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。