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低碳转型是我国城镇供热管网绿色发展之路

彭在美

我国城镇供热行业属于“三高一低”——高能耗、高排放、高投入、低效率的行业。有关统计显示,2020年,我国建筑业运行阶段CO2排放量为21.7亿吨,其中化石燃料燃烧排放6.9亿吨,而城镇供热系统化石燃料排放量占到总化石燃料燃烧排放量的76%。

我国北方城镇采暖热源主要来自热电联产和各类燃煤、燃气锅炉。其中,燃煤供热比重达70%~80%。据有关研究部门测算,2018年,北方城镇供暖能耗为2.12亿吨标准煤,CO2排放量为5.5亿吨。

截至2020年底,我国北方城镇供热面积约147亿平方米,农村供热面积为70亿平方米,共计217亿平方米,年耗能约2.8亿吨标准煤当量,CO2排放量为7.26亿吨。我国南方地区供暖需求呈爆发式增长,预计到2030年,我国南方地区包括区域供暖用户数量共计将达到9700万户左右,届时将CO2排放超过7000万吨。

在近期召开的碳达峰、碳中和与清洁供热绿色发展国际峰会上,有关专家指出,供热领域绿色化可从4个方面入手:超前布局区域供热管网规划,并分步实施改造,适应未来零碳供热的形势需求;高能耗建筑的节能改造;热力末端减少过量供热;深度挖掘电厂余热、工业余热,获取足够的零碳热源。

彻底改变能源结构是集中供热系统低碳化的根本途径

区域集中供暖作为节约能源、减少污染物排放的高效供热系统,是当前分步实施改造的重点领域。根据住房和城乡建设部于2020年12月份发布的《2019年城市建设统计年鉴》和《2019年城乡建设统计年鉴》,截至2019年底,我国集中供热面积约110亿平方米,较2018年增长6亿平方米,增长率约5.78%。其中,北方地区城市集中供热的平均单位面积供暖能耗为14.5千克标准煤/平方米,较2015年的17.8千克标准煤/平方米降低了18.5%。据统计,我国每年新增城镇集中供热面积在3亿平方米~5亿平方米,但新增热源超50%与燃煤有关。

集中供热面积的增长有两个方面,一个是新增长的面积。其中,全国居民社区,例如重庆市渝北区投资80亿元,在社区建设能源供应站,通过管道集中供应暖气或冷气,5年内分布式覆盖居民楼面积达1000万平方米;全国各类工业园区从国家级到镇级约1万多家,需要新建集中供热(冷)区,例如,陕西省蒲城县高新技术产业开发区投资1.6亿元建设供热项目,提供工业用蒸汽。另一个是老旧供热管网改造。例如辽宁省沈阳市供热管网总长约1万多公里,局部存在保温层破损、钢管壁受腐蚀以及超期服役等问题,需要进行改造。河北省计划3年内改造供热管网4891公里,例如沧州市热力有限公司和昊天热力发展有限公司2021年将改造该市73个老旧小区供热管网,改造面积约277.7万平方米。

集中供热系统要实现低碳化,有两方面的工作要做:一是提高能效。目前我国供热系统的平均能效约30%,最大挖掘潜力在于供热管网实现“三零”——零节流、零过流量、零过热量,归根结底要提高管网输送效率。二是使用清洁能源作为热源。

目前我国正在改变能源结构,由燃煤、燃油、燃气的热源结构,转变为水、风、光、核电和生物质能等清洁的热源结构,摆脱对化石能源的依赖。

尤其自2016年以来,我国清洁取暖率得以快速提升。有关研究单位统计数据显示,2016年,我国清洁供暖面积为69亿平方米,清洁供暖率为34%;到2020年,我国清洁供暖面积已达到144亿立平方米,清洁供暖率为65%。

实现供热低碳化的主要途径:清洁电力+余热利用

实现供热低碳化的总体思路就是要取消各类燃煤燃气锅炉,尽可能依靠清洁电力实现低碳供暖,同时深度挖掘各种余热资源。从操作层面,未来国内尤其是北方城镇供暖热源将由核电、调峰火电余热、电驱动热泵等协同组成。

清洁电力的希望寄托于新能源。有专家期望,未来40年光伏、风电等清洁能源的整体比重从目前的10%提高到70%以上。国外对发展风电存在争议,目前欧洲一些国家认为风电会破坏生态平衡;国内风电、光伏的能源优势在西北地区,而大多用户集中在北方和东南沿海地区。因此,有专家建议将发展清洁电力的重点放在核电。

根据《核电中长期发展规划》,到2020年,我国核电装机容量达到5800万千瓦,排在美国、法国之后,居第3位。2019年中国大陆在运核电机组有47台,目前在建机组有11台,总装机容量为1134万千瓦。2019年上半年,已有福建漳州和广东太平岭核电站核准开工,2021年5月19日江苏省连云港田湾核电站扩建工程开工。有资料显示,目前各地筹建中的核电站达到25个。2030年,中国核电站的总装机容量将达到1亿千瓦以上。

据中国工程院院士、中国城镇供热协会副理事长江亿测算,若充分利用1亿千瓦核电产生的1.5亿千瓦余热和1亿千瓦调峰火电产生的4.5亿千瓦余热,再辅之以用燃气末端调峰,即可为北方地区160亿平方米建筑提供所需热源;而其余则可采用多种电驱动热泵、工业低品位余热、中水水源热泵、垃圾焚烧炉等热源满足。笔者具体诠释如下:

所谓“调峰火电”,主要指我国600摄氏度以上蒸汽参数的超超临界(USC)机组,占全球同类装机的80%以上。目前我国正在对700摄氏度(USC)发电技术进行攻关,推进60万千瓦超超临界CFB对发电示范应用,已达到650摄氏度/105小时阶段,逼近700摄氏度目标值。发展方向是100万千瓦、120万千瓦和160万千瓦超超临界机组,以达到效率最高、排放为零的世界最先进的火电水平。

