西藏日喀则地区清洁能源集中供暖热源应用

引言

西藏日喀则地区平均海拔3852m左右,地处高寒、高海拔地区。极端最低温度-21.3℃,日平均温度≤5℃为159天,日喀则市现有供暖基础设施薄弱,城区内尚无集中供暖设施,城区内大多采用柴火炉和分体空调分散供暖。柴火燃烧会产生烟尘,污染环境;燃烧不充分,易引起CO中毒事故;柴火燃烧增加了室内火灾危险性,严重威胁人民的生命财产安全。分体空调品牌不一,性能不一,能效得不到保障,耗电高,热舒适性差,已经不适应当前城市发展建设和百姓宜居生活的需要,清洁能源集中供暖设施的建设完善已成为亟待解决的民生问题。

在国家“碳中和、碳达峰”战略方针下,为提升西藏日喀则地区人民冬季生产生活热舒适性,促进社会经济可持续发展,维护民族团结、边疆稳定和实现国家的长治久安,采用清洁能源用于集中供暖势在必行。

从西藏日喀则地区的资源禀赋出发,对生物质能、太阳能、地热能、天然气、清洁电能等清洁能源用于集中供暖的适用性进行分析。并在清洁能源分析的基础上,对适用性热源(生物质能、太阳能、地热能、天然气、清洁电能等)进行投资运行经济性分析,从投资运行经济性角度对西藏日喀则地区清洁能源集中供暖热源进行推荐。

1  清洁能源分析

1.1生物质能

生物质能,是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源,同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SO2、NOX较少;生物质作为燃料时,由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量,因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零, 可有效地减轻温室效应。生物质资源包含林业生物质资源、农业生物质资源、以及城市和工业有机废弃物等。

与煤炭产生的热量相比,生物质热值较低。燃烧相同质量的煤与生物质,生物质产生的能量只有煤的三分之一。但生物质燃料来源广泛,属于清洁型能源,受国家相关政策扶植。生物质锅炉热效率高,可达85%以上,采用炭气联产生物质锅炉,除可提供蒸汽外,还可以提供炭、木焦油、木醋等附属工业产品,经济效益较好。

西藏主要生物质有林木、牧草、农作物等,西藏的生物质能资源分布呈现空间分布规律,由林芝地区沿雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、金沙江向西北溯流而上呈下降趋势,那曲、日喀则、阿里等地生物质能资源极其匮乏。

日喀则地区以草甸为主,耕地面积小,耕地面积仅为7.95万公顷,约占日喀则土地面积的4.5‰, 森林面积较小,森林覆盖率仅为6.81%。经调查, 日喀则地区生物量降到5t/hm以下。

西藏是我国的生态屏障,生态环境十分脆弱, 生态战略地位十分重要。考虑到西藏的荒漠、草原、 森林等生物群落的敏感性强、退化严重、环境脆弱, 可利用的生物量很有限。生物原材料包括木材、饲草、粮食、有机肥料等,生物质中的主体—林木资源的相当一部分作为商品材出售,牧草主要为家畜和野生动物食用,粮食、油料等以口粮供应和轻工原料为主,一部分畜粪和秸秆还要还田,导致可利用的生物质量更少。

在薪柴能源替代战略下,生物质能利用具有可行性,但是鉴于其生物质资源有限,自然环境脆弱, 其开发规模要经过科学论证后,因地制宜,适度开发。

从日喀则地区生物质资源禀赋来看,日喀则地区采用生物质做供暖主要燃料,可行性不高,但城市垃圾无害化处理是西藏各城区面临的痛难点之一,城市有机垃圾也是生物质的来源之一,城市有机垃圾生物质可作为城市集中供暖的备用或辅助燃料考虑,同时解决城市有机垃圾无害化处理问题。

