碳中和技术

当前人类共同面对的巨大挑战之一是全球气候变化。首先，人类活动不可避免地会产生碳排放，小到衣食住行，大到经济发展，无时无刻不在释放二氧化碳。其次，由于乱砍滥伐森林，减少了绿色植物的光合作用，地表水域逐渐缩小和降水量的降低，减少了对二氧化碳的吸收溶解，使得生态系统中二氧化碳生成与转化的动态平衡遭到破坏。气候变化已经不仅仅是子孙后代面临的危机，对于当代人更是迫在眉睫的威胁。随着经济的发展，中国碳排放逐年增加，应对气候变化事关国内国际两个大局，是推动经济高质量发展和生态文明建设的重要抓手，是参与全球环境治理的重要领域。中国二氧化碳的排放来源主要包括能源、建筑、钢铁、交通、化工、环境与生态等行业领域。根据中国的“双碳”目标，碳排放的治理大致可划分为三个阶段，第一阶段（2021—2030年）碳排放达峰期、第二阶段（2030—2045年）加速减排期和第三阶段（2045—2060年）深度脱碳期。实现“双碳”目标必须推广普及和深入挖掘碳中和技术，主要包含能效提升、零碳排放和负碳技术。能效提升路线主要包括节能减排和提质增效两个方向；零碳排放路线主要包括能源替代及终端电气化两个方向；负碳技术则包括吸收转化二氧化碳技术、甲烷等非二氧化碳温室气体的降解技术、植树造林等。《碳中和技术》一书围绕碳中和的基础理论和各行业新兴的技术开展阐述。从内容上看，该书主要分为四部分：第一部分介绍全球气候变化成因与后果，以及应对气候变化所面临的困难；第二部分讲述碳理论基础和碳排放核算方法，全世界碳排放量逐年增加，控制碳排放刻不容缓；第三部分详细介绍能源、建筑、钢铁、交通、化工、环境生态等领域的减碳新技术，取得的效果和未来的展望；第四部分介绍碳中和技术集成方法和案例。上述内容的介绍，有助于读者对主要领域的碳中和技术有较为全面的了解。该书不仅是一本良好的普及气候危机和碳中和方面的基础读物，而且有助于读者较全面地了解当前各主要领域的一些新兴碳中和技术。书中内容涉猎面广，可为不同行业的从业人员开拓减排新思路，也为碳中和技术集成的综合应用提供新的思路。相信该书会为各行业领域从事碳中和技术的工程技术人员提供有价值的参考。2022年10月华中科技大学工业革命以来，世界各国通过大力开采和使用化石燃料来实现经济的飞速发展，向大气中排放了大量的温室气体，带来了严重的气候危机。2020年全球仅与能源相关的二氧化碳排放量就高达315亿t，并且呈现不断增长的趋势。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报道，当前全球表面平均温升为109℃，所导致的气候变化已成为21世纪人类面临的最重要难题。2022年6月至8月，全球多个国家和地区出现了100多年来的历史最高气温及最大范围的高温天气。全球变暖的进一步加剧引发了冰川融化、极端高温、森林火灾、火山爆发、疾病增多、生态破坏等一系列问题，涉及人类生活的方方面面。实现碳达峰、碳中和目标，将促使人类历史上第一次实现跨国跨界、全球协作的能源革命和产业变革。在全球范围内各行业领域交叉融合、开发碳中和技术是应对气候变化与可持续发展的必然选择。在《巴黎协定》签署5周年之际，中国向世界宣告2030年前实现碳达峰，2060年前力争实现碳中和的目标，这不仅是我国积极应对气候变化的国策，也是基于科学论证的国家战略。该目标对我国是挑战，更是机遇，将催生各行业领域交叉融合的新理论、新技术、新产品及新产业发展，从而实现经济、能源、环境、气候的可持续发展。各行业努力实施碳达峰、碳中和的国家战略，实现低碳转型，必定需要不同学科之间在基础理论、方法与手段、技术与应用等多方面开展广泛和有深度的交叉融合。另外，国家机关、高校、科研院所、企业等决策者、科研人员、工程技术人员、大学生及广大社会有识之士均需了解不同领域的碳中和知识，但目前国内外尚缺乏一本系统介绍碳中和相关技术的教材。正是基于这样一个目的，本书编写团队以多年来在相关领域的科学研究、工程技术、应用与实践等方面的积累为基础，编写了本书，目的是向大家介绍不同行业和领域碳中和技术的相关知识，主要包括能源领域、建筑领域、钢铁领域、交通领域、化工领域、环境生态领域等，同时针对碳中和技术集成方法进行介绍并提供相应的实际案例。本书力求资料新颖、内容全面、叙述简洁，力图为读者提供更多碳中和技术的最新知识。此外，本书在编写上也力求兼顾大学生科学素质教育的要求以及不同领域工程技术人员的需要，在理论上不做深入的探讨，叙述上力求通俗易懂，可读性强。本书配套丰富的数字资源，可扫描二维码阅读。全书共十章，由明廷臻、王发洲任主编，颜伏伍、王真、韩军、郭嘉、卢雪松任副主编。各章的执笔负责人及参与人如下：第一章由武汉理工大学明廷臻教授和黄冈师范学院卢雪松教授负责，职聪聪、丁鑫源、杨凯、王庆港参与；第二章由武汉理工大学明廷臻教授负责，董旭、李澳铖、李泽昊、欧阳彝廉参与；第三章由山东大学李佳硕教授负责，熊寒冰、杜美伦、刘雅晨参与；第四章由华中科技大学罗聪副教授负责，徐勇庆、熊寒冰、杜美伦、刘雅晨参与；第五章由武汉理工大学王发洲教授负责，刘志超、杨露、李智勇、刘栋城、高亚辉参与；第六章由武汉科技大学韩军教授负责，秦林波、张贺瑀、史传杰、张鹏参与；第七章由武汉理工大学颜伏伍教授负责，张佩、职聪聪、丁鑫源、杨凯参与；第八章由武汉工程大学郭嘉教授负责，吴华东、李澳铖、李泽昊、欧阳彝廉参与；第九章由华中农业大学王真教授负责，肖海兵、曾奕、职聪聪、丁鑫源、杨凯参与；第十章由华中科技大学彭翀教授负责，舒建峰、李月雯、李澳铖、李泽昊参与。明廷臻、王发洲、颜伏伍、韩军、郭嘉、王真、卢雪松多次参与全书框架结构与内容的讨论，明廷臻负责全书统稿；王发洲、颜伏伍、韩军、郭嘉、王真、卢雪松、罗聪、李佳硕参与各自章节的校稿，明廷臻负责全书校稿，石天豪、王庆港、赵思童、王文静、杨迪、胡善江、杨心怡、刘文倩、雷曈、周继远、赵东豪协助校稿；全书的图片整理和文献校对由卢雪松负责，石天豪、王庆港、赵思童参与部分工作。衷心感谢建筑环境与能源应用工程专业教学指导委员会主任委员、清华大学朱颖心教授给予本书精心的指导；诚挚感谢西南交通大学袁艳平教授百忙之中抽出宝贵时间担任本书的主审并提出了许多中肯的意见。碳中和技术覆盖面广，发展也十分迅速，各种创新技术层出不穷。随着科学技术不断发展，本书的内容需要与时俱进、不断更新。另外，由于编者水平所限，书中若有疏漏之处，恳请各位读者批评指正。

