热化学反应工程科学与技术发展与展望

“热”诱发、“热”驱动的热化学反应是人类最早认识的化学反应,占据工业化学反应的绝大部分,是能源转化、资源加工、循环经济等的重要反应,涉及发电、供热、冶金、建材、废物消纳等重大工业行业,这些行业是与人类活动相关的CO_(2)排放源的主体,在总碳排放中占比90%以上。在“双碳”目标下,热化学反应科学和技术的创新发展凸显更加特殊和重要的作用,其重要内容之一就是“支撑热化学反应工程化”的科学与技术,即“热化学反应工程”。针对“热”诱导、“热”驱动的化学反应,本文深入归纳和分析其相关科学和技术从古至今的发展特点,凝练形成了五个具有不同科学与技术特点的典型发展时期。总结典型热化学反应相关行业的重要科学与技术的发展及其对社会进步的贡献和影响,阐明“双碳”战略背景下“热化学反应工程”的科技创新机遇和贡献“碳中和”的潜力,揭示了通过碳减排、碳替代和碳循环的技术创新和应用推广,可有效推动我国各种“超级碳排放源”的碳排放强度和碳排放量的大幅降低,实现年60亿吨级二氧化碳的消减。

新兴交叉学科“工程热化学”助力实现“碳中和”目标

我国90%以上的碳排放来自有机碳资源和碳酸盐矿物的利用,而这些资源在短期内无法替代。因此,应对“碳中和”挑战的最有效策略是减少这些热化学反应(热诱发/热驱动的化学反应)相关的“超级排放源”。工程热化学(Engineering thermochemistry,ETC)是一门新兴交叉学科,关注热化学反应及其工程化科学与技术。该文介绍了工程热化学的定义、科学内涵,回顾了工程热化学形成与发展的详细历程,根据其提供的科学方法和原理,分析了可指导且有效的大规模碳减排、碳替代、碳循环途径,展示了工程热化学减少数十亿吨碳排放的方法和依据。

有机废物水热转化设备与技术研究进展

热驱动的水热转化技术是一种典型的热化学反应工程技术。该技术可在治理有机废物的同时回收有价资源,是实现双碳目标的重要途经。本文以有机废物为对象,首先梳理了水热技术的整体发展脉络,介绍了水热转化技术在有机废物转化中的典型类别和特征,并阐述了亚临界水和超临界水的性质;随后回顾了水热转换设备的发展,强调了工程应用中的典型水热转化设备并分析了设备研发中需注意的潜在问题;分析了水热转化技术在有机废物治理和资源回收上的典型案例。最后对有机废物水热转化现存挑战作出分析,指出实际环境中复杂水质引发的设备腐蚀、特定产物所需高效催化剂的研制、过程污染物的产生和难以协调的技术经济可行性仍是该技术的制约条件。本文旨在为有机废物水热转化工程实践提供理论和技术参考。