中国作为全球能源消耗大国,工业部门在能源消费结构中占据核心地位。据国家统计局数据,2000—2020年,中国工业能源消费占全社会能源消费总量的比重长期维持在60%~70%区间,虽呈缓慢下降趋势,但其能耗主体地位未变
[1]。在工业能耗构成中,热能消耗占比高达50%~70%
[2],且品位分布不均,其中400 ℃以上高品位热能约占48%,中低品位热能占52%
[3]。工业加热环节的能效提升与清洁替代是实现能源转型的关键突破口。从碳排放维度看,钢铁、建材与化工是工业领域三大高排放行业。据中国信息通信研究院产业与规划研究所、工业互联网产业联盟碳达峰碳中和工作组《重点工业行业碳达峰碳中和需求洞察报告(2022年)》测算,三者碳排放分别约占全国能源活动碳排放的17%、8%与6%。国家统计局能源统计司《中国统计年鉴2023》显示,2022年制造业能源消费总量达307 086万t标准煤,采矿业为18 258万t标准煤
[4];其中,金属加工业的能耗占工业总消费的比重最大,为27.52%;化学制造业次之,占比为18.23%。此外,纺织服装业与医药业对热能的需求尤为突出。因此冶金制造、石油化工、纺织与医药是节能降碳的重点领域。
目前各国的绿色能源工业利用已取得了一定成效。基于此,现综述可再生能源的工业供热模式,梳理冶金、石油化工两类高能耗工业以及纺织、医药两类高热耗行业的用热特点及现状,分析应用绿色供热的潜力,进而提出实现绿色能源替代,需要研究和解决的关键技术问题,以期进一步挖掘相关行业绿色供能的潜力,并提供研究参考。
1 绿色能源的工业供热模式
按照能量转化形式,绿色能源的供热模式可分为直接制热与电制热两种,如
图1所示。其中直接制热模式由可再生能源直接转化为热能,如太阳能直接热转换,风力直接热转换,生物质能燃料供热,地热能直接利用等。电制热模式则是经过了电能中间转换环节,由光伏或者风机发电,继而通过电阻加热或者感应加热实现向热能的二次转化。在现有工业应用中,绿色能源直接制热方式以供应100 ℃以下低温热能与100~400 ℃中温热能为主,400 ℃以上高温热能多采用绿电制热的方式供应。
1.1 直接制热
1.1.1 太阳能直接制热
太阳能直接制热的概念历史悠久。200多年前,斯特林发动机便被发明,直接利用太阳能热能。太阳能热已广泛应用于低品位热能供应,如生活热水和区域供暖。除此之外,通过聚光太阳能技术(concentrated solar power, CSP)获得的更高品位热能还可用来发电,以及满足工业与农业的用热需求。因此,整体上太阳能热收集系统有两类,分别是非聚光系统与聚光系统。非聚光型集热器种类有平板式、集热管式等,供热温度一般在60~80 ℃;聚光集热器类型有抛物槽式、抛物碟式、塔式、线性菲涅尔式等,供热温度一般在300~600 ℃,最高可达1 000 ℃
[5]。
太阳能工业过程供热(solar heat for industrial processes, SHIP)的应用广泛,从低温热水到高温蒸汽,能满足食品加工、纺织、医药、化工、金属加工等行业的多样化需求
[6-7]。据德国调查机构 Solrico发布的全球SHIP市场调查统计,截至2022年底,全球正在运行的工业太阳能热利用工程总装机容量已超过856 MWth
[8]。研究表明,聚光太阳能供热系统是实现工业净零排放目标中颇具成本效益的技术路线
[9]。
抛物槽式系统通过柱形抛物面将太阳光收集至焦线位置,常规运行温度在300~400 ℃,使用熔盐作为导热介质时可达550 ℃
[10]。德国某纺织企业安装了抛物槽式集热器,热功率为70 kW,系统效率约为27.8%,主要用于供应工业热水
[11]。
抛物碟式系统将太阳能收集至交点处,在所有聚光太阳能集热器系统中具有最高的光学效率。文献[
12]设计了一种适用于低温工业热需求的抛物碟式聚光系统,可产生最高165.4 ℃高温气体。
塔式集热系统通过地面镜场将太阳辐射收集至塔顶接收器,其运行温度可达1 000 ℃
[13]。文献[
14]研究显示,塔式太阳能集热系统可为石油裂解、采矿等工业过程提供400 ℃以下的太阳能热。
线性菲涅尔式系统由多列反射镜组成,太阳光被聚焦到镜场上方的管式接收器,当真空管作为接收器时运行温度可达500 ℃,但集热效率低于塔式系统
[15]。该技术已被约旦某制药工厂应用,用于供应工业热蒸汽
[16]。
太阳能直接供热技术,特别是聚光太阳能供热技术,在未来工业应用中的潜力巨大,已在部分工程实践中得到了初步应用。当前,针对太阳能用于工业供热的相关研究已成为热点领域,预计该技术将成为未来工业的重要供热方式。
1.1.2 风力直接热转换
与太阳能直接制热类似,风能也可以直接转化成热能进行利用。按照制热原理,风力直接热转换方式有摩擦式、压缩式、感应式三类
[17]。该种风力直接供热方式既可以进行热发电,也可以用于工业、农业以及居民供暖。
Okazaki等
[18]提出了一种直接风力热能系统(wind powered thermal energy system,WTES)进行风热发电。该系统通过风机塔顶的热发生器进行机械能到热能的转化,其余组成部分与塔式CSP发电系统相似,通过蒸汽轮机进行发电,并实现电热联供。据报道,WTES系统相较于CSP系统具有更高的㶲效率
[19]。
摩擦式风力制热的原理是利用风力轮机对流体搅拌进行产热,此类风力涡轮热机又称作焦耳机。有文献研究表明,在相同的风况下,风力涡轮机产生的热量要多于同类型风电机组的电能输出,在冬季产热量最高可高出12%~18%
[20]。该涡轮机效率普遍较高,可达90%以上
