西藏日喀則地區(qū)清潔能源集中供暖熱源應(yīng)用

引言

西藏日喀則地區(qū)平均海拔3852m左右,地處高寒、高海拔地區(qū)。極端最低溫度-21.3℃,日平均溫度≤5℃為159天,日喀則市現(xiàn)有供暖基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,城區(qū)內(nèi)尚無集中供暖設(shè)施,城區(qū)內(nèi)大多采用柴火爐和分體空調(diào)分散供暖。柴火燃燒會產(chǎn)生煙塵,污染環(huán)境;燃燒不充分,易引起CO中毒事故;柴火燃燒增加了室內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性,嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。分體空調(diào)品牌不一,性能不一,能效得不到保障,耗電高,熱舒適性差,已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前城市發(fā)展建設(shè)和百姓宜居生活的需要,清潔能源集中供暖設(shè)施的建設(shè)完善已成為亟待解決的民生問題。

在國家“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略方針下,為提升西藏日喀則地區(qū)人民冬季生產(chǎn)生活熱舒適性,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,維護(hù)民族團(tuán)結(jié)、邊疆穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)國家的長治久安,采用清潔能源用于集中供暖勢在必行。

從西藏日喀則地區(qū)的資源稟賦出發(fā),對生物質(zhì)能、太陽能、地?zé)崮?/a>、天然氣、清潔電能等清潔能源用于集中供暖的適用性進(jìn)行分析。并在清潔能源分析的基礎(chǔ)上,對適用性熱源(生物質(zhì)能、太陽能、地?zé)崮?/a>、天然氣、清潔電能等)進(jìn)行投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析,從投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度對西藏日喀則地區(qū)清潔能源集中供暖熱源進(jìn)行推薦。

1  清潔能源分析

1.1生物質(zhì)能

生物質(zhì)能,是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式,即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用,可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料,取之不盡、用之不竭,是一種可再生能源,同時(shí)也是唯一一種可再生的碳源。生物質(zhì)的硫含量、氮含量低、燃燒過程中生成的SO2、NOX較少;生物質(zhì)作為燃料時(shí),由于它在生長時(shí)需要的二氧化碳相當(dāng)于它排放的二氧化碳的量,因而對大氣的二氧化碳凈排放量近似于零, 可有效地減輕溫室效應(yīng)。生物質(zhì)資源包含林業(yè)生物質(zhì)資源、農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源、以及城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物等。

與煤炭產(chǎn)生的熱量相比,生物質(zhì)熱值較低。燃燒相同質(zhì)量的煤與生物質(zhì),生物質(zhì)產(chǎn)生的能量只有煤的三分之一。但生物質(zhì)燃料來源廣泛,屬于清潔型能源,受國家相關(guān)政策扶植。生物質(zhì)鍋爐熱效率高,可達(dá)85%以上,采用炭氣聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐,除可提供蒸汽外,還可以提供炭、木焦油、木醋等附屬工業(yè)產(chǎn)品,經(jīng)濟(jì)效益較好。

西藏主要生物質(zhì)有林木、牧草、農(nóng)作物等,西藏的生物質(zhì)能資源分布呈現(xiàn)空間分布規(guī)律,由林芝地區(qū)沿雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江向西北溯流而上呈下降趨勢,那曲、日喀則、阿里等地生物質(zhì)能資源極其匱乏。

日喀則地區(qū)以草甸為主,耕地面積小,耕地面積僅為7.95萬公頃,約占日喀則土地面積的4.5‰, 森林面積較小,森林覆蓋率僅為6.81%。經(jīng)調(diào)查, 日喀則地區(qū)生物量降到5t/hm以下。

西藏是我國的生態(tài)屏障,生態(tài)環(huán)境十分脆弱, 生態(tài)戰(zhàn)略地位十分重要。考慮到西藏的荒漠、草原、 森林等生物群落的敏感性強(qiáng)、退化嚴(yán)重、環(huán)境脆弱, 可利用的生物量很有限。生物原材料包括木材、飼草、糧食、有機(jī)肥料等,生物質(zhì)中的主體—林木資源的相當(dāng)一部分作為商品材出售,牧草主要為家畜和野生動物食用,糧食、油料等以口糧供應(yīng)和輕工原料為主,一部分畜糞和秸稈還要還田,導(dǎo)致可利用的生物質(zhì)量更少。

