存“熱”打鐵，“零碳”始成
——專訪中國工程院院士江億

文‖本刊記者 陸曉如

實現(xiàn)由化石能源供熱向零碳供熱轉(zhuǎn)型，多種低品位余熱資源是最好的零碳熱源。

●“我國發(fā)展零碳余熱系統(tǒng)有很好的條件?！?/p>

專家簡介

江億，中國工程院院士。清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任、教授。

主要研究工作是建筑節(jié)能、建筑熱環(huán)境、建筑自動化、集中供熱規(guī)劃與控制。建筑熱環(huán)境工程學(xué)科的倡導(dǎo)者和創(chuàng)建者之一，系統(tǒng)地參與了該學(xué)科基礎(chǔ)理論、基本方法的建立和發(fā)展。在城鄉(xiāng)能源供給系統(tǒng)、建筑熱環(huán)境營造和建筑節(jié)能等方面取得了重要研究成果。

實現(xiàn)碳達峰、碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局做出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構(gòu)建人類命運共同體的莊嚴承諾。

目前，全國能源領(lǐng)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(lǐng)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(xiàn)由化石能源供熱向零碳供熱轉(zhuǎn)型。而要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，多種低品位余熱資源是最好的零碳熱源。

零碳轉(zhuǎn)型

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(tǒng)應(yīng)如何向零碳方向邁進？

江億：現(xiàn)如今我國能源系統(tǒng)的特點是通過燃燒化石燃料產(chǎn)生熱能，一部分用于工業(yè)、商業(yè)以及居民的供熱，另一部分以熱發(fā)電。也就是說現(xiàn)在是“燃料先出熱后出電”的順序。

為實現(xiàn)碳達峰、碳中和，全國能源領(lǐng)域都在努力朝著零碳方向邁進。我認為，發(fā)展清潔電能，推動能源系統(tǒng)從以燃煤、燃油、燃氣為主的碳基化石能源結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐院穗?、水電、風(fēng)電、光伏等可再生能源為主的零碳結(jié)構(gòu)，無論是進行供電還是供熱，都要完美解決原先能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)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(chǎn)生電能的。為了保證電力安全和調(diào)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(shù)會大大減少?；痣姲l(fā)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(shù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前，北方城鎮(zhèn)建筑冬季供暖面積約160 億平方米，需要50 億GJ熱量；供應(yīng)生活熱水需要5 億GJ 熱量，供應(yīng)商業(yè)設(shè)施熱水和蒸汽需要5 億GJ 熱量，輕工業(yè)和機電產(chǎn)品生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)煤。為滿足這些供熱需求，現(xiàn)在主要是熱電聯(lián)產(chǎn)，有的是區(qū)域鍋爐房用化石能源燃燒供熱，農(nóng)村甚至是散煤供熱，導(dǎo)致大量PM2.5、二氧化碳排放。

中國石油石化：怎樣獲得零碳熱源呢？

江億：工業(yè)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(yīng)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(shù)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(fā)電量1.5 萬億千瓦時，而全年排放的熱量達到70 億GJ；調(diào)峰火電裝機容量6.5 億千瓦，發(fā)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(yè)（冶金、有色、化工、建材）需要燃料7 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放熱量50億GJ?，F(xiàn)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(yè)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(xiàn)由化石能源供熱向零碳供熱轉(zhuǎn)型，應(yīng)利用好低品位余熱資源。

三大關(guān)鍵

中國石油石化：根據(jù)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(guān)鍵問題。一是全年產(chǎn)生的余熱總量可以滿足全年的熱量需求，但熱量產(chǎn)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(chǎn)出并不集中在冬季。二是熱量產(chǎn)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(qū)。如何經(jīng)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。

中國石油石化：這些現(xiàn)實問題如何解決？

江億：可以通過建設(shè)大型跨季節(jié)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(fā)大規(guī)模跨季節(jié)蓄熱，多種技術(shù)方案都進行了深入的技術(shù)經(jīng)濟分析和實驗。比如，相變蓄能在經(jīng)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(shù)經(jīng)濟性能最可行的方式。大規(guī)?？缂竟?jié)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(fā)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(fā)電可以占用土地，蓄熱水庫可實現(xiàn)低碳發(fā)展，解決熱源問題，同時也能利用表面進行光伏發(fā)電，為何不可？進行環(huán)境評價后建蓄熱水庫，并進行綜合開發(fā)利用，政府部門應(yīng)予以支持。

跨季節(jié)儲熱供熱的收益將很可觀?；厥杖甑挠酂幔苊獯?、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(tǒng)能夠全年利用，從而縮短投資回收期。建筑冬季供熱、工業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)又是其冷卻系統(tǒng)。大容量蓄熱裝置可以提高熱源冷卻的保證率?？缂竟?jié)儲熱雖然成本高，但遠低于儲氫、儲電、儲水發(fā)電、儲高壓氣等儲能方式。

