工業(yè)余熱將是未來(lái)集中供熱的主要熱源

　　煤和天然氣，理論燃燒溫度在2000攝氏度左右。用于供熱，通常最高供水溫度在130攝氏度左右，如果把煤、天然氣拿來(lái)直接燃燒供熱，其溫差將在1800攝氏度左右，能源品位的損失，接近70%~80%。

　　因此，把煤、天然氣直接燃燒供熱，是對(duì)能源的最大浪費(fèi)，是最不經(jīng)濟(jì)的?？墒侵两瘢@種狀況到處可見(jiàn)，不僅小型燃煤供熱遍地開(kāi)花，就是新近“煤改氣”的大型燃?xì)夤幔ㄥ仩t房總?cè)萘吭趲装賴嵰陨希┮廊蝗绻?。這種狀況不改變，我國(guó)供熱技術(shù)的落后面貌難以改觀。

　　煤和天然氣，最合理的利用方式，是梯級(jí)利用，即電熱冷聯(lián)供或AGCC即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。如前所述，煤和天然氣，理論燃燒溫度都在2000攝氏度左右，最理想的利用方式是高溫段發(fā)電，低溫段供熱、制冷。對(duì)于通常的發(fā)電廠，發(fā)電效率一般在30%~40%左右，汽輪機(jī)后的乏汽壓力為0.006兆帕,飽和溫度為36攝氏度，其能源品位值只有總能源品位值的2.5%~5.0%之間，即發(fā)電潛力很低，但按數(shù)量分析，約占總熱量的50%左右，目前大多數(shù)情況，向大氣中排放。如果用于供熱、制冷，實(shí)現(xiàn)電、熱、冷聯(lián)供，全系統(tǒng)的余熱利用系數(shù)可提高到70%~80%，因此，這種電、熱、冷的梯級(jí)利用是化石燃料的最佳利用方式。

　　根據(jù)國(guó)家發(fā)改委的有關(guān)文件，我國(guó)正在大力推廣大型機(jī)組（容量在200兆瓦~300兆瓦以上）的電熱冷聯(lián)供系統(tǒng)，這對(duì)于我國(guó)大中城市來(lái)說(shuō)，是非常正確的。在加速城鎮(zhèn)化的建設(shè)中，我國(guó)勢(shì)必會(huì)有大量小城鎮(zhèn)涌現(xiàn)，人口在幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)之間，對(duì)于這樣的城鎮(zhèn)，比較合理的供熱方式應(yīng)該是小型背壓機(jī)組（容量在25兆瓦以下）的電、熱、冷聯(lián)供。經(jīng)中國(guó)供熱信息網(wǎng)人員測(cè)算，這種機(jī)組，即使冬天聯(lián)運(yùn)，夏天停運(yùn)，經(jīng)濟(jì)上都是合算的。如果這種供熱方式，能夠取得共識(shí)，那么我國(guó)相當(dāng)數(shù)量人口的供熱民生問(wèn)題，就會(huì)得到解決。

　　對(duì)于局部區(qū)域（如一定范圍的公共建筑或居民區(qū)），可以大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)。這種系統(tǒng)，利用小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組（內(nèi)燃機(jī)或小型燃?xì)廨啓C(jī)），一面發(fā)電，一面利用廢氣或冷卻熱量通過(guò)熱泵機(jī)組供熱供冷，解決本區(qū)域的電、熱、冷需求。以上不同方式的電、熱、冷聯(lián)供，既可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，又能夠覆蓋全社會(huì)的供熱需求。這種能源的梯級(jí)利用，應(yīng)該作為國(guó)家的基本國(guó)策，用法律形式固定下來(lái)。

　　在發(fā)電廠中，能源品位值的最大損失是在電站鍋爐，通常發(fā)電主蒸汽溫度為550攝氏度左右，在鍋爐內(nèi)，換熱溫差有1500攝氏度，能源品位的損失近50%，因此，提高發(fā)電廠的發(fā)電效率的主要技術(shù)措施是提高發(fā)電主蒸汽的溫度，但超高臨界、超超臨界的發(fā)電機(jī)組其最高主蒸汽溫度也只有600攝氏度多度，發(fā)電效率也不能超過(guò)40%~45%，受限的主要因素是汽輪機(jī)材質(zhì)的耐溫程度。發(fā)電效率的進(jìn)一步提高，要有待于金屬材料工藝的更大革新。

