PDF《中国分散式民用供热技术现状分析》

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401 中国分散式民用供热技术现状分析 刘新华1* 韩健1,2 张楠1 王晶晶1,2

1 中国科学院过程工程研究所 北京

100190 2 中国科学院大学 化学工程学院 北京

100049 摘要 民用散煤污染是造成北方地区严重灰霾天气的重要原因之一,因此各地政府积极推进散煤替代,尤其 是在京津冀地区大力推广所谓 清洁能源 ,进行煤改电/气相关工作,在周边地区则推行使用优质无烟煤或 兰炭,但效果并不理想.

文章对我国几种典型分散式民用供热技术进行了对比分析,认为推行煤改电/气需要 考虑当地资源、地理和经济条件以及生活习惯,且最关键的是要在经济上可承受;

在经济相对落后的边远农 村地区推广诸如在解耦炉等环保炉具中燃烧烟煤型煤进行清洁供暖应当成为一项长期政策,以从根本上解决 我国农村的散煤污染问题. 关键词 散煤污染,分散式供热,解耦燃烧,烟煤型煤 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.04.004 *通讯作者 资助项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA21040400) 修改稿收到日期:2019年3月21日 化石能源清洁高效利用 Clean and High Efficient Utilization of Fossil Resource 为了降低民用散煤燃烧污染,各地政府积极推进 散煤替代.尤其是在京津冀地区大力推广所谓 清洁 能源 ,进行煤改电/气相关工作,在周边地区则推 行使用优质无烟煤或兰炭,然而效果并没有预想中的 好.事实上,并不存在绝对意义上的清洁能源.电和 天然气被称为清洁能源是相对煤炭而言的,况且煤炭 燃烧造成大气污染也并不完全是煤炭本身的问题,而 是与煤炭能源利用系统密切相关.因此,本文将对我 国分别以电和天然气为代表的清洁能源以及以无烟煤/ 兰炭和洁净型煤为代表的煤炭燃料作为热源的分散式 民用供热技术进行对比分析,从而为我国散煤污染治 理政策的执行和完善提供参考.

1 民用供热背景 近年来,随着居民生活水平持续提高和城镇化 的不断发展,我国冬季供暖面积以年均约10%的速度 飞速增长,采暖区域甚至由传统的黄河以北扩展到 了长江以南.截至

2016 年底,我国北方地区城乡建 筑取暖总面积约

206 亿平方米.其中,城镇建筑取 暖面积

141 亿平方米,农村建筑取暖面积

65 亿平方 米[1] . 由于中国能源 富煤、贫油、少气 的结构特

402 2019 年.第34 卷.第4期征,北方地区取暖主要以燃煤为主,且在广大农村和 一些城乡接合部大多使用燃煤炉具分散供热.据不完 全统计,在我国 1.6 亿户农村居民家庭中,采取分散 采暖模式的约有

9 300 万户,其中燃煤采暖约

6 600 万户,年散煤使用量约

2 亿―3 亿吨,占到煤炭终端消 费量的 10% 左右[2] .传统民用燃煤炉具热效率一般不 足40%,在燃烧劣质煤过程中产生大量以氮氧化物 (NOx )、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)以及颗 粒物(PM)等为主的空气污染物.但由于是刚性需求 且缺乏有效控制,传统民用燃煤炉排放的污染物却占 到燃煤污染物排放总量的 30%―50% 以上,是造成严 重灰霾天气的重要原因之一[3-5] .

2016 年12 月21日,习近平总书记主持召开中央财 经领导小组第十四次会议时指出,推进北方地区冬季 清洁取暖问题是大事,关系广大人民群众生活,是重 大的民生工程、民心工程.为确保北方地区群众安全 取暖过冬,2018 年7月3日国务院印发《关于印发打 赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》(国发〔2018〕

22 号),指出 坚持从实际出发,宜电则电、宜气则 气、宜煤则煤、宜热则热,确保北方地区群众安全取 暖过冬 . 目前,清洁取暖主要是指利用天然气、电、洁净 煤炭等清洁化能源,通过高效用能系统实现低排放、 低能耗的取暖方式.清洁取暖包含以降低污染物排放 和能源消耗为目标的取暖全过程.从实际出发就是要 因地制宜,对于具有集中供热管网、建筑密度高的大 中型城市可采用集中供热方式;

而在受经济、地理条 件和生活习惯限制的城乡接合部和乡村,就需要采用 分散式供热方式[1] .