[21]。转速、流体黏度、流体密度、液体量均会对效率产生影响。摩擦式风力热机的供热温度通常在几十度,多用来在冬季供暖,也被用在农牧业中。
压缩式风力制热是利用风力驱动泵或压缩机,对气体压缩而产生热能。通过串联多个压缩热机,供热温度可以达到600 ℃,效率可达85%
[22]。早在20世纪,风力驱动热泵便被用于农场热水的供应和热牛奶的冷却。压缩式风力热机还可以耦合压缩空气储能系统
[23],同时实现储能与储热,发电与供热,该系统总体效率约为52%
[24]。
感应式风力制热是利用了感应涡流的热效应,通过感应涡流完成产热。感应式风力热机通常需要永磁体
[25],也有电励磁的方式
[26]。当采用熔盐为传热介质时,感应式风力热机可实现500~600 ℃的供热温度。也有一种风力涡轮机既可以作为电机发电,也可以作为热机产热,其发电功率与供热功率之比为4∶1,整体能量转换效率在90%
[27]。文献[
28]报道了感应式风力直接制热方式在造纸厂的应用,该系统可提供最高500 ℃温度的蒸汽。
上述3种类型热机的结构如
图2[21,23,25]所示。目前,风能直接产热的模式以供应低品位热能为主,对高品位热能的供应尚未实现规模化。由于风能更易于转换为电能,因此其直接用来产热的应用场景并不丰富。尽管如此,由于利用小时数更高,直接风力热机在工业电热联供,与压缩空气储能耦合储热供热等方面,仍有广阔的前景。
1.1.3 生物质能燃料
生物质燃料来源丰富而且供热温区广,是目前世界上最主要的可再生能源供热模式,同时也是工业供热中应用最多的可再生能源。生物质燃料有固体燃料、液体燃料和气化气3种。据报道,欧洲联盟2017年生物质的工业应用占比为22%,主要用于提供100~200 ℃的热能,少部分用来产生更高温度的热
[29]。巴西、美国等地约50%的生物质被用于工业,而印度生物质的工业应用占比可达90%以上。应用生物质为不同工业部门供应热能已被证实是技术较为成熟,有竞争力的手段
[30]。
固体生物质燃料在钢铁冶炼工业中已经取得了一定程度的应用,主要用来代替高炉中的煤炭与焦炭
[31]。但由于其燃烧热值低,预处理程序复杂,在经济上与传统燃料相比优势并不显著
[32]。固体生物质也可作为蒸汽锅炉的燃料。例如,葡萄牙已有纺织厂应用固体生物质锅炉供热,以降低丙烷与天然气的消耗
[33]。生物质气化气则可同时作为化工生产中的燃料与合成原材料,文献[
34]报道了一种生物质合成氨系统,以生物质、蒸汽和空气为原料,基本实现了系统能量的自给自足。受战争影响,乌克兰正逐步提高生物质供暖的比例以降低对天然气的依赖,其中主要利用形式为固体生物质燃料锅炉,剩余1%为生物质气化气
[35]。
相较于美国与巴西,中国在生物质燃料的生产和利用上还存在一定差距
[36]。但作为农业大国,中国每年农林业剩余物可生产(7 560~15 213)万t的生物质燃料
[37],其用作工业燃料的开发潜力巨大。中国水泥行业已开始使用生物质燃料替代煤炭,安徽海螺水泥股份有限公司、金隅冀东水泥集团股份有限公司等大型水泥集团均已布局生物质燃料替代项目
[38]。目前中国生物质供热以热电联产为主,在河南、黑龙江等农业发达地区,已有多项生物质燃料供热发电项目投运
[39]。武汉蓝颖新能源有限公司建设的生物质锅炉清洁供热示范项目已被编入国家能源局案例集。
生物质易于存储,应用技术成熟,而且供热品位较高。可以预见,未来短时间内生物质燃料仍将是主要的可再生能源供热方式,工业供热也将是生物质燃料的主要应用场景。随着新能源电力成本的降低,可再生能源电加热的替代趋势日益显著,生物质燃料或将因此逐渐失去原有优势。
1.1.4 地热能直接利用
根据利用方式不同,地热可分为浅层热、水热、干热岩3种类型
[40]。与供暖需求不同,大多数工业过程对温度的要求更高,利用的地热多为90~150 ℃ 的中温地热甚至是更高温度的地热
[41]。2020年,全球用于工业生产过程中的地热容量为852 MWt,占除地源热泵外地热利用总量的2.8%
[42]。早在2012年,已有加拿大学者围绕地热能开展了发电、供暖、供热、制氢的综合能源系统应用探索
[43]。目前,地热能利用形式仍以发电与地源热泵为主。从利用现状来看,地热能在冶金、化工、皮革纺织、酿酒等工业均有不同程度的应用。
浅层地热可作为医疗水浴温泉利用,有研究表明,高度矿化的地热热水有镇痛作用
[44]。水热型地热可用于发电或与冶金工业形成联产,从发电冷却后的地热流体中提取锂、铜等金属元素,目前该技术路径已有详尽的综述
[45]。由于热能品位较为匹配,水热型地热在纺织工业中的应用更为广泛,伊朗已有纺织厂应用地热供应96 ℃的热水
[46]。干热岩型地热具有特殊的工业应用潜力,已经有学者提出地热岩石储穴系统(hot reservoir rock system, HRRS),利用地热能合成甲醇以替代传统生产,地下岩层可同时为甲醇合成反应提供高压环境与热能供应,目前正处于实验室测试阶段
[47]。
中国地热资源丰富,地热资源总量约占全世界的7.9%,利用方式同样以高温地热发电与低温地热能供暖为主
[48],工业利用的占比较少。同时,中国水热型地热资源以中低温为主,高温为辅
[40],这种结构更适合低温工业的用热。在河南省,已有食品工业开发利用75 ℃的地热水
[49]。河北雄县与无极县已利用110 ℃地热水进行皮革鞣制生产,替代天然气和高温蒸汽
[50]。2025年10月,华晨宝马动力总成工厂地热能供热项目已投运。
整体来看,诸如纺织业、农畜食品加工等低温工业更具有大规模应用地热能供热的潜力。地热对地理位置的限制更大,东部和中部地区的中温地热更适宜开发用作工业供热。地热作为未来工业供热的辅助热仍具有良好的前景。
