集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价

王开亭，李小斌*，张红娜，刘糁，曲凯阳，李凤臣*

（1.天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300350；2.北京京能恒星能源科技有限公司，北京 100073；3.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

集中供热总是伴随着巨大的能耗和环境污染，因此，在满足供热需求的同时，减少能耗和环境污染对于集中供热系统的发展具有重要意义。向牛顿流体（一般如水）湍流中加入微量的高分子聚合物或某些表面活性剂添加剂，可使流动工质引入黏弹性，在不明显改变流体黏度的前提下，改变流动中湍流结构，从而发生湍流减阻现象［1］，湍流减阻现象发生的同时，流动的对流换热性能也大大减弱［2］。因此，在集中供热系统中加入湍流减阻剂可以显著减小湍流摩擦阻力和压力损失，在满足相同供热量的同时减小泵的功耗，对流换热性能的减弱也可减小工质管道运输过程中热量的损失。在日本等发达国家，集中供热/供冷系统中减阻剂的应用已经商业化，而在我国还处于起步阶段，仍需要进一步发展。

本文回顾了集中供热系统在国内外的发展情况，并根据不同供热系统特点，举例讨论了在不同集中供热系统中假想加入合适的湍流减阻剂后所得到的经济效益和社会效益，对减阻剂在集中供热系统中应用的节能减排综合性能进行评价，旨在推动湍流减阻剂在我国集中供热系统中的应用推广。

1 集中供热系统的发展

1.1 国外集中供热系统的发展

集中供热最早的应用是14 世纪法国的热水分配建筑。在热水分配建筑中，供热系统和地热水被用于温泉沐浴和大约30 栋房屋的供热。同时代的罗马人也用类似的供热方案为他们的建筑物输送热量。现代集中供热是从19 世纪70 年代末美国建立蒸汽分配系统开始的［3］。同一时期欧洲的不同城市采用了不同的集中供热方案，早期一些主要城市建立了蒸汽系统，后来，由于工程人员看到了热水系统的多项优势，大多数城市的蒸汽供热系统逐渐转变为热水供热系统。

1877 年，美国纽约建立了人类使用最早的具有现代意义的集中供热系统：一座仅向周围14个用户进行供热的区域供热锅炉房［4］。1903 年，哥本哈根弗雷德里克斯堡地区的一个垃圾焚烧炉开始作为供热系统为附近的医院提供热量。1911 年，英国曼彻斯特的发电站开始为附近的仓库和工厂提供蒸汽［3］。20 世 纪50 年 代，瑞 典 的 区 域 供 热 系 统 以120 ℃的热水为介质为用户供热和提供生活热水［5］。20 世纪70 年代，集中供热开始在欧洲普及，由于石油价格上涨，一些国家将煤炭与集中供热的发展结合起来，利用从发电站回收的热量供热。

俄罗斯是最早发展集中供热的国家之一，至今已有110 余年的历史。现如今，在全国工业与民用建筑的总供热量中，集中供热的供热量占到了70%左右，集中供应的热能占全世界生产总热能的45%［3］，其首都莫斯科集中供热的普及率更是达到了100%［4］。如今，丹麦的集中供热普及率达到了50%以上，其中太阳能、风能、垃圾焚烧产生的热能、地热能、沼气等在集中供热中得到了充分的利用，减少了对石油、煤炭、天然气等化石能源的消耗和依赖。芬兰的集中供热普及率达到了45%以上，其首都赫尔辛基的集中供热普及率达到了90%以上。瑞典的集中供热普及率达到了40%左右，而且热源种类较多，除了传统的煤炭、石油、天然气等化石燃料以外，还利用了垃圾焚烧、生物燃料等热源［6］。

二战后，国外集中供热迅速发展，目前全球集中供热技术日益成熟［7］。一些较早发展集中供热的国家，例如俄罗斯、丹麦、瑞典、德国、日本、美国等，已经对供热系统的自动控制积累了大量的经验，并且可以很好地实现按需供热与均匀供热［8］。

1.2 国内集中供热系统的发展

我国的集中供热起步于20 世纪40 年代左右，初期发展缓慢，集中在大城市的机关以及事业单位。随着改革开放的不断深入推进，人民生活水平提高，集中供热事业进入了快速发展阶段。

