孫志偉，伍聯(lián)營(yíng)，胡仰棟，張偉濤

（中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266000）

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等可再生能源已形成國(guó)際共識(shí)，成為解決目前能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑。

公用工程是化工生產(chǎn)系統(tǒng)的三大組成部分之一，是化工裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，其主要包括供水、供電、供熱、制冷等。傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行所需的能量主要來(lái)源于化石能源，但此類(lèi)能源面臨著儲(chǔ)量枯竭、環(huán)境污染、加劇溫室效應(yīng)等問(wèn)題，不符合“雙碳發(fā)展”目標(biāo)。而可再生能源以其可再生、低碳無(wú)污染的特點(diǎn)被公認(rèn)為是替代化石能源、促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的最佳選擇。因此，發(fā)展可再生能源驅(qū)動(dòng)的化工公用工程系統(tǒng)及其與化工過(guò)程耦合優(yōu)化以降低對(duì)化石能源的依賴，成為解決目前化工產(chǎn)業(yè)污染重、能耗高困境的有效方法之一。

本文針對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉丛诨す霉こ滔到y(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行綜合分析，探討了可再生能源公用工程與化工系統(tǒng)的耦合匹配，并據(jù)此提出可再生能源公用工程系統(tǒng)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 供熱或制冷

1.1 供熱

由于受能源轉(zhuǎn)換的方式和效率的制約，目前應(yīng)用于化工系統(tǒng)供熱的可再生能源主要有太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等。

1.1.1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用是可再生能源領(lǐng)域的主要研究方向之一，其能量轉(zhuǎn)換方向有光-熱、光-生物能、光-電、光-化學(xué)能等，其中光熱的能量轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)約40%。光熱轉(zhuǎn)換的研究及應(yīng)用主要集中在集熱蓄熱，并取得了一些研究成果，Suresh等研究了太陽(yáng)能集供熱與高耗能、高排放的造紙等工業(yè)過(guò)程的耦合情況，使其成為化學(xué)制漿過(guò)程、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的唯一熱來(lái)源，研究表明在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率達(dá)20%時(shí)年可節(jié)約燃油565kt 和減排CO180萬(wàn)噸。Liu等提出了一種將甲醇水蒸氣重整和中溫太陽(yáng)能相結(jié)合的制氫新方法，甲醇轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上，最大氫產(chǎn)率為2.65～2.90mol/molCHOH，而B(niǎo)ai等研究了太陽(yáng)能熱催化甲酸制氫技術(shù)，較傳統(tǒng)甲酸制氫速率提高約3.5倍，且產(chǎn)物中不含CO。

太陽(yáng)能供熱與化工公用工程系統(tǒng)耦合需著重解決光熱轉(zhuǎn)換效率低、太陽(yáng)能波動(dòng)性及經(jīng)濟(jì)效益低等問(wèn)題。同時(shí)利用以大型光熱電站為代表的高效光熱轉(zhuǎn)換設(shè)施及儲(chǔ)熱儲(chǔ)能單元，使太陽(yáng)能供熱滿足化工系統(tǒng)全時(shí)段需求，使此類(lèi)系統(tǒng)工業(yè)化、規(guī)模化成為可能。

1.1.2 地?zé)崮?/p>

地?zé)崮苤饕ǖ叵聼崴?、天然蒸汽、其他地下流體產(chǎn)生的熱氣等，其作為公用工程用能已受到了廣泛關(guān)注。?stergaard等研究了利用地?zé)崮芄嶙鳛榘吞釤?、甲醇生產(chǎn)、氫氣生產(chǎn)等化工過(guò)程在內(nèi)的區(qū)域供熱熱源的可行性，結(jié)果表明年總能耗相較傳統(tǒng)供熱降低198GW·h，CO排放降低117kt。但目前地?zé)崮芄岬娜毕菔堑赜蚓窒扌源?、探明的地?zé)嵋?guī)模儲(chǔ)量小、效率低且初期投資成本高。因此，將地?zé)峁崤c其他可再生能源供熱聯(lián)合形成區(qū)域綜合梯級(jí)供熱網(wǎng)絡(luò)，滿足包含化工需求在內(nèi)的區(qū)域熱需求并減少地域、經(jīng)濟(jì)層面限制，同時(shí)開(kāi)發(fā)更多地?zé)峋聯(lián)Q熱形式，提高換熱效率，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1.1.3 生物質(zhì)能

