化石燃料必须梯级利用

煤和天然气，理论燃烧温度在2000摄氏度左右。用于供热，通常最高供水温度在130摄氏度左右，如果把煤、天然气拿来直接燃烧供热，其温差将在1800摄氏度左右，能源品位的损失，接近70%-80%。因此，把煤、天然气直接燃烧供热，是对能源的最大浪费，是最不经济的。可是至今，这种状况到处可见，不仅小型燃煤供热遍地开花，就是新近“煤改气”的大型燃气供热（锅炉房总容量在几百吨以上）依然如故。这种状况不改变，我国供热技术的落后面貌难以改观。

煤和天然气，最合理的利用方式，是梯级利用，即电热冷联供或AGCC即整体煤气化联合循环发电。如前所述，煤和天然气，理论燃烧温度都在2000摄氏度左右，最理想的利用方式是高温段发电，低温段供热、制冷。对于通常的发电厂，发电效率一般在30%-40%左右，汽轮机后的乏汽压力为0.006兆帕,饱和温度为36摄氏度，其能源品位值只有总能源品位值的2.5%-5.0%之间，即发电潜力很低，但按数量分析，约占总热量的50%左右，目前大多数情况，向大气中排放。如果用于供热、制冷，实现电、热、冷联供，全系统的热能利用系数可提高到70%-80%，因此，这种电、热、冷的梯级利用是化石燃料的最佳利用方式。根据国家发改委的有关文件，我国正在大力推广大型机组（容量在200兆瓦-300兆瓦以上）的电热冷联供系统，这对于我国大中城市来说，是非常正确的。在加速城镇化的建设中，我国势必会有大量小城镇涌现，人口在几万至十几万之间，对于这样的城镇，比较合理的供热方式应该是小型背压机组（容量在25兆瓦以下）的电、热、冷联供。经民间业内人员测算，这种机组，即使冬天联运，夏天停运，经济上都是合算的。如果这种供热方式，能够取得共识，那么我国相当数量人口的供热民生问题，就会得到解决。

对于局部区域（如一定范围的公共建筑或居民区），可以大力发展分布式能源系统。这种系统，利用小型燃气发电机组（内燃机或小型燃气轮机），一面发电，一面利用废气或冷却热量通过热泵机组供热供冷，解决本区域的电、热、冷需求。以上不同方式的电、热、冷联供，既可以实现能源的梯级利用，又能够覆盖全社会的供热需求。这种能源的梯级利用，应该作为国家的基本国策，用法律形式固定下来。

在发电厂中，能源品位值的最大损失是在电站锅炉，通常发电主蒸汽温度为550摄氏度左右，在锅炉内，换热温差有1500摄氏度，能源品位的损失近50%，因此，提高发电厂的发电效率的主要技术措施是提高发电主蒸汽的温度，但超高临界、超超临界的发电机组其最高主蒸汽温度也只有600摄氏度多度，发电效率也不能超过40%-45%，受限的主要因素是汽轮机材质的耐温程度。发电效率的进一步提高，要有待于金属材料工艺的更大革新。

进一步提高电热冷联供的发电方式还有燃气——蒸汽联合循环。通常以天然气为燃料。压缩空气与天然气在燃烧室燃烧形成的高温烟气（约1200摄氏度-1350摄氏度），进入涡轮机膨胀作功发电。在燃汽轮机中排出的尾气进入余热锅炉，产生的蒸汽在汽轮机中进一步发电。如果燃料采用煤，则先经过增压气化装置产生煤的裂化气，再做适当处理，如同天然气一样，进入燃气轮机燃烧发电。这种以煤为燃料的燃气——蒸汽联合循环称为AGCC。无论以天然气为燃料，还是以煤为燃料，其燃气--蒸汽联合循环的高温烟气可达1000摄氏度以上，因此，发电效率都能在40%-45%左右。对于我国，无论积极推广燃气的燃气——蒸汽联合循环还是大力研发燃煤的燃气--蒸汽联合循环，都有很大的现实意义。

大力研发煤、天然气的清洁燃烧

煤在燃烧过程中，要排放大量的烟尘和颗粒物。煤主要成分是碳，燃烧过程要生成2.1倍重量的二氧化碳。煤一般含有0.1%-2.0%的硫，燃烧过程要生成二氧化硫气体排放至大气，所有上述烟气生成物，都是产生雾霾的重要因素。因此，燃煤将严重污染大气。天然气由于是气体，容易与空气混合，通常燃烧效率比较高。天然气主要成分是甲烷,碳的含量远比煤少，因此二氧化硫的生成量，只是燃煤的一半。因此，通常把天然气称作清洁燃料。但必须了解，天然气的燃烧温度常常在1300摄氏度以上，此时会产生大量的氮氧化物,这种气体的排放，同样是形成雾霾的重要因素，因此，无论燃气还是燃煤，实现清洁燃烧都是非常重要的研发课题。

