流程工業(yè)余熱資源及利用

夏建軍

近年來，北方地區(qū)供熱需求不斷增長，2019年底北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)建筑面積達(dá)137億平方米。目前的熱源結(jié)構(gòu)里45%的熱量由燃煤、燃?xì)忮仩t提供，直接造成10億噸CO₂排放。五大高耗能行業(yè)終端能源消費(fèi)量占全社會能源消費(fèi)量的50%左右，且多以化石能源消費(fèi)為主，燃燒過程中會產(chǎn)生大量余熱，余熱量大且集中、品位相對較高、利用潛力巨大，但是沒有得到充分地回收再利用。

工業(yè)余熱不僅可以解決北方地區(qū)缺熱問題，在工業(yè)領(lǐng)域也能實(shí)現(xiàn)一些節(jié)能、減碳、節(jié)水方面的功能。流程工業(yè)如鋼鐵、水泥等產(chǎn)生大量余熱;非流程工業(yè)如食品加工、紡織等，跟建筑一樣需要大量的熱量支持。2019年，非流程工業(yè)化石能源消耗達(dá)到1.5億噸標(biāo)煤，這些化石能源基本上都是解決熱的需求。解決這一部分用熱需求，非常有必要和余熱利用做結(jié)合。

工業(yè)余熱潛力調(diào)研與預(yù)測

對于流程工業(yè)的未來發(fā)展而言，鋼鐵、有色建材隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及人均存量的變化，未來能耗會逐漸下降，同時余熱量也會進(jìn)一步降低，化工行業(yè)的未來化肥使用量會逐漸下降，塑料消費(fèi)量會逐步提升，利用率和能效會逐漸提高，總體能耗基本維持不變。對于非流程制造的未來發(fā)展而言，輕工業(yè)消費(fèi)量會逐漸增加，雖然隨著整個流程的優(yōu)化，能源強(qiáng)度會下降，但總體會出現(xiàn)能耗大幅增加，用熱需求大幅增加的情況。

總的來說，目前工業(yè)余熱熱量接近72億GJ，主要集中在鋼鐵、煉焦、水泥、化工等行業(yè)，到2050年預(yù)計(jì)有接近39億GJ的余熱量，為今后余熱綜合利用奠定了非常好的基礎(chǔ)。同時也可以看到余熱資源分布非常不均衡，主要在河北、山東、山西、遼寧等重工業(yè)比較聚集的地方。

火電和核電同樣存在大量余熱可以利用，未來火電裝機(jī)共計(jì)8.4億kW，發(fā)電小時數(shù)1985h，余熱共計(jì)78.3億GJ;未來核電裝機(jī)共計(jì)2億kW，發(fā)電小時數(shù)7500h，余熱共計(jì)70億GJ。2019年數(shù)據(jù)中心電耗為1300億kWh，全年總排熱量約為4.7億GJ，未來預(yù)計(jì)增長到3000億kWh，排熱量10.8億GJ。當(dāng)然也要考慮數(shù)據(jù)中心全年排熱，夏季排熱溫度較低情況下利用價值有待進(jìn)一步分析利用，總體來看這個熱量也是有待于進(jìn)一步利用。另外城市污水和垃圾也是非常好的低碳能源，未來垃圾熱電聯(lián)產(chǎn)和污水源熱泵的供熱量大約為2億GJ，可作為供熱的輔助和補(bǔ)充熱源。

用熱需求分析

對于建筑用熱需求，考慮到未來人口發(fā)展，建筑面積增長以及綜合能耗指標(biāo)降低，最終得到這樣一個結(jié)論：2050年，北方地區(qū)建筑面積達(dá)到200多億，總熱量37億GJ左右。隨著現(xiàn)在生活水平的提高，考慮到長江中下游流域和西部地區(qū)的供熱，整個建筑部門的熱需求達(dá)到50億GJ左右。