在薪柴能源替代戰(zhàn)略下,生物質(zhì)能利用具有可行性,但是鑒于其生物質(zhì)資源有限,自然環(huán)境脆弱, 其開發(fā)規(guī)模要經(jīng)過科學(xué)論證后,因地制宜,適度開發(fā)。

從日喀則地區(qū)生物質(zhì)資源稟賦來看,日喀則地區(qū)采用生物質(zhì)做供暖主要燃料,可行性不高,但城市垃圾無害化處理是西藏各城區(qū)面臨的痛難點(diǎn)之一,城市有機(jī)垃圾也是生物質(zhì)的來源之一,城市有機(jī)垃圾生物質(zhì)可作為城市集中供暖的備用或輔助燃料考慮,同時(shí)解決城市有機(jī)垃圾無害化處理問題。

1.2太陽能

西藏的太陽能資源居全國首位,是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一,比同緯度的平原地區(qū)多一倍或1/3;日照時(shí)間全國最長的,各地海拔相對較高,加之所處地理位置的特殊性,使得全年可接受的太陽輻射能充裕,全年太陽高度角變化幅度不大,冬夏半年太陽可照時(shí)數(shù)差別較小。

日喀則地區(qū)屬西藏自治區(qū)太陽能最豐富的地區(qū)之一,年太陽總輻射為6836.6MJ/㎡,太陽總輻射最大月為5月,5月總輻射為742.1 MJ/㎡,太陽總輻射最小月為12月,12月總輻射為427.6 MJ/㎡, 太陽總輻射最大季節(jié)為春季,春季總輻射為 2042.2MJ/㎡,太陽總輻射最小季節(jié)為冬季,冬季總輻射為1360.9MJ/㎡。日喀則桑珠孜區(qū)太陽能輻射量存在季節(jié)分配不均的情況,供暖季太陽輻射量相對較小。日喀則最冷月南向垂直面平均總太陽輻照度 Is>200W/m2。

日喀則市地勢高,光照透明度好,太陽能資源穩(wěn)定性好,經(jīng)統(tǒng)計(jì),日喀則市年平均日照數(shù)為 3004.6h,年內(nèi)日照時(shí)數(shù)大于6h/天的日數(shù)為301天。根據(jù)日喀則太陽能資源的豐富性和穩(wěn)定性,太陽能供暖條件得天獨(dú)厚。

1.3地熱能

地熱能是指地殼內(nèi)能夠科學(xué)、合理地開發(fā)出來的巖石中的熱量和地?zé)崃黧w中的熱量。地?zé)?/a>是一種潔凈的可再生能源,具有熱流密度大,容易收集和輸送、參數(shù)穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

地?zé)?/a>能根據(jù)深度不同,可分為淺層地?zé)?/a>和中深層地?zé)?/a>。

淺層地?zé)?/a>位于地下0 m ~200m,主要來自太陽輻射對地表土壤的加熱,約占總的地?zé)崮?/a>的5%, 淺層地?zé)?/a>主要以熱水型和蒸汽型存在,主要分布在構(gòu)造板塊邊緣,淺層地?zé)?/a>受地下熱水資源稀缺,換熱后回灌困難,地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較大,長期使用存在熱衰減問題,資源分布局限,能量密度小等因素的制約,使用具有很強(qiáng)的局限性和技術(shù)難度。

中深層地?zé)?/a>位于地下200 m ~4000m,主要來自地核熔融巖漿和地殼上部放射性生熱元素衰變,以巖熱型為主,巖熱型地?zé)崮?/a>存在于由地溫梯度形成的巖土體中,地溫梯度普遍存在,巖熱型地?zé)豳Y源普遍存在,地域適用性強(qiáng)。目前,我國的雄安、西安等地已開展中深層地巖熱供暖的工程探索,雖已投運(yùn)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較短,但根據(jù)目前的中深層地巖熱供暖系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),取熱井溫度衰減較慢,中深層地?zé)?/a>作為一種長期供熱熱源是穩(wěn)定、可靠的。

