化石燃料必須梯級利用

煤和天然氣，理論燃燒溫度在2000攝氏度左右。用于供熱，通常*高供水溫度在130攝氏度左右，如果把煤、天然氣拿來直接燃燒供熱，其溫差將在1800攝氏度左右，能源品位的損失，接近70%-80%。因此，把煤、天然氣直接燃燒供熱，是對能源的*大浪費，是*不經濟的。可是至今，這種狀況到處可見，不僅小型燃煤供熱遍地開花，就是新近“煤改氣”的大型燃氣供熱（鍋爐房總容量在幾百噸以上）依然如故。這種狀況不改變，我國供熱技術的落后面貌難以改觀。

煤和天然氣，*合理的利用方式，是梯級利用，即電熱冷聯供或AGCC即整體煤氣化聯合循環發電。如前所述，煤和天然氣，理論燃燒溫度都在2000攝氏度左右，*理想的利用方式是高溫段發電，低溫段供熱、制冷。對于通常的發電廠，發電效率一般在30%-40%左右，汽輪機后的乏汽壓力為0.006兆帕,飽和溫度為36攝氏度，其能源品位值只有總能源品位值的2.5%-5.0%之間，即發電潛力很低，但按數量分析，約占總熱量的50%左右，目前大多數情況，向大氣中排放。如果用于供熱、制冷，實現電、熱、冷聯供，全系統的熱能利用系數可提高到70%-80%，因此，這種電、熱、冷的梯級利用是化石燃料的*佳利用方式。根據國家發改委的有關文件，我國正在大力推廣大型機組（容量在200兆瓦-300兆瓦以上）的電熱冷聯供系統，這對于我國大中城市來說，是非常正確的。在加速城鎮化的建設中，我國勢必會有大量小城鎮涌現，人口在幾萬至十幾萬之間，對于這樣的城鎮，比較合理的供熱方式應該是小型背壓機組（容量在25兆瓦以下）的電、熱、冷聯供。經民間業內人員測算，這種機組，即使冬天聯運，夏天停運，經濟上都是合算的。如果這種供熱方式，能夠取得共識，那么我國相當數量人口的供熱民生問題，就會得到解決。

對于局部區域（如一定范圍的公共建筑或居民區），可以大力發展分布式能源系統。這種系統，利用小型燃氣發電機組（內燃機或小型燃氣輪機），一面發電，一面利用廢氣或冷卻熱量通過熱泵機組供熱供冷，解決本區域的電、熱、冷需求。以上不同方式的電、熱、冷聯供，既可以實現能源的梯級利用，又能夠覆蓋全社會的供熱需求。這種能源的梯級利用，應該作為國家的基本國策，用法律形式固定下來。

在發電廠中，能源品位值的*大損失是在電站鍋爐，通常發電主蒸汽溫度為550攝氏度左右，在鍋爐內，換熱溫差有1500攝氏度，能源品位的損失近50%，因此，提高發電廠的發電效率的主要技術措施是提高發電主蒸汽的溫度，但超高臨界、超超臨界的發電機組其*高主蒸汽溫度也只有600攝氏度多度，發電效率也不能超過40%-45%，受限的主要因素是汽輪機材質的耐溫程度。發電效率的進一步提高，要有待于金屬材料工藝的更大革新。

進一步提高電熱冷聯供的發電方式還有燃氣——蒸汽聯合循環。通常以天然氣為燃料。壓縮空氣與天然氣在燃燒室燃燒形成的高溫煙氣（約1200攝氏度-1350攝氏度），進入渦輪機膨脹作功發電。在燃汽輪機中排出的尾氣進入余熱鍋爐，產生的蒸汽在汽輪機中進一步發電。如果燃料采用煤，則先經過增壓氣化裝置產生煤的裂化氣，再做適當處理，如同天然氣一樣，進入燃氣輪機燃燒發電。這種以煤為燃料的燃氣——蒸汽聯合循環稱為AGCC。無論以天然氣為燃料，還是以煤為燃料，其燃氣--蒸汽聯合循環的高溫煙氣可達1000攝氏度以上，因此，發電效率都能在40%-45%左右。對于我國，無論積*推廣燃氣的燃氣——蒸汽聯合循環還是大力研發燃煤的燃氣--蒸汽聯合循環，都有很大的現實意義。

