流程工業余熱資源及利用

夏建軍

近年來，北方地區供熱需求不斷增長，2019年底北方采暖地區城鎮建筑面積達137億平方米。目前的熱源結構里45%的熱量由燃煤、燃氣鍋爐提供，直接造成10億噸CO₂排放。五大高耗能行業終端能源消費量占全社會能源消費量的50%左右，且多以化石能源消費為主，燃燒過程中會產生大量余熱，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。

工業余熱不僅可以解決北方地區缺熱問題，在工業領域也能實現一些節能、減碳、節水方面的功能。流程工業如鋼鐵、水泥等產生大量余熱;非流程工業如食品加工、紡織等，跟建筑一樣需要大量的熱量支持。2019年，非流程工業化石能源消耗達到1.5億噸標煤，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合。

工業余熱潛力調研與預測

對于流程工業的未來發展而言，鋼鐵、有色建材隨著經濟的發展，產業結構的調整以及人均存量的變化，未來能耗會逐漸下降，同時余熱量也會進一步降低，化工行業的未來化肥使用量會逐漸下降，塑料消費量會逐步提升，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展而言，輕工業消費量會逐漸增加，雖然隨著整個流程的優化，能源強度會下降，但總體會出現能耗大幅增加，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，到2050年預計有接近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。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，未來火電裝機共計8.4億kW，發電小時數1985h，余熱共計78.3億GJ;未來核電裝機共計2億kW，發電小時數7500h，余熱共計70億GJ。2019年數據中心電耗為1300億kWh，全年總排熱量約為4.7億GJ，未來預計增長到3000億kWh，排熱量10.8億GJ。當然也要考慮數據中心全年排熱，夏季排熱溫度較低情況下利用價值有待進一步分析利用，總體來看這個熱量也是有待于進一步利用。另外城市污水和垃圾也是非常好的低碳能源，未來垃圾熱電聯產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，考慮到未來人口發展，建筑面積增長以及綜合能耗指標降低，最終得到這樣一個結論：2050年，北方地區建筑面積達到200多億，總熱量37億GJ左右。隨著現在生活水平的提高，考慮到長江中下游流域和西部地區的供熱，整個建筑部門的熱需求達到50億GJ左右。

對于非流程工業用熱需求，目前國內沒有系統地梳理工業用熱的分溫度、行業的用熱需求。我們對紡織、造紙、醫藥、橡膠、食品制造等行業的工藝流程、用熱工序、溫度分布進行了調研。在此基礎上，估計目前整個非流程工業總需熱量接近30億GJ，未來隨著產量的發展接近70億GJ用熱量。同時，采用自上而下的方法，對紡織、醫藥、造紙行業用熱的地理分布進行了分市統計，發現這些行業的用熱主要分布在東部區域，西部和東北區域相對較少。

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。但是鑒于工業余熱量非常大，能夠解決部分生活熱水不失為好的低碳發展路線，當然具體的分析有待于看怎么做。考慮到未來城鎮化的進程，預計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，非流程工業用熱需求69億GJ，生活熱水用熱需求9.2億GJ。流程工業的余熱接近40億GJ，此外還有數據中心的余熱11億GJ，垃圾和污水的余熱2億GJ，調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，當前用熱需求分布和流程工業余熱量分布是有差異的，非流程工業用熱主要集中在東部，城鎮供熱集中在北方、長江流域，以及西部區域，余熱資源相對而言分布更廣一些，在河北、山東、山西、遼寧等重工業比較聚集的地方更多。各個區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域供熱技術來實現更好的余熱資源空間匹配問題。

在時間分布上，對于流程工業余熱而言，季節性差異不是太大，夏季相對較多一些，冬季相對較少。對于非流程工業用熱而言，季節性差異也不是太大，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，因此要對跨季節儲熱做一些重點分析。

此外，在熱量溫度的分布上，目前對于城鎮供熱而言，20℃～30℃熱量就足夠;對一些非流程工業而言，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換技術，滿足不同的用熱需求，也是未來需要探討的方向。

總結

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。當前工業余熱用于城鎮供熱技術成熟，且有良好的示范案例。如果要進一步把工業余熱利用推廣到非流程工業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、時間方面的季節性儲熱、不同品位溫度的轉換等問題。