目前，全國能源領域都在努力朝著零碳方向邁進。而供熱是能源消耗大戶，減排形勢嚴峻。特別是在建筑運行領域，供暖碳減排的增長空間巨大。中國工程院院士江億認為，必須實現由化石能源供熱向零碳供熱轉型。而要實現這種轉變，多種低品位余熱資源是最好的零碳熱源。

 

　　01、中國石油石化：江院士，您好！在“雙碳”背景下，您認為未來我國的能源系統應如何向零碳方向邁進？

　　江億：現如今我國能源系統的特點是通過燃燒化石燃料產生熱能，一部分用于工業、商業以及居民的供熱，另一部分以熱發電。也就是說現在是“燃料先出熱后出電”的順序。

 

　　為實現碳達峰、碳中和，全國能源領域都在努力朝著零碳方向邁進。我認為，發展清潔電能，推動能源系統從以燃煤、燃油、燃氣為主的碳基化石能源結構，轉變為以核電、水電、風電、光伏等可再生能源為主的零碳結構，無論是進行供電還是供熱，都要完美解決原先能源生產和轉換過程中產生的碳排放等污染問題。

 

　　供電方面，可再生能源中80%的品類是直接產生電能的。為了保證電力安全和調峰的需要，還需要保留一半左右的火電，但這些火電的年運行小時數會大大減少。火電發電過程會排放二氧化碳，這可以采用CCUS（二氧化碳捕集、利用與封存）技術回收煙氣中排放的二氧化碳，使其成為未來低碳化工的原材料。

 

　　供熱方面，全社會對熱有很大的需求。統計數據顯示，目前，北方城鎮建筑冬季供暖面積約160億平方米，需要50億GJ熱量；供應生活熱水需要5億GJ熱量，供應商業設施熱水和蒸汽需要5億GJ熱量，輕工業和機電產品生產過程用熱約70億GJ。各種用熱需求量總計達130億GJ，折合約5億噸標準煤。為滿足這些供熱需求，現在主要是熱電聯產，有的是區域鍋爐房用化石能源燃燒供熱，農村甚至是散煤供熱，導致大量PM2.5、二氧化碳排放。

 

　　02、中國石油石化：怎樣獲得零碳熱源呢？

　　江億：工業和建筑需要的熱量是中低品位的熱量，溫度范圍在50℃~160℃。比如紡織、印染、皮革、造紙、食品、制藥、干燥等所需的熱水和蒸汽溫度在70℃~130℃。如果這些所需的熱量由電力供給，直接電熱130億GJ熱量需要4萬億千瓦時電力。

 

　　2021年全國總用電量8.5萬億千瓦時，電熱就占了將近一半。如果采用空氣源、土壤源、水源及其他電動熱泵，能效比大大提高，但依然需要約1.3萬億千瓦時電力，也是電力供應的很大壓力。例如，我國冬季是枯水期，水電冬季徑流量僅為夏季的40%；冬季日照時間短，光電在冬季日照時數不到夏季的60%。而冬季正是熱量需求的高峰期，這就在供與需之間形成很大矛盾。

 

　　反過來，可以找到大量的低品位熱源，滿足上述供熱需求。例如，目前我國核電裝機容量2億千瓦，發電量1.5萬億千瓦時，而全年排放的熱量達到70億GJ；調峰火電裝機容量6.5億千瓦，發電量1.5萬億千瓦時，全年排放的熱量也達到70億GJ；流程工業（冶金、有色、化工、建材）需要燃料7億噸標準煤，排放熱量50億GJ。現在很多余熱都直接排放掉了，不僅沒有加以很好地利用，而且造成了熱污染，還消耗大量的水資源。這也是我國工業用水的主要用途。要是能把這些熱量都用起來，就足以滿足用熱需求。因此我認為，要想實現由化石能源供熱向零碳供熱轉型，應利用好低品位余熱資源。

 