大力研發煤、天然氣的清潔燃燒

煤在燃燒過程中，要排放大量的煙塵和顆粒物。煤主要成分是碳，燃燒過程要生成2.1倍重量的二氧化碳。煤一般含有0.1%-2.0%的硫，燃燒過程要生成二氧化硫氣體排放至大氣，所有上述煙氣生成物，都是產生霧霾的重要因素。因此，燃煤將嚴重污染大氣。天然氣由于是氣體，容易與空氣混合，通常燃燒效率比較高。天然氣主要成分是甲烷,碳的含量遠比煤少，因此二氧化硫的生成量，只是燃煤的一半。因此，通常把天然氣稱作清潔燃料。但必須了解，天然氣的燃燒溫度常常在1300攝氏度以上，此時會產生大量的氮氧化物,這種氣體的排放，同樣是形成霧霾的重要因素，因此，無論燃氣還是燃煤，實現清潔燃燒都是非常重要的研發課題。

上世紀初至50年代，英國倫敦、美國洛杉磯都相繼發生了嚴重的霧霾天氣。兩個城市都為此發生過數百人的死亡事故。但是，經過幾十年的大氣治污，又重新換回了藍天白云。他們治理霧霾的基本經驗：一是高污染的產業搬家（移向發展中國家）；二是實行煤改氣。近年來，隨著我國經濟的高速發展，也同樣出現了嚴重的霧霾天氣。擺在我國面前的是如何正確借鑒國外的可行經驗？高污染企業向國外搬家，顯然不現實。目前我國主要采取的是“煤改氣”。但這幾年的實踐證明，我國在煤改氣的政策中，實際上存在兩個誤區：一是缺乏數量上的整體規劃。我國是個多煤少氣的國家，不可能全國的供熱都搞煤改氣。就算從國外進口天然氣，一年以4000億平方米計算，也只能滿足40個北京市（一年100億立方米用氣量）的用氣量。全國中小城鎮加起來，100個北京市都打不住。如果在全國范圍內，盲目推廣煤改氣，一但發生“氣荒”，就會犯下災難性的錯誤。二是沒有重視天然氣的清潔燃燒。有些決策者，以為只要煤改氣，大氣治污的問題就會迎刃而解，因此在執行中，放松了對燃氣的排放標準的嚴格控制（前些年，我國的排放標準始終≥100毫克3立方米）。結果，一個奇怪的現象，在北京出現了：2008年，北京首鋼尚未完全搬家，北京熱電廠仍然全部燒煤，但大氣仍然達到了二級標準，順利完成了奧運會的舉辦。但幾年以后的今天，首鋼完成了徹底搬遷，北京幾乎所有的供熱熱源全部實現了“煤改氣”，卻出現了史無前例的嚴重霧霾。這種沉痛的教訓，再次告訴我們，即使燒天然氣，也必須立足于清潔燃燒。

在國外，利用降氮燃燒技術，是使煤改氣政策獲得成功的關鍵技術，我國在推廣煤改氣的過程中，必須認真學習國外的先進經驗。研究表明，天然氣在預燃階段以及火焰的前、中段燃燒溫度一般在800攝氏度以下，氮氧化物生成量很少，只是在火焰的尾端，燃燒溫度在1300攝氏度以上，此時燃燒溫度愈高，氮氧化物的生成量呈指數形式直線上升。因此降低火焰尾部的燃燒溫度是降氮技術的關鍵。目前比較成熟的技術是分段燃燒或煙氣回抽。分段燃燒，是在火焰的前、中、尾端分別送入空氣過量系數為0.7、0.9和1.2,通過控制空氣量達到降低燃燒溫度進而減少氮氧化物生成量的目的。煙氣回抽是將降溫后的部分煙氣抽送入火焰尾部，其目的仍然是降低燃氣燃燒溫度，進而降低氮氧化物的生成量。為了提高降氮效果，常將兩種技術措施聯合使用。天然氣燃燒時，會有大量的水蒸汽產生（天然氣中的氫與氧化合生成）。一種新的建議，利用尾部蒸汽冷凝水，回抽送入火焰尾部，同樣可以達到降氮的目的。由于水的汽化潛熱比較大，降低燃燒溫度的效果會更顯著。有的單位在工程上采用了上述技術，氮氧化物的排放量達到了44毫克3立方米，可見，有很好的發展前景。

