京津冀及周边地区中低品位工业余热资源潜力与利用分析

蒋习梅1,熊华文2,王健夫 1,苏 楠 3

Energy of China - - 专家分析 -

(1. 国瑞沃德(北京 )低碳经济技术中心,北京 100053;2. 国家发展和改革委员会能源研究所,

北京 100038;3. 华夏银行股份有限公司,北京 100005)

摘要:我国工业领域余热资源丰富,高温余热利用已经取得显著成效,中低温余热资源

量大、面广且未得到有效开发,大力推广中低温余热利用是实现我国“十三五”节能目标和能源消费革命的重要途径。本文以京、津、冀、晋、鲁、蒙、豫7 省市区 5 大高耗能行业为研究对象,测算了中低品位余热资源潜力,探讨了资源利用方式,分析了工业中低品位余热利用问题,提出了相关建议。

关键词:中低品位工业余热;资源潜力;利用方式;分析评价

中图分类号:F426 文献标识码:A 文章编号:1003-2355-(2017)09-0032-05 Doi: 10.3969/j.issn.1003-2355.2017.09.006

Abstract: There is rich waste heat resource in industry sector in China. High-temperature waste heat recovery has seen significant success, however, low and medium temperature waste heat has not been developed effectively, despite its huge resource in wide ranges. To promote low and medium waste heat recovery is an important path to achieve the 13th Five-year’s energy saving targets and Revolution of Energy Consumption and Production. This paper takes five high-energy-consumption industries in Beijing, Tianjin, Hebei, Shanxi, Shandong, Inner Mongolia and Henan provinces as objects and presents analysis of waste heat potential, resource utilization methods and problems in low and medium temperature waste heat recovery in industry sector, and provides its comments and suggestions.

Key words: Low and Medium Temperature Waste Heat Recovery in Industry Sector; Resource Potential; Utilization Methods; Analysis and Evaluation

0 引言

2015 年,我国工业能源消费量为 29.2 亿 tce,占全国能源消费总量的 67.9%。其中,钢铁、有色金属、建材、化工和石化、电力5 大高耗能行业能耗占工业总能耗的比重为 75.8%[1] ,工业生产过程中大量的能源以各种形式余热被排放到大气中。随着技术及装备的进步,工业领域高温余热资源利用取得了较大的成绩,但仍有大量中低温余热资源未得到有效利用,初步估算,余热资源利用率不足 50%,能源浪费巨大。“十三五 ”时

期,我国仍处于治污染、削煤炭的关键时期,深入挖掘工业节能潜力,大力推广中低品位余热利用,可进一步提高工业企业能源利用效率,降低企业生产成本。

1 工业余热资源利用现状

1.1 我国余热资源量丰富,尚有较大开发空间我国工业余热资源丰富,研究结果显示 [2],截至 2015 年底,我国工业余热资源总量为 98712万 tce ,其中高品位余热资源量占比约40% ,中低品位余热资源量占比 60% ;已开发利用总量为

收稿日期:2017-07-10

基金项目:世界银行/ 全球环境基金华夏银行节能融资项目(编号:HXB-201610);作者简介:蒋习梅(1983-),女,国瑞沃德(北京)低碳经济技术中心政策研究部工作,主要从事能源政策相关研究工作。

42570 万 tce,工业余热资源利用率达到 43%。已开发利用量中属高品位余热的超过80%,也就是说,高温余热基本得到充分利用,如高炉炉顶差压发电、水泥余热发电等已经基本普及,而大量的中低品位余热资源还有待开发利用。

1.2 中低品位余热开发是未来余热利用的重点方向

随着节能工作的不断深入,近年来中低品位余热资源的开发利用成了工业领域节能的热点和重点,一些高校、科研院所联合企业在供暖、制冷、发电以及海水淡化等方面开展了有益的尝试和探索,并取得了显著成效。实践表明,工业中低品位余热供暖的热源成本远低于燃煤和天然气,在经济和技术上均具有较好的可行性。随着技术的突破以及示范案例的成功,中低品位余热资源的开发利用有望大大加速。