西藏是中國地?zé)?/a>活動最強(qiáng)烈的地區(qū),地?zé)崽N(yùn)藏量居中國首位,但日喀則桑珠孜附近無熱水型和蒸汽型淺層地?zé)豳Y源分布。根據(jù)日喀則桑珠孜地?zé)豳Y源稟賦,中深層巖熱型地熱能用于集中供暖具有較強(qiáng)的適用性。

1.4 天然氣

西藏自治區(qū)范圍內(nèi)尚未探明有天然氣資源,所有的天然氣均需從區(qū)外運(yùn)輸。在項(xiàng)目所在地不具備采用太陽能、電能及地?zé)崮芄┡?/a>條件,天然氣持續(xù)供應(yīng)量有保證、投資(包括當(dāng)?shù)嘏涮捉ㄔO(shè)的天然氣儲運(yùn)、輸配系統(tǒng))及運(yùn)行費(fèi)用均比其他推薦的熱源形式有優(yōu)勢的條件下,可考慮采用燃?xì)夤┡?o:p>

1.5電能

西藏自治區(qū)缺乏煤炭、石油、天然氣等能源, 常規(guī)能源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重,常規(guī)能源發(fā)電受資源稟賦制約。但太陽能、地熱能和水能居全國首位,風(fēng)能資源較豐富,是新能源的寶庫。西藏能源優(yōu)勢得天獨(dú)厚,開發(fā)潛力巨大。

風(fēng)電潛能:西藏有兩條風(fēng)帶,推測年風(fēng)能儲量 930億KW.h,居全國第七位。西藏風(fēng)能技術(shù)可開發(fā)量超過1.8億KW,主要分布在那曲、日喀則、山南等高海拔地區(qū),未來可集中開發(fā)的連片土地空間較大,利用小時(shí)數(shù)約2300h/年。

太陽能發(fā)電潛能:西藏的太陽能資源居全國首位,是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一。西藏平均每天日照時(shí)長達(dá)8h,全年艷陽高照時(shí)間達(dá)300 天,年日照時(shí)間居全國首位。西藏光伏可開發(fā)規(guī)模超7億KW,資源豐富、出力穩(wěn)定,利用小時(shí)數(shù)達(dá) 1500 h/年-2000h/年。

地?zé)岚l(fā)電潛能:西藏是中國地?zé)?/a>活動最強(qiáng)烈的地區(qū),各種地?zé)犸@示點(diǎn)有1000多處。西藏地?zé)豳Y源儲量近3億KW,其中可用于發(fā)電的約300萬KW, 地?zé)岬睦眯r(shí)數(shù)高達(dá)8000h/年。

水能發(fā)電潛能:西藏的水能資源極為豐富,全區(qū)水能資源理論蘊(yùn)藏量為2億KW,約占全國的 30%,居全國首位。《青藏高原生態(tài)文明建設(shè)狀況》 白皮書顯示,西藏水能資源技術(shù)可開發(fā)量為1.74億 KW。

日喀則地處喜馬拉雅山系中段與岡底斯-念青唐古拉山中段之間,南北地勢較高,其間為藏南高原和雅魯藏布江流域。太陽能、地?zé)崮堋⑺堋?風(fēng)能資源豐富,新能源發(fā)電潛能巨大。采用清潔電能(太陽能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、風(fēng)力發(fā)電或水利發(fā)電)作為集中供暖能源,屬于可接受選項(xiàng)。

1.6 清潔能源分析

通過分析西藏日喀則地區(qū)的清潔能源稟賦發(fā)現(xiàn),太陽能、中深層地?zé)崮?/a>和清潔電能(太陽能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、風(fēng)力發(fā)電或水利發(fā)電)資源豐富,可作為集中供暖能源選項(xiàng);而生物質(zhì)能受資源量不足的制約,作為集中供暖主要能源的可行性不高, 生活有機(jī)垃圾生物質(zhì)可作為備用或輔助能源,解決城市部分生活垃圾處置問題的同時(shí),增加集中供暖的可靠性;以天然氣為代表的清潔化石能源,西藏暫未探明有儲量,可不考慮作為集中供暖能源。