生物質(zhì)能供熱指利用秸稈、木屑、垃圾處理殘留物、生物代謝產(chǎn)物等生物質(zhì)作為反應(yīng)物通過(guò)直接燃燒或者氣化技術(shù)等手段產(chǎn)生熱能用于公用工程。生物質(zhì)能供熱相較于傳統(tǒng)化石燃料供熱，其含氮、硫較低，產(chǎn)生污染氣體更少，且來(lái)源廣泛。Sebestyén 等針對(duì)一個(gè)生物質(zhì)微型供熱網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展了評(píng)估和計(jì)算，結(jié)果表明該供熱網(wǎng)絡(luò)能夠顯著降低化工廠消費(fèi)終端的能源價(jià)格，最低可達(dá)0.028EUR/(kW·h)，且可實(shí)現(xiàn)熱量回收利用。

目前生物質(zhì)能受限于含水量較高、能量密度較低，且儲(chǔ)存運(yùn)輸成本高等，在滿足化工過(guò)程公用工程要求方面仍存在較大難度。生物質(zhì)成型技術(shù)能夠在一定程度上降低生物質(zhì)含水量，提高其熱值并使其更易運(yùn)輸存儲(chǔ)，但目前該技術(shù)燃燒裝備發(fā)展不成熟，此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用受到阻礙。因此，在生物質(zhì)成型技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善生物質(zhì)預(yù)處理工藝，防止生物質(zhì)能成為新污染源，增大其能量密度，同時(shí)政府出臺(tái)相關(guān)政策整合高度分散的生物質(zhì)資源，降低運(yùn)輸儲(chǔ)存成本，是生物質(zhì)能規(guī)?；瘧?yīng)用及研究的主要內(nèi)容。

1.2 制冷

以可再生能源驅(qū)動(dòng)的低能耗、低排放的新型制冷系統(tǒng)已經(jīng)受到關(guān)注。太陽(yáng)能制冷技術(shù)因其具有環(huán)境友好、同時(shí)兼顧制冷和供熱、與季節(jié)性需求的匹配性強(qiáng)等特點(diǎn)，已逐漸成為制冷界的研究熱門(mén)之一。但太陽(yáng)能制冷也存在吸附/解吸時(shí)間長(zhǎng)、單位質(zhì)量吸附劑制冷能力小、COP 系數(shù)低等缺點(diǎn)。Bellos 等研制了可滿足化工過(guò)程要求的NH/HO耦合太陽(yáng)能的新型制冷系統(tǒng)，年系統(tǒng)性能系數(shù)可達(dá)0.255，年?效率為4.86%。化工制冷常用制冷劑為氯化鈉或氯化鈣鹽水，Dino等研究了基于太陽(yáng)能制冷且可用于工業(yè)制冷的新型混合吸附壓縮式制冷系統(tǒng)，鹽水可被冷卻至-17℃，與具有相同冷卻能力的制冷系統(tǒng)相比，其可實(shí)現(xiàn)15%～25%的電量節(jié)省。地?zé)嶂评渲饕袃煞N方式：吸收式制冷和地源熱泵制冷。Ghaebi 等設(shè)計(jì)了基于Kalina 循環(huán)和噴射器制冷循環(huán)的新型地?zé)嶂评溲h(huán)，最佳制冷功率、熱效率和?效率分別為1133kW、15%和47.8%。

但受限于能源轉(zhuǎn)換效率和制冷系統(tǒng)復(fù)雜性，可再生能源利用的程度和效率相對(duì)較低，目前多應(yīng)用于民用建筑，與化工系統(tǒng)公用工程的要求差距較大。因此，實(shí)現(xiàn)可再生能源制冷系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用還需要在提高加熱和解析速度、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)制冷循環(huán)等方面展開(kāi)深入研究。