1.2 电制热
1.2.1 电阻加热
电阻加热是利用电流流过导体产生焦耳热进行加热的方式,又可按照加热原理细分为热电阻间接加热和欧姆加热(ohmic heating,OH)。热电阻间接加热是通过热电阻产热后再通过传热对被加热物进行加热,欧姆加热则是直接利用被加热物本身电阻产生热量
[51]。电阻加热在工业可再生能源供热改造模式中,具有效率高,控温精确以及响应迅速的优势,是化工、炼油、冶金等高能耗工业脱碳最主要的技术路径之一
[52]。
欧姆加热具有升温迅速、加热均匀的特点,在化工和食品工业应用广泛。尤其适合作为食品工业电制热改造的方式
[53]。相较于微波加热、等离子体加热,欧姆加热在化工行业更具规模化商业推广的潜力
[54]。已有可再生能源电力适用的欧姆加热装置用于甲烷重整,该装置可实现700 ℃的高温供应,具备快速启停和高效响应能力
[55-56]。文献[
57]设计了一种可以快速响应光伏供电的欧姆加热系统,可为食品工业、制药工业以及家庭供暖提供低温热能,电热效率在97.5%,功率可达3 000 W。
热电阻间接加热的效率接近100%,更适合高温加热应用。热电阻加热炉已在冶金工业取得了较为广泛的应用,普遍应用于600 ℃的合金成型与热处理
[58]。部分热电阻加热炉已经在响应速度等方面进行了升级改造,以更好地适应于绿色电力的直接接入。热电阻加热也被用在储热系统中,将可再生电力转化为热能,如熔盐电加热储热系统。此外,麻省理工学院研发了一种耐火砖电热储能技术(firebrick resistance-heated energy storage, FIRES),利用金属加热器将绿电转化为热能并通过耐火砖进行储热,温度可达1 700 ℃,可输出热空气用于发电或对工业燃料进行替代
[59]。
近年来,可再生能源的发电成本下降迅速,使得利用绿色能源电力制热的经济优势逐渐凸显。相较于太阳能直接制热,在工业中利用光伏进行间接电阻加热的应用潜力仍与其成本有最直接的关系,受工艺需求温度、当地辐照强度、当地气候的影响
[60]。但随着光伏成本降低,电加热有望成为太阳能利用的主流形式。电阻加热同时也是熔盐储热、固体蓄热等储能系统的关键技术,在此背景下,电加热与储热技术相结合的供热模式,将成为未来工业加热的新形式。
1.2.2 感应加热
感应加热是另一种在工业中应用较为广泛的电制热方式,其在冶金工业的应用最为普遍,也常被应用在制药、食品等低温工业。相较于电阻加热,感应加热在常见工业应用中的温度略低,适合非接触、高控温需求的场景。根据博研咨询的市场调研数据,2019年中国商用感应加热设备的市场规模约为450亿元人民币,其中钢铁、铸造等工业级应用占据主导地位,占比超过60%。感应加热在工业中尤其是金属加工行业中已成为不可替代的加热方式。
在冶金工业中,感应加热已被广泛应用在各类合金材料的成型与热处理。例如,一种频率为 20 kHz,加热温度为850 ℃的感应加热设备被用在合金钢的表面处理与淬火
[61]。在化学合成工业,有研究设计了一套感应加热反应器用于氨的分解制氢,加热温度约为600 ℃
[62]。而在甲烷重整、纳米材料合成中应用射频感应加热,可同时起到热能供应与电磁催化的作用
[63]。除上述应用外,波兰拟采用100 kW电磁感应加热锅炉进行建筑供暖与食品工业供热,以降低煤炭消耗
[64]。
加热效率不高是现有感应加热普遍存在的问题。为提高效率,可以对感应线圈上的热量进行收集利用,如西安慧金科技公司研发的500 ℃、100 kW 熔盐感应加热系统,据报道其效率可达97%。随着感应加热设备接入绿电,其响应速度和灵活性又成为另一关键问题,鉴于可再生能源发电成本的持续下降趋势,感应加热技术的效率问题导致的经济性层面劣势将相对弱化。
1.2.3 热泵
热泵在工业中多用于余热回收以及中低品位热能供应,根据能量来源不同,可分为空气源热泵、地源热泵和水源热泵,以空气源热泵的应用最为广泛。可由光伏驱动的空气源热泵已被应用于甲醇生产,能够提供约80 ℃的工艺热能
[65]。地源热泵已与光伏热能(photovoltaic thermal,PVT)系统结合,实现高效的电能热能综合供应,中外均已取得了一定研究成果
[66]。水源热泵则可在冶金工业中用于回收循环水废热,实现更高品位热能转化,以提供高温热水或是进行采暖
[67]。此外,文献[
68]开发了一种综合利用太阳能热、空气与地热的多源热泵系统,用于50 ℃热水的供应。
热泵是工业领域实现低碳化转型的关键供热模式之一,基于可再生能源驱动的热泵正逐步在各类工业场景中推广。近年来,中国政府出台了一系列政策,明确鼓励在工业中应用热泵。绿色能源热泵将成为未来工业中低温热能供应的重要选项。
1.3 不同供热模式的应用潜力
除上述供热模式外,绿色能源的直接制热方式还包括绿色氢能供热,电制热技术也可采用射频加热、电弧加热、激光加热等方式。在工业应用领域,各类供热模式中,目前以生物质燃料的应用最为成熟,而绿电制热则展现出最大的发展潜力;同时预计未来太阳能热利用、风能热利用与地热能将发挥重要的补充作用。基于未来新能源技术不断成熟、发电成本显著降低的预期,电加热有望成为工业主流的热能供应方式。
根据国际能源署的统计数据,从热能供给结构来看,当前全球绿色能源供热模式仍以生物质能燃料为主导,可再生能源电加热次之,如
图3[69]所示。截至2023年,世界工业的绿色能源热能主要由生物质燃料贡献,中国主要的绿色能源供热模式同样是电加热和生物质燃料。未来,可再生能源电加热将逐步发展成为全球工业的主要供热方式,随着净零排放(net zero emissions,NZE)路径的推进,工业加热过程有望实现完全的绿色能源供应
