作者：张锁江, 张香平, 葛蔚, 石春艳

作者单位：中国科学院过程工程研究所

　　针对钢铁、有色、化工、建材四大高碳排放行业，通过调研和分析，提出了绿氢/绿电替代、原料/产品结构调整、工艺流程再造、数字化和智能化的4个低碳化策略。

不同行业的技术发展现状和趋势，建议了若干拟重点发展的先进低碳技术，凝练出需解决的关键科学技术难题，并提出了加快新技术应用及产业转型升级的建议和举措，以期为工业低碳绿色发展提供支撑。

亮点论述：

工业低碳过程的数字化和智能化

　　过程技术研发周期长、费用高、风险大、效果差，其逐级放大的研发模式与流程再造的巨大研发需求矛盾突出，是实现“双碳”目标的重大瓶颈。

　　模拟计算与计算机技术的发展为应对这一挑战提供了计算模拟的新途径，即应用已有理论、经验和数据在计算机上做虚拟实验。目前，工业智能化已成为世界各大国竞争的高地之一。德国提出的“工业4.0”战略以数字孪生为核心，美国提出的“元宇宙”概念可能引发产业和社会运作模式的重大变革。这些变革都急需高精度高效计算模拟的支撑，但传统的计算模拟主要在设备总体和流程的层面复现工厂的运行，并且多采用数据关联而非机理性预测模型，所以其优化设计与运行的能力还十分有限。而如果采用深入准确的理论模型，计算模拟的规模和耗时又成为严重限制，这些理论模型大多只能处理简单的局部或单元过程。

　　模拟计算应用于过程研发的这种困境多源于实际工业过程的复杂性。其突出表现是对从原子到生态环境的多层次、多尺度结构缺乏理性认识、难以量化分析和预测，尤其是对在各层次的单元与系统尺度(即边界尺度)之间的特征尺度(即介尺度)上出现的复杂动态结构。中国科学院过程工程研究所在国际上最早系统阐述了介尺度结构对过程计算模拟的重要性及其研究方法，进而建立了“介科学”。基于介科学原理提出的多尺度计算范式保持了问题、模型、软件和硬件的逻辑与结构一致性，为高效、高精度的过程模拟，特别是实现“虚拟工厂”，提供了可能。

　　虚拟工厂是实际工厂的机理性数字孪生，在某种意义上也是工业过程的“元宇宙”。虚拟工厂集原位在线高精度无损测量、基于超级计算的高精度实时模拟与数据处理、基于人工智能的过程分析与调控、基于虚拟现实的可视化和人机交互等前沿技术与一体，在通用性、预测性、优化能力和时效性等方面均突破了传统仿真的限制。运用该技术，可在新工艺开发中通过虚拟运行交互地探讨不同工艺、装备和流程设计方案的优劣，并随即改进设计，查看和分析效果。同时对既有工厂，也可实现内部过程的全透明展示，从而优化其操作参数、方式并指导其改造。另外，虚拟工厂还可以在教育、科普、员工培训、事故预警、演练、分析、处置与预防等方面发挥独特作用。

　　在传统计算模拟方面，我国过程工业仍普遍依赖国外的工程设计与优化软件和数据库，面临着工艺设备研发和系统运行调控等关键环节被“卡脖子”的巨大风险。但目前国外软件也普遍缺乏准确描述介尺度结构和处理多尺度耦合的复杂系统的能力。因此，充分发挥我国在介科学基础研究上的优势，大力发展基于介科学的虚拟工厂成套技术、建立相应的软硬件系统，将为解除“卡脖子”风险并实现计算模拟能力的跨越发展提供宝贵机遇。

　　为此，应面向过程工业高效低碳绿色再造的重大国家需求，发展基于虚拟工厂的低碳多过程耦合技术，建立跨行业的虚拟工厂综合优化平台。一方面，研发从量子力学到反应分子动力学、从微元传递与反应过程到多相复杂系统、从单元过程到复杂流程网络等系列软件的总体框架与核心算法与基础数据库，完善模拟优化和预测理论，引领国际过程工程学科前沿。另一方面，结合自主芯片和高性能计算系统的研发，通过软硬件协同设计建立适应虚拟工厂的模拟优化新模式和新体系，进而与软件信息行业紧密合作实现能源生产调节、低碳流程再造等多过程耦合优化体系的商业化与实体化，并在钢铁、有色、化工、建材等高碳行业推广应用，推动其零碳/低碳再造。