2 供電

得益于發(fā)電技術(shù)的多樣性，大多數(shù)可再生能源都可以直接或間接的轉(zhuǎn)化為電能。圖1展示了能源所IPAC模型組情景下中國(guó)2050年電需求量及各能源發(fā)電占比，可見(jiàn)未來(lái)可再生能源供電將成為主流。

圖1 能源所IPAC模型組的中國(guó)電力結(jié)構(gòu)變化[24]

2.1 單能源發(fā)電

2.1.1 光伏發(fā)電

太陽(yáng)能供電是可再生能源供電領(lǐng)域研究最廣泛及利用程度最深的一種方式。光伏發(fā)電隨著光電轉(zhuǎn)換效率的提高，已成為世界可再生能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長(zhǎng)最快的新能源發(fā)電方式。氫能被稱(chēng)為21 世紀(jì)的“終極能源”，利用可再生能源電解制氫是生產(chǎn)低碳?xì)淠茉吹闹匾侄?，各種可再生能源電解制氫方案見(jiàn)表1，而光伏發(fā)電是目前可再生能源電解制氫的主要電力來(lái)源之一。

表1 可再生能源電解制氫方案對(duì)比[26]

Kova? 等提出了一種利用太陽(yáng)能發(fā)電的新型雙極性堿性電解槽制氫的工藝，該系統(tǒng)產(chǎn)氫率為1.138g/h，年減排CO906kg。Yadav 等建立了一種太陽(yáng)能高溫蒸汽電解制氫系統(tǒng)，據(jù)預(yù)測(cè)到2030年左右制氫成本可降至6～8USD/kg，且有進(jìn)一步降至3USD/kg 的潛力。但目前光伏發(fā)電存在材料禁帶寬度和吸收波長(zhǎng)受限、光吸收效率低、發(fā)電存在波動(dòng)性等諸多問(wèn)題，如何與現(xiàn)有電網(wǎng)形成優(yōu)化配套，并在發(fā)電生產(chǎn)端或化工廠消費(fèi)端配置儲(chǔ)能設(shè)施，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用或儲(chǔ)存，是太陽(yáng)能發(fā)電與化工公用工程系統(tǒng)集成需解決的重要問(wèn)題。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電的研究起步較早，已積累較多成果。韓儒松等提出了風(fēng)電制氫與煉廠用氫網(wǎng)絡(luò)的耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)中購(gòu)氫費(fèi)用降低44.3%，購(gòu)電費(fèi)用降為0，并平抑了風(fēng)力發(fā)電制氫的波動(dòng)性。袁鐵江等將風(fēng)力發(fā)電與制氫、燃?xì)廨啓C(jī)、富氧燃燒碳捕集技術(shù)結(jié)合，系統(tǒng)總成本降低13.3%，棄風(fēng)率降低2%，能源利用效率提高9.5%。González-Aparicio 等研究了風(fēng)力發(fā)電與二氧化碳/氫氣合成甲醇耦合工藝，每年可減少35～45kt CO排放，且在一定程度上抑制了風(fēng)電的波動(dòng)性。由于風(fēng)電更易受地域和規(guī)模限制，風(fēng)力發(fā)電在與化工公用工程集成耦合方向的研究不及光伏發(fā)電，但在設(shè)備維護(hù)、能量轉(zhuǎn)換等方面，風(fēng)力發(fā)電較光伏發(fā)電更具優(yōu)勢(shì)。