我國是產煤大國，20年-30年內，要改變以煤為主的能源結構，是比較困難的。在供熱行業，希望****的實現煤改氣也是難以想象的。因此，我國環境的改善在加大天然氣清潔燃燒的同時，還必須下決心進行煤的清潔燃燒技術的研發。過去我們對于煤的清潔燃燒，重點放在煙塵和二氧化硫的排放的限制上。現在看來是不夠的，燒煤也必須控制氮氧化物的排放（即脫硝）。對于脫硝技術，目前主要是在爐內噴入氨和尿素，通過催化或非催化還原反應，使氮氧化物還原為氮和水。對于煤的脫硫，目前已有多種方法，但還不盡如人意，必須繼續加大研發力度。爐內脫硫，多用于循環流化床鍋爐。實踐表明：在實驗研究階段效果較好，但在實際工程應用中，效果并不理想。主要原因是，在燃燒現場，煤粉與石灰粉難以混合均勻，進而影響了脫硫效果。在供熱行業，已經研制成功了煤粉鍋爐，燃燒效率可達92%，很有發展前途。如果在制粉工藝過程，加入石灰粉，就可在制粉的同時完成脫硫任務。由于在制粉過程中，煤粉與石灰粉能得到充分混合，其脫硫效率一定會明顯提高。目前，通行的脫硫方法是濕式脫硫法，為了提高脫硫效果，常常加大石灰水的循環量和噴淋強度，其結果是在煙氣的排放中增加了硫酸鈣的粉塵含量，使脫硫設備變成了新的霧霾發生器。所有這些問題，促使我們在煤、天然氣的清潔燃燒研發中，必須在技術上要有新思路、新創新。當前人們比較關注利用熱泵進行煙氣的余熱回收，并且取得了不錯的效果。如果我們大膽設想，利用化工行業的液態二氧化碳的低溫分離技術以及塔板設備，就可同時實現脫硫、脫硝以及余熱回收等多種功能，使鍋爐煙氣變成常溫空氣。這種清潔排放的新常態不是沒有可能。國家能源局印發了《關于促進煤炭安全綠色開發和清潔高效利用的意見》，這將預示著化石燃料的清潔燃燒，已成為國家的重大戰略舉措，從而增強了我們在這方面進行研發的信心與決心。

必須承認，所謂新型清潔能源，應該是在其放能的全過程，實現污染物的零排放。因此，煤、天然氣只要真正實現了清潔燃燒，它們同樣可以躋身于清潔能源的行列。

未來供熱的主要熱源應是工業余熱

我國工業能耗占全國總能耗的70%。如果按世界發達國家的能效50%考慮，我國工業余熱將是全國供熱能耗的3.5倍（供熱能耗按全國總能耗的10%計算）。如果全國的平均能效按30%考慮，則全國工業余熱也有全國供熱能耗的兩倍。因此，從數量上計算，未來供熱的主要熱源應由工業余熱來承擔是可能的。當然這還是一種設想，真正操作起來難度很大。排在首位的就是難在管理體制上，我國重要的工業企業，多數為央企。個個都是條塊分隔、“獨立王國”，要打破這種格局，有賴于全國的反腐、反壟斷以及體制的深化改革。