从20 世纪40 年代至今80 多年的历史可分为4个阶段：单纯利用阶段、单纯管理阶段、基础建设阶段到综合发展阶段。大工业的发展，使得众多热电厂建设项目不断出现。不同规模的热电厂相继建立起来，这推动了我国近年来以热电联产为热源的集中供热的发展［9］。

进入20 世纪90 年代之后，国家相关部门开始全面推广城市、城镇集中供热系统，确保城镇供热发展的同时，有效推动了多城市集中供热事业的发展［10］。

根据相关资料统计，1980 年我国“三北”地区的集中供热总面积仅约为1.1×107m2，普及率仅有2.0%，在集中供热发展较好的北京，普及率也只有8.2%，且家庭小炉灶和分散锅炉房占的比例较大，分别为50%和48%。到1990 年，全国单机容量在6 MW 及以上的供热机组容量在经历近10 年的发展后，从4.4 GW 增加到10.0 GW。截至1990 年年底，我国“三北”地区的供热面积达到了2.1×108m2，集中供热普及率达12%，已建成的集中供热设施有117个［4］。

截至2001 年年底，我国集中供热面积增长到1.5×109m2，其中有65.5%为住宅面积，其总量达9.6×108m2。全国集中供热面积只有32.6%分布在中小型城市，而剩下的67.4%都分布在大型及以上城市。

近10年我国供热事业发展迅速，供热面积与供热管长呈快速增长趋势，其中蒸汽和热水的供热能力变化情况如图1 和图2 所示。目前为止，全国的供热面积达9.9×109m2，总的供热管道长度达4.3×105km［11］。我国北方地区132 个地级以上的大、中城市中全部都建设了城市集中供热系统，并逐步向大型化发展，长输管线的应用也逐渐增加［12］。

图1 近10年全国热水供热能力变化情况［11］Fig.1 Hot water heating capacity variation in China in the past ten years［11］

图2 近10年全国蒸汽供热能力变化情况［11］Fig.2 Steam heating capacity variation in China in the past ten years［11］

当前我国的供热方式多种多样，已经逐步形成了以热电联产为主，集中锅炉房为辅，其他新型及可再生能源为补充的供热局面。我国供热所用能源包括煤炭、燃油、天然气、太阳能、地热、生物质能等，但是集中供热所用能源目前仍以煤炭为主。

2 常见供热系统中应用减阻剂的效能评估

人们发现在液态牛顿流体湍流中加入某些添加剂可以显著减小湍流的摩擦阻力［1，13-15］。这种现象称为湍流减阻（DR），这些添加剂被称为湍流减阻剂。后来人们逐渐将减阻现象应用到生产生活中，输油管道中加入湍流减阻剂可以有效地增大输送的流量［16］，提高运输效率。制冷系统、供热系统中加入减阻剂将使得在满足制冷量、供热量需求的同时，减小管道运输过程中泵功的消耗和能量的损失，具有较高的经济效益和社会效益。很多减阻剂被应用到高温试验中，并且部分已被商用，取得了良好的效果。常见减阻剂适用情况见表1。例如丹麦的一个区域供热系统因减阻剂的使用每年节省约4.7 TW 的抽水能量［17］，日本1 个空调系统加入减阻剂后泵送能量需求减少了21%～54%［18］。

表1 常见减阻剂适用情况Table 1 Application of regular drag reducing agents

而且加入减阻剂的成本与减阻带来的经济效益相比很少，以天津市某校园的热电联产供热系统为例，该系统约需要200 t二次管网供热水，1次需要加入十八烷基甜菜碱（Cl8-betaine）100 kg、十二烷基苯磺酸钠（Na-LAS）12 kg，按十八烷基甜菜碱15 000 元/t、十二烷基苯磺酸钠50 000 元/t 估算，那么只需要投入2 100 元的减阻剂初次投入费用。一般1 次添加减阻剂可维持较好的减阻效果3 个月左右，之后只需补加少量因黏附在壁面或因泄漏损失的减阻剂。估算结果表明，1 个供暖季减阻剂资金投入不超过3 000 元，远低于因加入减阻剂所得到的经济效益。

但在减阻剂应用过程中，还应注意到部分减阻剂具有腐蚀性，会对供热管路造成一定程度的破坏，如何选择“绿色”环保无腐蚀性（或弱腐蚀性）的合适减阻剂以及供热管道防腐蚀是需要注意的问题。