通過發(fā)展長距離經(jīng)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(guī)模輸熱，當(dāng)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(dāng)?shù)氐娜細忮仩t供熱，200 公里的輸送成本要低于當(dāng)?shù)氐娜济哄仩t供熱。據(jù)測算，在100 公里半徑范圍內(nèi)，我國70%的各類需熱側(cè)（如城市、工廠）可以找到合適的熱源；在200 公里半徑內(nèi)，全國各地都可以實現(xiàn)熱量供需之間的平衡?，F(xiàn)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(shù)，供回水溫度從120℃～60℃發(fā)展到120℃～20℃，使同樣流量下熱量提高70%，顯著改善了經(jīng)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(shè)余熱資源共享的多熱源多熱匯系統(tǒng)，將調(diào)峰煤電廠、核電余熱、流程工業(yè)余熱等熱源聯(lián)至區(qū)域熱網(wǎng)，提供給建筑供暖、工業(yè)用熱等，或進行跨季節(jié)儲熱，形成多熱源、多用戶的跨區(qū)域供熱網(wǎng)。當(dāng)需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)平均溫度有足夠的溫差但換熱兩側(cè)流量差別太大時，可采取從小循環(huán)流量向大循環(huán)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(xiàn)溫度品位的提升。類似電力的變壓器，可實現(xiàn)熱量在不同溫差范圍間的變換。

DISCOURSE

基于各種低品位余熱的零碳熱源系統(tǒng)應(yīng)作為建設(shè)零碳能源系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。

前景可期

中國石油石化：目前我國利用余熱供熱達到了怎樣的發(fā)展程度？

江億：目前我國利用余熱供熱已經(jīng)有了不少很成功的實踐。

從上世紀(jì)80年代開始，我國長距離經(jīng)濟輸熱的距離不斷延長。上世紀(jì)80年代引入石景山熱電廠熱量為城區(qū)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(guī)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(shè)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(gòu)建了六級泵循環(huán)加壓工藝，實現(xiàn)了長輸側(cè)直連高差180 米的熱網(wǎng)安全經(jīng)濟運行。自2016年采暖季運行以來，實現(xiàn)供熱面積7600 萬平方米，開創(chuàng)了大規(guī)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(chǎn)同送”科技示范工程項目，取低壓缸抽汽，經(jīng)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(chǎn)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(tǒng)，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(chuàng)，通過對核能進行先發(fā)電、后制水、再供暖的三級高效利用，首次實現(xiàn)了在零碳供熱的同時零能耗制水，從源側(cè)將水、熱同步產(chǎn)出與供給。熱量的經(jīng)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(guī)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(jié)儲熱可提供熱量10 億GJ，可為這一地區(qū)建筑供暖和工業(yè)生產(chǎn)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(xié)同方式解決電力調(diào)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(yè)提供生產(chǎn)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(chǎn)用熱依靠燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠。可以利用秦山核電站的余熱，通過80 公里循環(huán)熱水管網(wǎng)輸送到柯橋，利用專門的熱量變換裝置從循環(huán)水中提取熱量，制備成生產(chǎn)需要的蒸汽或熱水。蘇北贛榆區(qū)工業(yè)園目前是利用燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠提供蒸汽?？梢岳眠B云港田灣核電站余熱，通過蒸汽/循環(huán)水輸送，在終端變換為需要參數(shù)的熱量。福建福清核電站可輸送余熱，為江陰工業(yè)園和東嶠工業(yè)園供熱。

中國石油石化：為促進余熱利用，實現(xiàn)零碳供熱，您有哪些建議？

江億：我國發(fā)展零碳余熱系統(tǒng)有很好的條件。國內(nèi)各省正在建大熱網(wǎng)，而且已具備豐富的熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)驗。好多電廠都實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)余熱的深度回收，也有大量工業(yè)余熱回收的成功案例。相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)現(xiàn)在都已具備，基于各種低品位余熱的零碳熱源系統(tǒng)應(yīng)作為建設(shè)零碳能源系統(tǒng)的主要任務(wù)之一，應(yīng)全面采集利用各個環(huán)節(jié)排放的低品位余熱，珍惜一點一滴。

當(dāng)然還有些關(guān)鍵技術(shù)、政策需要進一步完善。建議著力解決大規(guī)模跨季節(jié)儲熱、熱量的長距離經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)。建議建立系統(tǒng)的政策機制，包括相應(yīng)的土地政策、按照溫度品位確定熱量價格的方法，以及向環(huán)境排放熱量者應(yīng)承擔(dān)環(huán)境熱污染的責(zé)任等，支撐新的零碳熱源系統(tǒng)的建設(shè)，滿足百姓生活和工業(yè)持續(xù)發(fā)展需要。

●儀征化纖公司PTA部余熱發(fā)電項目已累計并網(wǎng)發(fā)電突破1億度。 攝影/劉玉福 李 鶴