2.1.3 生物質(zhì)能/地?zé)崮馨l(fā)電

生物質(zhì)能發(fā)電與地?zé)崮馨l(fā)電過(guò)程與傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電具有相似之處，技術(shù)也相較更加成熟。與風(fēng)能、光能具有波動(dòng)性和間歇性不同，地?zé)崮芘c生物質(zhì)能發(fā)電能全時(shí)段更大程度地滿足用戶需求。Allouhi 等設(shè)計(jì)了一套生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)化工公用工程中的供電，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?zé)崮馨l(fā)電與碳捕獲系統(tǒng)耦合生產(chǎn)碳酸氫銨的新型碳捕集系統(tǒng)，該系統(tǒng)捕集CO所需能量較傳統(tǒng)系統(tǒng)可節(jié)約13.3%，系統(tǒng)能量效率和?效率分別可達(dá)45.5%和50.5%。生物質(zhì)能分布不均、發(fā)電規(guī)模小、發(fā)電技術(shù)較低級(jí)、成本較高是目前制約生物質(zhì)能發(fā)電的瓶頸。因此，提高生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模，加大發(fā)電技術(shù)研發(fā)投入，提高發(fā)電效率并降低發(fā)電成本，是生物質(zhì)能發(fā)展的重要方向。地?zé)崮馨l(fā)電則在地?zé)峋_(kāi)發(fā)、回灌以及與其他可再生能源聯(lián)合發(fā)電等方面仍有待進(jìn)一步研究。

2.2 多能源互補(bǔ)發(fā)電

單一的可再生能源發(fā)電都存在供需負(fù)荷的間歇性和波動(dòng)性問(wèn)題。而多能源互補(bǔ)供電可克服時(shí)間、地區(qū)限制，發(fā)揮其各自性能優(yōu)勢(shì)。Oueslati 等提出了包括光伏、風(fēng)力、燃料電池和柴油發(fā)電機(jī)的混合可再生能源供電系統(tǒng)，其中可再生能源占總能耗的35.52%，可提供0.0492USD/(kW·h)的電能，且減少了二氧化碳排放。Chen 等研究了將風(fēng)能/太陽(yáng)能發(fā)電用于二氧化碳加氫生產(chǎn)甲醇工藝的能效及經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明當(dāng)能量轉(zhuǎn)換效率較高且可再生能源滲透率達(dá)100%情況下，系統(tǒng)生產(chǎn)成本降低20%～35%。

可再生能源優(yōu)勢(shì)地區(qū)存在差別，當(dāng)優(yōu)勢(shì)地區(qū)距離較遠(yuǎn)時(shí)，不同地區(qū)能源輸出之間的調(diào)度將直接影響其間的匹配耦合。因此，未來(lái)的研究不能僅集中在能源供給耦合方面，還需從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行分析。

3 供水或水處理

海水淡化是為水資源增量開(kāi)源的主要手段之一，但海水淡化是高耗能技術(shù)，這與可持續(xù)發(fā)展是相悖的。因此，可再生能源驅(qū)動(dòng)的海水淡化已備受關(guān)注。目前耦合可再生能源的海水淡化主要可分為以下幾種途徑：①利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿戎苯赢a(chǎn)生熱量為海水蒸發(fā)提供動(dòng)力；②利用可再生能源產(chǎn)生電能，為海水淡化系統(tǒng)例如反滲透等提供動(dòng)力?？稍偕茉从糜诤Ｋ耐緩饺鐖D2所示。

圖2 可再生能源海水淡化途徑

目前石油石化行業(yè)、造紙行業(yè)等化工行業(yè)仍耗水量巨大，因此研究可再生能源海水或苦鹽水淡化系統(tǒng)使其代替供水公用工程具有重要意義。反滲透與多級(jí)閃蒸技術(shù)是當(dāng)前主流的海水淡化技術(shù)，需要大量熱能和電能。將可再生能源應(yīng)用于這些過(guò)程的公用工程系統(tǒng)中，既可以解決能量需求問(wèn)題，又可以減少環(huán)境污染。Riyahi 等提出了新型光伏發(fā)電聯(lián)合反滲透海水淡化系統(tǒng)，淡水產(chǎn)能約為7200m/d，滲透回收率為60.3%，年能耗9.62GW·h 時(shí)，既解決了基什島淡水短缺問(wèn)題，又減少了溫室氣體排放。Carta 等對(duì)基于風(fēng)電供能的反滲透海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在最佳工況下，系統(tǒng)能夠滿足1.825×10m/a 的淡水需求量，成本最低可達(dá)1.67EUR/m。毛巨正等研究了多效同軸豎管降膜蒸發(fā)式太陽(yáng)能海水淡化裝置，日產(chǎn)水量最高達(dá)到9.92kg，最大產(chǎn)水速率為2.0kg/h。Ghenai 等利用可再生能源技術(shù)、脫鹽吸附技術(shù)和多效閃蒸技術(shù)開(kāi)發(fā)了新型高鹽濃度海水淡化技術(shù)，該系統(tǒng)較傳統(tǒng)海水淡化系統(tǒng)淡水產(chǎn)率提高了2.68倍，單位能耗降低了57.78%。