本节针对常见的几种集中供热系统，即热电联产供热、太阳能供热、地热能供热、风能供热、生物质能供热、工业余热供热系统，各选取一个系统实例，假想在该系统中应用湍流减阻剂后，对该系统在节能减排综合性能方面进行定量的评价，并针对各集中供热系统的运行参数范围讨论了可能的湍流减阻剂选取。

2.1 热电联产供热中减阻剂的应用评估

2.1.1 热电联产供热系统的发展

19世纪80年代，美国工程师霍利将工厂排汽用于供热，这是最早的热电联产供热［8］。1883年，德国汉堡市将市政大楼接收中心电站的热量用于供热，开启了热电联产供热的时代，从此热电联产供热稳定发展。1905年英国制造了世界上第1台热电联产汽轮发电机组，开始了汽轮机热电联产的历史。1907 年，美国西屋电气公司制造出可以调节压力的抽汽式热电联产机组。

此后，随着工业的发展，电能和热能的需求同时增加，热电联产供热相比于热电分产系统的优势越发明显，因而在欧洲各国得到了快速的发展。1924 年，俄罗斯在苏联时期的列宁格勒建造了第1个以热电厂进行供热的热电联产供热系统［24］，热电联产从此开始发展起来。

2.1.2 热电联产供热系统中应用减阻剂的效能评估

目前常见的热电联产系统是燃气热电联产系统，其主要包括以下几部分：用户、汽轮发电机组、锅炉、输送环节。该系统包括联产供能和单独供电2 种运行方式，联产供能包括热电联产、冷电联产和冷热电联产，单独供电和常规发电运行方式相同。在热电联产系统中一次管网设计供水温度在110 ℃左右，二次管网设计的供水温度在75 ℃左右［25］。

当采用一次管网设计时较为适合的减阻剂为2 g/L 的二十二烷基三甲基氯化铵（C22TAC）并辅以同质量浓度的水杨酸钠（NaSal）作为稳定剂，其有效的减阻温度范围为60～110 ℃［19-20］。当采用二次管网时较为适合的减阻剂为十八烷基甜菜碱和十二烷基苯磺酸钠，其中十八烷基甜菜碱的质量浓度为0.50 g/L，十二烷基苯磺酸钠的质量浓度约为0.06 g/L，其减阻效应的适用温度范围为50～85 ℃［23］。

以天津市某校园热电联产供热系统为例，对假想添加湍流减阻剂之后的热电联产集中供热系统节能减排效果进行分析。该供热系统采用一次管网供热，总计供热面积约20 万m2，供暖热负荷为15.0 MW。该供热系统的供热管网如图3所示。

图3 天津市某校园集中供热系统Fig.3 Centralized heating system for a campus in Tianjin

该系统供热建筑包括有教学楼、宿舍、食堂等多种类型的建筑，建筑中共计39个热力入口。各建筑及对应的热力入口编号为博士生公寓（#1—#9）、43 教学楼（#10—#13）、南区生活组团（#14—#18）、37教学楼（#19—#24）、36 教学楼（#25—#28）、35 教学楼（#29—#33）和34教学楼（#34—#39）。

B 能源站回水管道循环泵由西门子公司生产，热水由4台锅炉产生，#1—#3锅炉各带1台循环泵，#4锅炉带2 台循环泵。为便于分析，做出以下几点假设。

（1）各个热力站的内部阻力损失相同。

（2）供水干线各管段的阻力损失和相应回水干线上管段的阻力损失相等。

（3）系统中各台水泵的效率相同。

5 台循环水泵的总额定功率为315 kW，见表2。各个入口水力工况见表3。

表2 循环水泵原始数据Table 2 Original data of a circulating water pump

由表3 可知，这5 台泵的总流量为806.7 m3/h，再依据各泵的特性曲线可得实际功率，见表4。

表3 各个入口流量Table 3 Flows of different inlets m3/h

表4 各泵的实际功率Table 4 Normal power of different pumps

所有泵的总实际功率为145.8 kW。泵的特性曲线及管路特性曲线在加入减阻剂前后的变化如图4 所示。若加入减阻剂，在不换泵的情况下泵的特性曲线与管道阻力特性曲线的交点由0变为1，泵的流量值也从qV0变为qV1［26］。因此需要进行变频调节使其流量变回所需流量，变频调节后泵的特性曲线会发生变化，此时泵特性曲线与管道特性曲线的交点为2 点。泵对应的实际扬程值也会变为2 点对应的H2，根据查实际用泵的特性曲线可估算得到变化后的实际功率及扬程情况见表5。后续各个供热系统中泵变频后的实际功率均采用上述方法进行查找并估算。

