孙志伟，伍联营，胡仰栋，张伟涛

（中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266000）

为实现“碳达峰”“碳中和”的发展目标，大力发展太阳能、风能、地热能、生物质能等可再生能源已形成国际共识，成为解决目前能源危机和环境问题的有效途径。

公用工程是化工生产系统的三大组成部分之一，是化工装置设计和运行的基础，其主要包括供水、供电、供热、制冷等。传统的化工生产系统运行所需的能量主要来源于化石能源，但此类能源面临着储量枯竭、环境污染、加剧温室效应等问题，不符合“双碳发展”目标。而可再生能源以其可再生、低碳无污染的特点被公认为是替代化石能源、促进能源转型的最佳选择。因此，发展可再生能源驱动的化工公用工程系统及其与化工过程耦合优化以降低对化石能源的依赖，成为解决目前化工产业污染重、能耗高困境的有效方法之一。

本文针对风能、太阳能、地热能等可再生能源在化工公用工程系统中的应用进行综合分析，探讨了可再生能源公用工程与化工系统的耦合匹配，并据此提出可再生能源公用工程系统面临的机遇和挑战。

1.1 供热

由于受能源转换的方式和效率的制约，目前应用于化工系统供热的可再生能源主要有太阳能、地热能、生物质能等。

1.1.1 太阳能

太阳能开发利用是可再生能源领域的主要研究方向之一，其能量转换方向有光-热、光-生物能、光-电、光-化学能等，其中光热的能量转换效率最高，可达约40%。光热转换的研究及应用主要集中在集热蓄热，并取得了一些研究成果，Suresh等研究了太阳能集供热与高耗能、高排放的造纸等工业过程的耦合情况，使其成为化学制浆过程、辅助生产系统的唯一热来源，研究表明在太阳能转化率达20%时年可节约燃油565kt 和减排CO180万吨。Liu等提出了一种将甲醇水蒸气重整和中温太阳能相结合的制氢新方法，甲醇转化率可达90%以上，最大氢产率为2.65～2.90mol/molCHOH，而Bai等研究了太阳能热催化甲酸制氢技术，较传统甲酸制氢速率提高约3.5倍，且产物中不含CO。

太阳能供热与化工公用工程系统耦合需着重解决光热转换效率低、太阳能波动性及经济效益低等问题。同时利用以大型光热电站为代表的高效光热转换设施及储热储能单元，使太阳能供热满足化工系统全时段需求，使此类系统工业化、规模化成为可能。

1.1.2 地热能

地热能主要包括地下热水、天然蒸汽、其他地下流体产生的热气等，其作为公用工程用能已受到了广泛关注。Østergaard等研究了利用地热能供热作为包含原油提炼、甲醇生产、氢气生产等化工过程在内的区域供热热源的可行性，结果表明年总能耗相较传统供热降低198GW·h，CO排放降低117kt。但目前地热能供热的缺陷是地域局限性大、探明的地热规模储量小、效率低且初期投资成本高。因此，将地热供热与其他可再生能源供热联合形成区域综合梯级供热网络，满足包含化工需求在内的区域热需求并减少地域、经济层面限制，同时开发更多地热井下换热形式，提高换热效率，具有重要的理论和现实意义。

1.1.3 生物质能

生物质能供热指利用秸秆、木屑、垃圾处理残留物、生物代谢产物等生物质作为反应物通过直接燃烧或者气化技术等手段产生热能用于公用工程。生物质能供热相较于传统化石燃料供热，其含氮、硫较低，产生污染气体更少，且来源广泛。Sebestyén 等针对一个生物质微型供热网络开展了评估和计算，结果表明该供热网络能够显著降低化工厂消费终端的能源价格，最低可达0.028EUR/(kW·h)，且可实现热量回收利用。

