二十一世纪上半叶中国最大的危机.doc

二十一世纪上半叶中国最大的危机第0章 从热能与动力工程改为能源与动力工程专业谈起前言 写在前面的话2013年6月13日，江苏扬子晚报报道，今年高招出现不少“新专业”，有的的确是新的，不少是老专业改了个名字，扬子晚报接着详细分析各专业的情况。其中三所大学热能与动力工程不约而同进行了改名，南京航空航天大学和南京理工大学改为能源与动力工程专业；南京师范大学将热能与动力工程系，能源与环境系统工程系改为能源动力类。表面上看，专业名称只是根据教育部最新版本专业目录进行调整，实则含有深刻的意义：地球环境保护与能源的危机。中国人终于深刻意识到，中国经济正处于能源与环境危机的重要关口。我们知道热能与动力工程系即普通的热能工程，有几个专业方向，最经典的是锅炉和汽轮机专业，主要讲的热力发电厂朗肯循环，其次有内燃机专业讲的柴油和汽油发动机等，再次有能源利用专业，主要讲采暖(制冷空调)、通风、废热锅炉、核能、水能、风能、新能源等，最后是水处理专业。以前普通的热能工程系学习热力发电厂相关知识，如锅炉、汽轮机专业、水处理和能源利用，能源利用放在最后的位置。但是时代在变化，让我们来看看世界能源状况。2008年，世界煤炭探明储量8260亿吨，其中中国1145亿吨，煤炭产量全世界为47.5亿吨，其中中国原煤产量为20.21亿吨，这是BP数据。按国家统计局数据，2008年中国原煤产量为27.2亿吨，全球煤炭产量应调整为54.5亿吨，中国占全球原煤产量的一半。中国煤炭产量，2009年30.5亿吨，2010年32.4亿吨，2011年35.2亿吨，2012年36.5亿吨，这是国家统计局数据(某煤炭网统计数据2012年产量前11个月为35.1亿吨全年在37.5亿吨以上)。按国家统计局数据，2013年中国煤炭储量约983亿吨，每年按2012年的煤炭产量只可以开采26.9年。如中国煤炭产量年递增4%，理论上可以采18.64年，即到2031年，中国原煤全部采完。在中国一次能源中，煤炭消费比重占全部能耗的接近70%，现在正在缓慢下降，但即使到2020年，中国能源消费结构中煤炭的比重仍可能接近60%。即使煤炭产量和消费每年只上升2%，2020年中国煤炭产量将达到42.8亿吨。1990年以来，特别是2003年以来，中国工业化进程是以消费大量的能源和原材料来拉动的，并且高能耗和重化工企业占相当大的比重，目前钢材产量占全球47%，平板玻璃产量占全球48%，水泥产量占全球超过50%，纯碱产量占世界44%，多种高能耗的工业品和装备占世界总产量的30%到50%。2012年中国能耗总量为36.2亿吨标准煤，是1949年的155倍。第一章 中国能源利用的主要问题一、中国工业发展以高能源高物耗为基础。2012年前，中国工业处于高速增长状态，主要生产设施投资规模每年按40%速度发展，巨大的工业生产能力导致能源和原材料等资源消耗和需求越来越大。在生产要素中，基础设施、生产装备、工艺技术、人才、信息和资金充足，已经不存在约束要素。但是毕竟市场容量不是无限的，能源和原材料等资源的提供也不量无限的。二、能源利用效率落后由于过于强调工业发展速度和GDP，近二十年中国工业发展过程是粗放式。能源工艺设计技术落后，许多设计院能力和水平较差，设计的产品能耗过高，再加上装备制造和生产管理上还存在一些不足，中国能源技术与国际先进水平还有较大差距。在中国产品挤压代替世界发达国家工业品时，单位产品能耗是上升的。单位产品能耗中国比世界先进水平高20-50%。例：纯碱行业，单位产品能耗能耗约高60%。三、能源消耗结构不合理中国一次能源中煤炭消费比例很高，由此导致严重的空气污染，与发达国家比，中国石油天然气消费比例偏低。清洁可再生能源如水能、风能、太阳能比例偏少。核能和生物质能源比例也偏低。四、一次能源资源逐渐枯竭如前所述，由于中国工业耗费了大量的一次能源和二次能源，中国煤炭石油天然气等一次能源资源逐渐枯竭。