但多級(jí)閃蒸和反滲透膜法操作彈性較小，動(dòng)力消耗較大，而可再生能源又具有波動(dòng)性、間歇性等問(wèn)題，因此，可再生能源與多級(jí)閃蒸、反滲透等產(chǎn)水單元耦合時(shí)，儲(chǔ)水儲(chǔ)能單元的優(yōu)化配置以及基于響應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)度是研究的重要方向。

4 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

4.1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

在熱力發(fā)電過(guò)程中，熱機(jī)并不能把所有的熱能轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)操作模式下，這些熱能往往被作為廢熱舍棄。而熱電聯(lián)產(chǎn)則可以將這些廢熱作為熱能公用工程系統(tǒng)輸出，或者再次利用于發(fā)電過(guò)程，既符合綠色化學(xué)的理念，又減少系統(tǒng)碳排放?？稍偕茉礋犭娐?lián)產(chǎn)簡(jiǎn)要流程如圖3所示。

圖3 可再生能源熱電聯(lián)產(chǎn)簡(jiǎn)要流程

4.1.1 生物質(zhì)能/地?zé)崮?/p>

地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能由于開(kāi)發(fā)較早，其熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)較為成熟，且已取得眾多成果。朱鵬飛等提出了一種以生物質(zhì)為燃料的混合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由生物質(zhì)氣化裝置、固體氧化物燃料電池、發(fā)動(dòng)機(jī)和余熱回收子系統(tǒng)組成，發(fā)電效率最高可達(dá)50.3%，且發(fā)電成本可與標(biāo)準(zhǔn)電廠相當(dāng)。Perna等研究了生物質(zhì)汽化爐、微型燃?xì)廨啓C(jī)和固體氧化物燃料電池耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，最優(yōu)工況下電功率為262kW，熱功率為405kW，發(fā)電效率和熱電聯(lián)產(chǎn)效率為35%和88%。Huang 等研究了基于有機(jī)朗肯循環(huán)的地?zé)狎?qū)動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)凈輸出功率可達(dá)1.19MW。

4.1.2 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)雖然起步較晚，但太陽(yáng)能熱泵因其技術(shù)成熟度較高，易與其他系統(tǒng)耦合構(gòu)成復(fù)合系統(tǒng)，成為熱電聯(lián)產(chǎn)的一種新模式。Budak等建立了可同時(shí)發(fā)電與供熱的混合能源系統(tǒng)，系統(tǒng)電效率、熱效率和總效率分別為38.54%、51.77%和90%。Habibollahzade等研究了太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)制氫工藝，在最佳工況下，系統(tǒng)效率為12.76%，?效率為12.76%，總成本為61.69USD/GJ，制氫速率為2.28kg/h。Borunda等將光熱電站結(jié)合有機(jī)朗肯循環(huán)設(shè)計(jì)了新型太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)并應(yīng)用于某一紡織工業(yè)過(guò)程，系統(tǒng)年效率為55%，電效率為7%，年生產(chǎn)1.32MW電力和9.38MW熱量。

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電效率遠(yuǎn)高于單純發(fā)電，且系統(tǒng)綜合效率較傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電系統(tǒng)高出25%以上。已成為可再生能源多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要研究方向。但目前該聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在發(fā)電與供熱總體匹配方面存在不平衡的問(wèn)題是制約多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展主要瓶頸之一。