表5 加入减阻剂变频调节后泵的实际功率Table 5 Actual power of the pump after frequency conversion regulation and dosing drag reducing agent

图4 泵及管路特性曲线在加入减阻剂前后的变化示意Fig.4 Characteristic curves of the pump and the pipeline before and after adding drag reducing agent

将泵进行变频调节后的实际总功率为93.1 kW相较于不加减阻添加剂省功52.8 kW，即省功39.2%。若无法对泵进行变频调节，则需要重新对泵进行选型，选用同一厂家扬程更小的泵。流量不变，当减阻率为50%时，则所需泵扬程减小50%，此时各个泵的功率见表6。

表6 加入减阻剂重新选型后泵的实际功率Table 6 Actual power of the pump after model re-selection and dosing drag reducing agent

式中：fwater为未添加减阻剂时流动摩擦阻力系数；fmeasured为添加减阻剂后流动摩擦阻力系数。

根据表5 可知，对泵进行重新选型后的总实际功率为75.1 kW，相较于不加减阻剂省功70.7 kW，即省功48.4%。由上述计算可知，加入减阻剂后，无论是对泵进行变频调节还是重新对泵进行选型，至少省功39.2%，说明减阻剂的加入在减小泵功率方面效果显著。

加入减阻剂后，由于换泵成本较高，一般选择对泵进行变频调节的方式，该系统中共减少52.8 kW 的能量消耗。标准状况下的煤炭发热值为29.3 MJ/kg，锅炉效率取70%，减少的能量消耗相当于每天省标准煤约222.4 kg。当地标准煤价500 元/t，该供热系统每天可减少111.2 元的供热费用，150 d 的供暖季共省标准煤33.4 t，减少费用16 681.8元。

通过添加减阻剂的节能改造之后，集中供热系统燃烧煤炭的量可减少，相应地向空气中所排放的二氧化碳和污染物也会减少。煤炭燃烧会向空气中排放SO2、CO2、CO、氮氧化合物及碳氢化合物等多种污染物，加入减阻剂后，这些污染物的排放量都会有相应减小。这些排放物中SO2是形成酸雨的主要因素，氮氧化合物能够刺激人体器官发生病变，CO2是温室气体，且减少二氧化碳排放有利于2030年前实现“双碳”目标。根据某热力公司所提供的排污系数进行计算可以得到加入减阻剂后（如图3所示）集中供热系统1 个供暖季各项污染物和二氧化碳的减排量，见表7。

表7 天津市某校园供热系统污染物减排量Table 7 Emission reduction of the heating system for a campus in Tianjin

2.2 太阳能供热中减阻剂的应用评估

2.2.1 太阳能供热技术的发展

太阳能供热系统一般由太阳能集热器和辅助加热设备、储热水箱和换热设备、供热末端和系统控制器4 部分组成。一般情况下，太阳能集热器在供暖季提供供热所需的部分热量，在全年提供生活热水部分热量。相对于传统的燃煤供热，太阳能供热最大的优势是100%采用可再生能源，供热过程无污染物和温室气体排放。

世界上最早发展太阳能区域供热的国家是瑞典，在1979和1980年建造了2个跨季节蓄热的大型太阳能区域供热系统。1996 年，德国建立了太阳能集中供热系统为建筑供热。1988 年，丹麦投入运行首个使用平板太阳能集热器的大规模太阳能集中供热系统，该系统是热电为主，太阳能为辅，进行联供。现如今丹麦是欧洲应用太阳能区域供热项目规模最大、数量最多的国家［27］。

2.2.2 太阳能供热系统中应用减阻剂的效能评估

目前常见的几种太阳能热水集热器的出水温度都较低，由于要在贮热水箱内留有一定的贮热温差使得太阳能供热系统的平均供水温度进一步降低，因而多采用地板辐射采热。地板辐射采热以整个地面作为散热面以辐射散热为主，而辐射采热室外温度相同情况下，达到相同的舒适度要求，其周围空气温度比对流采热条件要求低3 ℃左右，并且散热地板具有一定的散热作用，热媒温度一般只要40～60 ℃就可满足要求［28］。因此可选用质量浓度为0.2 g/L 的十六烷基甜菜碱（Cl6-betaine）作为该系统的减阻剂，其减阻效应的温度范围为30～90 ℃［23］。

