煤和天然氣，理論燃燒溫度在2000攝氏度左右。用于供熱，通常最高供水溫度在130攝氏度左右，如果把煤、天然氣拿來直接燃燒供熱，其溫差將在1800攝氏度左右，能源品位的損失，接近70%~80%。
因此，把煤、天然氣直接燃燒供熱，是對能源的最大浪費，是最不經(jīng)濟的。可是至今，這種狀況到處可見，不僅小型燃煤供熱遍地開花，就是新近“煤改氣”的大型燃氣供熱（鍋爐房總?cè)萘吭趲装賴嵰陨希┮廊蝗绻省＿@種狀況不改變，我國供熱技術(shù)的落后面貌難以改觀。
煤和天然氣，最合理的利用方式，是梯級利用，即電熱冷聯(lián)供或AGCC即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。如前所述，煤和天然氣，理論燃燒溫度都在2000攝氏度左右，最理想的利用方式是高溫段發(fā)電，低溫段供熱、制冷。對于通常的發(fā)電廠，發(fā)電效率一般在30%~40%左右，汽輪機后的乏汽壓力為0.006兆帕,飽和溫度為36攝氏度，其能源品位值只有總能源品位值的2.5%~5.0%之間，即發(fā)電潛力很低，但按數(shù)量分析，約占總熱量的50%左右，目前大多數(shù)情況，向大氣中排放。如果用于供熱、制冷，實現(xiàn)電、熱、冷聯(lián)供，全系統(tǒng)的余熱利用系數(shù)可提高到70%~80%，因此，這種電、熱、冷的梯級利用是化石燃料的最佳利用方式。
根據(jù)國家發(fā)改委的有關(guān)文件，我國正在大力推廣大型機組（容量在200兆瓦~300兆瓦以上）的電熱冷聯(lián)供系統(tǒng)，這對于我國大中城市來說，是非常正確的。在加速城鎮(zhèn)化的建設(shè)中，我國勢必會有大量小城鎮(zhèn)涌現(xiàn)，人口在幾萬至十幾萬之間，對于這樣的城鎮(zhèn)，比較合理的供熱方式應(yīng)該是小型背壓機組（容量在25兆瓦以下）的電、熱、冷聯(lián)供。經(jīng)中國供熱信息網(wǎng)人員測算，這種機組，即使冬天聯(lián)運，夏天停運，經(jīng)濟上都是合算的。如果這種供熱方式，能夠取得共識，那么我國相當數(shù)量人口的供熱民生問題，就會得到解決。
對于局部區(qū)域（如一定范圍的公共建筑或居民區(qū)），可以大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)。這種系統(tǒng)，利用小型燃氣發(fā)電機組（內(nèi)燃機或小型燃氣輪機），一面發(fā)電，一面利用廢氣或冷卻熱量通過熱泵機組供熱供冷，解決本區(qū)域的電、熱、冷需求。以上不同方式的電、熱、冷聯(lián)供，既可以實現(xiàn)能源的梯級利用，又能夠覆蓋全社會的供熱需求。這種能源的梯級利用，應(yīng)該作為國家的基本國策，用法律形式固定下來。
在發(fā)電廠中，能源品位值的最大損失是在電站鍋爐，通常發(fā)電主蒸汽溫度為550攝氏度左右，在鍋爐內(nèi)，換熱溫差有1500攝氏度，能源品位的損失近50%，因此，提高發(fā)電廠的發(fā)電效率的主要技術(shù)措施是提高發(fā)電主蒸汽的溫度，但超高臨界、超超臨界的發(fā)電機組其最高主蒸汽溫度也只有600攝氏度多度，發(fā)電效率也不能超過40%~45%，受限的主要因素是汽輪機材質(zhì)的耐溫程度。發(fā)電效率的進一步提高，要有待于金屬材料工藝的更大革新。
進一步提高電熱冷聯(lián)供的發(fā)電方式還有燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)。通常以天然氣為燃料。壓縮空氣與天然氣在燃燒室燃燒形成的高溫煙氣（約1200攝氏度~1350攝氏度），進入渦輪機膨脹作功發(fā)電。在燃汽輪機中排出的尾氣進入余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽在汽輪機中進一步發(fā)電。如果燃料采用煤，則先經(jīng)過增壓氣化裝置產(chǎn)生煤的裂化氣，再做適當處理，如同天然氣一樣，進入燃氣輪機燃燒發(fā)電。