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【未来趋势】工业余热将是未来集中供热的主要热源

煤和天然气,理论燃烧温度在2000摄氏度左右。用于供热,通常最高供水温度在130摄氏度左右,如果把煤、天然气拿来直接燃烧供热,其温差将在1800摄氏度左右,能源品位的损失,接近70%~80%。



因此,把煤、天然气直接燃烧供热,是对能源的最大浪费,是最不经济的。可是至今,这种状况到处可见,不仅小型燃煤供热遍地开花,就是新近“煤改气”的大型燃气供热(锅炉房总容量在几百吨以上)依然如故。这种状况不改变,我国供热技术的落后面貌难以改观。

 

煤和天然气,最合理的利用方式,是梯级利用,即电热冷联供或AGCC即整体煤气化联合循环发电。如前所述,煤和天然气,理论燃烧温度都在2000摄氏度左右,最理想的利用方式是高温段发电,低温段供热、制冷。对于通常的发电厂,发电效率一般在30%~40%左右,汽轮机后的乏汽压力为0.006兆帕,饱和温度为36摄氏度,其能源品位值只有总能源品位值的2.5%~5.0%之间,即发电潜力很低,但按数量分析,约占总热量的50%左右,目前大多数情况,向大气中排放。如果用于供热、制冷,实现电、热、冷联供,全系统的热能利用系数可提高到70%~80%,因此,这种电、热、冷的梯级利用是化石燃料的最佳利用方式。


根据国家发改委的有关文件,我国正在大力推广大型机组(容量在200兆瓦~300兆瓦以上)的电热冷联供系统,这对于我国大中城市来说,是非常正确的。在加速城镇化的建设中,我国势必会有大量小城镇涌现,人口在几万至十几万之间,对于这样的城镇,比较合理的供热方式应该是小型背压机组(容量在25兆瓦以下)的电、热、冷联供。经中国供热信息网人员测算,这种机组,即使冬天联运,夏天停运,经济上都是合算的。如果这种供热方式,能够取得共识,那么我国相当数量人口的供热民生问题,就会得到解决。

 

对于局部区域(如一定范围的公共建筑或居民区),可以大力发展分布式能源系统。这种系统,利用小型燃气发电机组(内燃机或小型燃气轮机),一面发电,一面利用废气或冷却热量通过热泵机组供热供冷,解决本区域的电、热、冷需求。以上不同方式的电、热、冷联供,既可以实现能源的梯级利用,又能够覆盖全社会的供热需求。这种能源的梯级利用,应该作为国家的基本国策,用法律形式固定下来。

 

在发电厂中,能源品位值的最大损失是在电站锅炉,通常发电主蒸汽温度为550摄氏度左右,在锅炉内,换热温差有1500摄氏度,能源品位的损失近50%,因此,提高发电厂的发电效率的主要技术措施是提高发电主蒸汽的温度,但超高临界、超超临界的发电机组其最高主蒸汽温度也只有600摄氏度多度,发电效率也不能超过40%~45%,受限的主要因素是汽轮机材质的耐温程度。发电效率的进一步提高,要有待于金属材料工艺的更大革新。

 

进一步提高电热冷联供的发电方式还有燃气—蒸汽联合循环。通常以天然气为燃料。压缩空气与天然气在燃烧室燃烧形成的高温烟气(约1200摄氏度~1350摄氏度),进入涡轮机膨胀作功发电。在燃汽轮机中排出的尾气进入余热锅炉,产生的蒸汽在汽轮机中进一步发电。如果燃料采用煤,则先经过增压气化装置产生煤的裂化气,再做适当处理,如同天然气一样,进入燃气轮机燃烧发电。这种以煤为燃料的燃气——蒸汽联合循环称为AGCC。无论以天然气为燃料,还是以煤为燃料,其燃气--蒸汽联合循环的高温烟气可达1000摄氏度以上,因此,发电效率都能在40%~45%左右。对于我国,无论积极推广燃气的燃气——蒸汽联合循环还是大力研发燃煤的燃气--蒸汽联合循环,都有很大的现实意义。



大力研发煤、天然气的清洁燃烧



煤在燃烧过程中,要排放大量的烟尘和颗粒物。煤主要成分是碳,燃烧过程要生成2.1倍重量的二氧化碳。煤一般含有0.1%~2.0%的硫,燃烧过程要生成二氧化硫气体排放至大气,所有上述烟气生成物,都是产生雾霾的重要因素。因此,燃煤将严重污染大气。天然气由于是气体,容易与空气混合,通常燃烧效率比较高。天然气主要成分是甲烷,碳的含量远比煤少,因此二氧化硫的生成量,只是燃煤的一半。因此,通常把天然气称作清洁燃料。但必须了解,天然气的燃烧温度常常在1300摄氏度以上,此时会产生大量的氮氧化物,这种气体的排放,同样是形成雾霾的重要因素,因此,无论燃气还是燃煤,实现清洁燃烧都是非常重要的研发课题。

 