但是，并不说明太阳能、水能、生物质能、风能(如桔杆垃圾焚烧产生热能发电) 枯竭。五、能源管理体制落后，法律法规有待完善2008年6月30日，山东省地方标准“能源管理体系 要求”正式发布，这是中国第一个能源管理体系标准。2009年GB/T 23331-2009“能源管理体系 要求”正式发布实施。2012年中国参加ISO“能源管理体系”编制工作，是四个主要编制国之一。2012年11月，中国发改委发文，中国万家高能耗企业必须在2015年建成能源管理中心。2012年，四标一体化，等同采用ISO“能源管理体系”，GB/T 19001-2012和GB/T 24000-2012正式发布实施。虽然中国发布了“能源管理体系”，但是由于对各地区能源消耗总量确少目标控制，各地区能源消耗总量仍在高速增长。六、环境污染严重2007年，中国成为二氧化碳和二氧化硫最大排放国。中国空气污染严重，例如按世界卫生组织标准，空气中可吸入颗粒物(粉尘)小于20微克/标准立方米，中国放宽到50微克/标准立方米，因为按世界卫生组织标准，全国任一个地区包括西藏在内，全年可能没有一天是合格的。中国酸雨严重，40%地区存在严重酸雨，中国大气中二氧化硫排放总量中90%由燃煤引起，70%可吸入颗粒物是由燃煤引起，世界银行曾经预测，到2020年，中国燃煤污染导致的疾病需付出经济代价(治疗费用)为3900亿美元，占中国当年GDP的13%。如果中国能源利用效率提高10%，相应的环境污染能降低25%。节能和环保，保护中国人赖以生存的土壤、水文、空气，发展低能低碳工业，关停高能源、高物耗、高污染重化工业，成为二十一世纪前50年中国人的首要难题。七、能耗增长速度过快以下为国家统计局数据，从统计局数据可以看出，2012年我国主要耗能行业产量增速均开始放缓，原煤产量和火电发电进入低增长期。2012年全年粗钢产量71716万吨，同比增长4.7%，增幅较2011年回落2.6个百分点；钢材产量95317.6万吨，同比增长7.6%，增幅回落2.3个百分点；水泥产量22.1亿吨，同比增长5.3%，增幅回落5.5个百分点；化肥产量7296万吨，同比增长10.1%，增幅上涨12个百分点。其他石化能源产品产量公布：2012年原油产量2.07亿吨，同比增长2.3%；天然气产量1072.2亿立方米，同比增长4.4%。2012年煤炭主要相关产品产量及其增长速度产品名称单位产量比上年增长%原煤亿吨36.53.8原油亿吨2.072.3天然气亿立方米1072.24.4发电量亿千瓦小时49377.74.8其中：火电亿千瓦小时38554.50.6粗钢万吨717164.7钢材万吨95317.67.6水泥亿吨22.15.3化肥（折100%）万吨729610.1明显地，火力发电增长速度下降，这是有深刻的资源和环境保护原因的。也是教育部将热能与动力工程改名为能源与动力工程的原因：燃烧原煤的热能，按民国时期消费量我国原煤能使用近千年，而按2012年能源消耗增长速度，只能使用不到19年。也许，等学生将热能专业即锅炉汽轮机学完后，电力和工业系统开始拆掉锅炉汽轮机，因此此专业改名标志节约能源和资源才是专业方向，能源专业的重点是可再生能源，即太阳能生物物水能风能潮汐能地热能及垃圾电厂，以及核能等。节能能源节约资源已经引起知识界和教育界有识之士的重视。第二章 中国能源利用和发展的主要任务2013年前，中国正处于工业化和城镇化高速发展时期，能源和资源需求旺盛，浪费也很旺盛。如一些大城市拆除近20层小高层楼房，盖50层以上的高楼。中国能源资源有限，人均能源资源量相对较低，另一方面中国能源和资源利用率低下，同时造成严重的环境事故和环境污染。一、节约能源，提高能源利用效率在节能技术开发方面，目前种类繁多。如热电联产、工业废热利用、节能型建筑等重点节能工程。工业窑炉节能技术。工业窑炉用煤炭约4亿吨原煤，很多窑炉能效不高，节能量也很大。