這種以煤為燃料的燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)稱為AGCC。無論以天然氣為燃料，還是以煤為燃料，其燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)的高溫煙氣可達1000攝氏度以上，因此，發(fā)電效率都能在40%~45%左右。對于我國，無論積極推廣燃氣的燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)還是大力研發(fā)燃煤的燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)，都有很大的現(xiàn)實意義。
大力研發(fā)煤、天然氣的清潔燃燒
煤在燃燒過程中，要排放大量的煙塵和顆粒物。煤主要成分是碳，燃燒過程要生成2.1倍重量的二氧化碳。煤一般含有0.1%~2.0%的硫，燃燒過程要生成二氧化硫氣體排放至大氣，所有上述煙氣生成物，都是產(chǎn)生霧霾的重要因素。因此，燃煤將嚴重污染大氣。天然氣由于是氣體，容易與空氣混合，通常燃燒效率比較高。天然氣主要成分是甲烷,碳的含量遠比煤少，因此二氧化硫的生成量，只是燃煤的一半。因此，通常把天然氣稱作清潔燃料。但必須了解，天然氣的燃燒溫度常常在1300攝氏度以上，此時會產(chǎn)生大量的氮氧化物,這種氣體的排放，同樣是形成霧霾的重要因素，因此，無論燃氣還是燃煤，實現(xiàn)清潔燃燒都是非常重要的研發(fā)課題。
上世紀初至50年代，英國倫敦、美國洛杉磯都相繼發(fā)生了嚴重的霧霾天氣。兩個城市都為此發(fā)生過數(shù)百人的死亡事故。但是，經(jīng)過幾十年的大氣治污，又重新?lián)Q回了藍天白云。他們治理霧霾的基本經(jīng)驗：一是高污染的產(chǎn)業(yè)搬家（移向發(fā)展中國家）；二是實行煤改氣。近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，也同樣出現(xiàn)了嚴重的霧霾天氣。擺在我國面前的是如何正確借鑒國外的可行經(jīng)驗？高污染企業(yè)向國外搬家，顯然不現(xiàn)實。目前我國主要采取的是“煤改氣”。但這幾年的實踐證明，我國在煤改氣的政策中，實際上存在兩個誤區(qū)：一是缺乏數(shù)量上的整體規(guī)劃。我國是個多煤少氣的國家，不可能全國的供熱都搞煤改氣。就算從國外進口天然氣，一年以4000億平方米計算，也只能滿足40個北京市（一年100億立方米用氣量）的用氣量。全國中小城鎮(zhèn)加起來，100個北京市都打不住。如果在全國范圍內(nèi)，盲目推廣煤改氣，一但發(fā)生“氣荒”，就會犯下災(zāi)難性的錯誤。二是沒有重視天然氣的清潔燃燒。有些決策者，以為只要煤改氣，大氣治污的問題就會迎刃而解，因此在執(zhí)行中，放松了對燃氣的排放標準的嚴格控制（前些年，我國的排放標準始終≥100毫克3立方米）。結(jié)果，一個奇怪的現(xiàn)象，在北京出現(xiàn)了：2008年，北京首鋼尚未完全搬家，北京熱電廠仍然全部燒煤，但大氣仍然達到了二級標準，順利完成了奧運會的舉辦。但幾年以后的今天，首鋼完成了徹底搬遷，北京幾乎所有的供熱熱源全部實現(xiàn)了“煤改氣”，卻出現(xiàn)了史無前例的嚴重霧霾。這種沉痛的教訓，再次告訴我們，即使燒天然氣，也必須立足于清潔燃燒。
在國外，利用降氮燃燒技術(shù)，是使煤改氣政策獲得成功的關(guān)鍵技術(shù)，我國在推廣煤改氣的過程中，必須認真學習國外的先進經(jīng)驗。研究表明，天然氣在預燃階段以及火焰的前、中段燃燒溫度一般在800攝氏度以下，氮氧化物生成量很少，只是在火焰的尾端，燃燒溫度在1300攝氏度以上，此時燃燒溫度愈高，氮氧化物的生成量呈指數(shù)形式直線上升。中國供熱信息網(wǎng)了解到因此降低火焰尾部的燃燒溫度是降氮技術(shù)的關(guān)鍵。目前比較成熟的技術(shù)是分段燃燒或煙氣回抽。