我國是能源消費大國,如圖3-7所示,工業(yè)、交通以及住宅是我國最主要的耗能部門,其中工業(yè)能耗達42.9EJ,約占全國最終能源消費的49%,而工業(yè)能耗的50%~70%都以熱能形式消耗,并且45%為中低溫?zé)崃?,即溫度小?50℃,大多在80℃~170℃。隨著中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的發(fā)展,已能夠利用熱泵技術(shù)回收工業(yè)余熱及其他低品位能源代替部分現(xiàn)有的燃油、燃煤及燃氣等鍋爐設(shè)備,滿足石油化工、發(fā)電、工業(yè)烘干、紡織、冶金、食品及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)工藝中對高溫?zé)崴蛘羝男枨蟆H缟a(chǎn)酸奶制品過程中,生產(chǎn)線要采用大量80℃熱水間歇式清洗,應(yīng)用高溫?zé)岜没厥者@部分冷卻水中的熱量,省掉了冷卻系統(tǒng),并制取80℃~85℃的熱水供清洗生產(chǎn)線;采用機械壓縮式熱泵海水淡化,可直接將海水加熱到80℃以上,與現(xiàn)有膜法海水淡化技術(shù)相比,可節(jié)能40%,成本降低約50%;電廠廢熱回收方面,我國一般大型火電廠實際熱效率僅為40%,核電不及35%,60%以上熱量由冷卻水帶走,排到環(huán)境,將這部分熱能用吸收式熱泵加以回收,用于工業(yè)用熱水或者供暖熱水,不僅能提高熱電廠熱能的綜合利用率,而且為電廠帶來良好的經(jīng)濟和社會效益;此外,在化工、食品、藥品生產(chǎn)過程當(dāng)中常用到蒸發(fā)濃縮技術(shù),采用高溫?zé)岜眉夹g(shù),可以把蒸發(fā)濃縮過程中的冷量和熱量充分利用,綜合提高能源利用率。
圖3?7 按部門劃分的最終能源消費總量前五名的國家(2019年)
據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計數(shù)據(jù),圖3-8給出了7個國家或地區(qū)工業(yè)用熱量同比變化,受疫情影響,除中國外其他國家或地區(qū)2020年的工業(yè)熱能消耗較之于2019年有不同幅度的降低;而中國經(jīng)濟復(fù)蘇表現(xiàn)強勁,工業(yè)用不可再生熱能以及可再生熱能消耗量分別提高了412×106GJ、50×106GJ,同比增長1%及13%。根據(jù)該數(shù)據(jù)估計,2020年中國工業(yè)用可再生熱量僅占工業(yè)用總熱能消耗的0.83%。顯然,碳中和目標的達成過程中的可再生熱量的比例遠遠不足,必須對高耗能行業(yè)的工藝流程進行根本性的改變。工業(yè)轉(zhuǎn)型最前沿的脫碳選擇是:通過提高工藝效率和新工藝來減少最終能源消耗,余熱回收以及使用可再生能源代替化石能源。這里,熱泵技術(shù)能夠作為工業(yè)部門碳中和的解決方案之一,為我國工業(yè)部門減少二氧化碳排放提供一條可行的路徑。
圖3?8 2020年部分地區(qū)工業(yè)用熱量同比變化
目前,我國工業(yè)熱泵使用量還較少,歐盟對于工業(yè)熱泵市場潛力的估計可提供一定程度的參考。食品、造紙、化工以及石油精煉被歐盟認為是最適合集成熱泵的工業(yè)部門。Marina, A估算了歐盟工業(yè)熱泵的市場潛力,結(jié)果如表3-1所示。在該情境下,這四個部門一年的工藝用熱量達到了745×106GJ/a,對于150℃熱泵市場而言,這四個部門累積加熱能力可以達到20GW,使用熱泵回收溫度適宜的余熱可覆蓋73%的生產(chǎn)工藝用熱所需,并最終可減少37.3Mt/a的二氧化碳排放以及371×106GJ/a的化石燃料的燃燒。雖然我國工業(yè)結(jié)構(gòu)以及工藝水平與歐盟存在著一定的差異,但從這情景來看,工業(yè)熱泵投入使用是建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國中由高速度發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展、實現(xiàn)碳達峰碳中和的必然要求。
表3?1 歐盟工業(yè)熱泵市場潛力概要
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