[69]。
2 不同工业的工艺特点与用热需求
2.1 钢铁行业
钢铁行业通常泛指铁、铬、锰等黑色金属的开采、冶炼及加工产业。自1996年以来,中国钢铁产量一直居于世界首位,据中国钢铁工业协会发布的数据,2024年中国钢铁行业重点统计企业吨钢综合能耗为549.68 kgce/t(单位kgce/t表示千克标准煤/吨)。钢铁生产对煤炭高度依赖,煤炭不仅作为主要的燃料使用,也充当还原剂,过程碳排放量显著。
钢铁工业的产业链主要包括原材料的预处理、铁的还原冶炼、钢的冶炼与精炼、钢材的后续加工,具体流程及其加热需求如
图4所示。依据钢的炼制工艺,主要冶炼路径可归结为三类:一种是传统长流程,即依赖焦炭还原的高炉炼铁与转炉炼钢工艺;另一种是短流程,适用于废钢回收冶炼,通过电弧炉进行炼制;还有一种气体还原法,通过氢气或一氧化碳进行低碳冶炼
[70]。
焦炭主要由焦化厂通过煤炭的高温干馏过程转化制得,这一过程在焦炉内进行,干馏过程中产生的焦炉煤气被回收后循环用作该过程的燃料。铁矿砂、焦炭、石灰石需要在1 300~1 500 ℃的高温环境下进行煅烧造块。烧结混合料中的固体焦炭作为燃料,而焦炉煤气则在点火时利用。
铁的高温还原冶炼在高炉中进行,所需加热温度约为1 400 ℃,焦炭既作为燃料又作为还原剂,通过在高炉底部通入1 000~1 300 ℃的高温热风控制焦炭燃烧与炉内温度。
电弧炉炼钢工艺要求铁水温度保持在1 300 ℃,通过电弧加热维持温度的稳定。原材料废钢在冶炼前需要预热至400~600 ℃,通常利用电弧炉自身产生的高温烟气余热进行加热,据报道ECOARC型电弧炉可进行最高1 000 ℃的预热,能显著降低单位钢产量的电耗
[71]。
铁的熔融还原冶炼法利用还原性气体直接还原铁矿石。该工艺通过气体加热器对送入的还原气体进行加热,加热温度在900~1 000 ℃。在加热时,气体一般首先经过余热回收装置,与热烟气进行热交换后温度升至200 ℃,然后再进入加热器继续加热至900~950 ℃
[72]。
钢的热轧制过程需要在热轧炉内进行加热以维持温度稳定,加热温度一般在1 100~1 300 ℃,燃料通常为天然气、高炉煤气、焦炉煤气。对于成形钢材的热处理,通常也需要进行再加热,热处理温度因具体工艺和钢种而异。钢的常见热处理工艺有退火、正火、淬火、回火等,整体热处理温度范围大致在200~1 000 ℃。
长流程炼钢中的转炉炼钢工艺全程依靠铁水本身的高温及氧化反应释放的热能维持温度,其温度在1 600~1 700 ℃,无需额外进行加热。不仅如此,该工艺还能回收大量煤气,因此在能耗统计中常呈现为负值。此外,在精炼过程中,现代精炼炉同样不再依赖燃料进行加热,采用燃料油或煤气加热的传统平炉已被淘汰。利用液态空气储能系统还可进一步回收钢铁余热
[73]。在能源消耗层面,钢铁行业依然是中国冶金工业中能耗水平最高的产业,
图5对比了钢铁行业中各生产工序的能耗。
近年来,中国钢铁生产的综合能耗水平稳定,每吨钢的综合能耗大致维持在550 kgce(单位kgce表示千克标准煤),平均电耗为470 kWh。根据中国钢铁工业协会公布的2023年度会员单位能耗数据,高炉炼铁工序在传统长流程中能耗最高,为 387.42 kgce/t
[74]。铁的另一种冶炼路径,气体熔融还原冶炼法能耗水平为423.36 kgce/t,其中天然气重整工序的能耗为132.85 kgce/t,而竖炉工序能耗为290.51 kgce/t
[75]。与高炉炼铁法相比较,气基竖炉法在能耗方面更具优势。
2.2 铝工业
铝工业是有色金属产业的典型代表,其总能耗在中国有色金属行业中占比高达75%,是整个有色金属行业节能降耗的关键
[76]。中国具有世界上规模最大的铝工业总量,原铝生产量占据了全球的47.3%
[77]。铝工业是一个能源密集型产业,其能源消耗水平显著,同时会产生大量余热和废热。据统计,原铝生产行业在全球工业生产活动中的碳排放量仅次于燃煤发电,同时其电能消耗占据了全球工业总电能消耗的8%
[78]。预计到2050年,金属铝工业消耗的能源将是2010年的1.7~2.5倍,必须在铝工业中积极引入清洁、可再生能源以实现绿色低碳发展
[79]。据美国国会研究服务部(Congressional Research Service,CRS)报道,次级铝(再生铝)生产比原铝冶炼能耗低约95%,过程碳排放显著减少;而在具体工艺层面,通过采用熔炼烟气废热回收及蒸汽发生技术,可在相关环节进一步降低能耗与排放(部分研究显示特定余热回收技术可削减自身能耗相关的碳排放达约70%
[80])。
铝工业的产业链与钢铁行业类似。从自然界中的铝土矿直至铝工业产品一般有四道生产流程,分别是铝土矿石的开采、氧化铝的提炼、金属铝的电解、铝合金的加工生产
[81]。几乎每道流程都涉及加热处理工序,如
图6所示。
溶出是从一水硬铝石中提炼出铝元素进入溶液的过程,需要对溶液进行加热,所需的加热温度范围为240~260 ℃。氢氧化铝在进入电解工艺前,需要进行脱水加热,以使其脱水转变为无水氧化铝,其完全脱水需要的加热温度为600 ℃。在回转窑中将氧化铝进一步煅烧至1 400 ℃可使其晶相发生转变,制备刚玉或陶瓷材料。目前已有电阻加热式回转窑
[82]。氧化铝电解前,需要在电解槽中与其他盐类混合并加热形成适合电解的熔融盐,该过程所需的熔化温度为930~960 ℃。电解精炼后的纯铝需要通过加热熔炼制备合金锭或型材,熔炼过程中所需的温度一般在700~770 ℃。铝合金型材的热加工则涵盖了挤压、锻造、轧制等固态成形工艺,所涉及的热处理又包括退火处理、固溶处理、时效处理、形变热处理等多种方式。涵盖的加热温度范围因工艺类型、合金种类、工件尺寸、预期用途等因素有所不同,整体所需温度区间在150~560 ℃。