1、锅炉节能技术电力锅炉目前向超超临界二次再热发展，再热蒸汽温度在575到600之间，锅炉正在大型化。目前电力行业1000吨/时30万千瓦以下机组正在拆除。电力锅炉在相当长的时间（约30年内）还得保留。工业锅炉节能：工业锅炉节能能效更低，很多工业锅炉正平衡热效率约6075%，与电力系统92%以上差距较大。工业锅炉燃烧效率非常低，正常在80%左右，与电力系统锅炉99%以上的燃烧热效率无法比。虽然锅炉教材中说，排烟热损失是工业锅炉最大热损失，事实上不完全燃烧热损失才是工业锅炉最大热损失。过去工业锅炉链条炉较多多数35吨/时以下，目前35吨/时250吨/时循环流化床锅炉和煤粉炉正在增加。链条炉配风常存在一些问题，给煤系统也会存在问题，渣中含碳量大。近15年来，循环流化床锅炉发展较快，主要是对排入大气二氧化硫的限制，为了环评达标能工程上马不得不用循环流化床锅炉。但是由于环境保护部门松懈，很多循环流化床锅炉运行中并没有加入石灰石粉，进行脱硫，同时由于循环流化床锅炉热效率比煤粉炉低约25%，这些年的循环流化床锅炉迅速发展造成相当大的能源损失。电力系统较为规范，在大型循环流化床锅炉运行中加入石灰石粉进行脱硫，但多数锅炉脱硫效果并不好，并且热效率下降较大，运行上不经济。近几年，电厂倾向于使用煤粉炉加干式或湿式脱硫装置代替流化床锅炉。其他工业锅炉节能改造有给煤装置改造、炉拱改造、（煤粉）燃烧器改造、辅机节能改造和其他新技术技改如高温热红外涂料、燃煤催化剂等等，这些只是暂时临时性的（淘汰工业锅炉才是永久性）。2、工业窑炉节能技术工业窑炉用煤炭约4亿吨原煤，约占我国工业用煤的40%。主要有水泥窑（年耗煤1.7亿吨）、建筑材料窑炉（0.7亿吨）、钢铁窑炉（0.8亿吨）、石灰窑等等。中国窑炉存在的主要问题：设计能耗高，燃烧技术落后，绝大多数窑炉没有脱硫设备，对空气污染严重，运行管理水平粗放，装备落后。部分窑炉设备陈旧、规模小。 中国大量使用工业窑炉是高能源消耗的重要原因。节能技术：如水泥余热产蒸汽和发电技术（废热锅炉）、高炉煤气余压发电技术等。3、电动机节能技术工艺需求分析、水泵和风机选型存在的主要问题是工艺需求参数分析不准，扬程选择过高。如循环流化床风机一次风机扬程普遍选用过高（约高60%左右），一些工业使用的蒸馏干燥用蒸汽压力选用过高。一般设计，按正常流量的1.15倍、风压余量的10%选用风机，电动机再有10%的余量，这样选用的电动机容量常常远高于实际需要的容量，从而造成大马拉小车现象。软启动节能软启动节能很少，使用软启动节能量只相当于直接启动时能耗的20%，但启动一次能源消耗也没有几度电。直接启动的缺点是：一启动电流大，一般直接启动启动电流为额定电流的4到7倍，带负荷启动为额定电流的8到10倍或更大，可导致用户单位电网电压下降产生冲击。二电动机消耗大。电动机绕组发热，加速绝缘老化，影响电机使用寿命；机械冲击大造成电动机转子鼠条、端环断裂、转轴扭矩大、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。三对拖动机械产生冲击，影响机械传动精度。调速节能电动机调速有多种技术：如液力藕合器、永磁调速，变频调速等。使用变频调速最大的误区认为变频调速是节能的，其实与用户负荷有关。日本有论文论证，水泵或风机负荷必须长期保持在70%以下才有节能效果，因为变频器能效约93%，负荷高于85%不仅没有节能效果，反而浪费了更多的能源。当然，当负荷低于30%，可能不满足工艺要求如压力的要求。空气压缩机和制冷压缩机节能压缩机为速度类和容积式。速度型有离心型/轴流式/混合式。容积式有回转式和往复式，其中回转式有滑片式和螺杆式。往复式有转子式、膜式和活塞式，其中活塞式压缩机应用较为广泛。压缩机是整个制冷系统关键设备，它将蒸发器内的低压蒸汽压缩到冷凝压力（外界对工质做功，表示为负值），送入冷凝器中凝结成液体（高压放热过程），液体经过减压阀门，在蒸发器挥发成气体（低压制冷过程）。