分段燃燒，是在火焰的前、中、尾端分別送入空氣過量系數(shù)為0.7、0.9和1.2,通過控制空氣量達到降低燃燒溫度進而減少氮氧化物生成量的目的。煙氣回抽是將降溫后的部分煙氣抽送入火焰尾部，其目的仍然是降低燃氣燃燒溫度，進而降低氮氧化物的生成量。為了提高降氮效果，常將兩種技術(shù)措施聯(lián)合使用。天然氣燃燒時，會有大量的水蒸汽產(chǎn)生（天然氣中的氫與氧化合生成）。一種新的建議，利用尾部蒸汽冷凝水，回抽送入火焰尾部，同樣可以達到降氮的目的。由于水的汽化潛熱比較大，降低燃燒溫度的效果會更顯著。有的單位在工程上采用了上述技術(shù)，氮氧化物的排放量達到了44毫克3立方米，可見，有很好的發(fā)展前景。
我國是產(chǎn)煤大國，20年~30年內(nèi)，要改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，是比較困難的。在供熱行業(yè)，希望100%的實現(xiàn)煤改氣也是難以想象的。因此，我國環(huán)境的改善在加大天然氣清潔燃燒的同時，還必須下決心進行煤的清潔燃燒技術(shù)的研發(fā)。過去我們對于煤的清潔燃燒，重點放在煙塵和二氧化硫的排放的限制上。現(xiàn)在看來是不夠的，燒煤也必須控制氮氧化物的排放（即脫硝）。對于脫硝技術(shù)，目前主要是在爐內(nèi)噴入氨和尿素，通過催化或非催化還原反應(yīng)，使氮氧化物還原為氮和水。對于煤的脫硫，目前已有多種方法，但還不盡如人意，必須繼續(xù)加大研發(fā)力度。爐內(nèi)脫硫，多用于循環(huán)流化床鍋爐。實踐表明：在實驗研究階段效果較好，但在實際工程應(yīng)用中，效果并不理想。主要原因是，在燃燒現(xiàn)場，煤粉與石灰粉難以混合均勻，進而影響了脫硫效果。在供熱行業(yè)，已經(jīng)研制成功了煤粉鍋爐，燃燒效率可達92%，很有發(fā)展前途。如果在制粉工藝過程，加入石灰粉，就可在制粉的同時完成脫硫任務(wù)。由于在制粉過程中，煤粉與石灰粉能得到充分混合，其脫硫效率一定會明顯提高。目前，通行的脫硫方法是濕式脫硫法，為了提高脫硫效果，常常加大石灰水的循環(huán)量和噴淋強度，其結(jié)果是在煙氣的排放中增加了硫酸鈣的粉塵含量，使脫硫設(shè)備變成了新的霧霾發(fā)生器。所有這些問題，促使我們在煤、天然氣的清潔燃燒研發(fā)中，必須在技術(shù)上要有新思路、新創(chuàng)新。
當前人們比較關(guān)注利用熱泵進行煙氣的余熱回收，并且取得了不錯的效果。如果我們大膽設(shè)想，利用化工行業(yè)的液態(tài)二氧化碳的低溫分離技術(shù)以及塔板設(shè)備，就可同時實現(xiàn)脫硫、脫硝以及余熱回收等多種功能，使鍋爐煙氣變成常溫空氣。這種清潔排放的新常態(tài)不是沒有可能。國家能源局印發(fā)了《關(guān)于促進煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用的意見》，這將預示著化石燃料的清潔燃燒，已成為國家的重大戰(zhàn)略舉措，從而增強了我們在這方面進行研發(fā)的信心與決心。
必須承認，所謂新型清潔能源，應(yīng)該是在其放能的全過程，實現(xiàn)污染物的零排放。因此，煤、天然氣只要真正實現(xiàn)了清潔燃燒，它們同樣可以躋身于清潔能源的行列。
未來供熱的主要熱源應(yīng)是工業(yè)余熱
我國工業(yè)能耗占全國總能耗的70%。如果按世界發(fā)達國家的能效50%考慮，我國工業(yè)余熱將是全國供熱能耗的3.5倍（供熱能耗按全國總能耗的10%計算）。如果全國的平均能效按30%考慮，則全國工業(yè)余熱也有全國供熱能耗的兩倍。因此，從數(shù)量上計算，未來供熱的主要熱源應(yīng)由工業(yè)余熱來承擔是可能的。當然這還是一種設(shè)想，真正操作起來難度很大。排在首位的就是難在管理體制上，我國重要的工業(yè)企業(yè)，多數(shù)為央企。個個都是條塊分隔、“獨立王國”，要打破這種格局，有賴于全國的反腐、反壟斷以及體制的深化改革。