目前生物质能受限于含水量较高、能量密度较低，且储存运输成本高等，在满足化工过程公用工程要求方面仍存在较大难度。生物质成型技术能够在一定程度上降低生物质含水量，提高其热值并使其更易运输存储，但目前该技术燃烧装备发展不成熟，此项技术应用受到阻碍。因此，在生物质成型技术基础上进一步改善生物质预处理工艺，防止生物质能成为新污染源，增大其能量密度，同时政府出台相关政策整合高度分散的生物质资源，降低运输储存成本，是生物质能规模化应用及研究的主要内容。

1.2 制冷

以可再生能源驱动的低能耗、低排放的新型制冷系统已经受到关注。太阳能制冷技术因其具有环境友好、同时兼顾制冷和供热、与季节性需求的匹配性强等特点，已逐渐成为制冷界的研究热门之一。但太阳能制冷也存在吸附/解吸时间长、单位质量吸附剂制冷能力小、COP 系数低等缺点。Bellos 等研制了可满足化工过程要求的NH/HO耦合太阳能的新型制冷系统，年系统性能系数可达0.255，年㶲效率为4.86%。化工制冷常用制冷剂为氯化钠或氯化钙盐水，Dino等研究了基于太阳能制冷且可用于工业制冷的新型混合吸附压缩式制冷系统，盐水可被冷却至-17℃，与具有相同冷却能力的制冷系统相比，其可实现15%～25%的电量节省。地热制冷主要有两种方式：吸收式制冷和地源热泵制冷。Ghaebi 等设计了基于Kalina 循环和喷射器制冷循环的新型地热制冷循环，最佳制冷功率、热效率和㶲效率分别为1133kW、15%和47.8%。

但受限于能源转换效率和制冷系统复杂性，可再生能源利用的程度和效率相对较低，目前多应用于民用建筑，与化工系统公用工程的要求差距较大。因此，实现可再生能源制冷系统的规模化应用还需要在提高加热和解析速度、实现系统连续制冷循环等方面展开深入研究。

得益于发电技术的多样性，大多数可再生能源都可以直接或间接的转化为电能。图1展示了能源所IPAC模型组情景下中国2050年电需求量及各能源发电占比，可见未来可再生能源供电将成为主流。

图1 能源所IPAC模型组的中国电力结构变化[24]

2.1 单能源发电

2.1.1 光伏发电

太阳能供电是可再生能源供电领域研究最广泛及利用程度最深的一种方式。光伏发电随着光电转换效率的提高，已成为世界可再生能源产业规模增长最快的新能源发电方式。氢能被称为21 世纪的“终极能源”，利用可再生能源电解制氢是生产低碳氢能源的重要手段，各种可再生能源电解制氢方案见表1，而光伏发电是目前可再生能源电解制氢的主要电力来源之一。

表1 可再生能源电解制氢方案对比[26]

Kovač 等提出了一种利用太阳能发电的新型双极性碱性电解槽制氢的工艺，该系统产氢率为1.138g/h，年减排CO906kg。Yadav 等建立了一种太阳能高温蒸汽电解制氢系统，据预测到2030年左右制氢成本可降至6～8USD/kg，且有进一步降至3USD/kg 的潜力。但目前光伏发电存在材料禁带宽度和吸收波长受限、光吸收效率低、发电存在波动性等诸多问题，如何与现有电网形成优化配套，并在发电生产端或化工厂消费端配置储能设施，实现能量的有效利用或储存，是太阳能发电与化工公用工程系统集成需解决的重要问题。

2.1.2 风力发电

风力发电的研究起步较早，已积累较多成果。韩儒松等提出了风电制氢与炼厂用氢网络的耦合系统，系统中购氢费用降低44.3%，购电费用降为0，并平抑了风力发电制氢的波动性。袁铁江等将风力发电与制氢、燃气轮机、富氧燃烧碳捕集技术结合，系统总成本降低13.3%，弃风率降低2%，能源利用效率提高9.5%。González-Aparicio 等研究了风力发电与二氧化碳/氢气合成甲醇耦合工艺，每年可减少35～45kt CO排放，且在一定程度上抑制了风电的波动性。由于风电更易受地域和规模限制，风力发电在与化工公用工程集成耦合方向的研究不及光伏发电，但在设备维护、能量转换等方面，风力发电较光伏发电更具优势。