1.2太阳能

西藏的太阳能资源居全国首位,是世界上太阳能资源最丰富的地区之一,比同纬度的平原地区多一倍或1/3;日照时间全国最长的,各地海拔相对较高,加之所处地理位置的特殊性,使得全年可接受的太阳辐射能充裕,全年太阳高度角变化幅度不大,冬夏半年太阳可照时数差别较小。

日喀则地区属西藏自治区太阳能最丰富的地区之一,年太阳总辐射为6836.6MJ/㎡,太阳总辐射最大月为5月,5月总辐射为742.1 MJ/㎡,太阳总辐射最小月为12月,12月总辐射为427.6 MJ/㎡, 太阳总辐射最大季节为春季,春季总辐射为 2042.2MJ/㎡,太阳总辐射最小季节为冬季,冬季总辐射为1360.9MJ/㎡。日喀则桑珠孜区太阳能辐射量存在季节分配不均的情况,供暖季太阳辐射量相对较小。日喀则最冷月南向垂直面平均总太阳辐照度 Is>200W/m2。

日喀则市地势高,光照透明度好,太阳能资源稳定性好,经统计,日喀则市年平均日照数为 3004.6h,年内日照时数大于6h/天的日数为301天。根据日喀则太阳能资源的丰富性和稳定性,太阳能供暖条件得天独厚。

1.3地热能

地热能是指地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热量和地热流体中的热量。地热是一种洁净的可再生能源,具有热流密度大,容易收集和输送、参数稳定、使用方便等优点。

地热能根据深度不同,可分为浅层地热和中深层地热。

浅层地热位于地下0 m ~200m,主要来自太阳辐射对地表土壤的加热,约占总的地热能的5%, 浅层地热主要以热水型和蒸汽型存在,主要分布在构造板块边缘,浅层地热受地下热水资源稀缺,换热后回灌困难,地下水污染风险较大,长期使用存在热衰减问题,资源分布局限,能量密度小等因素的制约,使用具有很强的局限性和技术难度。

中深层地热位于地下200 m ~4000m,主要来自地核熔融岩浆和地壳上部放射性生热元素衰变,以岩热型为主,岩热型地热能存在于由地温梯度形成的岩土体中,地温梯度普遍存在,岩热型地热资源普遍存在,地域适用性强。目前,我国的雄安、西安等地已开展中深层地岩热供暖的工程探索,虽已投运的系统运行时间较短,但根据目前的中深层地岩热供暖系统运行经验,取热井温度衰减较慢,中深层地热作为一种长期供热热源是稳定、可靠的。

西藏是中国地热活动最强烈的地区,地热蕴藏量居中国首位,但日喀则桑珠孜附近无热水型和蒸汽型浅层地热资源分布。根据日喀则桑珠孜地热资源禀赋,中深层岩热型地热能用于集中供暖具有较强的适用性。

1.4 天然气

西藏自治区范围内尚未探明有天然气资源,所有的天然气均需从区外运输。在项目所在地不具备采用太阳能、电能及地热能供暖条件,天然气持续供应量有保证、投资(包括当地配套建设的天然气储运、输配系统)及运行费用均比其他推荐的热源形式有优势的条件下,可考虑采用燃气供暖。

1.5电能

西藏自治区缺乏煤炭、石油、天然气等能源, 常规能源短缺现象严重,常规能源发电受资源禀赋制约。但太阳能、地热能和水能居全国首位,风能资源较丰富,是新能源的宝库。西藏能源优势得天独厚,开发潜力巨大。

风电潜能:西藏有两条风带,推测年风能储量 930亿KW.h,居全国第七位。西藏风能技术可开发量超过1.8亿KW,主要分布在那曲、日喀则、山南等高海拔地区,未来可集中开发的连片土地空间较大,利用小时数约2300h/年。

太阳能发电潜能:西藏的太阳能资源居全国首位,是世界上太阳能资源最丰富的地区之一。西藏平均每天日照时长达8h,全年艳阳高照时间达300 天,年日照时间居全国首位。西藏光伏可开发规模超7亿KW,资源丰富、出力稳定,利用小时数达 1500 h/年-2000h/年。