对能耗而言,铝工业的单位产品能耗要显著高于钢铁工业,
图7展示了生产每吨材料上述加热工序的能耗,这里将能量单位统一换算为kW·h/t。原铝生产包含两个能源最为密集的工序,一是金属铝的电解,二是氧化铝的提炼,两个过程在工业上通常是相互独立的,由不同生产厂完成
[83]。
在铝工业的各个产业中,金属铝的电解过程能耗最高,占整个工艺能耗的67.61%,电解生产每吨铝需耗能约13 000 kW·h,这部分能量主要是电能消耗。其次是氧化铝的提炼过程,包括蒸发溶出提炼与煅烧提炼,每生产1 t氧化铝两工序能耗分别为8.64 GJ与4.13 GJ
[84],占比为12.00%与5.74%。此外,铝型材热加工与热处理行业的能耗也相对较大,占比为10.90%。金属铝电解主要的能源需求是电力,而氧化铝的提炼这一产业主要的能源需求是热能。目前,铝工业的加热能源主要依赖于燃煤和天然气,因此对相应加热工序采用新能源供热技术,具有很大的研究和发展潜力。
2.3 化工行业
根据国家统计局与中国石油和化学工业联合会2019年的调查数据,原油及石油化工加工行业在所有化工行业中的能耗水平最高,同时碳排放量最高,能耗占比为26.76%,其次是有机化学原料制造,能耗占比为19.71%。2020年石油化工各子行业碳排放水平如
表1所示。
石油炼化的生产流程主要有常减压蒸馏、催化裂解、延迟焦化、加氢裂化、溶剂脱沥青、加氢精制、催化重整。加热炉是其主要的耗能设备,能耗占比可达50%以上,燃料一般是渣油、重油以及炼化过程中的副产物气体。各工艺加热温度不同,焦化环节的加热温度一般在500 ℃,加氢裂化的工艺温度一般在300~400 ℃,而催化重整环节的加热温度普遍在500 ℃以上。根据抚顺石化石蜡基原油炼化工艺的能耗数据,其单位产品的能耗为84.7 kgce,在能源输入结构中,燃料占据40.80%,电力占据10.38%
[85]。
表1数据显示,在化工子行业中,合成氨的碳排放量位居第二位,其碳排放水平与原油加工的碳排放水平近乎相当。每吨氨合成需排放约2.1 tCO
2。合成氨的传统工艺是Haber-Bosch,该反应需要在高温高压条件下进行,所需温度为400~500 ℃,目前依然是最主要的氨合成工艺
[86]。合成氨的工艺流程有蒸汽重整制氢、原料气净化与压缩、催化合成反应、液化分离等工序。一般有天然气制氨、煤制氨、重油或渣油制氨等制取形式,目前基于天然气或煤制取氨气是主流形式。中国合成氨主要依赖于煤炭,占比达到81%,天然气合成氨占比为17%,另有2%依赖油和电解等。合成每吨氨的能耗水平在28~35 GJ。
2.4 纺织行业
据世界贸易组织的统计,中国是世界上最大的纺织品出口国,远超位居第二位的欧盟与第三位的印度
[87]。纺织产业链中的纺纱、织造、印染、成衣制造等工艺均需大规模使用电动设备以及进行加热处理。2019年中国纺织行业总能耗量达1.07×10
8 tce,占制造业总能耗的4.0%。整体而言,纺织行业热能需求的温度相较其他工业更低,适合通过绿色能源直接供热与余热回收结合的方式降低产业能耗水平与碳排放。纺织工业的各工序流程及对应工序中的加热环节如
图8所示。
纤维原料有天然纤维和化学纤维两大类,化学纤维制取的典型工艺有熔体纺丝和溶液纺丝,此过程中需要进行200~300 ℃加热,将聚酯或尼龙材料加热至熔融状态,一般使用燃气锅炉或电加热炉。
对于某些化学纤维纱线,其在织造前需要进行定型和预处理,如T400复合纤维,需要在170~180 ℃下稳定纤维结构。不同纤维的定型温度有所差异,一般在170~200 ℃。
印染工艺又称湿加工工艺,是纺织工业中热能需求占比最高的部分,其每吨产品综合能耗可达2.5~4 tce。该工艺两大加热环节分别是染色剂保温与烘干定型。染色过程中需要控制水温在60~130 ℃,烘干与定型需加热至120~220 ℃以消除内部应力。通常采用蒸汽加热的方式,蒸汽多来自蒸汽锅炉、热泵或者回收来的余热。
成衣制造的加热过程主要包括熨烫和贴合,根据面料不同,加热温度在120~200 ℃。传统方式采用电熨斗或燃气蒸汽发生器,部分企业引入电热压机或红外加热技术。该过程的能耗较低,每吨织物一般耗能0.1~0.3 tce。
在一个集成了纺纱、织造、印染工序于一体的复合纺织厂,各生产阶段的电力与热能需求占比情况如
图9[88]所示。纺纱与织造环节的能耗主要源自机械织造设备电耗与动力损耗。
图9中显示,纺纱过程中所消耗的电力占纺织厂总电能消耗的41%,织造过程则占13%。相比之下,印染工序及其准备工序构成了热能消耗的主体部分,合计占比达50%,总计有35%为热能损失。
2.5 医药行业
医疗与制药工业的高热耗工艺流程有原料的处理与提取、合成与反应、纯化与结晶、干燥与成型。其中,对于西药而言,合成与反应工艺对热能的需求量最高,某些药物制取所需的温度可达 300 ℃。而对于中药性质的药物,其原材料的处理与提取工艺通常占据整个生产流程能耗最大的部分,一般需要首先在80~120 ℃的条件下提取有效成分,然后进行120~180 ℃的灭菌处理。
此外,纯化与结晶工艺的浓缩工艺也需进行加热,在蒸发过程中的温度需要保持在80~150 ℃,部分高沸点的药物还需要更高的温度。而结晶过程需进行最低达-70 ℃的低温处理,该部分为制冷能耗。干燥与成型工艺中的加热温度需求较低,一般在40~120 ℃,其能耗水平的占比也为最低,通常采用热风循环箱或真空干燥设备供热。