對于非流程工業(yè)用熱需求，目前國內(nèi)沒有系統(tǒng)地梳理工業(yè)用熱的分溫度、行業(yè)的用熱需求。我們對紡織、造紙、醫(yī)藥、橡膠、食品制造等行業(yè)的工藝流程、用熱工序、溫度分布進(jìn)行了調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，估計(jì)目前整個非流程工業(yè)總需熱量接近30億GJ，未來隨著產(chǎn)量的發(fā)展接近70億GJ用熱量。同時，采用自上而下的方法，對紡織、醫(yī)藥、造紙行業(yè)用熱的地理分布進(jìn)行了分市統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這些行業(yè)的用熱主要分布在東部區(qū)域，西部和東北區(qū)域相對較少。

城市用熱除了供熱以外，生活熱水也是占比非常大的一個用熱需求，以往很少有人去做生活熱水集中供應(yīng)的分析，生活熱水更多希望就地解決、分布式解決。但是鑒于工業(yè)余熱量非常大，能夠解決部分生活熱水不失為好的低碳發(fā)展路線，當(dāng)然具體的分析有待于看怎么做。考慮到未來城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，預(yù)計(jì)未來城市生活熱水需要9.2億GJ的熱量。

供需匹配

將余熱資源和用熱需求做分析之后，再來看一下匹配的情況。在總量匹配上，未來建筑供熱需求50億GJ，非流程工業(yè)用熱需求69億GJ，生活熱水用熱需求9.2億GJ。流程工業(yè)的余熱接近40億GJ，此外還有數(shù)據(jù)中心的余熱11億GJ，垃圾和污水的余熱2億GJ，調(diào)峰火電和核電的余熱148億GJ。總的來說，未來整體用熱需求130億GJ，另外還有200億GJ余熱來用。考慮到溫度品類以及60%～70%的回收率，總量上還是可以匹配的。

在地理空間分布上，當(dāng)前用熱需求分布和流程工業(yè)余熱量分布是有差異的，非流程工業(yè)用熱主要集中在東部，城鎮(zhèn)供熱集中在北方、長江流域，以及西部區(qū)域，余熱資源相對而言分布更廣一些，在河北、山東、山西、遼寧等重工業(yè)比較聚集的地方更多。各個區(qū)域之間的余熱資源分布和用熱需求還存在空間上的不匹配問題，因此希望有更好的跨區(qū)域供熱技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更好的余熱資源空間匹配問題。

在時間分布上，對于流程工業(yè)余熱而言，季節(jié)性差異不是太大，夏季相對較多一些，冬季相對較少。對于非流程工業(yè)用熱而言，季節(jié)性差異也不是太大，夏季相對稍微較少，冬季相對較多。但是建筑用熱季節(jié)性非常大，主要集中在冬天。總體而言，在時間的匹配上，冬天的需熱量大、余熱量少，夏天需熱量少、余熱量大。需要把夏季的余熱充分利用到解決冬天需熱問題，因此要對跨季節(jié)儲熱做一些重點(diǎn)分析。

此外，在熱量溫度的分布上，目前對于城鎮(zhèn)供熱而言，20℃～30℃熱量就足夠;對一些非流程工業(yè)而言，絕大部分用熱需求在50℃～150℃范圍里。如何把100℃以下的低品位余熱，通過熱泵提升、蒸汽壓縮等不同溫度轉(zhuǎn)換技術(shù)，滿足不同的用熱需求，也是未來需要探討的方向。

總結(jié)

總的來說余熱資源潛力巨大，合理利用可以有效地降低全社會的碳排放。當(dāng)前工業(yè)余熱用于城鎮(zhèn)供熱技術(shù)成熟，且有良好的示范案例。如果要進(jìn)一步把工業(yè)余熱利用推廣到非流程工業(yè)用熱和城市生活熱水用熱，需要解決地域不匹配的輸配技術(shù)、時間方面的季節(jié)性儲熱、不同品位溫度的轉(zhuǎn)換等問題。