2.1.3 生物质能/地热能发电

生物质能发电与地热能发电过程与传统化石燃料发电具有相似之处，技术也相较更加成熟。与风能、光能具有波动性和间歇性不同，地热能与生物质能发电能全时段更大程度地满足用户需求。Allouhi 等设计了一套生物质发电系统替代了传统化工公用工程中的供电，能源成本由0.155USD/(kW·h)降低至0.125USD/(kW·h)，碳排放降低47.13%。Al-Hamed 等提出了地热能发电与碳捕获系统耦合生产碳酸氢铵的新型碳捕集系统，该系统捕集CO所需能量较传统系统可节约13.3%，系统能量效率和㶲效率分别可达45.5%和50.5%。生物质能分布不均、发电规模小、发电技术较低级、成本较高是目前制约生物质能发电的瓶颈。因此，提高生物质发电规模，加大发电技术研发投入，提高发电效率并降低发电成本，是生物质能发展的重要方向。地热能发电则在地热井开发、回灌以及与其他可再生能源联合发电等方面仍有待进一步研究。

2.2 多能源互补发电

单一的可再生能源发电都存在供需负荷的间歇性和波动性问题。而多能源互补供电可克服时间、地区限制，发挥其各自性能优势。Oueslati 等提出了包括光伏、风力、燃料电池和柴油发电机的混合可再生能源供电系统，其中可再生能源占总能耗的35.52%，可提供0.0492USD/(kW·h)的电能，且减少了二氧化碳排放。Chen 等研究了将风能/太阳能发电用于二氧化碳加氢生产甲醇工艺的能效及经济效益，结果表明当能量转换效率较高且可再生能源渗透率达100%情况下，系统生产成本降低20%～35%。

可再生能源优势地区存在差别，当优势地区距离较远时，不同地区能源输出之间的调度将直接影响其间的匹配耦合。因此，未来的研究不能仅集中在能源供给耦合方面，还需从经济角度进行分析。

海水淡化是为水资源增量开源的主要手段之一，但海水淡化是高耗能技术，这与可持续发展是相悖的。因此，可再生能源驱动的海水淡化已备受关注。目前耦合可再生能源的海水淡化主要可分为以下几种途径：①利用太阳能、风能、地热能等直接产生热量为海水蒸发提供动力；
②利用可再生能源产生电能，为海水淡化系统例如反渗透等提供动力。可再生能源用于海水淡化的途径如图2所示。

图2 可再生能源海水淡化途径

目前石油石化行业、造纸行业等化工行业仍耗水量巨大，因此研究可再生能源海水或苦盐水淡化系统使其代替供水公用工程具有重要意义。反渗透与多级闪蒸技术是当前主流的海水淡化技术，需要大量热能和电能。将可再生能源应用于这些过程的公用工程系统中，既可以解决能量需求问题，又可以减少环境污染。Riyahi 等提出了新型光伏发电联合反渗透海水淡化系统，淡水产能约为7200m/d，渗透回收率为60.3%，年能耗9.62GW·h 时，既解决了基什岛淡水短缺问题，又减少了温室气体排放。Carta 等对基于风电供能的反渗透海水淡化系统进行了优化设计，在最佳工况下，系统能够满足1.825×10m/a 的淡水需求量，成本最低可达1.67EUR/m。毛巨正等研究了多效同轴竖管降膜蒸发式太阳能海水淡化装置，日产水量最高达到9.92kg，最大产水速率为2.0kg/h。Ghenai 等利用可再生能源技术、脱盐吸附技术和多效闪蒸技术开发了新型高盐浓度海水淡化技术，该系统较传统海水淡化系统淡水产率提高了2.68倍，单位能耗降低了57.78%。