本书在简要介绍气候变化、碳理论基础、碳排放核算等相关知识的基础上，详细阐述了不同行业和领域碳中和技术的相关知识，包括能源领域、建筑领域、钢铁领域、交通领域、化工领域、环境生态领域等，同时针对碳中和技术集成方法做了简要介绍并提供了相应的实际案例。为了适应不同行业领域读者群的需要，本书在取材上兼顾基础性、全面性和新颖性，以便为读者提供更多的关于碳中和技术的最新信息。同时，本书在叙述上力求通俗易懂，对涉及到的相关理论只做适当介绍，但不做深入探讨。

武汉理工大学土木与建筑学院教授，研究方向：抗击气候变化、建筑节能技术、太阳能发电及热利用技术、强化传热技术、微电子器件散热技术、建筑外环境污染预测与控制等。

第一章概述1
第一节全球能源生产与消费1
第二节全球气候变化及温室效应7
第三节碳中和技术由来10
参考文献16

第二章碳理论基础19
第一节碳的存在形式19
第二节碳的储存形式24
第三节碳的转换与传递29
第四节全球碳循环32
参考文献38

第三章碳排放核算41
第一节碳排放与气候变化41
第二节碳排放核算概念/内涵与研究进展45
第三节碳排放核算边界与范围48
第四节碳排放核算方法与内容53
第五节碳排放影响因素分解分析方法60
第六节碳减排机制64
参考文献70

第四章能源领域碳中和技术73
第一节煤炭清洁高效利用技术73
第二节煤炭的富氧燃烧技术80
第三节燃煤电站的碳捕集、利用与封存系统 84
第四节新能源利用技术85
第五节新型高效低碳清洁发电系统92
第六节能源领域的政策措施97
参考文献99

第五章建筑领域碳中和技术102
第一节建筑碳中和概述102
第二节建筑碳中和材料106
第三节智能建造116
第四节低碳建筑118
第五节低碳建筑发展前景136
参考文献138

第六章钢铁领域碳中和技术141
第一节钢铁工业碳排放现状141
第二节降碳技术145
第三节炼钢厂的碳捕集、利用与封存技术157
参考文献158

第七章交通领域碳中和技术160
第一节交通领域碳排放分析160
第二节道路交通碳中和162
第三节水路交通碳中和184
第四节航空交通碳中和186
参考文献188

第八章化工领域碳中和技术190
第一节基础有机化工行业碳中和190
第二节无机化工行业碳中和196
第三节煤化工与新能源行业碳中和199
第四节精细化工行业碳中和205
第五节化工行业减排新装备208
参考文献211

第九章环境生态领域碳中和技术214
第一节全球碳循环与陆地生态系统的碳汇功能214
第二节陆地生态系统碳源汇监测及估算方法220
第三节典型生态系统的碳中和技术223
参考文献229

第十章碳中和技术集成方法及案例232
第一节碳中和技术交互集成概述232
第二节多领域碳中和综合性技术集成233
第三节工业能源领域碳中和技术集成239
第四节建筑能源领域碳中和技术集成251
参考文献257

本书在简要介绍气候变化、碳理论基础、碳排放核算等相关知识的基础上，详细阐述了不同行业和领域碳中和技术的相关知识，包括能源领域、建筑领域、钢铁领域、交通领域、化工领域、环境生态领域等，同时针对碳中和技术集成方法做了简要介绍并提供了相应的实际案例。为了适应不同行业领域读者群的需要，本书在取材上兼顾基础性、全面性和新颖性，以便为读者提供更多的关于碳中和技术的最新信息。同时，本书在叙述上力求通俗易懂，对涉及到的相关理论只做适当介绍，但不做深入探讨。

武汉理工大学土木与建筑学院教授，研究方向：抗击气候变化、建筑节能技术、太阳能发电及热利用技术、强化传热技术、微电子器件散热技术、建筑外环境污染预测与控制等。