节能技术的发展

郝江平

节能作为“第一能源”，不仅可有效减少资源消耗，还可降低污染物排放，促进生态环境保护和可持续发展。强化节能工作需要节能技术的支撑，技术因素是影响能源利用效率的决定性因素。在政府节能政策支持和市场的推动下，传统节能技术逐步成熟，新的节能技术不断涌现，节能工作已经从“上大压小”和“淘汰落后产能”逐步向“高精尖”技术引领的精细化发展。节能技术已由“易于利用”领域向广泛利用、深度利用和综合利用发展。

一、发电行业

2017年，我国火电机组的平均供电煤耗已达到309g/kWh，已与欧洲接近，优于美国和世界平均水平。新建大量高参数高效率的机组和热电联产改造是电力行业能效提高的主要路徑。但随着电力调峰能力较差的新能源发电比例的提高和高热电比的热电联产集中供热的发展，煤电“上大压小”的节能潜力已经减小，适应调峰需求的灵活性电厂和智能电厂的节能技术成为重要的发展方向。

燃烧优化、煤粉等离子或小油枪点火、锅炉烟气余热回收利用、汽轮机通流改造和优化运行等是在电力行业已经应用较为广泛的节能技术。热电解耦、热电冷联供、分级预热提高热风温度、继续优化汽轮机通流结构、强化排汽冷端传热、新型调峰和智能优化控制技术等是新的节能技术发展领域。目前，热电联产新技术包括低压缸零负荷、背压供热改造和降低回水温度的大温差供热等。锅炉烟气余热回收技术正从低温省煤器技术向分级预热冷风的方向发展，协调余热与回热系统的热能梯级利用技术有利于整体优化锅炉、汽轮机的综合能效。强化排汽冷端传热、保持凝汽真空度的节能技术，重点在提高空冷和水冷冷却塔换热能力、凝汽器污垢在线清洗新技术等发展。新型调峰技术包括以蓄电、蓄热为主的蓄能调峰技术和改变凝结水流量、优化燃烧控制、汽机调门全开滑压的一次调频技术。新型高效烟气净化、清洁高效燃烧、新型回转式空气预热器的密封技术等也是火电行业不断发展的节能技术。

新能源发电节能新技术主要包括提高太阳能光伏发电效率、有调峰能力的太阳能蓄热式光热发电、生物质与燃煤耦合发电等。

二、工业生产工艺

按“十三五”规划，力争2020 年，我国的钢铁、建材、石化、化工、有色、煤炭、纺织、造纸等重点耗能行业能效水平达到国际先进水平。目前，在钢铁、水泥等行业的高炉煤气发电、炉顶压差发电、转炉负能炼钢技术、干法熄焦和水泥窑余热发电等，煤气化工艺中采用煤气余热梯级回收利用与干法降温减小显热损耗，以及化工领域回收弛放气进行电热多联产等节能效益显著的技术已得到较广泛应用。部分行业的全厂能量和物流系统优化，采用高精度计量和智能控制提高能源和材料利用效率等还有潜力。在许多工业领域应用的生产新工艺显著改善了单产能耗水平，普及新工艺成为下一步重要的节能路径。

水泥行业利用低压旋风预热、旋喷结合的高固气比水泥悬浮预热分解炉技术，提高物料分解效率。采用新型组合炉衬材料和工艺、高效熟料冷却机、新型磨机、烘干机以及自动控制系统等技术来综合提高能效。高性能土工合成材料制造技术，可循环利用低值废弃物替代高耗能钢筋，用于基础设施建设。沥青路面冷再生技术可用于沥青路面维修养护工程，比传统热拌沥青混合料生成工艺减少了燃料消耗和污染排放。建筑陶瓷薄型化等技术采用新材料和新工艺，在保障产品强度等性能指标的前提下实现低耗生产，节材节能。直燃式快速烘干技术采用燃气烟气再循环进行物料干燥，减少了传统二次换热间接干燥的热损失。