　　三大關鍵

　　01、中國石油石化：根據您的觀察，利用低品位余熱資源存在哪些難點？

　　江億：利用各種余熱資源進行供熱，存在三大關鍵問題。一是全年產生的余熱總量可以滿足全年的熱量需求，但熱量產出與熱量需求在時間上嚴重不匹配。比如，供暖用熱集中在冬季，但余熱產出并不集中在冬季。二是熱量產出與熱量需求在地理位置上的不匹配。余熱資源目前大多遠離城市負荷區。如何經濟高效地把熱量輸送到熱負荷的位置是需要解決的問題。三是各類余熱熱源輸出的熱量品位不同，而各類熱量需求要求的溫度范圍、品位也不同。

 

　　02、中國石油石化：這些現實問題如何解決？

　　江億：可以通過建設大型跨季節儲熱，解決時間不匹配問題。近十年來，歐洲尤其是北歐大力研究開發大規模跨季節蓄熱，多種技術方案都進行了深入的技術經濟分析和實驗。比如，相變蓄能在經濟性、體積上無法滿足要求，地下埋管換熱、地下直接蓄熱水都會使溫度品位損失過大。

 

　　目前，大型熱水池加保溫蓋是技術經濟性能最可行的方式。大規模跨季節儲熱不可能完全開挖，需要尋找合適的地理條件。比如利用溝、谷、塘、地下進行整修，加浮蓋后上方可開發太陽能光伏。這可能會面臨土地資源問題，但是建水庫解決用水、防洪、發電可以占用土地，蓄熱水庫可實現低碳發展，解決熱源問題，同時也能利用表面進行光伏發電，為何不可？進行環境評價后建蓄熱水庫，并進行綜合開發利用，政府部門應予以支持。

 

　　跨季節儲熱供熱的收益將很可觀。回收全年的余熱，避免春、夏、秋季熱量的浪費，可以使一份余熱資源起到兩份、三份的作用。熱量回收、輸送的裝置、系統能夠全年利用，從而縮短投資回收期。建筑冬季供熱、工業生產用熱都會大范圍波動。無蓄熱裝置時，必須按照可能的最大負荷安排熱源和輸配功率。而有了蓄熱裝置后，可以使系統容量減少到原來的1/2~1/7。通過蓄熱還可使熱量供給的可靠性大幅度提高，保證民生。而對于熱源來說，供熱系統又是其冷卻系統。大容量蓄熱裝置可以提高熱源冷卻的保證率。跨季節儲熱雖然成本高，但遠低于儲氫、儲電、儲水發電、儲高壓氣等儲能方式。

 

　　通過發展長距離經濟輸熱，可以解決空間不匹配問題。近年來在這個方向上有了很大突破。對于大規模輸熱，當輸熱量大于120萬千瓦時，如果有免費的余熱資源，100公里的輸送距離的成本要低于當地的燃氣鍋爐供熱，200公里的輸送成本要低于當地的燃煤鍋爐供熱。據測算，在100公里半徑范圍內，我國70%的各類需熱側（如城市、工廠）可以找到合適的熱源；在200公里半徑內，全國各地都可以實現熱量供需之間的平衡。現在保溫材料的進步和局部冷橋的處理使得管道散熱降低，管徑越大、流速越高，相對的熱損失越小。大溫差輸熱技術，供回水溫度從120℃~60℃發展到120℃~20℃，使同樣流量下熱量提高70%，顯著改善了經濟性。單管水熱同送，成本進一步降低一半。

 

　　通過采用熱量變換器，可以解決供需溫度不匹配問題。余熱來源多，用熱需求不一，可以建設余熱資源共享的多熱源多熱匯系統，將調峰煤電廠、核電余熱、流程工業余熱等熱源聯至區域熱網，提供給建筑供暖、工業用熱等，或進行跨季節儲熱，形成多熱源、多用戶的跨區域供熱網。當需求側和供應側平均溫度有足夠的溫差但換熱兩側流量差別太大時，可采取從小循環流量向大循環流量傳輸熱量的吸收式換熱。熱源的平均溫度低而熱匯的平均溫度高時，可依靠電動熱泵實現溫度品位的提升。類似電力的變壓器，可實現熱量在不同溫差范圍間的變換。

 

　　前景可期

　　江億：目前我國利用余熱供熱已經有了不少很成功的實踐。

 