地热发电潜能:西藏是中国地热活动最强烈的地区,各种地热显示点有1000多处。西藏地热资源储量近3亿KW,其中可用于发电的约300万KW, 地热的利用小时数高达8000h/年。

水能发电潜能:西藏的水能资源极为丰富,全区水能资源理论蕴藏量为2亿KW,约占全国的 30%,居全国首位。《青藏高原生态文明建设状况》 白皮书显示,西藏水能资源技术可开发量为1.74亿 KW。

日喀则地处喜马拉雅山系中段与冈底斯-念青唐古拉山中段之间,南北地势较高,其间为藏南高原和雅鲁藏布江流域。太阳能、地热能、水能、 风能资源丰富,新能源发电潜能巨大。采用清洁电能(太阳能发电、地热能发电、风力发电或水利发电)作为集中供暖能源,属于可接受选项。

1.6 清洁能源分析

通过分析西藏日喀则地区的清洁能源禀赋发现,太阳能、中深层地热能和清洁电能(太阳能发电、地热能发电、风力发电或水利发电)资源丰富,可作为集中供暖能源选项;而生物质能受资源量不足的制约,作为集中供暖主要能源的可行性不高, 生活有机垃圾生物质可作为备用或辅助能源,解决城市部分生活垃圾处置问题的同时,增加集中供暖的可靠性;以天然气为代表的清洁化石能源,西藏暂未探明有储量,可不考虑作为集中供暖能源。

2热源分析

根据西藏日喀则地区清洁能源分析,日喀则地区太阳能、地热能、风能和水能资源丰富,太阳能直接供暖、中深层地岩热供暖具有可行性,同时新能源发电用于集中供暖热源具有可行性,利用清洁电做能源的供暖形式有电锅炉、超低温空气源热泵和电解水制氢合成甲醇锅炉。生物质锅炉尤其是以生活有机垃圾为燃料的生物质气化锅炉也可作为备用或辅助能源的选择。

2.1电锅炉

电锅炉也称电加热锅炉、电热锅炉,它是以电力为能源并将其转化成为热能,从而经过锅炉转换, 向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。电热锅炉具有无污染、无噪声、占地面积小、安装使用方便、全自动安全可靠等优点, 但因电属于二次能源,且电锅炉耗电量大,热效率低于100%。在无供电政策,其他热源丰富的情况下,禁止采用电锅炉供暖。电锅炉用于集中供暖热源投资运行经济性分析详见表1:

注:电锅炉的热效率按98%计,电费按0.33元 /kWh计;初投资仅考虑一类费,即仅考虑设备投资及项目建设投资,未考虑供电不足新建供电设施投资,未包含末端及管网投资;运行费在电费的基础上考虑1.3的系数,用于设备运维投入及补水消耗等。

2.2低温空气源热泵

空气源热泵用于供暖,是利用清洁电供暖的方式之一。空气源热泵从大气环境中吸取低品位能量, 转化为高品位能量,用于供热供暖。空气源热泵具有占地面积小,可直接放置于室外,不同设置专用机房,节省土建成本,不采用冷却塔,免去冷却水系统投资,模块化设计,调节灵活等优点。

低温空气源热泵适应严寒、寒冷地区的气候特点,采用喷气增焓技术或CO2复叠循环技术,实现了超低温下稳定制热,为西藏等高寒地区低温空气源热泵供暖提供了技术支撑。低温空气源热泵用于集中供暖热源投资运行经济性分析详见表2:

注:电费按0.33元/kWh计;初投资仅考虑一类费,即仅考虑设备投资及项目建设投资,未考虑供电不足新建供电设施投资,未包含末端及管网投资;运行费在电费的基础上考虑1.3的系数,用于设备运维投入及补水消耗等;-7.3℃为日喀则供暖室外计算温度,-21.3℃为极端最低气温,-0.3℃为气温低于5℃期间平均温度,1℃为气温低于8℃期间平均温度。