可控一氧化碳等温变换技术，解决了传统多段绝热变换存在的难题，反应转化率和热回收效率高。新型粉煤加压气化技术和水煤浆气化技术等替代低效的常压固定床间歇式气化工艺，提高了煤转化率，冷、热煤气效率得到大幅提升。JX节能型等尿素生产技术是一种低能耗、高转化率的水溶液全循环尿素工艺。机械式蒸汽再压缩技术可用于化工等行业的料液浓缩，减少补充蒸汽耗能。

旋浮铜冶炼工艺技术、脉动旋流型喷嘴，显著强化了物料的传热传质能力。新型阴极铝电解槽等工艺，通过优化铝液中电流分布、槽内衬设计和工艺参数，达到低电压高效率稳定运行。

超低浓度煤矿乏风瓦斯氧化利用技术可回收利用可燃气的热量；通过高效机械化矸石充填技术，可提高煤炭资源回采率和煤矸石的综合利用率；全粒级干法选煤节能技术可实现井口混煤全粒级一次净选。

纺织业的低浴比染液循环的染色技术，可节约蒸汽及染料和助剂消耗。造纸业采用长时间静压脱水技术，可提高脱水率和减少干燥蒸汽用量。塑料注射成型采用压力和流量双闭环控制，可降低伺服电机运行功率与负载不匹配的能耗。

燃料煤、陶瓷和其它建筑材料等制粉系统是工业电耗较大的领域，目前改进主要包括采用新型衬板、集成串联式连续球磨机、永磁磁选和优化运行等。

三、工业炉及燃烧技术

我国在用工业锅炉中燃煤锅炉占大多数，工业窑炉主要集中在建材和冶金行业，总体运行水平不高。该领域淘汰小规模、落后生产工艺，采用优化热量调度和控制管理，利用压差和余热发电等实现能量梯级利用方面仍有较大的节能潜力。目前各类低氮燃烧技术都会略微降低燃烧效率或热效率，实现低氮且高效的解耦燃烧是新技术开发的难点。燃煤工业炉和窑炉在环保方面仍然面临较大的挑战，实施超净排放改造难度大，环保耗能高，还需继续探索不同的技术路线，制定与生产工艺相适宜的成套方案。

现主要节能技术包括：采用循环流化床锅炉、煤粉工业炉和大型链条炉排炉等高效燃煤技术，解决用煤偏离设计和标准等问题。利用工业和生活废弃物等作回转窑辅助燃料。采用节能型隧道窑、内燃烧砖、稀码快烧和新型墙体材料等对窑炉进行改造。钢铁企业球团迴转窑、石灰窑、耐火材料窑等提效改造。提高辅机成套和自动化控制水平等。

由于煤粉颗粒比表面积大、易与助燃气体混合均匀，可在较低的过量空气系数下实现较高的燃烧效率。煤粉浓缩、强化热回流、富氧燃烧和优化配风的二次燃烧技术等是目前应用较多的技术手段。工业炉煤粉低氮燃烧是当前开发的重点和难点。循环流化床锅炉具有优异的燃料适应性和较高的炉内脱硫脱硝效率，烟气净化综合成本较低。

国内燃气高效超低氮燃烧技术正在快速追赶国际最先进水平，因天然气没有燃料氮，主要是通过烟气再循环加分级燃烧或全预混表面式燃烧等降低理论燃烧温度。蓄热式燃烧技术可回收高温排烟的显热来加热助燃空气，使燃料在低氧下实现稳定的低氮燃烧。蓄热式轧钢加热炉和富氧、全氧燃烧浮法玻璃熔窑等都是较成功的燃烧节能技术。无旁通不成对换向蓄热燃烧技术等，将全部高温烟气都经蓄热室后排出，节能量进一步提高。

四、余热利用

余热的分布十分广泛，在节能领域有着重要作用。不同余热的热载体性质和参数差异很大，回收利用工艺也各不相同。

温度高于300℃的较高温余热多用于产生蒸汽或发电，在工业领域已广泛应用。较新的技术包括：通过上升管换热器的优化选材解决焦油凝析附着问题，实现回收焦炉荒煤气显热生产过热蒸汽。钢铁行业转炉煤气干法回收技术是将烟气通过余热锅炉、高效除尘后，再进入煤气冷却器对烟气余热进一步回收利用。窯炉烟气辐射预热器和废气热交换器，可用于工业窑炉的节能改造。密闭式矿热炉/电石炉生产工艺和余热回收，生产硫酸的余热和玻璃熔窑余热发电也是重要的余热利用技术。