目前,制药行业的整体能源利用效率仅为30%~40%。工业和信息化部办公厅于2024年7月 9日印发《2024年度国家工业节能诊断服务任务的通知》(工信厅节函〔2024〕275号),其附件《重点行业领域工业节能诊断服务指南(清单)》中包含《医药行业节能诊断服务指南》。该指南将余热余能利用、重点用能设备与公辅设施、能源管理体系建设、工艺流程改进、能量系统优化及用能结构调整等作为医药企业节能诊断重点,旨在指导服务机构为制药企业查找能效短板,并提出设备升级、工艺改造、能源管理和能源结构优化的建议。针对行业节能减排问题,部分制药企业通过引入热泵技术(如热泵干燥、余热回收系统),在特定工艺环节将热能循环利用率提升至约80%,实现能耗降低30%以上的改造效果。
制药厂一般有生产区、包装区、研发区3个主要功能区域,分别进行药品制剂生产、产品打包与仓储、新药研发与项目管理。从能源消耗的角度看,制药工厂的大部分能耗集中于维持药物生产所需的一系列环境条件与辅助服务,特别是暖通空调系统(heating, ventilation and air conditioning, HVAC)的冷热供应,占比达到65%。此外,各功能区域终端能源的消耗情况,
表2[89]进行了详细统计与分析。
表2中数据显示,生产制造区与研发区的能耗水平最高,分别占总体能耗的35%与30%
[89]。由此可见对热水供应、蒸汽生产以及制冷系统几个方面采用绿色能源供热供电改造,是推动制药行业实现减排与低碳发展的关键。海南通用康力制药有限公司已在青霉素生产车间应用太阳能直接制热供应蒸汽,该项目已被生态环境部列为能源绿色低碳转型的典型推广类项目。
2.6 各行业用热基本状况
结合上述工业的热能需求及生产工序的特点,综合考虑温度品位、工艺特点、能耗状况、余热资源状况、能源结构适配性以及政策经济性等因素,分析各典型工业应用可再生能源供热的潜力,总结如
表3所示。
从温度品位需求的角度,纺织与医药工业所需的加热温度偏低,普遍在300 ℃以下,对于此类温度需求不高的生产工艺,采用可再生能源直接供热以及利用其他高温过程的余热可产生更高的经济效益。从工艺特点方面,钢铁冶炼以及合成氨工艺需要在反应炉或者反应釜内进行,其加热过程要求持续的超高温环境,生物质燃料能满足一部分需求,而可再生能源电制热技术与这些工艺的契合度较低。就能耗状况而言,冶金和化工行业的总能耗水平显著高于纺织与医药行业。尤其是在铝工业中,氧化铝生产与铝合金加工温度需求适中,而且工艺阶段区分明显,便于控制,对波动性能源的接受程度友好,采用绿电间接制热进行改造的潜力巨大
[90]。
3 工业的绿色能源替代潜力与现状
3.1 冶金工业的绿色能源供热现状
在冶金工业中,传统的供热方式主要依赖煤炭、焦炭等化石燃料作为能量来源。随着可再生能源有关技术的快速发展,已经促使部分冶金工艺实现了绿色能源应用,部分冶金企业也已实现了低碳转型。
在钢铁生产的特定工序中,已有实例展示了应用太阳能、风能以及氢能等可再生能源的改造。例如,太阳能发电系统已被整合到电弧炉炼钢工艺中,利用电能生产热蒸汽与预热炉料,同时进行炉料的熔化冶炼,可显著降低整个生命周期的碳足迹
[91]。同一研究团队也尝试将风力发电系统整合在电弧炉工艺中,达到了同样效果
[92]。聚光太阳能系统已被验证可以用来进行铁的冶炼,能提供 1 400 ℃以上高温
[93]。近年来,铁的熔融还原冶炼法已成为高炉冶炼的潜在替代方案,氢能提供热能并作为还原剂替代焦炭,直接还原铁矿石以生产海绵铁。其中氢能又可由绿色能源电解制取。据报道,瑞典HYBRIT氢气竖炉项目相较于传统高炉-转炉长流程,可实现约98.44%的二氧化碳排放降低与36.19%的能源消耗减少
[94]。此外,中国宝武钢铁集团有限公司百万吨级氢基竖炉已于2023年 12月投产,据测算该项目年可减少二氧化碳排放50万t以上。在燃料替代方面,部分铁合金冶炼企业开始采用生物质能燃料替代煤炭用于矿热炉的加热;研究显示生物质燃料可作为高炉喷吹燃料的低碳替代方案,进一步拓宽了绿色能源在冶金工业的应用范围
[95]。
冶金工业的热能需求主要集中于高温场景,使得应用可再生能源供热的方式受到一定限制。使用生物质燃料参与混合供热是一种可行的改造措施。聚光太阳能技术在理论上具备满足高温冶炼需求的潜力,但其目前实际应用成本较高。此外,绿电间接制热技术则可用于温度要求相对较低的原材料预热以及热处理加热。
3.2 化工业的绿色能源供热现状
在化工业中,可再生能源供热技术正逐步成为替代燃煤锅炉、燃气加热、蒸汽加热等传统加热方式的方案。涵盖了原油提炼处理、合成甲醇、合成氨等场景,涉及太阳能、风能、生物质能、地热能等多种绿色能源形式。结合可再生能源利用与电气化改造有望实现行业40%的减碳成效
[96]。
目前,石油化工部分工艺中已经应用了电加热,如感应加热已经用于石脑油裂解制烯烃、重油/沥青回收、甲烷蒸汽重整;电锅炉与电弧炉被用来替代传统燃气锅炉;热泵技术通过回收工业余热,替代或降低锅炉负荷
[97]。
在原油提炼工业中,胜利油田的营二井项目引入了太阳能、储能、谷电光热技术,替代天然气加热炉,每年可降低约9 311 t的碳排放
[98]。根据一项针对美国工业加热锅炉的统计研究,炼油化工行业的锅炉电气化潜力与优势尤为显著
[99]。此外,针对原油脱水过程中的供热,已有通过采用热泵并结合余热回收进行供热改进的报道
[100]。
中国目前已投资多个绿氢化工示范项目,如内蒙古兴安盟的50万t绿色甲醇项目、吉林大安风光制氢合成氨一体化项目。与传统天然气或焦炭制甲醇需800 ℃以上持续供热不同,绿氢合成甲醇的需求可降低至200~300 ℃,更宜采用绿色能源供热
[101-102]。在合成氨工业中,丹麦技术大学的团队开发了一种锂介导电化学合成氨技术,替代化石燃料燃烧工艺,推动了绿电合成氨的进程