空调系统是能耗大户，在夏季美国50%以上电力负荷为民用空调。顾客全寿命成本：选择制冷系统应该从温度调节范围、制冷器大小及日月年负荷变化、一次性投资、安全环保、运行费用、检修维护工作量大小等方面综合考虑。应该在制冷系统全寿命过程中，总成本费用最少，同时要考虑安全环保因素。各类压缩机适用不同的客户，制冷（热）量高于580KW特别是高于1500KW时，且长期较稳定时，使用离心机压缩机较好，它易损件少维护简单连续工作时间长振动小润滑油与制冷剂不接触，负荷变化在30-100%范围内，当制冷量在350 KW以下时不推荐使用。当负荷变化大，如10-100%范围内，制冷量在350-1500 KW使用螺杆压缩机可实现无级变频调速，制冷量在750KW以下时，它比往复式压缩机有更高的效率和运行可靠性。螺杆压缩机的缺点是噪声大、耗油量大，价格高。压缩后冷凝压力越高，压缩机耗电量越大，制冷机的单位功耗就高，单位电能制冷量就小，制冷系数就小。在制冷设备实际运行中，应尽量降低冷凝压力和冷凝温度（放热过程），常用的方法有：增加冷凝器的冷却水量，降低冷却水温；冷凝器应定期清洗除垢，适当放空气；冷凝器安装在通风效果良好的位置；制冷空调机的室外冷凝器（室外机组）安装在通风良好阴凉的地方，应避免太阳直晒，当然制热时室外机组应在温暖有太阳的环境内为宜。压缩机节电器电机节电器采用微处理器CPU数字控制技术，控制实时电压和谐波电流，提高功率因素，它能在不改变电动机转速的情况下动态调整电压和电流，减少电机的损耗，合理匹配输出转矩，减少温升和噪声，还具有软启动性能。变频空调通过对压缩机转速的调节来改变制冷量，当开始工作时，满负荷运行，当接近制冷温度时，低速低能耗运行。低速运行降低了冷凝压力，单位电能制冷量就大，制冷系数就大，当然这也与制冷工质的冷凝成液体时的物理性质有关。因计算机和数控技术的发展，目前能根据环境温度的变化精确控制压缩机的转速，实现无级调速。高效节能电动机新设备建议用Y3和YX3（IP55）节能电动机。4、照明节能技术中国照明用电量约占总用量的12%，年照明用电量为1500亿度左右。照明节能可达20%即3000亿度左右。中国照明存在的第二个问题的过度照明，特别是中大城市，光污染较为严重，很多城市路灯下半夜1时后几乎无人通过，可以通过减少电压减少照明度。电光源特性不同种类的电光源在消耗电能时，转换为可见光的多少不同，光视效能就是表征这种转换能力的参数，简称光效，单位是流明/瓦。光视效能等于电光源发光的全部光通量与输入电功率的比值。主要电光源简介：、白炽灯，使用钨丝，目前已经被淘汰，仅存在极少数特种较小的灯具。与此同时被淘汰的还有灯座卡口接口。技术参数：色温2400-1900K，显色指数Ra约95-99，光视效能7-18流明/瓦（lm/W）,使用寿命约1000小时。、卤钨灯，灯管中充入惰性气体和溴碘等卤族元素提高寿命和光视性能。技术参数：光视效能21流明/瓦,使用寿命约1500-2000小时。荧光灯（日光灯），灯管内汞蒸汽放电后产生紫外线，激发涂在灯管内壁上的荧光粉面发光，部分劣质产品发光不均匀。荧光灯光线柔和，结构简单。技术参数：光视效能约45流明/瓦左右,使用寿命约3000小时。低压钠灯，低压钠蒸汽放电发光，用特殊玻璃管防钠蒸汽侵蚀。优点的光色柔和，透雾性能好。缺点是显色性能差。技术参数：光视效能约180-220流明/瓦。高压钠灯，蒸汽放电发光，用氧化铝陶瓷管防钠蒸汽侵蚀并用发光管，管内充入钠汞蒸汽和作为启动用的氙、氩、氖混合气体。优点，是目前广泛使用的电光源发光效率最高的，光通量大，透雾性好，光色呈金黄色较柔和，寿命长。缺点，显示色彩性能差，适合车站码头广场和工厂厂房使用。高压汞灯，汞蒸汽和氩气发光灯。特点，光效较高，寿命长，发出蓝绿色光，缺少红光，显色指数不高。