中低温余热的发电效率较低，仅在投资回收期适宜的领域应用。一些中低温工业余热用于预热或干燥生产系统的进料。但由于热平衡等问题，大量中低温余热较难结合生产工艺回收利用，利用部分行业的中低温余热进行远距离集中供热成为新的方向。烧结烟气可直接采用余热锅炉进行干法回收余热，高温余热部分可以发电，中低温部分也可用于供热。炼焦煤调湿风选技术，是采用焦炉烟道废气对原料煤进行分级及适度干燥处理。纯碱余热利用是回收煅烧炉炉气加热空气，热空气再干燥重碱。发酵用压缩空气由水冷改为风冷，热风作为烘干发酵菌渣的加热剂。氯化氢合成余热利用技术产生的蒸汽可回到厂用蒸汽系统。

低于100℃的低温余热回收技术包括负压蒸发后再冷凝的低温废水热回收技术和热泵冷热联供等技术。空调制冷同时将排热用于加热生活热水的技术在南方已广泛应用。油田采油污水余热综合利用技术多采用直燃式热泵回收低温余热。通过热泵利用矿井排水和乏风，冬季为井口供暖，夏季制冷降低进风流的温度解决矿井高温热害。将洗浴废水过滤净化，利用热泵和三介质交叉换热，可深度回收排水余热，实现清洁供热。通过各种热泵冷凝回收烟气中部分水蒸气的汽化潜热，可大幅提高燃气锅炉的效率和供热能力。

五、工业动力装备

更新淘汰低效电动机等高耗电设备，推广高效电动机、风机、泵、压缩机和热机等动力机械以及高效传动和变频器调速技术等已较为深入。以电磁传动改造传统的机械、液压等传动方式，采用交流调速取代直流调速和液力耦合器调速，推广软启动装置、无功补偿装置、计算机自动控制系统等，通过参数、过程控制优化和设备选型，保障系统运行工况处于最佳效率点并减少节流损失等仍有较大节能潜力。

新型电机节能包括：稀土永磁电动机、自励三相异步电动机、基于三相采样与快速响应的电动机、基于微机控制的三相电动机、基于电磁平衡调节的用户侧电压质量优化等。自励三相异步电动机技术可有效降低无功功率损耗，提高功率因数和高效运行区间，优化了电动机的性能指标。

绕组式永磁耦合调速器、永磁磁力耦合器和永磁调速传动装置等，都可减小电机启动电流峰值，实现软启动。绕组式永磁耦合调速器技术，通过控制绕组转子的电流改变传递转矩，实现大型转动机械的调速功能，将转差功率回收利用，解决了转差损耗产生的温升问题。

中小型汽轮机通过优化通流结构，采用高效叶片、整锻转子等，实现高转速模块化设计，提高了相对内效率。可低参数介质驱动的大型螺杆膨胀机、适于低热值高炉煤气发电的燃汽轮机装置、煤气透平与电动机同轴驱动的高炉鼓风技术、降低每级压比提高容积效率的两级喷油螺杆压缩机和适于特殊介质的小型磁悬浮离心式鼓风机技术等也在不断发展。

六、传热

稳定的高效换热对节能技术的应用具有较普遍的意义。传统换热器强化传热技术的应用已较为普遍，特殊领域提高和保障传热能力的技术成为发展方向。高热导率涂层技术可对锅炉炉膛等换热面表面进行涂覆，既解决了炉膛换热面的高温腐蚀和结渣问题，也保障了换热面的传热能力。高炉热风炉、焦炉和加热炉的蓄热体采用高发射率材料或表面涂层，可提高蓄热体热吸收及热辐射效率，减少加热时间。超声波脉冲振荡等在线防垢和除垢技术等，可以减低污垢的传热热阻，维持换热效率。