下面以拉萨市第一中等职业技术学校太阳能集中供热工程为评估对象，讨论在太阳能供热系统中减阻剂的使用以及其带来的经济效益和社会效益。该项目供热面积为1.2×105m2，以太阳能主动式热水为主要热源，电热锅炉为辅助热源，该热力站设计总热负荷为5.8 MW，太阳能供热系统循环供/回水温度75～85/40～50 ℃。该供热系统各个部分的供热面积以及相应的热负荷见表8［29］。

表8 供热面积及热负荷［29］Table 8 Heating area and heat load［29］

该供热系统在未加入减阻剂时，其总的实际泵功率为306.5 kW。加入减阻剂后，减阻率按50%计算，采用变频调节泵转速，调节后的总泵功率为224.1 kW，减少了54.0 kW。变频调节后，这几台泵可减少112.3 kW 的功耗。该项目所在地区供暖季供热时长为120 d，供热效率取70%，1 个供暖季省标准煤56.8 t，减少供热损失费用28 384.4 元。其污染物和二氧化碳的减排量估算见表9。

表9 拉萨市第一中等职业技术学校太阳能集中供热系统中应用减阻剂后污染物减排量估算Table 9 Pollutant emission reduction of the drag reducing agentadded centralized solar heating system for Lhasa No.1 Secondary Vocational Technical School

2.3 地热能供热中减阻剂的应用

2.3.1 地热能供热技术的发展

地热能是指通过人为手段将地球内部熔岩的热能从地壳中抽取而出并加以利用的一种能量，它是一种分布广泛、储量丰富的清洁型能源。在地热能供热技术领域，依照其所利用地热资源的不同分为如下3类：浅层地源热泵技术、水热型供热技术与中深层地埋管供热技术［30］。

（1）客体应为国家关于艾滋病防治的管理制度和他人的生命健康权。《艾滋病检测管理的若干规定》第9条规定，对于违反本规定，传播艾滋病或引起艾滋病传播危险的，由司法机关依法追究刑事责任。因此故意传播艾滋病的行为不仅侵犯了他人的生命健康权，同时也违反了国家关于艾滋病防治的管理制度。

地热能供热不需要转化为二次能源再供热，这就使得地热能供热比其他同类供热方式的能效利用率更高，经济性上更可行。鉴于地热能供热的诸多优势，目前全球范围内很多大型办公楼、学校等，都采用地热能供热。而随着地热能市场的进一步发展，地热能供热也逐渐走入城市房地产领域，为居民住宅提供区域集中供热［31］。

目前浅层地源热泵供热技术是使用最广泛、技术最成熟的工程应用形式［32］。地源热泵的概念最早在1912年由瑞士专家提出，而这项技术的提出始于英、美两国。

热泵系统有多种形式，根据热源不同，可分为地下水源热泵、地表水源热泵、土壤源热泵、污水源热泵、中深层地热源热泵、空气源热泵等。热泵的驱动方式主要有电动机驱动和热驱动2 种，如今各种规模热泵供热多以电驱动为主［33］。

2.3.2 地热能供热系统中应用减阻剂的效能评估

以西安市某地热供热技术示范工程为例，该项目供热住宅面积为2.5×104m2，该供热系统为水热型供热系统，以地板辐射的方式取热。在该供热系统中，热源出水口温度变化范围为25.7～27.7 ℃［34］。添加比例为6∶1，质量浓度为1 g/L 的十六烷基甜菜碱和十二烷基苯磺酸钠较为合适，其有效减阻温度范围为7～50 ℃［23］。系统供热设备见表10。

表10 西安市的某地热供热设备［32］Table 10 Equipment of a geothermal heating system in Xi'an［32］

该供热系统中泵的总额定功率为354 kW，实际泵功率约为278.1 kW，加入减阻剂后，按减阻率50%计算，采用变频调节泵转速，采用变频调节泵转速，调节后的总泵功率为224.1 kW，减少了54 kW。

