低碳技术与节能减排

低碳技术与节能减排

文/中国科学院院士徐建中

一、我国目前在能源方面的形势

能源和环境问题是制约我国经济和社会发展的重要因素，是始终

必须高度重视的重大问题。现在的形势下，我们面临能源总量的供应

问题。我国经济和社会的发展需要大量能源，而我们能源产品的供应

是很难满足要求的，供需矛盾很尖锐，因此能源市场的缺口是一个非

常大的问题。国家规划中已经把能源作为未来重点发展的领域，超过

生物领域，放在了第一位。我国以煤炭作为主要能源这样的一个简单

的、粗放的发展模式造成了严重的环境污染。这种环境污染是一种局

部性的污染。现在以二氧化碳为代表的温室气体，造成了全球性的气

侯变暖和气候异常，对人类未来的发展提出非常重大的挑战。所以在

这样的能源形势下，必须要探讨可持续发展的道路，使得国民经济保

持一定的发展速度，节约资源又不污染环境，由此我们提出了低碳经

济的概念。

二、低碳经济是我国可持续发展的必然选择

在科学发展观的指导下，走节约型社会的道路，本身和低碳经济

是一致的。低碳经济是一种低污染、低能耗的经济，从经济上的层面

上，要转变经济发展方式、调整产业结构；从社会层面上讲，要改变

生活观念和方式；从能源层面上讲，要调整能源结构、发展和利用无

碳和低碳能源、提高能源效率，建立可持续的能源体系。可持续的能

源体系主要由三部分内容组成，一是低碳的能源结构。这个能源结构

强调以低碳为主，是可造能源，也就是说现在的化学能源还必须经过

低碳排放的处理；二是先进的电网，以智能电网为代表。上个世纪我

们的动力和能源是大电力，电网发展越来越强，在新世纪里，除了大

电力、大电网以外，我们还要搞一些中层的电力，比如微电网、智能

电网等，这应该是未来发展的一个方向；三是科学利用，提高能效。

目前我国能源利用率普遍偏低，还存在许多问题。

三、我国能源利用存在的问题和原因

1.能源消耗量巨大，且增速快，已成为世界第一大能耗国家。

据IEA（国际能源机构，InternationalEnergyAgency）预测，至

2030年，全球平均能源消耗年增长率为1.8%,而中国为3.5%,高

于其他国家尤其是经济合作组织国家。（见图1）

区域国家实际预一平均年增长率

(％)

200420102015202020252030(2004*2030)

QECD(经济合作组统国家)

OECD北美国冢1209130313741451153016161.1

OECD欧洲国家81184185886187589204

OECD亚洲国独37.839.942.143.945.447.20.9

OECD雷冢汨耗总量239S2544265227512859298008

非OECD国家

非。ECD的欧洲及旗亚大法国

冢49754.7594M468.771514

非OECD的亚洲国家99.9131.0154.7173.S202.5227.63.2

中国59682.697.1112.81283145.435

中东21.126.329.532.635.?算22.3

非洲13.716919221.223124923

中南美洲22.527.731534838.041.424

非OECD国家消耗息・20692566294233!93678403526

世界各国的消耗总理446.7511.1559.4637.0653.7701.6嫣

图1:不同国家能源消疑及制

2.能源效率低，产品能耗与国际先进水平有较大差距。我国的开采

效率是35.8%；中间效率包括运输、转换等，在69.6%；终端的利用

效率.，工业53.4%,农业33%,交通的更低，这些总的综合在一起是

52.2%,最后再乘以中间效率、开采效率，我们整个能源系统的总效

率只有13%,跟国外相比大概差了10个百分点。(见图2)

3.终端利用效率

1.开采2.中间4.能源效率5.系统总效

效率效率交率(

农业工业民用商业合计(2x3)1x4)

通

35.869.633.053.428.671.552.236.313.0

图2：分段能源效率单位:(%)

造成我国能源利用的这些问题的主要原因有：

1.对节能科学技术认识与投入不足，缺少自主知识产权的关键技术。

2008年，节能科技投入占我国国民生产总值的1.54%,与世界领先国

家3%的水平差距很大。

2.节能产业市场化程度差，产业集中度低、企业规模小，低水平运

营比较严重。

3.政策法规有待进一步建立和完善。

此外，从科技角度分析，还有以下原因:

1.生产过程工艺、技术和设备落后。电力行.业效率低、污染重，小

火电比例大。2007年，20万千瓦以下的火电发电容量占27%左右。

钢铁工业小焦炉、小高炉、小转炉、小电炉、落后轧机比例大，全国

1000立方米以下高炉占炼铁能力的60%以上。燃煤工业锅炉比重大,

单台容量小，设备老化。煤锅炉占工业锅炉总容量的85乐20蒸吨/

小时以下超过80%o水泥行业近50%采用立窑和湿法等落后工艺。

2.余热余能浪费巨大。钢铁企业副产焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤

气等可燃气体，还伴生红焦显热及炉顶煤气压力能等。吨钢余热余能

总量455千克标煤，我国回收率为45.6%,而发达国家在9096以上。

2007年放散焦炉煤气175亿立方米，相当西气东输天然气体积量的

1.45倍。每年煤炭生产直接排放的煤层气130亿立方米，折合1600

万吨标煤。

3.能源转换、利用技术水平落后。动力机械量大面广，电能综合利

用率低。我国拥有3700余万台泵和风机，电能综合利用率为30%-40%,

而国际先进水平在70%以上，每年造成的电力浪费达上百亿千瓦时，

四、节能和科学用能

节能是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理及环境和

社会可承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少

损失和污染物排放，有效、合理地利用能源。科学用能是研究用能系

统的合理配置和用能过程中物质与能量转化的规律以及它们的应用，

以提高能源利用率和减少污染，最终减少能源的消耗。科学用能有三

重涵义：一是分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用，提高能源

和资源的综合利用率；二是能源与环境的协调，把能量转换与物质转

换紧密结合，注重控制废弃物与污染物的形成、迁移、转化与分离,

在能源利用的同时，分离、回收污染物；三是转变传统的能源利用模

式，形成资源、能源、环境一体化模式，实现资源循环利用，最大限

度地减少废物和废能。（见图3）

资源、能源、环境一体化的新模式

图3：资源、能源、环境一体化的新模式

节能是长远解决我国能源问题重大仟务，是能源战略的基本指导

思想和核心，应当节能为本。虽然我国目前能源利用率低，但我国节

能潜力很大。未来10年，节能空间高达33%〜50%。此外，节能减排

对控制二氧化碳的贡献很大，对降低我国单位GDP碳强度的贡献率约

80%左右，到2020年，其贡献率将在50%以上。

五、科学用能的重点领域和技术

1.热能的综合梯级利用

热能的阶梯利用（见图4）就是指把燃料产生的高温气体进行回

收，高温的用来发电，中温的用来制冷，低温的用来采暖和生活用水，

剩下的一小部分再排放出来，这就是我们通常讲的温度对口，梯级利

用。我们要采用先进的燃烧技术，包括水煤浆、煤粉燃烧，还有现在

止在考核的高温空气燃烧技术等。这里要注意一个问题，为了提高换

热的效果，我们常常会增加流速，而增加流速的同时能耗也会增加,

所以我们要把这两者协调处理。

品位

温燃料

度电

对U___

驱动热泵

口,

驱动制冷

梯

级采暖

利生活热水

用

环境排放

图4：热能的阶梯利用

2.能源、资源的综合梯级利用

(1)化工一动力对联产系统

通过系统集成把化工过程和动力系统有机地耦合，在完成发电、供

热等能量转换利用功能的同时，生产替代燃料或化工产品，从而同时

满足能源、化工以及环境等多功能、多目标需求。相对于化工与动力

分产系统可节能15%以上，替代燃料生产与发电成本有望下降20%以

±o

(2)生态工业园

一个建立在一块固定的地域之内的企业集群，不同工业企业间以

及工业企业、居民和自然生态系统进行良好的合作，有计划地进行物

质与能源的交换与循环利用，实现有效的资源共享。它可以使能源与

原材料使用最小化，废物最小化，提高经济与环境效益。

(3)膜分离技术

这项技术兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、

环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，广泛应用于食

品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、

仿生等领域，经济和社会效益巨大。

3.动力机械节能

（1）采用变频调速技术，一般可节能20%〜30%以上。

（2）动叶可调技术以及计算流体力学技术，可大幅提高动力机械设

备的运行效率。

（3）研制运行控制调整与专家分析系统，建立矿用风机智能安全运

行节能控制模块。

（4）提高电机系统的节能能力，采用冷轧矽钢片代替热轧矽钢片,

发展超高效率三相异步电动机等。

4.余热余能回收利用

我国钢铁、有色、石化、建材、化工、煤炭等行业产生大量余热

余能，对其回收利用是节能减排的重点工程。

例如在钢铁工业，干熄焦（CDQ）余热利用技术，利用惰性气体冷却

红焦，加热后的高温惰性气体送入余热锅炉换热，产生的蒸汽用于发

电和供热，可使吨钢能耗降低15千克标煤，目前全国普及率为30%。

高炉炉顶煤气余压回收透平发电装置(TRT),利用高炉炉顶煤气

压力驱动透平做功，将煤气压力能转化为机械能。TRT是典型的高效

节能环保装置，不需燃料，不改变原高炉煤气品质，回收能量，降低

噪声，无污染。可回收高炉鼓风机所需能量的30-50%。

低热值燃气-蒸汽联合循环(CCPP),煤气经煤气压缩机压缩后在

燃气轮机中燃烧膨胀做功，做功后高温烟气在余热锅炉余热回收，产

生的水蒸汽驱动汽轮机膨胀做功。可以有效回收煤气余能，发电效率

为40-50%。目前国内有10余个钢铁企业在应用，基本为进口。

5.电力电子与节能

电力电子技术是综合控制、电力、电子等于一体的技术，它利用

大功率电子器件对能量进行高效变换，控制其输出，从而为用电设备

提供所需要的电源。其核心是电能形式的转换，主要特征是控制和变

换的高效率目前在所有能源中电力方面能源约占40%,降低电能消

耗具有重要意义。在发达国家，利用电力电子技术对电能处理后利用

的节能效果可达15%〜40%。电力电子节能的关键技术包括开关变

频技术、软开关技术、高频技术、有源功率因数校正技术等。

6.交通节能

我国每年消耗的石油大约66%用于汽车、工程机械、农机、船舶

等。汽车的节能主要取决于动力系统和城市交通系统，未来二、三十

年内，汽车动力仍以内燃机为主，内燃机节能有很大的潜力。内燃机

用于动力输出功率仅占燃油燃烧总热量的30%〜40%,以热量形式

排出车外的能量占总能量的60%〜70%,热效率提高有25-50%的潜力。

关键技术有：分层燃烧和均质压燃烧，回收、利用尾气排放的热量，

先进燃油和空气供给系统等。

7.建筑节能

目前，能耗高、能效低、污染严重是建筑业可持续发展面临的最

大问题。现有城乡建筑面积400多亿平方米