2.3电解水制氢合成甲烷

电解制氢合成甲烷/甲醇工艺,是利用清洁电供暖的另一种方式。首先,将水电解制取氢气,然后,氢气与CO2反应合成甲醇,甲醇作为燃料供锅炉使用。这种利用清洁电能产生化学能的形式,能够消纳CO2的同时,完成了跨季节储能,在一定程度上实现了夏热冬用。

2.4 太阳能

根据《太阳能供热供暖工程技术规范》 (GB50495-2019),在寒冷地区太阳能供暖系统须采用间接供暖系统。太阳能间接供暖系统用于集中供暖热源投资运行经济性分析详见表4:

注:初投资仅考虑一类费,即仅考虑设备投资及项目建设投资,未包含末端及管网投资;运行费在集热器循环泵和供暖循环泵运行费基础上,考虑 1.3的系数,用于设备运维投入及补水消耗等。

2.5 地热能

根据日喀则地区地热资源禀赋分析,可知日喀则地区无浅层地热资源分布,不可采用浅层地热用于集中供暖,可采用中深层地岩换热清洁供暖技术。

中深层地岩换热清洁供暖技术采用深层钻井工艺向地下一定深度的高温岩层钻孔,将特制的闭式换热器埋于孔中,闭式换热器通过管路与地面换热设备相连接形成闭式循环系统。闭式换热器中的循环换热介质为水,换热介质与地下深层高温岩土交换热量后,将地下深层的热能交换出来,为地面换热设备提供热源钻孔深度一般为 1500m-3000m,孔径200m-300mm。成孔后,运行过程中不提取使用地下水,只通过换热介质提取深层地热。原理详见图2:

中深层地岩换热清洁供暖技术用于集中供暖热源投资运行经济性分析详见表2-5:

注:初投资仅考虑一类费,即仅考虑设备投资及项目建设投资,未包含末端及管网投资;运行费在集热器循环泵和供暖循环泵运行费基础上,考虑 1.3的系数,用于设备运维投入及补水消耗等。

2.6有机生物质气化锅炉

有机生物质气化裂解炉在不完全燃烧条件下, 将垃圾加热,使垃圾中的有机碳氢化合物发生裂解反应,变成含有 CO、 H2、 CH 4 等可燃气体的混合气体;混合气体产生后随即燃烧,燃烧产生的高温将混合气体中的有害物质有效分解,垃圾处理无害化 100%,并产生可以再次利用的热能。

气化热解过程是一种限氧反应,成本比垃圾焚烧低80%以上。气化热解生活有机垃圾能够满足就地、即时、无害化垃圾处理,且其设备结构简单, 操作简易,处理环保。

有机生物质气化热解过程不需要消耗燃料,原料仅为经分类处理的生物质有机垃圾,除锅炉房建造成本、供暖介质输送成本和人工成本外不需要其他投入,且产生供暖燃料和生活有机垃圾无害化处理。初投资低,运行费低,环保无污染,但受制于生活有机垃圾数量,无法作为集中供暖主要能源, 但可作为辅助能源以应对极端气候或检修状况。

2.7热源分析

从上述热源分析看出,太阳能供暖最经济,但受天气影响,热源稳定性差;电锅炉初投资最低, 但运行费最高;中深层地岩热虽初投资高,但运行费低,其可靠性、稳定性有待验证;电解制氢合成甲醇用于集中供暖,初投资最高,但有附属产品氧气产生增值效应,且运行费低,但是否能够应用, 需要政府出台相关政策支持;有机生物质垃圾气化锅炉供暖初投资低,运行费低,环保无污染,但受制于生活有机垃圾数量,无法作为集中供暖主要能源,但可作为辅助能源以应对极端气候或检修状况。 低温空气源热泵投资较低,仅高于电锅炉,运行费较电锅炉低50%,且在寒冷地区运行稳定,可作为主要热源使用。