按该地区供暖季150 d 计算，一个供暖季共减少的能量损失相当于34.1 t 标准煤所能提供的热量，按标准煤500 元/t 计算，间接减少17 061.0 元经济损失。相应减少二氧化碳和污染物排放量见表11。2016年年末至2019年，全国新增地热供暖面积1.0 亿m2［35］，若将这些区域的供热系统全部添加减阻剂，1个供暖季约可减少6 824.4万元的费用。

表11 西安市的某地热供热系统污染物减排量Table 11 Equipment of a geothermal heating system in Xi'an

2.4 风能供热中减阻剂的应用评估

风能作为一种无污染的可再生能源，在世界范围内都有相当可观的能量密度。一般利用风能进行供热即指风电供热，从宏观意义上讲，风电供热是指风电企业在建设或运营风电场工程的同时，配套建设和运行负荷谷期用电的冬季供热设施，而供热用电量则相当于将电网无法消纳的风电转化为热能之后通过供热管网系统与蓄热系统进行存储，用于冬季供热。

20 世纪90 年代俄罗斯率先建设了风电供热系统。而后丹麦在1991 年建成第一个海上风电场，2002 年连续兴建了5 个，2003 年又建成世界上最大的近海风电场，装机容量达到165 MW。在丹麦首都哥本哈根，风能发电已能满足8.5 万人的生活用电［36］，其全国风电装机总量占比高达30%，风电并网比例也高达20%［37-38］。如今丹麦的风电发展与热力供应都处于世界领先水平。

2.4.2 风能供热系统中应用减阻剂的效能评估

风电供热系统是由风能转化为电能再进行供热，热源出口温度因系统不同有较大差异。以甘肃地区某供热面积为1.0×106m2的风电供热系统为例，该供热系统中总的泵额定功率为2 450 kW，实际泵功率约为1 985 kW，热源出口温度为90 ℃［39］。可以选用2.85 mmol 的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和2.85 mmol 水杨酸钠作为该系统的减阻剂，其有效减阻温度范围为40～100 ℃［40］。

加入减阻剂后，按减阻率50%进行计算，采用变频调节泵转速，调节后的总泵功率为1 281 kW，可减少704 kW 的泵功率消耗。当地供热期为当年10月25日至次年3月25日，共151 d。1个供暖季共减少能量损失相当于447.8 t 标准煤所能提供的热量，按标准煤价500 元/t计算，可减少22.4 万元经济损失。相应减少二氧化碳和污染物排放量见表12。

表12 甘肃地区某风电供热系统污染物减排量Table 12 Emission reduction of a wind power heating system in Gansu Province

2.5 生物质能供热中减阻剂的应用评估

2.5.1 生物质能供热技术的发展

生物质能供热系统主要由自然成分和人工成分构成［41］。自然成分包括耕地资源、森林资源、水热资源、城市垃圾、动物粪便、污水污泥等物质资源要素，是生物质能供热的主要物质来源［42］。人工成分主要包括供热技术、农业生产技术、垃圾处理技术、政策扶持、工业工程、经济环境等人类输出要素［43］。

目前生物质能供热比较多的应用是生物质固体成型燃料燃烧供热、沼气燃烧供热和生物质联产供热。我国生物质能资源丰富，每年生产的生物质原料可以产生11.7 亿t标准煤的能量。欧洲国家生物质能供热事业发展较早，综合利用技术成熟，政策制度较为完善［44-45］。

近十几年，欧盟国家可再生能源供热在供热能源总量中占比显著上升，从2004 年的10%上升到2017 年的20%。欧盟生物质供热占最终能源消费量的比重大于10%的国家有14个，其中拉脱维亚占比最高，为33.2%。其次是芬兰、瑞典、爱沙尼亚、丹麦和立陶宛，占比超过20%。克罗地亚、奥地利、罗马尼亚在15%左右。葡萄牙、斯洛文尼亚、保加利亚、捷克和匈牙利生物质供热占最终能源消费量的比重在11%左右［46-47］。