上世纪初至50年代，英国伦敦、美国洛杉矶都相继发生了严重的雾霾天气。两个城市都为此发生过数百人的死亡事故。但是，经过几十年的大气治污，又重新换回了蓝天白云。他们治理雾霾的基本经验：一是高污染的产业搬家（移向发展中国家）；二是实行煤改气。近年来，随着我国经济的高速发展，也同样出现了严重的雾霾天气。摆在我国面前的是如何正确借鉴国外的可行经验？高污染企业向国外搬家，显然不现实。目前我国主要采取的是“煤改气”。但这几年的实践证明，我国在煤改气的政策中，实际上存在两个误区：一是缺乏数量上的整体规划。我国是个多煤少气的国家，不可能全国的供热都搞煤改气。就算从国外进口天然气，一年以4000亿平方米计算，也只能满足40个北京市（一年100亿立方米用气量）的用气量。全国中小城镇加起来，100个北京市都打不住。如果在全国范围内，盲目推广煤改气，一但发生“气荒”，就会犯下灾难性的错误。二是没有重视天然气的清洁燃烧。有些决策者，以为只要煤改气，大气治污的问题就会迎刃而解，因此在执行中，放松了对燃气的排放标准的严格控制（前些年，我国的排放标准始终≥100毫克3立方米）。结果，一个奇怪的现象，在北京出现了：2008年，北京首钢尚未完全搬家，北京热电厂仍然全部烧煤，但大气仍然达到了二级标准，顺利完成了奥运会的举办。但几年以后的今天，首钢完成了彻底搬迁，北京几乎所有的供热热源全部实现了“煤改气”，却出现了史无前例的严重雾霾。这种沉痛的教训，再次告诉我们，即使烧天然气，也必须立足于清洁燃烧。

在国外，利用降氮燃烧技术，是使煤改气政策获得成功的关键技术，我国在推广煤改气的过程中，必须认真学习国外的先进经验。研究表明，天然气在预燃阶段以及火焰的前、中段燃烧温度一般在800摄氏度以下，氮氧化物生成量很少，只是在火焰的尾端，燃烧温度在1300摄氏度以上，此时燃烧温度愈高，氮氧化物的生成量呈指数形式直线上升。因此降低火焰尾部的燃烧温度是降氮技术的关键。目前比较成熟的技术是分段燃烧或烟气回抽。分段燃烧，是在火焰的前、中、尾端分别送入空气过量系数为0.7、0.9和1.2,通过控制空气量达到降低燃烧温度进而减少氮氧化物生成量的目的。烟气回抽是将降温后的部分烟气抽送入火焰尾部，其目的仍然是降低燃气燃烧温度，进而降低氮氧化物的生成量。为了提高降氮效果，常将两种技术措施联合使用。天然气燃烧时，会有大量的水蒸汽产生（天然气中的氢与氧化合生成）。一种新的建议，利用尾部蒸汽冷凝水，回抽送入火焰尾部，同样可以达到降氮的目的。由于水的汽化潜热比较大，降低燃烧温度的效果会更显着。有的单位在工程上采用了上述技术，氮氧化物的排放量达到了44毫克3立方米，可见，有很好的发展前景。

我国是产煤大国，20年-30年内，要改变以煤为主的能源结构，是比较困难的。在供热行业，希望100%的实现煤改气也是难以想象的。因此，我国环境的改善在加大天然气清洁燃烧的同时，还必须下决心进行煤的清洁燃烧技术的研发。过去我们对于煤的清洁燃烧，重点放在烟尘和二氧化硫的排放的限制上。现在看来是不够的，烧煤也必须控制氮氧化物的排放（即脱硝）。对于脱硝技术，目前主要是在炉内喷入氨和尿素，通过催化或非催化还原反应，使氮氧化物还原为氮和水。对于煤的脱硫，目前已有多种方法，但还不尽如人意，必须继续加大研发力度。炉内脱硫，多用于循环流化床锅炉。实践表明：在实验研究阶段效果较好，但在实际工程应用中，效果并不理想。主要原因是，在燃烧现场，煤粉与石灰粉难以混合均匀，进而影响了脱硫效果。在供热行业，已经研制成功了煤粉锅炉，燃烧效率可达92%，很有发展前途。如果在制粉工艺过程，加入石灰粉，就可在制粉的同时完成脱硫任务。由于在制粉过程中，煤粉与石灰粉能得到充分混合，其脱硫效率一定会明显提高。目前，通行的脱硫方法是湿式脱硫法，为了提高脱硫效果，常常加大石灰水的循环量和喷淋强度，其结果是在烟气的排放中增加了硫酸钙的粉尘含量，使脱硫设备变成了新的雾霾发生器。所有这些问题，促使我们在煤、天然气的清洁燃烧研发中，必须在技术上要有新思路、新创新。当前人们比较关注利用热泵进行烟气的余热回收，并且取得了不错的效果。如果我们大胆设想，利用化工行业的液态二氧化碳的低温分离技术以及塔板设备，就可同时实现脱硫、脱硝以及余热回收等多种功能，使锅炉烟气变成常温空气。这种清洁排放的新常态不是没有可能。国家能源局印发了《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》，这将预示着化石燃料的清洁燃烧，已成为国家的重大战略举措，从而增强了我们在这方面进行研发的信心与决心。