只就技術(shù)層面分析，主要的困難是兩點，一是遠離城市中心；二是多數(shù)品位較低（溫度在30攝氏度~40攝氏度），難以直接利用。因此，要使工業(yè)余熱應(yīng)用于供熱工程成為可能，必須在技術(shù)上要有重大革新。www.china-heating.com最容易想到的是長輸供熱管線的技術(shù)研發(fā)問題。目前，我國正在山西、河北和山東等省市進行試點研究，如果單從技術(shù)角度考慮，是完全可行的。現(xiàn)在須要著重進行經(jīng)濟效益的研究，除了考慮工業(yè)余熱費用的提高外，還應(yīng)計算大氣治理的成本，這樣分析才是合理的。
要徹底解決遠距離輸送和低品位的問題，最根本的技術(shù)措施是對熱泵進行工藝上的重大革新。通常的熱泵，無論是電熱泵還是熱熱泵（溴化鋰吸收式制冷機），都存在某些局限性，無法同時承擔能量遠距離輸送以及品位提升的功能。從工藝上說，現(xiàn)在熱泵的四個熱力過程，即蒸發(fā)、冷凝、壓縮和節(jié)流，是作為一個整體，組裝成一臺機器，難以實現(xiàn)遠距離蓄熱（冷）、放熱（冷）功能。對于電熱泵，現(xiàn)在的制冷工質(zhì)—氟里昂以及無氯的替代制冷工質(zhì)，或者破壞臭氧層，成為淘汰物質(zhì)；或者是溫室氣體，都不是理想產(chǎn)品。對于熱熱泵，溴化鋰溶液濃度在56%~62%之間，否則結(jié)晶，難以工作。由于濃度變化范圍過窄，導致發(fā)生器的加熱溫度必須在90攝氏度以上，直接影響了制冷效率。
為克服現(xiàn)有熱泵的上述缺陷，選擇更理想的制冷工質(zhì)就顯得尤為重要。經(jīng)過反復比較，筆者認為采用液態(tài)二氧化碳作為新的制冷工質(zhì)，將有很大的發(fā)展前途。提起二氧化碳作為制冷工質(zhì)，其實并不是新的創(chuàng)想，早在利用氟里昂之前，前人就已研究過了。中國供熱信息網(wǎng)了解到由于二氧化碳的臨界（在臨界點汽相、液相合一）壓力過高（大于7.2兆帕）,臨界溫度過低（31.1攝氏度），整個制冷過程是在跨臨界循環(huán)下運行，因此制冷機組的工作壓力過高，從安全角度考慮，后來被氟里昂等制冷工質(zhì)代替。近年來，環(huán)保要求將處于更重要的地位，因此，重新起用如二氧化碳一類的天然制冷工質(zhì)，已被愈來愈多的業(yè)內(nèi)人員所關(guān)注。
二氧化碳作制冷工質(zhì)具有獨特的優(yōu)點：首先，它是地球生物圈的組成物質(zhì)之一，具有無毒、無臭、無污染、不爆、不燃、不腐蝕，對大氣臭氧無損害（ODP=0），溫室氣體指數(shù)只有GWP=1（氟里昂及其替代物GWP都在93~1900），它還具有優(yōu)良的熱物理性質(zhì)：容積制冷能力qv=15429.2千焦3立方米,是氟里昂R22的7.4倍；在零下40攝氏度下，其液態(tài)黏度是5攝氏度水的138,即使在較低的流速下，也可形成湍流流動，提高了傳熱性能。根據(jù)上述二氧化碳的基本特性，我們應(yīng)該按照揚長避短的原則，盡量發(fā)揮其制冷能力強、蓄熱能力大、傳熱性能高、輸送成本低的優(yōu)勢，將熱泵的四個熱力過程，拆散了應(yīng)用。
在利用二氧化碳作熱泵工質(zhì)進行工業(yè)余熱供熱供冷過程中，回避了二氧化碳在氣態(tài)下壓力過高、溫度過低（臨界溫度為31.1攝氏度，臨界壓力為7.2兆帕）弱點，著重利用其氣化潛熱大、制冷能力強、蓄熱能力多、黏滯系數(shù)小、傳熱性能高等特點。例如，一臺300兆帕的發(fā)電機組，冷卻汽輪機乏汽汽量560噸3小時，需要冷卻循環(huán)水量為6.2萬噸3小時（溫差從25攝氏度升為30攝氏度），如果采用液態(tài)二氧化碳，只需5100噸3小時（溫度從零下46.5攝氏度提升至14.2攝氏度，溫升60.7攝氏度）即可。
上述工藝流程，只是基本原理，具體細節(jié)還需進一步深化。當然，還有液態(tài)二氧化碳的制備問題，這就需要跨行業(yè)的協(xié)作。
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