上世纪初至50年代,英国伦敦、美国洛杉矶都相继发生了严重的雾霾天气。两个城市都为此发生过数百人的死亡事故。但是,经过几十年的大气治污,又重新换回了蓝天白云。他们治理雾霾的基本经验:一是高污染的产业搬家(移向发展中国家);二是实行煤改气。近年来,随着我国经济的高速发展,也同样出现了严重的雾霾天气。摆在我国面前的是如何正确借鉴国外的可行经验?高污染企业向国外搬家,显然不现实。


目前我国主要采取的是“煤改气”。但这几年的实践证明,我国在煤改气的政策中,实际上存在两个误区:一是缺乏数量上的整体规划。我国是个多煤少气的国家,不可能全国的供热都搞煤改气。就算从国外进口天然气,一年以4000亿平方米计算,也只能满足40个北京市(一年100亿立方米用气量)的用气量。全国中小城镇加起来,100个北京市都打不住。如果在全国范围内,盲目推广煤改气,一但发生“气荒”,就会犯下灾难性的错误。


二是没有重视天然气的清洁燃烧。有些决策者,以为只要煤改气,大气治污的问题就会迎刃而解,因此在执行中,放松了对燃气的排放标准的严格控制(前些年,我国的排放标准始终≥100毫克3立方米)。结果,一个奇怪的现象,在北京出现了:2008年,北京首钢尚未完全搬家,北京热电厂仍然全部烧煤,但大气仍然达到了二级标准,顺利完成了奥运会的举办。但几年以后的今天,首钢完成了彻底搬迁,北京几乎所有的供热热源全部实现了“煤改气”,却出现了史无前例的严重雾霾。这种沉痛的教训,再次告诉我们,即使烧天然气,也必须立足于清洁燃烧。

 

在国外,利用降氮燃烧技术,是使煤改气政策获得成功的关键技术,我国在推广煤改气的过程中,必须认真学习国外的先进经验。研究表明,天然气在预燃阶段以及火焰的前、中段燃烧温度一般在800摄氏度以下,氮氧化物生成量很少,只是在火焰的尾端,燃烧温度在1300摄氏度以上,此时燃烧温度愈高,氮氧化物的生成量呈指数形式直线上升。中国供热信息网了解到因此降低火焰尾部的燃烧温度是降氮技术的关键。目前比较成熟的技术是分段燃烧或烟气回抽。分段燃烧,是在火焰的前、中、尾端分别送入空气过量系数为0.7、0.9和1.2,通过控制空气量达到降低燃烧温度进而减少氮氧化物生成量的目的。


烟气回抽是将降温后的部分烟气抽送入火焰尾部,其目的仍然是降低燃气燃烧温度,进而降低氮氧化物的生成量。为了提高降氮效果,常将两种技术措施联合使用。天然气燃烧时,会有大量的水蒸汽产生(天然气中的氢与氧化合生成)。一种新的建议,利用尾部蒸汽冷凝水,回抽送入火焰尾部,同样可以达到降氮的目的。由于水的汽化潜热比较大,降低燃烧温度的效果会更显著。有的单位在工程上采用了上述技术,氮氧化物的排放量达到了44毫克3立方米,可见,有很好的发展前景。

 

我国是产煤大国,20年~30年内,要改变以煤为主的能源结构,是比较困难的。在供热行业,希望100%的实现煤改气也是难以想象的。因此,我国环境的改善在加大天然气清洁燃烧的同时,还必须下决心进行煤的清洁燃烧技术的研发。过去我们对于煤的清洁燃烧,重点放在烟尘和二氧化硫的排放的限制上。现在看来是不够的,烧煤也必须控制氮氧化物的排放(即脱硝)。对于脱硝技术,目前主要是在炉内喷入氨和尿素,通过催化或非催化还原反应,使氮氧化物还原为氮和水。对于煤的脱硫,目前已有多种方法,但还不尽如人意,必须继续加大研发力度。炉内脱硫,多用于循环流化床锅炉。实践表明:在实验研究阶段效果较好,但在实际工程应用中,效果并不理想。


主要原因是,在燃烧现场,煤粉与石灰粉难以混合均匀,进而影响了脱硫效果。在供热行业,已经研制成功了煤粉锅炉,燃烧效率可达92%,很有发展前途。如果在制粉工艺过程,加入石灰粉,就可在制粉的同时完成脱硫任务。由于在制粉过程中,煤粉与石灰粉能得到充分混合,其脱硫效率一定会明显提高。目前,通行的脱硫方法是湿式脱硫法,为了提高脱硫效果,常常加大石灰水的循环量和喷淋强度,其结果是在烟气的排放中增加了硫酸钙的粉尘含量,使脱硫设备变成了新的雾霾发生器。所有这些问题,促使我们在煤、天然气的清洁燃烧研发中,必须在技术上要有新思路、新创新。