　　進(jìn)一步提高電熱冷聯(lián)供的發(fā)電方式還有燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)。通常以天然氣為燃料。壓縮空氣與天然氣在燃燒室燃燒形成的高溫?zé)煔猓s1200攝氏度~1350攝氏度），進(jìn)入渦輪機(jī)膨脹作功發(fā)電。在燃汽輪機(jī)中排出的尾氣進(jìn)入余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽在汽輪機(jī)中進(jìn)一步發(fā)電。如果燃料采用煤，則先經(jīng)過(guò)增壓氣化裝置產(chǎn)生煤的裂化氣，再做適當(dāng)處理，如同天然氣一樣，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電。這種以煤為燃料的燃?xì)?mdash;—蒸汽聯(lián)合循環(huán)稱為AGCC。無(wú)論以天然氣為燃料，還是以煤為燃料，其燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的高溫?zé)煔饪蛇_(dá)1000攝氏度以上，因此，發(fā)電效率都能在40%~45%左右。對(duì)于我國(guó)，無(wú)論積極推廣燃?xì)獾娜細(xì)?mdash;—蒸汽聯(lián)合循環(huán)還是大力研發(fā)燃煤的燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，都有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

　　大力研發(fā)煤、天然氣的清潔燃燒

　　煤在燃燒過(guò)程中，要排放大量的煙塵和顆粒物。煤主要成分是碳，燃燒過(guò)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，燃燒過(guò)程要生成二氧化硫氣體排放至大氣，所有上述煙氣生成物，都是產(chǎn)生霧霾的重要因素。因此，燃煤將嚴(yán)重污染大氣。天然氣由于是氣體，容易與空氣混合，通常燃燒效率比較高。天然氣主要成分是甲烷,碳的含量遠(yuǎn)比煤少，因此二氧化硫的生成量，只是燃煤的一半。因此，通常把天然氣稱作清潔燃料。但必須了解，天然氣的燃燒溫度常常在1300攝氏度以上，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物,這種氣體的排放，同樣是形成霧霾的重要因素，因此，無(wú)論燃?xì)膺€是燃煤，實(shí)現(xiàn)清潔燃燒都是非常重要的研發(fā)課題。

　　上世紀(jì)初至50年代，英國(guó)倫敦、美國(guó)洛杉磯都相繼發(fā)生了嚴(yán)重的霧霾天氣。兩個(gè)城市都為此發(fā)生過(guò)數(shù)百人的死亡事故。但是，經(jīng)過(guò)幾十年的大氣治污，又重新?lián)Q回了藍(lán)天白云。他們治理霧霾的基本經(jīng)驗(yàn)：一是高污染的產(chǎn)業(yè)搬家（移向發(fā)展中國(guó)家）；二是實(shí)行煤改氣。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，也同樣出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣。擺在我國(guó)面前的是如何正確借鑒國(guó)外的可行經(jīng)驗(yàn)？高污染企業(yè)向國(guó)外搬家，顯然不現(xiàn)實(shí)。目前我國(guó)主要采取的是“煤改氣”。但這幾年的實(shí)踐證明，我國(guó)在煤改氣的政策中，實(shí)際上存在兩個(gè)誤區(qū)：一是缺乏數(shù)量上的整體規(guī)劃。我國(guó)是個(gè)多煤少氣的國(guó)家，不可能全國(guó)的供熱都搞煤改氣。就算從國(guó)外進(jìn)口天然氣，一年以4000億平方米計(jì)算，也只能滿足40個(gè)北京市（一年100億立方米用氣量）的用氣量。全國(guó)中小城鎮(zhèn)加起來(lái)，100個(gè)北京市都打不住。如果在全國(guó)范圍內(nèi)，盲目推廣煤改氣，一但發(fā)生“氣荒”，就會(huì)犯下災(zāi)難性的錯(cuò)誤。二是沒(méi)有重視天然氣的清潔燃燒。有些決策者，以為只要煤改氣，大氣治污的問(wèn)題就會(huì)迎刃而解，因此在執(zhí)行中，放松了對(duì)燃?xì)獾呐欧艠?biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格控制（前些年，我國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)始終≥100毫克3立方米）。結(jié)果，一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，在北京出現(xiàn)了：2008年，北京首鋼尚未完全搬家，北京熱電廠仍然全部燒煤，但大氣仍然達(dá)到了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，順利完成了奧運(yùn)會(huì)的舉辦。但幾年以后的今天，首鋼完成了徹底搬遷，北京幾乎所有的供熱熱源全部實(shí)現(xiàn)了“煤改氣”，卻出現(xiàn)了史無(wú)前例的嚴(yán)重霧霾。這種沉痛的教訓(xùn)，再次告訴我們，即使燒天然氣，也必須立足于清潔燃燒。