1.3 政策环境为中低品位余热开发利用创造了条件

我国正在大力推进生态文明建设,切实落实节能优先战略,努力探索绿色、低碳、可持续发展道路。中低品位余热利用是我国落实节能优先战略的重要内容,国家发展和改革委员会和住房城乡建设部于 2015 年 11 月联合印发了《余热暖民工程实施方案 》(发改环资〔2015〕2491 号),提出“十三五”期间通过集中回收利用中低品位余热资源,减少供热原煤消耗 5000 万 t 的目标。2017年 5 月,财政部等四部委印发了《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》(财建〔2017〕238 号 ),将重点支持京津冀及周边地区大气污染传输通道“2+26”个城市开展包括工业余热采暖在内的清洁取暖试点工作。一系列政策文件的出台,为余热资源开发利用提供了良好的发展机遇。

2 京津冀及周边地区中低品位余热资源潜力分析与利用评价

近年来,我国雾霾天气频发(尤其是北方冬季供暖季)引起了国家的高度重视。为了切实加大京津冀及周边地区大气污染治理力度,2017 年国家环保部会同京津冀及周边地区大气污染防治协作小组共同制定《京津冀及周边地区 2017 年大气污染防治工作方案 》(以下简称《方案 》),明确提出全面推进冬季清洁取暖工作。

2015 年,京津冀晋鲁蒙豫 7 省市区能源消费总量为 143585 万 t[3-10],占全国能源消费总量的比 重为 33.4% ;工业能源消费总量为 104232 万 t[3-10],占全国工业能源消费总量的比重为 35.3%。考虑到 7省市区占全国能源消费比重较大,且在区域上属于冬季雾霾天气频发,有供暖需求的夏热冬冷地区,因此,本文着重对7 省市区钢铁、有色金属、建材、化工和石化、电力等5 大高耗能行业余热资源潜力及利用状况进行详细探讨分析。

2.1 分析方法介绍

2.1.1 中低品位余热的界定根据《工业余热术语、分类、等级及余热资源量计算方法 》国家标准(GB/T 1028-2000),本文所指的中低品位余热是指工业行业生产过程中,以环境温度( 25℃)为基准,各主要生产工序排出废气(温度 <250℃)、废水(温度 <120℃)、废渣(温度 <400℃)等热载体可释放的热量。

2.1.2 行业选择工业行业的选择主要考虑三点因素:一是行业能源消费规模,二是行业余热资源量的估计判断,三是中低品位余热资源的潜力。

基于以上三点,本文选择对以下行业进行余热资源的调查分析:钢铁行业;建材行业中的水泥子行业;化工和石化行业中的甲醇、合成氨、炼油3个子行业;有色金属行业中的铜冶炼、铅锌冶炼2个子行业;电力行业中的火力发电子行业。

2.1.3 产品产量权威机构研究结果显示,我国高耗能工业产品产量接近峰值,本文中按未来新增产能与淘汰落后产能相抵考虑,以 2015 年产品产量为测算分析依据。

2.1.4 分析方法本文采取专家估算和抽样调研相结合的方法,确定各行业单位产品余热排放量。

各行业中低品位余热资源潜力是 2015 年实际产品产量与行业各工序未回收利用的单位产品中低品位余热资源量求和的乘积。

n

Ep= ∑ [Qi× [∑ i=1eij×δij]]

式中:

Ep—中低品位余热资源潜力; i —行业,钢铁、有色、建材、化工和石化、电力; ej—工序; ij—工序余热资源量,kgce/t

; Qi—产品产量,t ; δij —工序未回收利用的中低品位余热资源

量所占百分比,%。

2.2 余热资源潜力

2.2.1 资源总量

据本文测算,7 省市区 5 大高耗能行业中低品位余热资源折合标准煤为 24542 万 t,余热资源平均开发利用率仅为 19.1%,仍有 19836 万 tce 的余热资源量有待开发,占7省市区工业能源消费总量的 19.0%(见表 1)。