只就技術層面分析，主要的困難是兩點，一是遠離城市中心；二是多數品位較低（溫度在30攝氏度-40攝氏度），難以直接利用。因此，要使工業余熱應用于供熱工程成為可能，必須在技術上要有重大革新。*容易想到的是長輸供熱管線的技術研發問題。目前，我國正在山西、河北和山東等省市進行試點研究，如果單從技術角度考慮，是完全可行的。現在須要著重進行經濟效益的研究，除了考慮工業余熱費用的提高外，還應計算大氣治理的成本，這樣分析才是合理的。

要徹底解決遠距離輸送和低品位的問題，*根本的技術措施是對熱泵進行工藝上的重大革新。通常的熱泵，無論是電熱泵還是熱熱泵（溴化鋰吸收式制冷機），都存在某些局限性，無法同時承擔能量遠距離輸送以及品位提升的功能。從工藝上說，現在熱泵的四個熱力過程，即蒸發、冷凝、壓縮和節流，是作為一個整體，組裝成一臺機器，難以實現遠距離蓄熱（冷）、放熱（冷）功能。對于電熱泵，現在的制冷工質—氟里昂以及無氯的替代制冷工質，或者破壞臭氧層，成為淘汰物質；或者是溫室氣體，都不是理想產品。對于熱熱泵，溴化鋰溶液濃度在56%-62%之間，否則結晶，難以工作。由于濃度變化范圍過窄，導致發生器的加熱溫度必須在90攝氏度以上，直接影響了制冷效率。

為克服現有熱泵的上述缺陷，選擇更理想的制冷工質就顯得尤為重要。經過反復比較，筆者認為采用液態二氧化碳作為新的制冷工質，將有很大的發展前途。提起二氧化碳作為制冷工質，其實并不是新的創想，早在利用氟里昂之前，前人就已研究過了。由于二氧化碳的臨界（在臨界點汽相、液相合一）壓力過高（大于7.2兆帕）,臨界溫度過低（31.1攝氏度），整個制冷過程是在跨臨界循環下運行，因此制冷機組的工作壓力過高，從安全角度考慮，后來被氟里昂等制冷工質代替。近年來，環保要求將處于更重要的地位，因此，重新起用如二氧化碳一類的天然制冷工質，已被愈來愈多的業內人員所關注。

二氧化碳作制冷工質具有獨特的優點：**，它是地球生物圈的組成物質之一，具有無毒、無臭、無污染、不爆、不燃、不腐蝕，對大氣臭氧無損害（ODP=0），溫室氣體指數只有GWP=1（氟里昂及其替代物GWP都在93-1900），它還具有優良的熱物理性質：容積制冷能力qv=15429.2千焦3立方米,是氟里昂R22的7.4倍；在零下40攝氏度下，其液態黏度是5攝氏度水的138,即使在較低的流速下，也可形成湍流流動，提高了傳熱性能。根據上述二氧化碳的基本特性，我們應該按照揚長避短的原則，盡量發揮其制冷能力強、蓄熱能力大、傳熱性能高、輸送成本低的優勢，將熱泵的四個熱力過程，拆散了應用。

在利用二氧化碳作熱泵工質進行工業余熱供熱供冷過程中，回避了二氧化碳在氣態下壓力過高、溫度過低（臨界溫度為31.1攝氏度，臨界壓力為7.2兆帕）弱點，著重利用其氣化潛熱大、制冷能力強、蓄熱能力多、黏滯系數小、傳熱性能高等特點。例如，一臺300兆帕的發電機組，冷卻汽輪機乏汽汽量560噸3小時，需要冷卻循環水量為6.2萬噸3小時（溫差從25攝氏度升為30攝氏度），如果采用液態二氧化碳，只需5100噸3小時（溫度從零下46.5攝氏度提升至14.2攝氏度，溫升60.7攝氏度）即可。

上述工藝流程，只是基本原理，具體細節還需進一步深化。當然，還有液態二氧化碳的制備問題，這就需要跨行業的協作。