　　在國(guó)外，利用降氮燃燒技術(shù)，是使煤改氣政策獲得成功的關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)在推廣煤改氣的過(guò)程中，必須認(rèn)真學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。研究表明，天然氣在預(yù)燃階段以及火焰的前、中段燃燒溫度一般在800攝氏度以下，氮氧化物生成量很少，只是在火焰的尾端，燃燒溫度在1300攝氏度以上，此時(shí)燃燒溫度愈高，氮氧化物的生成量呈指數(shù)形式直線上升。中國(guó)供熱信息網(wǎng)了解到因此降低火焰尾部的燃燒溫度是降氮技術(shù)的關(guān)鍵。目前比較成熟的技術(shù)是分段燃燒或煙氣回抽。分段燃燒，是在火焰的前、中、尾端分別送入空氣過(guò)量系數(shù)為0.7、0.9和1.2,通過(guò)控制空氣量達(dá)到降低燃燒溫度進(jìn)而減少氮氧化物生成量的目的。煙氣回抽是將降溫后的部分煙氣抽送入火焰尾部，其目的仍然是降低燃?xì)馊紵郎囟?，進(jìn)而降低氮氧化物的生成量。為了提高降氮效果，常將兩種技術(shù)措施聯(lián)合使用。天然氣燃燒時(shí)，會(huì)有大量的水蒸汽產(chǎn)生（天然氣中的氫與氧化合生成）。一種新的建議，利用尾部蒸汽冷凝水，回抽送入火焰尾部，同樣可以達(dá)到降氮的目的。由于水的汽化潛熱比較大，降低燃燒溫度的效果會(huì)更顯著。有的單位在工程上采用了上述技術(shù)，氮氧化物的排放量達(dá)到了44毫克3立方米，可見(jiàn)，有很好的發(fā)展前景。

　　我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，20年~30年內(nèi)，要改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，是比較困難的。在供熱行業(yè)，希望100%的實(shí)現(xiàn)煤改氣也是難以想象的。因此，我國(guó)環(huán)境的改善在加大天然氣清潔燃燒的同時(shí)，還必須下決心進(jìn)行煤的清潔燃燒技術(shù)的研發(fā)。過(guò)去我們對(duì)于煤的清潔燃燒，重點(diǎn)放在煙塵和二氧化硫的排放的限制上?，F(xiàn)在看來(lái)是不夠的，燒煤也必須控制氮氧化物的排放（即脫硝）。對(duì)于脫硝技術(shù)，目前主要是在爐內(nèi)噴入氨和尿素，通過(guò)催化或非催化還原反應(yīng)，使氮氧化物還原為氮和水。對(duì)于煤的脫硫，目前已有多種方法，但還不盡如人意，必須繼續(xù)加大研發(fā)力度。爐內(nèi)脫硫，多用于循環(huán)流化床鍋爐。實(shí)踐表明：在實(shí)驗(yàn)研究階段效果較好，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，效果并不理想。主要原因是，在燃燒現(xiàn)場(chǎng)，煤粉與石灰粉難以混合均勻，進(jìn)而影響了脫硫效果。在供熱行業(yè)，已經(jīng)研制成功了煤粉鍋爐，燃燒效率可達(dá)92%，很有發(fā)展前途。如果在制粉工藝過(guò)程，加入石灰粉，就可在制粉的同時(shí)完成脫硫任務(wù)。由于在制粉過(guò)程中，煤粉與石灰粉能得到充分混合，其脫硫效率一定會(huì)明顯提高。目前，通行的脫硫方法是濕式脫硫法，為了提高脫硫效果，常常加大石灰水的循環(huán)量和噴淋強(qiáng)度，其結(jié)果是在煙氣的排放中增加了硫酸鈣的粉塵含量，使脫硫設(shè)備變成了新的霧霾發(fā)生器。所有這些問(wèn)題，促使我們?cè)诿?、天然氣的清潔燃燒研發(fā)中，必須在技術(shù)上要有新思路、新創(chuàng)新。

　　當(dāng)前人們比較關(guān)注利用熱泵進(jìn)行煙氣的余熱回收，并且取得了不錯(cuò)的效果。如果我們大膽設(shè)想，利用化工行業(yè)的液態(tài)二氧化碳的低溫分離技術(shù)以及塔板設(shè)備，就可同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫、脫硝以及余熱回收等多種功能，使鍋爐煙氣變成常溫空氣。這種清潔排放的新常態(tài)不是沒(méi)有可能。國(guó)家能源局印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)發(fā)和清潔高效利用的意見(jiàn)》，這將預(yù)示著化石燃料的清潔燃燒，已成為國(guó)家的重大戰(zhàn)略舉措，從而增強(qiáng)了我們?cè)谶@方面進(jìn)行研發(fā)的信心與決心。

　　必須承認(rèn)，所謂新型清潔能源，應(yīng)該是在其放能的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)污染物的零排放。因此，煤、天然氣只要真正實(shí)現(xiàn)了清潔燃燒，它們同樣可以躋身于清潔能源的行列。