近 10 年来,中国城镇能源消耗年增长率保持在 10% 左右,其中北方地区集中供热能耗已超过2 亿 tce,随着中小城市的热化率提高,特别是新型城镇化建设的加快,预计未来几年内,仅北方地区集中供热领域就将新增能耗 2 亿 ~3 亿 tce[11]。我国北方地区冬季供暖的 80% 来自于热电联产集中供热,集中供热终端用户所需供水温度往往在50 ℃ ~60 ℃左右,恰恰与工业企业低品位余热的能量品位相当,这为工业低品位余热承担城镇居民冬季采暖提供了技术前提。

若“十三五”期间,可开发利用中低品位余热资源中 50% 用于城镇居民供暖,按居民供热平均煤耗 15.1kgce/m2 计 [12] ,可满足 65 亿 m2 的采暖需求,相当于北方地区全部供暖面积的54%,节约能源成本超过 400 亿元,同时减少 CO2 排放5 亿 t、减少 NOX 排放 138 万 t、减少 SO2 排放158 万 t,具有良好的环境效益和社会效益。

2.2.2 开发利用状况

从开发利用率来看,7省市区中低品位余热资源回收利用率在 10%~30% 之间,见表 2。河北、 天津、山西、山东等省市区中低品位余热资源回收利用率相对较高,超过了20%,但仍然有进一步扩大利用的巨大潜力和空间。

从地域分布来看,由于产业结构的差异,余热资源量分布不均衡,资源的供需匹配受行政区域的约束和限制。以河北省和山西省为例,山西省大同市、长治市、朔州市、阳泉市和侯马市中低品位余热资源量较少,5座城市余热资源量占全省资源总量的 1%左右;河北省唐山市、石家庄市、邯郸市、邢台市 4 座城市余热资源量较多,占全省余热资源总量比例的 36%。从区域分布看,上述城市相邻,但跨区域能源协作机制尚未建立,余热资源优化利用面临行政区划制约。

从各行业余热资源利用情况看,钢铁、有色金属行业中低品位余热资源回收在经济上有合理性,在技术上有可行性,因此利用率达到 30% ;而水泥行业中低品位余热资源主要集中在窑筒体散热,回收难度较大,且投入产出不合理,因此利用率较低。从未来可开发利用资源量规模看,电力行业可开发利用的中低品位余热资源潜力占未开发资源量之首,占比约 56.9%,其次是钢铁行业,占比约 17.4%,见图 1。

2.3 利用方式评价目前,中低品位工业余热主要利用方式包括余热制冷、余热供暖、余热发电、冷热联供以及海水淡化等。主要技术包括热泵技术、吸收式制冷技术、变热器技术、蓄热技术。

(1)余热用于制冷。余热温度品位低,仅用于企业生产工艺的少量供冷,在远距离输送方面不具备经济性。

(2)余热用于发电。主要采用螺杆膨胀机发电技术,这项技术仍然在不断完善,其主要缺点是自用电较大,发电效率较低,使得发电利用的经济性受到一定的影响 [13]。

(3 )余热用于供暖。由于供暖对热源温度要求低且技术较为成熟,主要采用吸收式热泵技术,近年来得到了较好的应用,但其仍受三个方面的限制,一是企业与城镇之间的距离,距离为 20km以内为可接受的范围;二是一次管网的投资较高,占总工程投资超过60%,三是受企业主营业务的生产及运行情况影响。该种方式技术可行,经济合理。

(4)余热用于海水淡化。受工业企业的区域限制,内陆区域企业无法通过此途径利用余热资源。另外,余热用于海水淡化整体成本较高,制约了其大规模开发利用。

综上比较,虽然各种途径和技术趋于成熟,但都有一定的适用条件,应当根据工业余热温度、余热量,结合生产条件、工艺流程,选择合适的余热利用方式。余热用于供暖是目前技术成熟、经济合理的最优利用方式。充分回收利用工业中低品位余热为城市集中供热,不仅为北方地区大规模增长的供热需求提供了解决途径,也为实现我国城镇集中供热方式向可持续发展模式转变提供了基本思路,同时为高耗能企业实现大幅度的节能减排、降耗增效提供了新途径。