　　從上世紀80年代開始，我國長距離經濟輸熱的距離不斷延長。上世紀80年代引入石景山熱電廠熱量為城區居民供熱，輸熱距離23公里。后來，從河北三河熱電廠引入熱量向通州供熱，輸熱距離30公里；從涿州熱電廠引入熱量向北京供熱，輸熱距離50公里。

 

　　太古—太原長輸熱工程是目前世界上已投運規模最大的長輸供熱工程。回收古交電廠乏汽余熱為熱源，敷設4根直徑1.4米的供熱管線，7次穿越汾河，穿山修了10余公里的隧道，全長50公里，全程溫降不超過1℃。構建了六級泵循環加壓工藝，實現了長輸側直連高差180米的熱網安全經濟運行。自2016年采暖季運行以來，實現供熱面積7600萬平方米，開創了大規模電廠余熱利用和遠距離輸熱的先河。

 

　　位于山東膠東半島的海陽核電站“水熱同產同送”科技示范工程項目，取低壓缸抽汽，經換熱為120℃~100℃熱水。以熱水為動力，通過多效蒸餾、多級閃蒸兩套獨立的海水淡化裝置，每小時生產95℃熱淡水8噸，然后用80mm單管輸送熱淡水至9公里外的核電專家村。在專家村用吸收式換熱器把熱淡水冷卻至20℃，進入淡水系統，熱量成為建筑供熱和游泳池加熱熱水的熱源。實測熱效率82%，每噸淡水耗電量僅1.5千瓦時。該示范工程屬于世界首創，通過對核能進行先發電、后制水、再供暖的三級高效利用，首次實現了在零碳供熱的同時零能耗制水，從源側將水、熱同步產出與供給。熱量的經濟輸送距離與輸送管道的直徑成正比，所以如果采用1.6米直徑的管道大規模輸熱水，輸送距離就是這個項目的20倍，也就是180公里。

 

　　膠東半島海陽、榮成、招遠三大核電基地未來裝機容量0.3億千瓦，全年運行8000小時，跨季節儲熱可提供熱量10億GJ，可為這一地區建筑供暖和工業生產提供所需要熱量的60%，可為膠東半島每年提供45億噸淡水，為目前人均淡水量的60%。若進一步利用儲熱池通過熱電協同方式解決電力調峰問題，通過核電綜合利用，膠東半島就可以成為零碳半島。

 

　　利用核電余熱為制造業提供生產用熱存在諸多的可能性。例如，浙江紹興柯橋是重要的輕紡印染基地，目前大量生產用熱依靠燃煤熱電聯產電廠。可以利用秦山核電站的余熱，通過80公里循環熱水管網輸送到柯橋，利用專門的熱量變換裝置從循環水中提取熱量，制備成生產需要的蒸汽或熱水。蘇北贛榆區工業園目前是利用燃煤熱電聯產電廠提供蒸汽。可以利用連云港田灣核電站余熱，通過蒸汽/循環水輸送，在終端變換為需要參數的熱量。福建福清核電站可輸送余熱，為江陰工業園和東嶠工業園供熱。

 

　　02、中國石油石化：為促進余熱利用，實現零碳供熱，您有哪些建議？

　　江億：我國發展零碳余熱系統有很好的條件。國內各省正在建大熱網，而且已具備豐富的熱電聯產經驗。好多電廠都實現了熱電聯產余熱的深度回收，也有大量工業余熱回收的成功案例。相關的關鍵設備和技術現在都已具備，基于各種低品位余熱的零碳熱源系統應作為建設零碳能源系統的主要任務之一，應全面采集利用各個環節排放的低品位余熱，珍惜一點一滴。

▲儀征化纖公司PTA部余熱發電項目

已累計并網發電突破1億度。

 

　　當然還有些關鍵技術、政策需要進一步完善。建議著力解決大規模跨季節儲熱、熱量的長距離經濟輸送以及不同溫度范圍、不同品位熱量之間的變換三大關鍵技術。建議建立系統的政策機制，包括相應的土地政策、按照溫度品位確定熱量價格的方法，以及向環境排放熱量者應承擔環境熱污染的責任等，支撐新的零碳熱源系統的建設，滿足百姓生活和工業持續發展需要。