随着中国经济的高速成长,能源的需求也急剧增长。据国际能源署报告,2009年中国消费了22.52亿吨油当量(约合32.2亿吨标准煤)。在中国能耗结构中,化石燃料占了很大比例(煤近70%,石油近20%)。一个比较突出的问题是,中国能效很低,发电、炼钢等行业能耗比发达国家高出20%以上。
因此,节能是一个具有巨大发展空间和经济效益的领域。
本文介绍两个在中国有巨大潜力的节能技术。
高温空气燃烧技术
高温空气燃烧技术(HTAC)是日本学者田中良一等人于20世纪80年代末提出的一种燃烧技术,它把回收烟气余热与高效燃烧及降低NOx排放等技术有机结合起来,从而同时实现了节能和降低NOx排放量之双重目的。
HTAC技术的基本原理如图1所示,从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器B后,在经过蓄热式燃烧器B(陶瓷球或蜂窝体等)时被加热,在极短时间内常温空气被加热到接近炉内温度(一般比炉温低50~100度),被加热的高温热空气进入炉膛后,卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流,同时往稀薄高温空气附近注入燃料(燃油或燃气),燃料在贫氧(2%~20%)状态下实现燃烧,与此同时,炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A排人大气,炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器A时,将显热储存在蓄热式燃烧器A内,然后以低于150度的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换,使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态,从而达到节能和降低NOx排放量等目的。
HTAC技术广泛应用于冶金、石化、机械、建材、锅炉等行业的热工设备上。
HTAC技术节能减排的主要特点是:第一,采用交替切换空气与烟气,使之流经蓄热体,直接回收高温烟气的物理热,从而大幅度节约能源(节能10%~70%)。第二,通过贫氧燃烧,大大降低了烟气中NOx的排放(减少40%以上)。目前,北京神雾热能技术有限公司自主研制开发的HTAC技术已成功在国内钢铁企业推广应用,平均节能率达到30%。考虑到中国有数以万计的工业加热炉和其他各类工业炉窑,全面采用HTAC技术后,中国的能耗水平可显著降低。
在中国开发应用HTAC技术有其特殊的难点,主要原因在于中国与工业发达国家能源结构有很大区别,发达国家的燃料主要是轻质油、天然气、液化气等优质能源,而中国的燃料较多是超低热值、低热值煤气,或者劣质柴油、重油、渣油、焦油等,因此,技术开发难度远远大于发达国家。虽然中国HTAC技术研究开发工作起步较晚,但当前技术水平已超过了日本等发达国家。
热管技术
热管发明于1962年,又称“热的超导体”,该装置通过制冷介质自身的热力平衡实现热传导,可将热从温度高的一端迅速传导到温度低的一端,传热过程无须耗费能量。利用热管原理可制成能耗极低的“空调”——热管换热系统。
热管换热系统的基本原理见图2,具体的工作原理为:①室内风机驱动机房内的空气流动,将空气中的热量传递到蒸发器中,使蒸发器中的液体制冷介质蒸发成气体;②气体从气体总管流到室外侧的冷凝器中;③气体在冷凝器中放出热量,冷凝成液体;④液体从液体总管流回到蒸发器中;⑤以上过程循环往复,不断将室内的热量传送到外部环境中。
以上循环通过制冷介质自身的热力平衡实现,由室内外的自然温差驱动,实现以高效节能的方式利用室外冷源对机房进行排热。该系统耗能不足空调系统的20%(主要是循环风扇,相当于一般电风扇)。
热管换热系统在IT机房及通信基站中有重大应用。IT设备由于防尘的需要,通常要放在密闭的机房中,设备产生的大量热量必须用空调散发。但实际上,IT设备的工作温度是室温,只要能散热即可,不必很冷。举例来说,中国电信、中国移动、中国联通的通信基站加起来有80多万座,每座基站配备一个3000瓦的空调,总功耗达240万千瓦。这些基站平均空调开机率约80%,每年耗电共168亿度。
目前该热管换热系统系统已在各地电信基站批量使用,应用结果显示,该系统总体节能效果达60%以上。也就是说,仅通信基站应用一项,全国每年可节电100亿度。