3 存在的主要问题

3.1 余热资源量状况不清,影响了规划和政策出台

尽管国家层面发布了《余热暖民工程实施方案》和《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》等政策文件,但尚未出台配套的实施细则。另外,大多地方政府并不详细掌握其省内余热资源量数据,对余热利用重视度不够,导致在中低品位余热资源开发和利用方面的规划及相关政策滞后,影响了中低温余热的开 发利用。

3.2 现行标准规范不完善,制约了技术的推广应用

《工业余热术语、分类、等级及余热资源量计算方法》国家标准将余热资源利用按照投资回收期划分为 3个等级,一等余热资源投资回收期较短(<3a)优先回收,二等余热资源投资回收期3~6a 尽快回收,三等余热资源投资回收期 >6a 视情况回收。标准中并未对余热资源梯级利用以及技术的适用和发展方向形成制约和引导作用,在一定程度上制约了余热的推广应用。

3.3 余热资源开发投资大,阻碍了行业大规模开发

以余热供暖项目为例,由于多数工业企业余热热源与居民区有一定距离,初期改造工程一次管网投资较大,每公里管网投资超过 1000 万元,且 2016 年国家能源局提出加快推行北方地区清洁供暖,这意味着,供热企业需要增加脱硫脱硝方面的投资,而国家没有相应的补贴政策,导致整个行业发展受阻。

3.4 体制机制尚不完善,导致了利益格局难打破

我国现有的一些体制机制对中低温余热利用形成一定制约。以余热供暖为例,我国城镇居民冬季采暖多属市政集中供热,若用余热替代燃煤锅炉供暖,将涉及不同行业、企业及政府部门,需打破原有的供热格局,利益协调难度大。

4 主要建议

4.1 统筹规划中低品位余热资源的开发利用深入开展余热资源和热负荷需求调查摸底工作,全面分析区域内主要耗能行业余热资源的种类、品质、数量、连续性、稳定性、分布、供需情况,组织制定工业中低品位余热资源开发利用总体方案,按照余热梯级利用的基本原则,确定技术经济合理的开发目标,对区域内及跨区域中低品位余热资源整体规划,优化整合。制定合理定价机制,使参与者共担责任、共享效益,从而吸引更多的社会资金共同参与 [14]。

4.2 加快中低品位余热资源利用标准体系建设现阶段,标准制定部门正组织修订GB/T 1028-2000,建议新标准应以推动技术进步、余热梯级利用为出发点和着力点,解决现有标准中的不足与缺失。尽快研究制订工业余热资源利用亟需的标准,包括工业余热回收利用通则、工业余

热利用设备选型通则、余热回收设备测试及热工评价标准等。

4.3 加大对中低品位余热研发投入和资金支持

建议发挥国家和省级企业技术中心的研发优势,努力打造一批创新能力强、带动作用明显的研发平台,为低温余热利用提供有力技术支撑;政府科技主管部门应加大对低温余热利用成套装备及配套设备研发、关键共性技术和先进制造技术的研发投入;动态跟踪和了解工业中低品位余热利用技术的最新发展,及时将先进实用的低温余热利用最新技术纳入国家鼓励推广的节能技术推广目录。

此外,鼓励金融机构创新绿色信贷产品,定向加大对工业中低品位余热资源利用项目的信贷支持;引导各类产业基金、政策性贷款、国际援助资金等增加对低温余热利用领域的投资。

4.4 突破体制机制壁垒,推动产业有序发展从顶层设计出发,政府层面引导和指导地方加快供热体制改革,打破利益共同体以及行业垄断,形成有利于清洁供暖的体制机制,未来需要打破区域间的行政壁垒,建立区域能源合作机制,在区域协同发展格局下统筹优化余热资源,加大域外引热、域外供热力度,促进中低品位余热利用产业有序发展。

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