流程工业余热资源及利用
夏建军
近年来，北方地区供热需求不断增长，2019年底北方采暖地区城镇建筑面积达137亿平方米。目前的热源结构里45%的热量由燃煤、燃气锅炉提供，直接造成10亿吨CO2排放。五大高耗能行业终端能源消费量占全社会能源消费量的50%左右，且多以化石能源消费为主，燃烧过程中会产生大量余热，余热量大且集中、品位相对较高、利用潜力巨大，但是没有得到充分地回收再利用。
工业余热不仅可以解决北方地区缺热问题，在工业领域也能实现一些节能、减碳、节水方面的功能。流程工业如钢铁、水泥等产生大量余热;非流程工业如食品加工、纺织等，跟建筑一样需要大量的热量支持。2019年，非流程工業化石能源消耗达到1.5亿吨标煤，这些化石能源基本上都是解决热的需求。解决这一部分用热需求，非常有必要和余热利用做结合。
工业余热潜力调研与预测
对于流程工业的未来发展而言，钢铁、有色建材随着经济的发展，产业结构的调整以及人均存量的变化，未来能耗会逐渐下降，同时余热量也会进一步降低，化工行业的未来化肥使用量会逐渐下降，塑料消费量会逐步提升，利用率和能效会逐渐提高，总体能耗基本维持不变。对于非流程制造的未来发展而言，轻工业消费量会逐渐增加，虽然随着整个流程的优化，能源强度会下降，但总体会出现能耗大幅增加，用热需求大幅增加的情况。
总的来说，目前工业余热热量接近72亿GJ，主要集中在钢铁、炼焦、水泥、化工等行业，到2050年预计有接近39亿GJ的余热量，为今后余热综合利用奠定了非常好的基础。同时也可以看到余热资源分布非常不均衡，主要在河北、山东、山西、辽宁等重工业比较聚集的地方。
火电和核电同样存在大量余热可以利用，未来火电装机共计8.4亿kW，发电小时数1985h，余热共计78.3亿GJ;未来核电装机共计2亿kW，发电小时数7500h，余热共计70亿GJ。2019年数据中心电耗为1300亿kWh，全年总排热量约为4.7亿GJ，未来预计增长到3000亿kWh，排热量10.8亿GJ。当然也要考虑数据中心全年排热，夏季排热温度较低情况下利用价值有待进一步分析利用，总体来看这个热量也是有待于进一步利用。另外城市污水和垃圾也是非常好的低碳能源，未来垃圾热电联产和污水源热泵的供热量大约为2亿GJ，可作为供热的辅助和补充热源。
用热需求分析
对于建筑用热需求，考虑到未来人口发展，建筑面积增长以及综合能耗指标降低，最终得到这样一个结论：2050年，北方地区建筑面积达到200多亿，总热量37亿GJ左右。随着现在生活水平的提高，考虑到长江中下游流域和西部地区的供热，整个建筑部门的热需求达到50亿GJ左右。
对于非流程工业用热需求，目前国内没有系统地梳理工业用热的分温度、行业的用热需求。我们对纺织、造纸、医药、橡胶、食品制造等行业的工艺流程、用热工序、温度分布进行了调研。在此基础上，估计目前整个非流程工业总需热量接近30亿GJ，未来随着产量的发展接近70亿GJ用热量。同时，采用自上而下的方法，对纺织、医药、造纸行业用热的地理分布进行了分市统计，发现这些行业的用热主要分布在东部区域，西部和东北区域相对较少。
城市用热除了供热以外，生活热水也是占比非常大的一个用热需求，以往很少有人去做生活热水集中供应的分析，生活热水更多希望就地解决、分布式解决。但是鉴于工业余热量非常大，能够解决部分生活热水不失为好的低碳发展路线，当然具体的分析有待于看怎么做。考虑到未来城镇化的进程，预计未来城市生活热水需要9.2亿GJ的热量。
供需匹配
将余热资源和用热需求做分析之后，再来看一下匹配的情况。在总量匹配上，未来建筑供热需求50亿GJ，非流程工业用热需求69亿GJ，生活热水用热需求9.2亿GJ。流程工业的余热接近40亿GJ，此外还有数据中心的余热11亿GJ，垃圾和污水的余热2亿GJ，调峰火电和核电的余热148亿GJ。总的来说，未来整体用热需求130亿GJ，另外还有200亿GJ余热来用。考虑到温度品类以及60%～70%的回收率，总量上还是可以匹配的。
在地理空间分布上，当前用热需求分布和流程工业余热量分布是有差异的，非流程工业用热主要集中在东部，城镇供热集中在北方、长江流域，以及西部区域，余热资源相对而言分布更广一些，在河北、山东、山西、辽宁等重工业比较聚集的地方更多。各个区域之间的余热资源分布和用热需求还存在空间上的不匹配问题，因此希望有更好的跨区域供热技术来实现更好的余热资源空间匹配问题。
在时间分布上，对于流程工业余热而言，季节性差异不是太大，夏季相对较多一些，冬季相对较少。对于非流程工业用热而言，季节性差异也不是太大，夏季相对稍微较少，冬季相对较多。但是建筑用热季节性非常大，主要集中在冬天。总体而言，在时间的匹配上，冬天的需热量大、余热量少，夏天需热量少、余热量大。需要把夏季的余热充分利用到解决冬天需热问题，因此要对跨季节储热做一些重点分析。
此外，在热量温度的分布上，目前对于城镇供热而言，20℃～30℃热量就足够;对一些非流程工业而言，绝大部分用热需求在50℃～150℃范围里。如何把100℃以下的低品位余热，通过热泵提升、蒸汽压缩等不同温度转换技术，满足不同的用热需求，也是未来需要探讨的方向。
总结
总的来说余热资源潜力巨大，合理利用可以有效地降低全社会的碳排放。当前工业余热用于城镇供热技术成熟，且有良好的示范案例。如果要进一步把工业余热利用推广到非流程工业用热和城市生活热水用热，需要解决地域不匹配的输配技术、时间方面的季节性储热、不同品位温度的转换等问题。
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