4.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

除了熱能與電能兩種主要能源外，化工系統(tǒng)還有其他一些能源需求，如淡水需求、制冷需求等。因此，利用可再生能源與某些系統(tǒng)耦合實(shí)現(xiàn)熱能、電能、淡水、制冷等多種形式的多能聯(lián)供，將低品位的可再生能源轉(zhuǎn)換為更容易利用的高品位能源，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與化工生產(chǎn)的結(jié)合。Ghorbani 等利用光熱發(fā)電及多級(jí)閃蒸工藝設(shè)計(jì)了能夠水、熱、電同時(shí)輸出的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，蒸汽由光聚集熱技術(shù)產(chǎn)生并用于蒸汽輪機(jī)發(fā)電及供熱，熱轉(zhuǎn)換廢熱則用于多級(jí)閃蒸工藝，系統(tǒng)發(fā)電功率、產(chǎn)水速率分別達(dá)1063MW、8321kg/s。其還研究了太陽(yáng)能、地?zé)崮苈?lián)合供能的水、電力以及液化天然氣集成輸出系統(tǒng)，該集成系統(tǒng)可產(chǎn)生5.295kg/s 的液化天然氣、2.773kg/s 的淡化水以及840kW 的電，系統(tǒng)總熱效率和有效能效分別為73.22% 和76.84%。Karapekmez等開(kāi)發(fā)了一種基于太陽(yáng)能與地?zé)崮艿男滦婉詈舷到y(tǒng)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生冷量、熱量、電能、氫能等多種輸出，系統(tǒng)總能效和有效能效為78.37%和58.4%。

可再生能源多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)和能量的梯級(jí)利用，相較化石燃料，可再生能源多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可減少?gòu)?0%到40%不等的燃料消耗和污染排放。但由于大多數(shù)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用固定的功率熱比運(yùn)行以及可再生能源波動(dòng)性，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部熱量與電量之間限制很大，且多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更加復(fù)雜。因此，需要從產(chǎn)能、供能、配能到管理調(diào)度等多方面開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化。另外，余熱、棄風(fēng)棄光等資源回收利用、高效能源收集轉(zhuǎn)換與有效多能聯(lián)產(chǎn)輸出相結(jié)合，合理的系統(tǒng)能源調(diào)度策略也是未來(lái)研究的重要課題。

5 可再生能源與化工系統(tǒng)的耦合匹配

可再生能源與化工系統(tǒng)耦合利用是傳統(tǒng)化工系統(tǒng)綠色化轉(zhuǎn)型的必要途徑，以傳統(tǒng)能源化工系統(tǒng)為例，其與可再生能源耦合具有一定天然基礎(chǔ)，如廠區(qū)占地面積大、發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移多，同時(shí)這些產(chǎn)業(yè)位置往往較偏遠(yuǎn)，因此可將大面積廢棄廠區(qū)或周邊未利用土地改建為光伏電場(chǎng)、光熱電場(chǎng)或風(fēng)電場(chǎng)，利用可再生能源供給生產(chǎn)所需大量能量，減少碳排放。氫是煉油化工等企業(yè)生產(chǎn)的重要原料，利用生物質(zhì)氣化制氫或風(fēng)、光發(fā)電制氫可以滿足石油煉化生產(chǎn)的部分氫需求，降低氫生產(chǎn)供應(yīng)端化石能源的消耗。此外，電氣化技術(shù)是目前新興的氣化裂解工藝，相比傳統(tǒng)裂解爐，其可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程CO近乎零排放，使用可再生能源發(fā)電代替其需要的電能，則可進(jìn)一步增大其環(huán)保效益。

熱能是化工生產(chǎn)另外一種大量消耗的能量，但與居住辦公社區(qū)熱需求不同，化工系統(tǒng)所需熱量呈現(xiàn)出用量大、波動(dòng)大、需求條件復(fù)雜、利用效率低等特點(diǎn)，這對(duì)利用可再生能源供熱提出更高的要求。目前僅有光熱電站、生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)熱等少數(shù)可再生能源利用手段可產(chǎn)出較多種類(lèi)熱能，因此可再生能源供熱在當(dāng)前階段僅能滿足污水處理、多效閃蒸等用熱較穩(wěn)定的化工產(chǎn)業(yè)，在其他化工系統(tǒng)中，可再生能源供熱更多的是提供低壓低溫?zé)崮芑虬缪莨┡慕巧?。但隨著電加熱蒸汽發(fā)生工藝的不斷改進(jìn)提高，利用可再生能源如風(fēng)能、光伏、地?zé)崮艿犬a(chǎn)生的電能進(jìn)一步加熱蒸汽，從而產(chǎn)生較多種類(lèi)的蒸汽能滿足更多化工用戶的需求。同時(shí)，化工用戶如煉鐵產(chǎn)業(yè)往往存在余熱較多的問(wèn)題，將大量余熱通過(guò)收集裝置與可再生能源供熱系統(tǒng)進(jìn)行耦合，則可進(jìn)一步提高能量利用效率。

