Development of science and technology in thermochemical reaction engineering

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2024-0315

Abstract

Abstract:

Most industrial chemical processes involve thermochemical reactions, that are primarily induced or driven by heat (or heating). These reactions are found in many industrial sectors, including waste management, metallurgy, power generation, heat supply, building material manufacture and so on. Thermochemical reactions are also the earliest chemical reactions that humans have recognized. They are essential to the processing of resources, the conversion of energy, and the technologies required for a circular economy. Additionally, thermochemical reactions are the main source of CO₂ emissions, accounting for 90% of the total carbon emissions. For the goal of “carbon neutrality”, the innovation of thermochemical reaction science and technology should play major roles. The concept of “thermochemical reaction engineering” was proposed to refer to the science and technology for engineering chemical reactions. A highlight was made to identify the major advancements in science or technology for typical and great industries created based on thermochemical reactions. An analysis was also made to understand the opportunities for further techno-scientific innovations in“thermochemical reaction engineering”and their potential contributions to the strategy of“carbon neutrality”. Through carbon reduction, carbon substitution, and carbon recycling enabled by various innovatively new thermochemical reaction technologies, it was shown that an annual cut of up to 6 billion CO₂ was potentially possible in the industrial sectors of China, especially from those“super emitters”of carbon dioxide.

Key words: heat-induced, heat-driven, thermochemical reaction engineering, carbon neutrality, engineering thermochemistry

摘要：

“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CO₂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。

关键词: 热诱发, 热驱动, 热化学反应工程, 碳中和, 工程热化学

CLC Number:

SONG Xingfei, JIA Xin, AN Ping, HAN Zhennan, XU Guangwen. Development of science and technology in thermochemical reaction engineering[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2024, 43(7): 3513-3533.

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Figures/Tables 18

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时间	学科/学会/协会/会议	时间	学科/学会/协会/会议
1920年	英国陶瓷研究协会	1970年	冶金反应工程学
1928年	国际燃烧大会	1974年	煤炭气化和液化国际会议
1930年	冶金物理学学科	1978年	中国工程热物理学会燃烧学分会
1933年	首届世界石油大会	1979年	中国化学会热力学与热分析专业委员会
1950年	反应流体力学	1979年	中国可再生能源学会
1952年	锅炉专业（中国）	1979年	中国化学热力学和热分析学术会议
1952年	内燃机专业（中国）	1980年	中国分析与应用裂解会议
1953年	国际煤岩学委员会	1980年	全国稀土熔盐化学和电化学学术交流会
1954年	国际燃烧学会	1981年	中国能源研究会
1955年	中国自由基化学（中国）	1982年	中国煤炭加工利用协会
1956年	中国金属学会	1982年	国际燃烧学会-中国分会
1962年	中国煤炭学会	1982年	中国稀土学会
1965年	国际热分析联合会	1982年	首届中国稀土学会学术会议
1965年	国际分析与应用裂解会议	1983年	国际熔盐化学与技术会议
1966年	美国陶瓷研究协会	1985年	首届国际自由基研讨会
1967年	首届国际钢铁协会年会	1986年	首届全国冶金物理化学学术年会
1967年	首届国际化学气相沉积大会	1994年	中国炼焦行业协会
1969年	计算燃烧学	1995年	中国石油学会石油炼制分会

时间	学科/学会/协会/会议	时间	学科/学会/协会/会议
1920年	英国陶瓷研究协会	1970年	冶金反应工程学
1928年	国际燃烧大会	1974年	煤炭气化和液化国际会议
1930年	冶金物理学学科	1978年	中国工程热物理学会燃烧学分会
1933年	首届世界石油大会	1979年	中国化学会热力学与热分析专业委员会
1950年	反应流体力学	1979年	中国可再生能源学会
1952年	锅炉专业（中国）	1979年	中国化学热力学和热分析学术会议
1952年	内燃机专业（中国）	1980年	中国分析与应用裂解会议
1953年	国际煤岩学委员会	1980年	全国稀土熔盐化学和电化学学术交流会
1954年	国际燃烧学会	1981年	中国能源研究会
1955年	中国自由基化学（中国）	1982年	中国煤炭加工利用协会
1956年	中国金属学会	1982年	国际燃烧学会-中国分会
1962年	中国煤炭学会	1982年	中国稀土学会
1965年	国际热分析联合会	1982年	首届中国稀土学会学术会议
1965年	国际分析与应用裂解会议	1983年	国际熔盐化学与技术会议
1966年	美国陶瓷研究协会	1985年	首届国际自由基研讨会
1967年	首届国际钢铁协会年会	1986年	首届全国冶金物理化学学术年会
1967年	首届国际化学气相沉积大会	1994年	中国炼焦行业协会
1969年	计算燃烧学	1995年	中国石油学会石油炼制分会

时间	工业化技术及装置	时间	工业化技术及装置
1922年	流态化气炉	1955年	钟罩式CVD炉生产多晶硅
1923年	第一套蒸汽裂解装置	1958年	磁化焙烧技术（中国）
1929年	第一套延迟焦化装置	1962年	区熔法制备单晶硅
1936年	加压固定床气化炉	1963年	延迟焦化技术（中国）
1940年	克虏伯-鲁奇外热式干馏炉	1967年	采用钠盐焙烧法冶炼稀土
1941年	皮江法炼镁	1971年	Texaco水煤浆气化工艺
1941年	单相黄磷工业电炉（中国）	1984年	新型干法水泥工艺（中国）
1950年	巴斯夫氧热法电石工艺	1987年	浓淡煤粉燃烧技术
1954年	第一个熔盐堆实验装置	1988年	蒸汽裂解装置（中国）

时间	工业化技术及装置	时间	工业化技术及装置
1922年	流态化气炉	1955年	钟罩式CVD炉生产多晶硅
1923年	第一套蒸汽裂解装置	1958年	磁化焙烧技术（中国）
1929年	第一套延迟焦化装置	1962年	区熔法制备单晶硅
1936年	加压固定床气化炉	1963年	延迟焦化技术（中国）
1940年	克虏伯-鲁奇外热式干馏炉	1967年	采用钠盐焙烧法冶炼稀土
1941年	皮江法炼镁	1971年	Texaco水煤浆气化工艺
1941年	单相黄磷工业电炉（中国）	1984年	新型干法水泥工艺（中国）
1950年	巴斯夫氧热法电石工艺	1987年	浓淡煤粉燃烧技术
1954年	第一个熔盐堆实验装置	1988年	蒸汽裂解装置（中国）

中和途径	科学路径	应用案例	减碳效果/亿吨CO₂
碳减排	燃烧反应重构	提高燃煤过程效率	15~23.0	20~40
	高温热电材料	高温金属材料、高温热电材料创制
	发电系统重构	高温热利用联合循环
	非碳/低碳冶金	氢冶金替代炭冶金	约12.3
	反应过程温和化	高温过程低温化与快速化	约7.0
碳替代	化石燃料碳替代	生物质替代化石燃料	约5.6	约10
碳替代	石化原料多样化	生物或有机碳资源热解液化技术	约4.3	约10
碳循环	CO₂捕集及矿化	流化床CO₂矿化	约12.0	约20
	生物炭固碳	生物质/有机废弃物负碳利用	约5.0
	碳酸盐CO₂原料化	CO₂低成本捕集、CO₂的化学合成利用	约2.6