2熱源分析

根據(jù)西藏日喀則地區(qū)清潔能源分析,日喀則地區(qū)太陽能、地?zé)崮?/strong>、風(fēng)能和水能資源豐富,太陽能直接供暖、中深層地巖熱供暖具有可行性,同時(shí)新能源發(fā)電用于集中供暖熱源具有可行性,利用清潔電做能源的供暖形式有電鍋爐、超低溫空氣源熱泵和電解水制氫合成甲醇鍋爐。生物質(zhì)鍋爐尤其是以生活有機(jī)垃圾為燃料的生物質(zhì)氣化鍋爐也可作為備用或輔助能源的選擇。

2.1電鍋爐

電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐,它是以電力為能源并將其轉(zhuǎn)化成為熱能,從而經(jīng)過鍋爐轉(zhuǎn)換, 向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體的鍋爐設(shè)備。電熱鍋爐具有無污染、無噪聲、占地面積小、安裝使用方便、全自動安全可靠等優(yōu)點(diǎn), 但因電屬于二次能源,且電鍋爐耗電量大,熱效率低于100%。在無供電政策,其他熱源豐富的情況下,禁止采用電鍋爐供暖。電鍋爐用于集中供暖熱源投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析詳見表1:

注:電鍋爐的熱效率按98%計(jì),電費(fèi)按0.33元 /kWh計(jì);初投資僅考慮一類費(fèi),即僅考慮設(shè)備投資及項(xiàng)目建設(shè)投資,未考慮供電不足新建供電設(shè)施投資,未包含末端及管網(wǎng)投資;運(yùn)行費(fèi)在電費(fèi)的基礎(chǔ)上考慮1.3的系數(shù),用于設(shè)備運(yùn)維投入及補(bǔ)水消耗等。

2.2低溫空氣源熱泵

空氣源熱泵用于供暖,是利用清潔電供暖的方式之一。空氣源熱泵從大氣環(huán)境中吸取低品位能量, 轉(zhuǎn)化為高品位能量,用于供熱供暖。空氣源熱泵具有占地面積小,可直接放置于室外,不同設(shè)置專用機(jī)房,節(jié)省土建成本,不采用冷卻塔,免去冷卻水系統(tǒng)投資,模塊化設(shè)計(jì),調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

低溫空氣源熱泵適應(yīng)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn),采用噴氣增焓技術(shù)或CO2復(fù)疊循環(huán)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了超低溫下穩(wěn)定制熱,為西藏等高寒地區(qū)低溫空氣源熱泵供暖提供了技術(shù)支撐。低溫空氣源熱泵用于集中供暖熱源投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析詳見表2:

注:電費(fèi)按0.33元/kWh計(jì);初投資僅考慮一類費(fèi),即僅考慮設(shè)備投資及項(xiàng)目建設(shè)投資,未考慮供電不足新建供電設(shè)施投資,未包含末端及管網(wǎng)投資;運(yùn)行費(fèi)在電費(fèi)的基礎(chǔ)上考慮1.3的系數(shù),用于設(shè)備運(yùn)維投入及補(bǔ)水消耗等;-7.3℃為日喀則供暖室外計(jì)算溫度,-21.3℃為極端最低氣溫,-0.3℃為氣溫低于5℃期間平均溫度,1℃為氣溫低于8℃期間平均溫度。

2.3電解水制氫合成甲烷

電解制氫合成甲烷/甲醇工藝,是利用清潔電供暖的另一種方式。首先,將水電解制取氫氣,然后,氫氣與CO2反應(yīng)合成甲醇,甲醇作為燃料供鍋爐使用。這種利用清潔電能產(chǎn)生化學(xué)能的形式,能夠消納CO2的同時(shí),完成了跨季節(jié)儲能,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了夏熱冬用。

2.4 太陽能

根據(jù)《太陽能供熱供暖工程技術(shù)規(guī)范》 (GB50495-2019),在寒冷地區(qū)太陽能供暖系統(tǒng)須采用間接供暖系統(tǒng)。太陽能間接供暖系統(tǒng)用于集中供暖熱源投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析詳見表4:

注:初投資僅考慮一類費(fèi),即僅考慮設(shè)備投資及項(xiàng)目建設(shè)投資,未包含末端及管網(wǎng)投資;運(yùn)行費(fèi)在集熱器循環(huán)泵和供暖循環(huán)泵運(yùn)行費(fèi)基礎(chǔ)上,考慮 1.3的系數(shù),用于設(shè)備運(yùn)維投入及補(bǔ)水消耗等。