必须承认，所谓新型清洁能源，应该是在其放能的全过程，实现污染物的零排放。因此，煤、天然气只要真正实现了清洁燃烧，它们同样可以跻身于清洁能源的行列。

未来供热的主要热源应是工业余热

我国工业能耗占全国总能耗的70%。如果按世界发达国家的能效50%考虑，我国工业余热将是全国供热能耗的3.5倍（供热能耗按全国总能耗的10%计算）。如果全国的平均能效按30%考虑，则全国工业余热也有全国供热能耗的两倍。因此，从数量上计算，未来供热的主要热源应由工业余热来承担是可能的。当然这还是一种设想，真正操作起来难度很大。排在首位的就是难在管理体制上，我国重要的工业企业，多数为央企。个个都是条块分隔、“独立王国”，要打破这种格局，有赖于全国的反腐、反垄断以及体制的深化改革。

只就技术层面分析，主要的困难是两点，一是远离城市中心；二是多数品位较低（温度在30摄氏度-40摄氏度），难以直接利用。因此，要使工业余热应用于供热工程成为可能，必须在技术上要有重大革新。最容易想到的是长输供热管线的技术研发问题。目前，我国正在山西、河北和山东等省市进行试点研究，如果单从技术角度考虑，是完全可行的。现在须要着重进行经济效益的研究，除了考虑工业余热费用的提高外，还应计算大气治理的成本，这样分析才是合理的。

要彻底解决远距离输送和低品位的问题，最根本的技术措施是对热泵进行工艺上的重大革新。通常的热泵，无论是电热泵还是热热泵（溴化锂吸收式制冷机），都存在某些局限性，无法同时承担能量远距离输送以及品位提升的功能。从工艺上说，现在热泵的四个热力过程，即蒸发、冷凝、压缩和节流，是作为一个整体，组装成一台机器，难以实现远距离蓄热（冷）、放热（冷）功能。对于电热泵，现在的制冷工质—氟里昂以及无氯的替代制冷工质，或者破坏臭氧层，成为淘汰物质；或者是温室气体，都不是理想产品。对于热热泵，溴化锂溶液浓度在56%-62%之间，否则结晶，难以工作。由于浓度变化范围过窄，导致发生器的加热温度必须在90摄氏度以上，直接影响了制冷效率。

为克服现有热泵的上述缺陷，选择更理想的制冷工质就显得尤为重要。经过反复比较，笔者认为采用液态二氧化碳作为新的制冷工质，将有很大的发展前途。提起二氧化碳作为制冷工质，其实并不是新的创想，早在利用氟里昂之前，前人就已研究过了。由于二氧化碳的临界（在临界点汽相、液相合一）压力过高（大于7.2兆帕）,临界温度过低（31.1摄氏度），整个制冷过程是在跨临界循环下运行，因此制冷机组的工作压力过高，从安全角度考虑，后来被氟里昂等制冷工质代替。近年来，环保要求将处于更重要的地位，因此，重新起用如二氧化碳一类的天然制冷工质，已被愈来愈多的业内人员所关注。

二氧化碳作制冷工质具有独特的优点：首先，它是地球生物圈的组成物质之一，具有无毒、无臭、无污染、不爆、不燃、不腐蚀，对大气臭氧无损害（ODP=0），温室气体指数只有GWP=1（氟里昂及其替代物GWP都在93-1900），它还具有优良的热物理性质：容积制冷能力qv=15429.2千焦3立方米,是氟里昂R22的7.4倍；在零下40摄氏度下，其液态黏度是5摄氏度水的138,即使在较低的流速下，也可形成湍流流动，提高了传热性能。根据上述二氧化碳的基本特性，我们应该按照扬长避短的原则，尽量发挥其制冷能力强、蓄热能力大、传热性能高、输送成本低的优势，将热泵的四个热力过程，拆散了应用。

在利用二氧化碳作热泵工质进行工业余热供热供冷过程中，回避了二氧化碳在气态下压力过高、温度过低（临界温度为31.1摄氏度，临界压力为7.2兆帕）弱点，着重利用其气化潜热大、制冷能力强、蓄热能力多、黏滞系数小、传热性能高等特点。例如，一台300兆帕的发电机组，冷却汽轮机乏汽汽量560吨3小时，需要冷却循环水量为6.2万吨3小时（温差从25摄氏度升为30摄氏度），如果采用液态二氧化碳，只需5100吨3小时（温度从零下46.5摄氏度提升至14.2摄氏度，温升60.7摄氏度）即可。

上述工艺流程，只是基本原理，具体细节还需进一步深化。当然，还有液态二氧化碳的制备问题，这就需要跨行业的协作。