚至变革性突破和替代。我国科学家因此提出融合“热科学”、“反应化学”、“工程科学”的新兴交叉科学方法:“工程热化学”,呼吁打破热化学反应研究在不同科学与工程学科内的固有限制和壁垒,研究热化学反应在从热基元、反应单元,到高温工程材料、热化学反应工程与过程的不同尺度和对象上,各种不同形态的热及热传输同物质传递与转化间的共性作用关系和依存规律,以在不同尺度、不同规模上实现热与反应的精准契合和匹配,推进“显著节能降耗和绿色替代”的重要大变革,从本质上解决现有热化学反应工业的高能耗、高排放等难题。


因此,“工程热化学”自提出以来就被认为是推进“碳中和”目标的重要科学基础。通过香山科学会议研讨“工程热化学:学科交叉与科学前沿”,进一步激发了众多相关领域“深入科学创新、锐意技术变革”的动能,将潜在为我国形成年十亿至数十亿吨规模的碳减排、碳替代和碳循环,成为保障我国“碳中和”目标的核心途径和关键机遇(上图)。基于这些思考,沈阳化工大学许光文教授等人在《国家科学评论》和J. Cleaner Production上发表研究论文,概述了“工程热化学”的科学内涵及其技术创新推进“碳中和”的途径和潜力,详情请读原文 ▼


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