目前可再生能源與傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)結(jié)合從技術(shù)角度來(lái)看耦合難度并不大，經(jīng)濟(jì)效益低是制約其綜合利用的重要因素。因此目前可再生能源在化工公用工程呈現(xiàn)出多產(chǎn)業(yè)探索、小規(guī)模試點(diǎn)的局面，除了要?jiǎng)?chuàng)新可再生能源利用工藝，政府完善相關(guān)政策，鼓勵(lì)化工多產(chǎn)業(yè)主動(dòng)與可再生能源產(chǎn)業(yè)對(duì)接，為整合系統(tǒng)提供更多現(xiàn)實(shí)依據(jù)，更有利于提高可再生能源與化工系統(tǒng)綜合利用水平。

6 結(jié)語(yǔ)

大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹膽?yīng)用，尤其是與化工生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行耦合，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑之一。本文綜合了可再生能源公用工程在供熱、制冷、供電、多能聯(lián)供及與化工生產(chǎn)耦合利用的現(xiàn)狀，總結(jié)了各方面目前的研究方向與存在的不足。

可再生能源公用工程系統(tǒng)雖然符合可持續(xù)發(fā)展的觀念，但仍存在一些挑戰(zhàn)：①與傳統(tǒng)的供能方式相比，可再生能源供能成本相對(duì)較高；②可再生能源的能量轉(zhuǎn)換效率低，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在大量損失；③可再生能源存在間歇性、不穩(wěn)定性等問(wèn)題，與能源需求之間的匹配性差等。

因此，欲提高可再生能源在化工公用工程利用水平，加深可再生能源與化工生產(chǎn)過(guò)程耦合深度，在可再生能源供能端應(yīng)加快研發(fā)新催化劑、新型能量收集轉(zhuǎn)換工具，提高可再生能源收集轉(zhuǎn)換效率，提高其與傳統(tǒng)火電競(jìng)爭(zhēng)能力，加快其入網(wǎng)并網(wǎng)進(jìn)度；在化工廠消費(fèi)端則應(yīng)著重研究更有利于耦合新能源的新材料、新型反應(yīng)器或新工藝，拋棄傳統(tǒng)的甚至落后的經(jīng)濟(jì)-生產(chǎn)分析模式，利用新型技術(shù)-經(jīng)濟(jì)評(píng)估工具，設(shè)計(jì)與可再生能源耦合程度更深且經(jīng)濟(jì)可行的新型化工系統(tǒng)。同時(shí)可再生能源供能段與化工系統(tǒng)消費(fèi)端的研發(fā)創(chuàng)新不應(yīng)是割裂的，應(yīng)整體發(fā)展而不是按照“先產(chǎn)能、再利用”的順序進(jìn)行。

可再生能源與化工公用工程系統(tǒng)耦合利用不單是技術(shù)層面的革新，更是化工生產(chǎn)方式的根本性轉(zhuǎn)變。得益于能源轉(zhuǎn)換技術(shù)研究的持續(xù)推進(jìn)和可再生能源對(duì)化石能源取代程度的不斷增加，未來(lái)可再生能源公用工程必將應(yīng)用于更多領(lǐng)域，發(fā)展具有競(jìng)爭(zhēng)力的可再生能源公用工程系統(tǒng)必將成為應(yīng)對(duì)氣候變暖、碳減排和實(shí)現(xiàn)全球“綠色化學(xué)”目標(biāo)的重要途徑。