[103]。此外,东京科学大学研发的一种Ba-Si氮氢化物催化剂已成功将合成氨温度降低至300 ℃以下,减小了绿色能源的供热难度
[104]。利用太阳能光热催化还可直接合成氨,但目前该技术仍处于实验室研究阶段
[105]。
3.3 纺织工业的绿色能源供热现状
纺织工业中的可再生能源供热替代手段以太阳能热利用为主,生物质燃料也常被用于蒸汽供应。此外还有工业热泵与余热回收技术。有研究表明,结合太阳能利用与余热回收,能够减排53.75%的温室气体
[106]。鉴于可再生能源成本的持续降低,这些措施所带来的经济效益将日益凸显。
近年来,部分纺织企业开始部署屋顶或地面光伏系统,通过光伏电加热满足用热需求。太阳能直接制热也被采用,供应纺织工艺所需的蒸汽。摩洛哥研究人员已针对27家纺织企业的能耗模式,对传统的纺织厂供能系统进行了太阳能应用改造
[107]。印度棉纺织纱线生产与织物处理已应用太阳能热供应热水与蒸汽
[108]。西班牙北部纺织区已在染色、热定型等环节采用生物质燃料锅炉生产高温蒸汽,能节省35%的燃料成本
[33]。
纺织生产过程中会产生40~80 ℃的废水余热和160~220 ℃的废气余热
[109]。这些余热可以通过热泵进行回收,据统计,工业热泵在中国纺织领域具有成熟应用基础和显著节能潜力
[110]。其他生产过程中产生的余热也可用于染色、烘干环节。废气余热可以预热染色用水,纺织过程中产生的粉尘与油雾还可回收作为再生燃料,具有减少10.2%成本的潜力
[111]。
3.4 制药工业的绿色能源供热现状
化学制药与石油化工中的原料制备流程存在一定相似性。相比之下,中成药与生物制药生产所需温度更低,新能源制热的技术更易实现,潜力更大。主流模式以太阳能、生物质能供热为主,同时热泵、氢能等方式也被采用。部分药企则采用多能互补策略,日间应用太阳能制热,夜晚或新能源不足时转用生物质与燃气补足。就制药工业的整体状况而言,目前中低温环节的新能源供热技术已相对成熟,在具有高温需求的化学制药工艺中,仍以燃烧天然气为主。
全球多国与地区已积极在制药工业中推行一系列新能源供热举措,以欧美地区的转型报道最为丰富,具体实践如
表4[16,89,112-115]所示。受政策的积极导向,中国制药企业也积极开展了多样化的探索。
约旦RAM Pharma制药公司已实施太阳能集热器蒸汽供应项目,利用太阳能直接供应160~180 ℃的蒸汽
[16]。瑞士化学与制药行业应用生物质燃料与沼气进行热电联产,以满足低温生产工艺的热需求,可降低14%的总投资成本与15%的能源投资成本
[112]。文献[
113]以美国某制药研发设施为案例,通过热泵余热回收、生物燃料替代燃气,显著降低了HVAC系统能耗。奥地利制药工业的天然气消耗占比达1.5%,文献[
114]提出了采用热泵与电加热锅炉以作为燃气供热锅炉的替代方案。文献[
115]整合优化了制药企业的多种绿色能源应用,在太阳能热能与储能系统协同作用的基础上,引入生物质锅炉进行蒸汽供应,能够大幅度降低碳排放水平。此外,绿氢也可作为制药生产的原料和供热方式
[116]。
与冶金和化工业不同,制药业的选址更加灵活,而且其整体温度需求相对较低,更适合利用地热能。地热可满足保温和发酵工艺的热需求,太阳能热也可以有效地用于更高温度的灭菌与浓缩工艺。对于化学合成制药等存在高温热需求的工艺环节,生物质燃料亦是一种可行的可再生能源供热方案。
3.5 工业可再生能源制热潜力分析
根据联合国工业发展组织的预测,到2050年生物质能将成为化工、水泥等高温工业的主要可再生能源供能方式,太阳能热与热泵将在食品工业的低温处理过程中发挥重要作用。2025年10月,欧盟委员会公布首轮工业热能脱碳试点拍卖条款与细则,预算10亿欧元支持热泵、电阻加热和感应加热等工业过程热能电气化项目,以及直接利用太阳能、地热能等可再生热能项目和直接制热与电制热混合项目,以加速欧洲工业脱碳。
鉴于各工业部门温度需求与工艺特性的差异,不同可再生能源展现出不同的适用性。根据上文的分析,各类绿色能源供热模式在不同工业部门的应用潜力如
图10所示。针对不同工序已有报道以及较为适用的主要绿色能源供热改造方式,总结如
表5[11,14,16,31,33-34,44,46,55-56,58,61,82,91-93,95,98,100-102,104,108,110,115]所示。
总体而言,上述工业中,低温传统生产过程已具备较高的替代可行性,而高温过程仍依赖绿氢、生物质能与先进电加热技术的突破。工业热需求结构也决定着当前研究重心更偏向应用绿色电力供热。制药业与纺织业供热需求通常低于300 ℃,属低温范畴。地热、太阳能热以及热泵在此温度区间可以作为稳定热源,满足灭菌、干燥、清洗等工艺需要。区域性的地热利用同样可以作为低温热能的重要供应模式
[116-117]。化工过程的热需求范围广,涵盖中低温反应到高温裂解,宜采用多能互补策略。如利用生物质能承担基础负荷,以太阳能热和绿电制热调节峰荷。铝工业与钢铁工业多属于高能耗、高温工艺,生物质能和绿电供热是主要替代路径。铝工业低温区间的脱水、预热工艺可辅以太阳能热,或是利用热泵实现余热回收。对于 1 000 ℃ 以上高温工序,可引入氢能或生物甲烷等低碳气体作为传统燃料的过渡角色。
从能耗水平来看,高炉炼铁和石油炼化过程的单位能耗最高,为每吨产品10~30 GJ。由于生产连续性要求高,其绿色供热应用受限,目前生物质能燃料和电加热贡献了大部分绿色热能。其次是氧化铝的提炼以及各类合金的热处理工序,吨能耗为3~10 GJ。该部分绿色热能主要来源于电加热。纺织与医药工业总能耗相对较低,但热耗占比较高。因温度需求更低,可选择的绿色能源供热方式相对多样,以太阳能热与间接电加热为主。