金属卤化灯，是高压钠灯的派生灯种，它在灯管内再充入某些金属的卤化物，它提高了光效，改善了显色性能，使用寿命也加长了。金属卤化灯可代替高压钠灯的灯种，适用于要求显色性能好的场所。氙灯，它是由氙气激发放电的弧光灯，光谱连续性好，光色好，与日光非常接近，有小太阳的称号。适用于要求显色好的场所，如机场、体育场、广场等高频无极荧光灯，使用寿命长，可达数万小时，显色好，无闪。微波硫灯也是无极荧光灯，光谱中可见光连续，最接近自然光。技术参数：光视效能约60流明/瓦。LED发光二极管，半导体光源，冷色光源。寿命十万小时左右。第四代技术参数：光视效能约180流明/瓦。一般家庭客厅、饭厅内可使用20到30瓦的荧光灯（日光灯），老式T12荧光灯管径38毫米，耗材多，光效低，目前已经被T8式26毫米荧光灯取代（光效提高15%，成本低30%）,新式T5式16毫米荧光灯与T8式比更节能约20-30%（光效106流明/瓦）。节能灯是紧凑型荧光灯，它是灯管和镇流器一体化灯种，分一级二级和三级节能，目前价格低廉，种类众多7/9/11/13/18/24/36瓦，是替代白炽灯的理想灯种。目前以13瓦节能灯能效最好（约62流明/瓦），其次是11瓦节能灯能。5、工艺余热余压利用技术余热余压以烟气为主，部分以热水排放。按温度分：高温余热，温度高于650，以余热锅炉产蒸汽和发电为主，烟气量较少以预热器预热空气和工艺物料为主。高温固体余热如炼焦企业干熄焦技术，它利用惰性气体冷却赤热焦炭，烟气再回废热锅炉。中温余热，烟气温度200650。以预热器预热空气和工艺物料为主，可用换热器换热。如锅炉连续排污热水温度约200370，可利用闪发器闪发蒸汽。低温余热，烟气温度小于200，热水温度小于100。可利用换热器换热，也可利用热管或热泵换热。如茶叶风干，传统工艺是采用火焰热风器（或家用锅灶，炒），它很难控制茶叶加工质量；采用热泵传述，能稳定干燥温度，不仅提高炒作茶叶的质量，还能为贮存茶叶提供冷源，同时解决了茶叶收获加工贮存的问题，茶叶质量提高的同时，能耗也有所下降。节约能源，提高资源利用率，只能缓解中国经济对能源和资源的需求，不能解决资源供需之间的巨大缺口。而在一次能源的开发方面，可再生能源的利用和开发鼓励不足。二、减少煤炭使用量，发展可再生和清洁能源可再生能源主要为太阳能（主要来源），风能，水能，潮汐能，海洋能，生物质能（桔杆、垃圾等）。不可再生能源主要为常规能源，包括煤、石油、天然气、以及核能和地热能等。其中地热能由于热水回收排入地下，可称为清洁能源。化石能源污染较大，主要污染物为二氧化硫、氧化氮、粉尘和温室气体二氧化碳。全球唯一没有工业锅炉的国家是冰岛，主要使用地热能发电。水能资源主要为河流水能，也包括潮汐能、波浪能和海流能。河流水能利用有一定的负面影响，但这是不得已的选择，目前河流水能利用占发电量的第二位，如果将来中国关停大部分电力锅炉，可能会上升到第一位。生物质是一次能源，是可再生能源，桔杆和垃圾电厂也是唯一一千年后可保持的发电工业锅炉。生物质工业化是一个艰难的过程，还有待开发，也有待于政策支持，主要为农业桔杆收集，目前需要开发新型能最大限度收集桔杆的收割机（小麦和稻米）。生物质也是最有发展前途的可再生能源，虽然它不属于清洁能源，但同样也是不得已的选择。将来生物质能发电可能会上升到第二位左右。可控核聚变：氢氚氘可控核聚变目前技术上没有实现的可能，如果人类利用可控核聚变释放的能量，仅大海内的氚氘可供人类使用几百亿年。三、关停高耗能产业，关停大部分工业锅炉不可再生能源的储量是有限的，化石原料煤石油天然气等随着人类的开发速度加快而不断减少，目前已经到了难以为继的地步。传统的高耗能工业，造成了严重的空气污染，本身也是不可持续的。特别是化肥业、水泥业、建筑材料业、重化工业如纯碱、烧碱、硫酸等，包括电解铝、有色金属业、钢材业，平板玻璃，能耗都非常高。由于世界级的煤炭危机，我国以煤为主多元发展的战略是存在问题的。首先它是不可持续的，其次