但多级闪蒸和反渗透膜法操作弹性较小，动力消耗较大，而可再生能源又具有波动性、间歇性等问题，因此，可再生能源与多级闪蒸、反渗透等产水单元耦合时，储水储能单元的优化配置以及基于响应的系统调度是研究的重要方向。

4.1 热电联产系统

在热力发电过程中，热机并不能把所有的热能转化为电能。传统操作模式下，这些热能往往被作为废热舍弃。而热电联产则可以将这些废热作为热能公用工程系统输出，或者再次利用于发电过程，既符合绿色化学的理念，又减少系统碳排放。可再生能源热电联产简要流程如图3所示。

图3 可再生能源热电联产简要流程

4.1.1 生物质能/地热能

地热能和生物质能由于开发较早，其热电联产技术较为成熟，且已取得众多成果。朱鹏飞等提出了一种以生物质为燃料的混合发电系统，该系统由生物质气化装置、固体氧化物燃料电池、发动机和余热回收子系统组成，发电效率最高可达50.3%，且发电成本可与标准电厂相当。Perna等研究了生物质汽化炉、微型燃气轮机和固体氧化物燃料电池耦合的热电联产系统，最优工况下电功率为262kW，热功率为405kW，发电效率和热电联产效率为35%和88%。Huang 等研究了基于有机朗肯循环的地热驱动热电联产系统，系统净输出功率可达1.19MW。

4.1.2 太阳能

太阳能热电联产系统虽然起步较晚，但太阳能热泵因其技术成熟度较高，易与其他系统耦合构成复合系统，成为热电联产的一种新模式。Budak等建立了可同时发电与供热的混合能源系统，系统电效率、热效率和总效率分别为38.54%、51.77%和90%。Habibollahzade等研究了太阳能热电联产制氢工艺，在最佳工况下，系统效率为12.76%，㶲效率为12.76%，总成本为61.69USD/GJ，制氢速率为2.28kg/h。Borunda等将光热电站结合有机朗肯循环设计了新型太阳能热电联产系统并应用于某一纺织工业过程，系统年效率为55%，电效率为7%，年生产1.32MW电力和9.38MW热量。

热电联产系统经济性和发电效率远高于单纯发电，且系统综合效率较传统化石燃料发电系统高出25%以上。已成为可再生能源多联产系统的主要研究方向。但目前该联产系统在发电与供热总体匹配方面存在不平衡的问题是制约多联产系统发展主要瓶颈之一。

4.2 多联产系统

除了热能与电能两种主要能源外，化工系统还有其他一些能源需求，如淡水需求、制冷需求等。因此，利用可再生能源与某些系统耦合实现热能、电能、淡水、制冷等多种形式的多能联供，将低品位的可再生能源转换为更容易利用的高品位能源，进一步实现与化工生产的结合。Ghorbani 等利用光热发电及多级闪蒸工艺设计了能够水、热、电同时输出的多联产系统，蒸汽由光聚集热技术产生并用于蒸汽轮机发电及供热，热转换废热则用于多级闪蒸工艺，系统发电功率、产水速率分别达1063MW、8321kg/s。其还研究了太阳能、地热能联合供能的水、电力以及液化天然气集成输出系统，该集成系统可产生5.295kg/s 的液化天然气、2.773kg/s 的淡化水以及840kW 的电，系统总热效率和有效能效分别为73.22% 和76.84%。Karapekmez等开发了一种基于太阳能与地热能的新型耦合系统，该系统可产生冷量、热量、电能、氢能等多种输出，系统总能效和有效能效为78.37%和58.4%。

可再生能源多联产系统可以实现对物质和能量的梯级利用，相较化石燃料，可再生能源多联产系统可减少从10%到40%不等的燃料消耗和污染排放。但由于大多数多联产系统采用固定的功率热比运行以及可再生能源波动性，导致系统内部热量与电量之间限制很大，且多联产系统更加复杂。因此，需要从产能、供能、配能到管理调度等多方面开展系统优化。另外，余热、弃风弃光等资源回收利用、高效能源收集转换与有效多能联产输出相结合，合理的系统能源调度策略也是未来研究的重要课题。