4 绿色能源供热的关键技术
可见,在实现工业过程供热应用中,除需解决与现有生产工艺的配合问题,绿色能源尤其是绿色电力制热的应用仍面临若干关键技术挑战。混合绿色能源直接制热与间接电制热的方式展现出更为广阔的应用潜力。电加热储热技术以及基于绿色电力的区域供热技术,是两项能够推动工业领域可再生能源供热突破式发展的关键支撑技术。
4.1 电加热储热技术
鉴于风能太阳能这类绿色能源固有的间歇性与波动性,在各绿色能源供热模式中引入储热技术能够解决热能的持续稳定供应问题。储热技术按照热能存储机制主要可以划分为显热储热、潜热储热和热化学储热三大类,其中以显热储热最为成熟。
图11展示了上述3种储热方式对应的储热介质分类及其适用的温度范围。
在实际应用中,太阳能热与风能热等绿色能源直接供热系统通常会集成各类储热以保障热能的连续输出。例如,非聚光太阳能集热器结合相变储热实现建筑保暖与低温供热
[118],聚光太阳能系统或直接风能热能系统与熔盐储热结合提供较高温度工业过程用热
[119]。中国已有将光热系统与熔盐储热联合应用于石油工业中的研究报道
[120]。
在绿电间接供热应用中,也采用电加热与储热结合的方式实现热能的不间断供应。有研究表明,可再生能源热泵配合分层储热,具有替代工业燃气锅炉的潜力
[121]。在风电与热电联产机组中应用储热装置和电加热锅炉,能有效提高风电利用率和电热系统的效益,实现电能与热能的稳定供应
[122]。中国已开展了将太阳能、谷电与熔盐储热技术结合,应用于钢铁冶炼过程的相关研究
[123]。2026年3月,独山子石化光伏熔盐储能示范项目开工,明确技术链为“绿电加热、熔盐储热、放热产汽”,实现石化炼化的绿色供热。由此可见,融合了储热技术的绿色能源供热,是工业过程实现全可再生能源零碳转型可行的关键路径。
4.2 绿色电力的区域供热技术
结合场内可再生能源发电(on-site renewable generation,ORG)、储能系统(energy storage system, ESS)与需求侧响应(demand response,DR)三项技术是工业利用绿色能源电力的有效方式
[124]。一项针对澳大利亚工业部门的绿色能源转型潜力报告指出,工业园区多位于资源富集但电网基础薄弱的区域
[125]。中国高能耗工业设施同样展现出向资源密集型区域靠拢的特点,因此配置储能储热系统,构建区域性能源微网是利用可再生能源电力供热的另一关键技术。
为保证可再生能源微网的电力供应稳定,一是借助构网型储能支撑,发挥电压源支撑作用提升微电网稳定水平
[126]。二是采取微网控制策略,如下垂控制或虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制,提升孤岛供电的可靠性
[127]。进而围绕着电力微网,规划设计供热网络、氢网络等多能流网络,并对电能与热能进行智能调度,可有效响应绿色能源,实现电热综合能源的利用
[128]。
在绿色能源微网供热的工程应用方面,已有实例以太阳能光热电站为枢纽,构建了离网型能源系统,为工业热负荷以及居民热用户进行了热电联供
[129]。同样有研究将光热电站作水电联产的能量枢纽,为独立海岛进行了电热的综合供应
[130]。此外,还有耦合了绿氢的微网工程项目。有报道通过离网新能源电力进行电解制氢,并对余热进行回收,满足热能、电能、氢能需求
[131],也是工业园区应用绿色能源进行综合供能的有效手段。青海盐湖沃锦储热技术有限公司的可再生能源替代工业蒸汽绿电直连项目应用离网型光伏风电与光热发电,为盐湖化工园区直接供热,已于2025年11月入选青海首批绿电直连试点项目。
5 结论与展望
工业的热能需求比重很高,尤其是冶金、化工、纺织等行业,存在巨大的节能减碳空间。各类工业仍存在利用可再生能源进行供热改造的潜力。当前中国绿色能源工业供热的研究与应用,已经从概念论证转向了“按温度等级、行业场景和园区系统集成落地”的阶段。梳理了绿色能源制热的各种模式以及重点工业的工艺特点与用热需求,综合分析了现有工业中利用绿色能源制热的应用现状与关键技术路径,探讨了未来工业的可再生能源的利用模式,得出如下结论。
(1)冶金、化工以及纺织医药等高能耗与高热耗工业部门的可再生能源供热改造潜力巨大。冶金工业中的氧化铝生产、铝合金加工等产业,温度需求适中且能耗水平高,生产工艺对波动性能源的接受程度更好,应用新能源制热的潜力更大。纺织医药行业的热能消耗占比高,而热能品位需求低,应用绿色能源进行供热改造的技术更成熟。
(2)绿色能源电制热将是未来工业重要的供热模式。短期来看,生物质能燃料仍将在可再生能源供热方式中保持主导地位。随着技术成熟,预计太阳能直接制热将逐步由低品位热能供应向更高温度工业过程渗透。绿电间接制热的灵活与可控性远超直接制热模式,随着可再生能源发电成本降低,绿电制热最主要的经济性劣势将逐步减弱。
(3)以可再生能源微网为框架的电力与热能综合供应将是未来工业的主要能源利用方式。高能耗工业在地理上呈现出临近自然资源产地且电网设施薄弱的特点。绿色能源的微网供热是工业大规模电制热的关键技术,亦是可再生能源的就地消纳利用的重要手段。
(4)结合各种供热模式进行热能的多能流供应是突破绿色能源供热改造瓶颈的有效路径。现阶段,单一绿色能源供热模式往往难以与生产相配合,难以满足特定温度需求。采用多种方式进行分级分温区品位供热通常具有更好的适配性。多能流供应同样对于提高经济效益和能量利用率更有益。
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