2.5.2 生物质能供热系统中应用减阻剂的效能评估

目前，生物质能应用技术已经发展得比较成熟，生物质能供热都是利用生物质能经锅炉产生高温高压的蒸汽，利用这些蒸汽与一次管网或者二次管网进行热量交换最终达到供热的目的［48-51］。因此，其供热情况与热电联产和核能供热［52］较为相似，一般采用二次管网供热，比较合适的减阻剂是十八烷基甜菜碱与十二烷基苯磺酸钠，其比例为8∶1，对应的质量浓度为0.5 g/L，有效的减阻温度范围为50～85 ℃，在二次管网供热系统中可以得到很好的减阻效果。因供热情况与热电联产供热形式相似，本文针对生物质能集中供热系统未再给出具体实例进行定量评估。

2.6 工业余热供热中减阻剂的应用评估

2.6.1 工业余热供热技术的发展

工业余热是在工业生产工艺过程中所产生的热量。其余热热源可分为高温排烟余热，可燃废气、废液、废料的余热，高温产品和炉渣的余热，冷却介质的余热，化学反应热，废气、废水的余热等。如果能有效地利用这些余热，不仅能节能，还能有效解决城市的废物处理问题和环境污染问题［53-54］。

工业余热按照不同的温度可以划分为500 ℃以上的高温余热，200～500 ℃的中温余热，25～200 ℃以下的低温余热［55］。高温余热与中温余热一般可以直接利用到集中供热系统中去，而低温余热如燃气烟气余热很难直接加热热网水，一般需要通过吸收式热泵技术等才能有效地利用这些低温余热［12］。

2.6.2 工业余热供热系统中应用减阻剂的效能评估

以济南市裕兴化工厂循环水余热回收项目为例讨论减阻剂在余热供热系统中的应用。该供热系统循环水温度为27～50 ℃，设计供热面积为1.0×106m2，设计供热热负荷为50 MW，通过利用吸收式热泵提取余热热量，能源站年平均用蒸汽量为9.7万t［56］。对于该系统较为适合的湍流减阻剂为质量浓度1 g/L的十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）与2 g/L水杨酸钠的混合溶液［40］，其减阻有效温度范围为15～70 ℃，减阻率约50%。

在冬季系统正常运行时按泵的特性曲线可知其总实际功率为2 150 kW。加入减阻剂后采用变频调节的方法使系统正常运行，此时的总泵功率为1 385 kW，可减少765 kW 的泵功率消耗。该地区的供暖季为150 d，锅炉效率取70%，1 个供暖季可减少相当于483.4 t标准煤的能量损失。按500 元/t的标准煤价计算，可减少24.2 万元的经济损失，相应减少二氧化碳等污染物的排放量见表13。2016 年年末至2019 年，我国新增工业余热供热面积1.5 亿m2［35］，若对这些供热系统全部添加湍流减阻剂，约可减少费用3 630万元。

表13 裕兴化工厂供热系统污染物减排量Table 13 Emission reduction of the heating system for Yuxing Chemical Plant

2.7 综合评估

对于本文讨论的不同供热系统，若全部按照供热面积为100 万m2、1 个供暖季长为150 d 换算时，加入减阻剂后1个供暖季的节能减排效果估算结果见表14。

表14 不同供热系统按照100万m2供热面积、150 d供暖季换算时的节能减排量估算Table 14 Estimated energy saving and emission reduction of a heating system with a 1 million m2 heating area in a 150 d heating season

对于不同供热系统，因供热面积大小，以及供热房间排布和楼层高度的不同，其消耗的泵功率会有差别，因加入减阻剂减小的泵功率损失也会有些许差别，但无论从经济角度还是节能环保角度，减阻剂的加入对于集中供热系统都具有重要意义。

2020 年我国供热总量为4 090.58 PJ，供热面积为9.8×109m2［11］，若在全国范围内所有集中供暖系统中加入减阻剂，其节能效果相当于5.7 Mt 标准煤供热所能提供的热量，减少经济损失可达约28.8亿元，减少二氧化碳排放可达约14 Mt，具有良好的节能减排效果和经济效益。

3 结论

冬季空气温度较低，为了满足用户的供热需求，空气中燃烧产物的污染物排放量在不断增多，这样会加重污染程度。因此推进集中供热系统节能化对改善环境具有重要意义。本文在综述集中供热发展历史的基础上，分析了热电联产、太阳能、地热能、风能、生物质能、工业余热等供热系统添加减阻剂的节能减排成效，按100 万m2的供热面积，150 d 供热期进行了归一评价，并以2020 年全国供热需求为例进行分析，得出经济、环境效益良好的结论，说明添加减阻剂是可行技术路线。