可再生能源与化工系统耦合利用是传统化工系统绿色化转型的必要途径，以传统能源化工系统为例，其与可再生能源耦合具有一定天然基础，如厂区占地面积大、发展时间长、产业转移多，同时这些产业位置往往较偏远，因此可将大面积废弃厂区或周边未利用土地改建为光伏电场、光热电场或风电场，利用可再生能源供给生产所需大量能量，减少碳排放。氢是炼油化工等企业生产的重要原料，利用生物质气化制氢或风、光发电制氢可以满足石油炼化生产的部分氢需求，降低氢生产供应端化石能源的消耗。此外，电气化技术是目前新兴的气化裂解工艺，相比传统裂解炉，其可实现生产过程CO近乎零排放，使用可再生能源发电代替其需要的电能，则可进一步增大其环保效益。

热能是化工生产另外一种大量消耗的能量，但与居住办公社区热需求不同，化工系统所需热量呈现出用量大、波动大、需求条件复杂、利用效率低等特点，这对利用可再生能源供热提出更高的要求。目前仅有光热电站、生物质燃料燃烧产热等少数可再生能源利用手段可产出较多种类热能，因此可再生能源供热在当前阶段仅能满足污水处理、多效闪蒸等用热较稳定的化工产业，在其他化工系统中，可再生能源供热更多的是提供低压低温热能或扮演供暖的角色。但随着电加热蒸汽发生工艺的不断改进提高，利用可再生能源如风能、光伏、地热能等产生的电能进一步加热蒸汽，从而产生较多种类的蒸汽能满足更多化工用户的需求。同时，化工用户如炼铁产业往往存在余热较多的问题，将大量余热通过收集装置与可再生能源供热系统进行耦合，则可进一步提高能量利用效率。

目前可再生能源与传统化工产业结合从技术角度来看耦合难度并不大，经济效益低是制约其综合利用的重要因素。因此目前可再生能源在化工公用工程呈现出多产业探索、小规模试点的局面，除了要创新可再生能源利用工艺，政府完善相关政策，鼓励化工多产业主动与可再生能源产业对接，为整合系统提供更多现实依据，更有利于提高可再生能源与化工系统综合利用水平。

大力发展太阳能、风能、地热能等可再生能源的应用，尤其是与化工生产系统进行耦合，是实现双碳目标的重要途径之一。本文综合了可再生能源公用工程在供热、制冷、供电、多能联供及与化工生产耦合利用的现状，总结了各方面目前的研究方向与存在的不足。

可再生能源公用工程系统虽然符合可持续发展的观念，但仍存在一些挑战：①与传统的供能方式相比，可再生能源供能成本相对较高；
②可再生能源的能量转换效率低，能量转换过程中存在大量损失；
③可再生能源存在间歇性、不稳定性等问题，与能源需求之间的匹配性差等。

因此，欲提高可再生能源在化工公用工程利用水平，加深可再生能源与化工生产过程耦合深度，在可再生能源供能端应加快研发新催化剂、新型能量收集转换工具，提高可再生能源收集转换效率，提高其与传统火电竞争能力，加快其入网并网进度；
在化工厂消费端则应着重研究更有利于耦合新能源的新材料、新型反应器或新工艺，抛弃传统的甚至落后的经济-生产分析模式，利用新型技术-经济评估工具，设计与可再生能源耦合程度更深且经济可行的新型化工系统。同时可再生能源供能段与化工系统消费端的研发创新不应是割裂的，应整体发展而不是按照“先产能、再利用”的顺序进行。

可再生能源与化工公用工程系统耦合利用不单是技术层面的革新，更是化工生产方式的根本性转变。得益于能源转换技术研究的持续推进和可再生能源对化石能源取代程度的不断增加，未来可再生能源公用工程必将应用于更多领域，发展具有竞争力的可再生能源公用工程系统必将成为应对气候变暖、碳减排和实现全球“绿色化学”目标的重要途径。

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