当前人们比较关注利用热泵进行烟气的余热回收,并且取得了不错的效果。如果我们大胆设想,利用化工行业的液态二氧化碳的低温分离技术以及塔板设备,就可同时实现脱硫、脱硝以及余热回收等多种功能,使锅炉烟气变成常温空气。这种清洁排放的新常态不是没有可能。国家能源局印发了《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》,这将预示着化石燃料的清洁燃烧,已成为国家的重大战略举措,从而增强了我们在这方面进行研发的信心与决心。

 

必须承认,所谓新型清洁能源,应该是在其放能的全过程,实现污染物的零排放。因此,煤、天然气只要真正实现了清洁燃烧,它们同样可以跻身于清洁能源的行列。



未来供热的主要热源应是工业余热


 

我国工业能耗占全国总能耗的70%。如果按世界发达国家的能效50%考虑,我国工业余热将是全国供热能耗的3.5倍(供热能耗按全国总能耗的10%计算)。如果全国的平均能效按30%考虑,则全国工业余热也有全国供热能耗的两倍。因此,从数量上计算,未来供热的主要热源应由工业余热来承担是可能的。当然这还是一种设想,真正操作起来难度很大。排在首位的就是难在管理体制上,我国重要的工业企业,多数为央企。个个都是条块分隔、“独立王国”,要打破这种格局,有赖于全国的反腐、反垄断以及体制的深化改革。


只就技术层面分析,主要的困难是两点,一是远离城市中心;二是多数品位较低(温度在30摄氏度~40摄氏度),难以直接利用。因此,要使工业余热应用于供热工程成为可能,必须在技术上要有重大革新。www.china-heating.com最容易想到的是长输供热管线的技术研发问题。目前,我国正在山西、河北和山东等省市进行试点研究,如果单从技术角度考虑,是完全可行的。现在须要着重进行经济效益的研究,除了考虑工业余热费用的提高外,还应计算大气治理的成本,这样分析才是合理的。

 

要彻底解决远距离输送和低品位的问题,最根本的技术措施是对热泵进行工艺上的重大革新。通常的热泵,无论是电热泵还是热热泵(溴化锂吸收式制冷机),都存在某些局限性,无法同时承担能量远距离输送以及品位提升的功能。从工艺上说,现在热泵的四个热力过程,即蒸发、冷凝、压缩和节流,是作为一个整体,组装成一台机器,难以实现远距离蓄热(冷)、放热(冷)功能。对于电热泵,现在的制冷工质—氟里昂以及无氯的替代制冷工质,或者破坏臭氧层,成为淘汰物质;或者是温室气体,都不是理想产品。对于热热泵,溴化锂溶液浓度在56%~62%之间,否则结晶,难以工作。由于浓度变化范围过窄,导致发生器的加热温度必须在90摄氏度以上,直接影响了制冷效率。

 

为克服现有热泵的上述缺陷,选择更理想的制冷工质就显得尤为重要。经过反复比较,笔者认为采用液态二氧化碳作为新的制冷工质,将有很大的发展前途。提起二氧化碳作为制冷工质,其实并不是新的创想,早在利用氟里昂之前,前人就已研究过了。中国供热信息网了解到由于二氧化碳的临界(在临界点汽相、液相合一)压力过高(大于7.2兆帕),临界温度过低(31.1摄氏度),整个制冷过程是在跨临界循环下运行,因此制冷机组的工作压力过高,从安全角度考虑,后来被氟里昂等制冷工质代替。近年来,环保要求将处于更重要的地位,因此,重新起用如二氧化碳一类的天然制冷工质,已被愈来愈多的业内人员所关注。

 

二氧化碳作制冷工质具有独特的优点:首先,它是地球生物圈的组成物质之一,具有无毒、无臭、无污染、不爆、不燃、不腐蚀,对大气臭氧无损害(ODP=0),温室气体指数只有GWP=1(氟里昂及其替代物GWP都在93~1900),它还具有优良的热物理性质:容积制冷能力qv=15429.2千焦3立方米,是氟里昂R22的7.4倍;在零下40摄氏度下,其液态黏度是5摄氏度水的138,即使在较低的流速下,也可形成湍流流动,提高了传热性能。根据上述二氧化碳的基本特性,我们应该按照扬长避短的原则,尽量发挥其制冷能力强、蓄热能力大、传热性能高、输送成本低的优势,将热泵的四个热力过程,拆散了应用。



在利用二氧化碳作热泵工质进行工业余热供热供冷过程中,回避了二氧化碳在气态下压力过高、温度过低(临界温度为31.1摄氏度,临界压力为7.2兆帕)弱点,着重利用其气化潜热大、制冷能力强、蓄热能力多、黏滞系数小、传热性能高等特点。例如,一台300兆帕的发电机组,冷却汽轮机乏汽汽量560吨3小时,需要冷却循环水量为6.2万吨3小时(温差从25摄氏度升为30摄氏度),如果采用液态二氧化碳,只需5100吨3小时(温度从零下46.5摄氏度提升至14.2摄氏度,温升60.7摄氏度)即可。

 

上述工艺流程,只是基本原理,具体细节还需进一步深化。当然,还有液态二氧化碳的制备问题,这就需要跨行业的协作。

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