2.5 地?zé)崮?/strong>

根據(jù)日喀則地區(qū)地?zé)豳Y源稟賦分析,可知日喀則地區(qū)無淺層地?zé)豳Y源分布,不可采用淺層地?zé)?/a>用于集中供暖,可采用中深層地巖換熱清潔供暖技術(shù)。

中深層地巖換熱清潔供暖技術(shù)采用深層鉆井工藝向地下一定深度的高溫巖層鉆孔,將特制的閉式換熱器埋于孔中,閉式換熱器通過管路與地面換熱設(shè)備相連接形成閉式循環(huán)系統(tǒng)。閉式換熱器中的循環(huán)換熱介質(zhì)為水,換熱介質(zhì)與地下深層高溫巖土交換熱量后,將地下深層的熱能交換出來,為地面換熱設(shè)備提供熱源鉆孔深度一般為 1500m-3000m,孔徑200m-300mm。成孔后,運(yùn)行過程中不提取使用地下水,只通過換熱介質(zhì)提取深層地?zé)?/a>。原理詳見圖2:

中深層地巖換熱清潔供暖技術(shù)用于集中供暖熱源投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析詳見表2-5:

注:初投資僅考慮一類費(fèi),即僅考慮設(shè)備投資及項(xiàng)目建設(shè)投資,未包含末端及管網(wǎng)投資;運(yùn)行費(fèi)在集熱器循環(huán)泵和供暖循環(huán)泵運(yùn)行費(fèi)基礎(chǔ)上,考慮 1.3的系數(shù),用于設(shè)備運(yùn)維投入及補(bǔ)水消耗等。

2.6有機(jī)生物質(zhì)氣化鍋爐

有機(jī)生物質(zhì)氣化裂解爐在不完全燃燒條件下, 將垃圾加熱,使垃圾中的有機(jī)碳?xì)浠衔锇l(fā)生裂解反應(yīng),變成含有 CO、 H2、 CH 4 等可燃?xì)怏w的混合氣體;混合氣體產(chǎn)生后隨即燃燒,燃燒產(chǎn)生的高溫將混合氣體中的有害物質(zhì)有效分解,垃圾處理無害化 100%,并產(chǎn)生可以再次利用的熱能。

氣化熱解過程是一種限氧反應(yīng),成本比垃圾焚燒低80%以上。氣化熱解生活有機(jī)垃圾能夠滿足就地、即時(shí)、無害化垃圾處理,且其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單, 操作簡易,處理環(huán)保。

有機(jī)生物質(zhì)氣化熱解過程不需要消耗燃料,原料僅為經(jīng)分類處理的生物質(zhì)有機(jī)垃圾,除鍋爐房建造成本、供暖介質(zhì)輸送成本和人工成本外不需要其他投入,且產(chǎn)生供暖燃料和生活有機(jī)垃圾無害化處理。初投資低,運(yùn)行費(fèi)低,環(huán)保無污染,但受制于生活有機(jī)垃圾數(shù)量,無法作為集中供暖主要能源, 但可作為輔助能源以應(yīng)對極端氣候或檢修狀況。

2.7熱源分析

從上述熱源分析看出,太陽能供暖最經(jīng)濟(jì),但受天氣影響,熱源穩(wěn)定性差;電鍋爐初投資最低, 但運(yùn)行費(fèi)最高;中深層地巖熱雖初投資高,但運(yùn)行費(fèi)低,其可靠性、穩(wěn)定性有待驗(yàn)證;電解制氫合成甲醇用于集中供暖,初投資最高,但有附屬產(chǎn)品氧氣產(chǎn)生增值效應(yīng),且運(yùn)行費(fèi)低,但是否能夠應(yīng)用, 需要政府出臺相關(guān)政策支持;有機(jī)生物質(zhì)垃圾氣化鍋爐供暖初投資低,運(yùn)行費(fèi)低,環(huán)保無污染,但受制于生活有機(jī)垃圾數(shù)量,無法作為集中供暖主要能源,但可作為輔助能源以應(yīng)對極端氣候或檢修狀況。 低溫空氣源熱泵投資較低,僅高于電鍋爐,運(yùn)行費(fèi)較電鍋爐低50%,且在寒冷地區(qū)運(yùn)行穩(wěn)定,可作為主要熱源使用。