所谓“燃气末端调峰”,就是燃气热电联产机组。2021年3月31日,哈尔滨举行黑龙江省首例大型引用俄气供暖工程启动仪式,积极推动燃气调峰电站项目建设。该工程可利用天然气3亿立方米,新增供热能力1200万平方米,可满足以深哈产业园区为核心的环西片区供热需求;2020年7月30日,济南能源集团正式挂牌成立,4家公司(济南热力集团、济南热电公司、济南港华燃气公司、山东济华燃气公司)统筹供热供气,都起到燃气末端调峰的功能。

所谓“多种电驱动热泵”,如河北省任泽区地源热泵供能项目、河北省邢台市信都区新型地源热泵清洁能源供暖项目等,后者室外钻井总数量约1087个、钻孔深度150米、钻孔面积18600平方米,涉及供热面积23.3万平方米、供热负荷9300千瓦。

所谓“中水水源热泵”,如河北乐亭余热供热和中水回用综合管网建设项目,新建泵站1座,热力管网DN(公称直径)为1200毫米,长度为21.4公里;中水一次管网DN为800毫米,长度1.2为公里;中水二次管网DN为1000毫米,长度为20.2公里。

所谓“垃圾焚烧炉”热源,如河南省济源市生活垃圾焚烧发电厂项目;黑龙江省望奎县镇和佳木斯市抚远县各建设的一座生物质热电联产项目,设计规模均为30兆瓦;山东省建设2×15兆瓦生物质热电项目,包括两台75吨/小时高温高压秸秆直燃循环流化床锅炉,两台15兆瓦凝汽式汽轮发电机组。

这里所谓“工业多品位余热”,是指工业余热余压高效回收利用,高温烟气净化回收利用,冶金行业各种生产工序的余热余压能量回收等。目前,工业余热回收的方法主要有热交换、热工交换,以及通过热泵将热能直接用于供热,主要用于低温余热收集。工业余热利用多为蒸气发电系统。

钢铁企业实现煤气、蒸汽等热能回收利用,使得98%以上的资源得到深度开发。例如山钢集团实施“焦炉上升管荒煤气梯级换热中压蒸汽回收关键技术的开发与应用”项目;沙钢集团与70多家企业实现蒸汽资源共享;河北邢台德龙钢铁公司高炉冲渣水余热供暖项目,可向周边面积达200多万平方米的居民住宅供暖;山西省吕梁市中阳钢铁公司充分利用高炉冲渣水、烧结、转炉等生产工序的余热,接入中阳县城集中供热设施,增加了集中供热面积,淘汰了数百台采暖燃煤小锅炉,使企业绿色发展的效益从内部延伸到社会。

中国首创水热联产技术结合大型跨季蓄热装置。此前,国家电投山东核电与清华大学联合建设的“水热同产同送”科技示范工程在山东海阳投运。其通过对核能进行先发电、后制水、再供暖的三级高效利用,为世界“零碳”能耗供热+“零碳”能耗制水提供了“中国方案”。

据江亿测算,水热联产技术结合大型跨季节储热,1亿千瓦的核电厂可年产100亿吨淡水,可为100亿平方米建筑供热,且成本只有“南水北调+热电联产”的50%,将为我国北方沿海地区彻底解决水资源问题、零碳供暖问题提供新思路。

“核电供热改造为远距离供热”项目有福建福清、连云港田青、浙江秦山等。例如秦山核电核能综合利用项目——核能供暖节能改造项目,建设地点位于浙江省嘉兴市,建设周期为2021年~2022年,供热水主管线长约14.5公里、管径为DN600毫米,并配套建设有厂外热力站等。

供热有季节性的特点,因此,大量的核电、工业等余热,都应高效存储于冬季供暖,而利用大型跨季节蓄热装置回收大量余热资源,将使原本仅能运行3个~4个月的余热回收装置实现全年运行。

有专家建议,一是在沿海地区建设若干大型跨季节蓄热装置,开发利用沿海地区核电、火电、钢铁企业余热资源,理论上可为80亿平方米建筑供热;二是在北方地区建设若干大型跨季节储热装置,开发利用现存的3亿千瓦火电,可以得到4亿千瓦热量,也可以为80亿平方米建筑供热;三是在中西部地区建设若干中型跨季节蓄热装置,开发利用钢铁、有色、化工、机电产业和垃圾焚烧等余热,有望为10亿平方米建筑供热。

城镇供热系统碳达峰、碳中和的愿景。城镇供热系统力争于2030年实现城镇分散煤炉基本清零,到2035年城镇供暖累计替代煤1.1亿吨,基本实现农村地区无煤化,实现城镇供热领域清洁化。因此,全国要关停的各类煤炭、燃油小锅炉多达100万台。例如河北省辛集市主城区散煤替代集中供热(含保障房)项目,天津市武清区燃煤供热站改燃天然气管网配套工程,陕西省延安市黄陵县黄花沟村、虎尾村、张寨村等煤改气供热站项目等,为在全国逐步建立清洁取暖长效机制提供了有效经验。

目前,全国各类燃煤电厂达8000多家,每年将有数百家实施改造,上马热电联产集中供热供汽项目。“十三五”期间,我国对9.5亿千瓦的燃煤发电机组进行了改造,建成全世界最大的清洁发电体系,对京津冀及周边地区的冬季清洁取暖的散煤替代完成了2500多万户的相关设施改造。因此,城镇供热系统碳排放将先于建筑业实现碳达峰,与电力系统同步实现碳中和,与电力系统同步进入碳市场。

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