良好的保温技术可降低热量传输中的热损失。保温技术包括工艺和材料两方面。保温材料不仅要具有较低的导热系数和与使用条件相适应的理化性能，而且应有良好的施工工艺，解决接缝密封和维持等问题。目前，聚氨酯整体发泡成型等保温技术已得到广泛应用，新型多腔孔陶瓷复合绝热材料、新型耐火纤维等优质保温材料开始推广应用。

七、电气和电子

采用高效变压器、减少输电线路损耗、减少附属设备损耗、优化无功补偿和配电等是常用的电气节能技术。电能经过电力电子技术处理，节能效果十分显著。开关变频技术、高频变压技术、电源控制和芯片板卡冷却技术等不断发展。

零过渡过程动态无功补偿节能增效技术使动态电压和电流的非周期衰减分量接近零，解决了电容器残余电压在投切过程中产生过电压和过电流的技术难题。基于快速涡流驱动及短路识别的电网运行控制技术，通过向远距离输电线路中投入补偿电容器或在电网故障时投入限流电抗器的方式，减少限流电抗器的电能损耗。基于架空地线绝缘接地方式的交流输电线路节能技术，通过切断地线与大地之间的电流通路减少感应电流产生的能量损失。全光纤电流/电压互感器技术，可利用光波通过晶体时两个轴上光波之间的相位差测量电压变化值。可控自动调容调压配电变压器技术，实现自动调容/调压、远程负控、三相有功不平衡调节等功能。根据集肤效应外强内弱，采用铜包铝管母线，可节约铜材和减少线损。

通信用240V直流供电系统的电源单模块功率大幅增大，体积功率密度大幅提高。基站载频设备智能控制、基于SDR集群专网通信系统节能技术等，可动态调整功耗，减少功率放大器的使用数量，提高功放效率。分布式热管冷却、全密闭动态均衡送风、服务器芯片液体冷却、电子设备液冷导热等数据中心机房供冷技术，可实现模块化、多结构分类冷却，按需智能动态定向分配精细化送冷，增加自然冷却份额，降低平均制冷功耗。

八、建筑节能

建筑用能占我国能源消费量的比例逐年上升，建筑节能问题已日益突出。建筑节能需实施绿色建筑全产业链发展，推行冷暖光优化的绿色设计、预拌混凝土和砂浆等绿色施工工艺，采用节能绿色建材、装配式和钢结构建筑。发展和推广节能利废建材、超薄绝热保温板、聚氨酯、聚苯乙烯等符合节能和相关标准的新型墙材。

结合建筑外观的节能设计是新发展方向。水性高效隔热保温涂料采用聚氨酯中空微珠、高反射性颜料、高发射性助剂等，可实现低导热系数的涂膜保温。节能型合成树脂幕墙装饰、太阳能光伏幕墙等替代传统铝塑板幕墙和建筑屋顶分布式光伏发电等都将有所发展。

分布式能源冷热电联供、温湿度独立优化调节、高效空调机组和清洗节能等技术，冰浆蓄冷、水蓄能和相变蓄热等调峰蓄能器，低辐射中空玻璃、新型门窗密封结构和节能新风系统，避免热桥效应的绝热冷库围护结构，以及建筑物联网动态管理、用能智能控制等也是主要的节能技术。

热电联产为主的集中供热是城市供热的主要形式。利用热泵的余热回收和大温差集中供热技术，优化管网分布和备用容量，并采用先进的热计量、信息管理系统和合理调度，可提高供热系统的整体能效。

逐步推进农村等分散建筑的保温和被动太阳房等节能改造。供热宜气则气、宜电则电、宜煤则煤。有条件地区可采用生物质能、基于热泵的浅层地热能等。空气源热泵很适宜分散供热，在相对温暖干燥地区具有较高的平均制热性能系数。随着喷气增焓等压缩机技术和以CO2为工质的热泵技术的发展，在寒冷地区的热泵供热能力增强。优化配置空气源热泵、太阳能光热和水箱储能的冷、暖、热水三联供系统会有所发展。

（作者为中科院过程工程研究所高级工程师）