2 分散式电/天然气供热可行性分析 电作为一种非常清洁的能源,在采取直接加热取 暖过程中的热转化效率几乎可以达到 100%,且没有任 何污染物排放.我国

2018 年的总发电量高达 7.08 万亿 千瓦时,其中燃煤发电量 4.92 万亿千瓦时,占比达到 了69.5% 左右[6] .相对于化石燃料来说,电是一种高品 质的能量形式.这种从低品质能量到高品质能量的转 化过程中,必然伴随着不可逆的能量损失.即使是目 前我国最先进的燃煤发电厂,其发电效率一般也不超 过40%.因此从能量利用角度来说,用电来取暖非常 不经济.而天然气虽然在燃烧过程中 SO2 和PM 的排 放量极低;

但由于其较高的燃烧温度,会在燃烧中将 空气中的氮气氧化成 NOx.因而,天然气也并不是绝 对清洁的能源. 2.1 煤改电/气的前提条件分析 采取煤改电/气的措施来进行散煤污染治理必须首 先考虑至少两个前提条件:是否具有充足的电/气资 源,以及是否具备将其输送到分散热用户的条件.这 也是从实际出发、因地制宜原则的体现. (1)不具备充足的电/气资源.以京津冀及周 边地区为例,国家电网公司在该区域重点实施城市 棚户区和农村煤改电累计达

126 万户时,这种大规 模煤改电已经对当地电网运行造成了巨大压力,甚 至使当年区域电网冬季最大负荷首次超过夏季尖峰 负荷,给电网的安全运行带来隐患[8] .而对于使用 天然气来说,从全国范围来讲,2005―2010 年国内 天然气商品量年均增长 17%,而同期天然气需求量 却增长 26%.预计到

2020 年,天然气需求量将达 到2000 亿立方米,而同期产量却只能达到

1 100 亿 立方米,缺口

900 亿立方米[7] .因此,我国的天然气 资源总量不足以支撑全国范围内的大规模煤改气工 作. (2)不具备将资源输送到分散热用户的条件. 根据北京市农村工作委员会

2013 年6月提供的数据, 北京市远郊区县现有行政村庄

3 590 个,2020 年将整 合成

1 906 个.其中,约有 l

409 个村处于平原地区,

497 个村处于山区.从人口居住集中性、气源条件、 规划道路等多种因素初步判断,即使在北京市平原地 院刊

403 区农村也有约 40%―50% 的村庄不具备市政天然气管 道铺设条件,更不用谈那些具有天然地理屏障的山区 村庄[9] .显然,即使是在集中推行煤改电/气的京津冀 及周边地区,部分偏远乡村采取包括燃煤取暖在内的 其他清洁供热措施也是必要的. 2.2 大规模煤改电/气的经济成本分析 在电/气资源充裕并且具备上述前提条件的地区, 能否实行大规模煤改电/气的关键还取决于在经济上是 否可承受这一必要条件.这里的经济主要包括前期电 网改造或管道铺设投资,以及后期取暖设备购买和燃 料使用成本两方面.仍然以煤改电为例,国家电网公 司2017 年为此安排了 310.8 亿元专项资金用于煤改电 配套电网增容和扩容建设,截至当年

9 月底累计完成 京津冀及周边地区居民煤改电用户

175 万户,户均投 资达到了

17 760 元[10] .对于煤改气,北京市昌平区辛 店村和平谷区蔡坨村分别约有

450 户和

250 户居民, 而煤改气涉及的中低压管道铺设、低压调压箱建设、 燃气灶具或供暖热水炉购买等费用均摊到每户的平均 造价分别高达

32 900 元和

34 250 元[9] .这些资金投入 都给当地政府和相关企业带来了巨大的压力. 从能量利用系统方面分析,以电为能源的分散式 供热技术包括利用发热电缆、电热膜、蓄热电暖器 以及各类电驱动热泵来供热,其中应用最广的是空 气源热泵技术.该技术利用逆卡诺循环原理,通过输 入电力从低品位........