綠色新能源在建材烘干領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)探索

（中建材（合肥）粉體科技裝備有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

從具體的產(chǎn)業(yè)背景即能源烘干領(lǐng)域來說，隨著環(huán)保的要求越來越高，禁煤的區(qū)域越來越多，禁煤的要求越來越嚴，燃煤的需求也大幅下滑，燃油和燃氣鍋爐的市場有了較快的增長，但是面臨著燃料成本急劇上升的困境，限制了其快速發(fā)展，壓制了企業(yè)改造升級的意愿，這個矛盾暫時很難解決。

1 清潔能源工業(yè)烘干現(xiàn)有技術(shù)方案的分析

1.1 太陽能烘干房系統(tǒng)

太陽能烘干房系統(tǒng)，利用太陽能的輻射能，采用循環(huán)鼓風工藝，主要針對濕污泥等高濕原料，其核心設(shè)備是污泥翻拋機，將污泥不斷進行翻拋，實現(xiàn)熱能交換達到干燥的目的。該種工藝的優(yōu)勢是前期建設(shè)投資成本較低，但是廠房需要建成透明廠房，熱對流會造成較大的熱量損失，故處理量較小，因此不適用于大規(guī)模工業(yè)化的物料烘干。

1.2 太陽能高溫鍋爐系統(tǒng)

不同于太陽能烘干房系統(tǒng)，太陽能高溫鍋爐系統(tǒng)是對于太陽能在中/高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.3 燃氣爐供熱系統(tǒng)

燃氣爐和傳統(tǒng)烘干機組合是現(xiàn)在大部分禁煤地區(qū)工廠所采用的烘干方案，該方案是傳統(tǒng)燃煤沸騰爐與烘干機組合系統(tǒng)的直接升級。這套方案的優(yōu)點是顯而易見的，在少量改動原工藝的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了燃料的轉(zhuǎn)變滿足了環(huán)保政策的要求，但是最主要的問題還是燃料的成本過高，燃燒天然氣的成本大約是燃煤成本的三倍左右，使烘干的成本過高，壓制了市場需求。

2 太陽能集熱換熱烘干的新技術(shù)及工藝路線

在綜合上述各類烘干熱源，烘干工藝的優(yōu)缺點后，結(jié)合業(yè)已成熟并在工廠大規(guī)模實際使用的先進設(shè)備，最終提出太陽能集熱系統(tǒng)集成燃氣輔熱系統(tǒng)+對流直接烘干機/間接烘干機的技術(shù)方案。

2.1 太陽能集熱換熱烘干新工藝簡述

太陽能集熱換熱新工藝的流程，首先通過太陽能集熱裝置收集太陽輻射能，再通過導熱工質(zhì)將吸收到的熱能傳遞到氣—液換熱裝置，通過該裝置加熱鼓入的冷空氣，進而獲得烘干物料所需要的熱風。在該種工藝路線中，技術(shù)研發(fā)的重難點主要在于以下兩點：

（1）太陽能集熱器，吸收器，換熱器，導熱工質(zhì)的研究應(yīng)用，綜合轉(zhuǎn)化效率的提高太陽能與工業(yè)余熱、天然氣、電能的耦合利用技術(shù)，確保熱源的持續(xù)穩(wěn)定輸出；

（2）太陽能與工業(yè)余熱、天然氣、電能的耦合利用技術(shù)，確保熱源的持續(xù)穩(wěn)定輸出；

2.2 太陽能集熱器、換熱器、導熱工質(zhì)的選型研究

（1）太陽能集熱器的選型研究

對于建材行業(yè)烘干領(lǐng)域來說，為了提高對高濕度物料烘干效率，因此對于太陽能熱利用主要是集中在中溫領(lǐng)域，因此主要應(yīng)用在低溫領(lǐng)域的非聚光式集熱器和主要應(yīng)用在高溫領(lǐng)域的塔式，碟式集熱器不在我們的考慮范圍內(nèi)。在中溫應(yīng)用領(lǐng)域，主要有以下三種形式的集熱裝置：槽式反射，菲涅爾反射和菲涅爾投射。

槽式拋物線反射的基本原理和結(jié)構(gòu)，其反射面的截面為拋物線形，通過反射太陽光束到集熱管實現(xiàn)集熱。槽式反射面開口朝上，其開口可以做的很大，可以東西布置和南北布置，采用單軸追蹤和雙軸追蹤太陽。槽式拋物面聚光器是應(yīng)用的最廣泛，最成熟的技術(shù)之一，它在許多大型的太陽能熱電廠中都得到了成功的利用，在太陽能跟蹤系統(tǒng)的精確控制下，它能收集到大于400 攝氏度的高溫。但對于建材烘干來說，其抗風抗灰塵能力差，驅(qū)動機構(gòu)電耗大的缺點會大大增加廠家在生產(chǎn)過程中的運行維護成本。

菲涅爾聚焦的基本原理，其本質(zhì)是凸透鏡。通過分析凸透鏡的折射情況，將凸透鏡中的光線直射部分去處，保留曲面折射部分，形成菲涅爾鏡面，這種鏡面保留了凸透鏡聚焦的特點，同時大幅減少了集熱鏡面重量，減少了熱能損失，因此鏡面設(shè)備的外形尺寸可以做的比較大，從而降低了成本。

菲涅爾鏡面有兩種應(yīng)用方式，一種是菲涅爾反射，根據(jù)菲涅爾鏡面的不同，可以實現(xiàn)點聚焦和線聚焦，這種菲涅爾需要在反射面噴涂反射材料。反射材料主要有金屬板，鉑和金屬薄膜，鋁是目前直接反射陽光最佳且廉價的金屬，菲涅爾面即可在上也可在下，各有優(yōu)缺點。

第一種為菲涅爾反射聚光，可以認為是槽型反射的分段改形，每個菲涅爾鏡面下需要跟蹤機構(gòu)，加工制作起來成本較槽式反射系統(tǒng)更低。

第二種為菲涅爾透射聚光結(jié)構(gòu)。菲涅爾投射聚光器，也分為點狀聚焦和線狀聚焦。一般聚光器上面做成光面，下面做成菲涅爾面，聚光器由有機透明材料根據(jù)光學原理設(shè)計，采用精確模具注塑成型，材料有抗紫外的pc 制造，可在陽光下工作近十年。

除了投射聚光器外，菲涅爾集熱裝置的其他部件與傳統(tǒng)的槽式拋物面聚光系統(tǒng)基本相同，但由于它的真空管接收器置于聚光器下方，所以可以設(shè)置二次聚光器，從而將沒有直接投射到真空管的光束再次反射到真空管上，提高了集熱效率。

綜合分析各種方案，針對中溫烘干系統(tǒng)，在支架要求，跟蹤要求，抗灰塵，抗風雪，熱效率等綜合方面考慮，認為菲涅爾透射+二次反射聚光結(jié)構(gòu)結(jié)合了槽式太陽能和菲涅爾的優(yōu)點，跟蹤簡便，布置靈活，使用較為穩(wěn)定可靠。

（2）烘干系統(tǒng)導熱工質(zhì)的選擇

常用的導熱工質(zhì)有熔融鹽，水/蒸汽，空氣，導熱油四種，這四種導熱工質(zhì)各有其優(yōu)缺點，在綜合分析各導熱工質(zhì)有缺點后，我們選擇導熱油作為太陽能烘干系統(tǒng)的導熱工質(zhì)，主要在于導熱油具有以下幾個優(yōu)點：

<1>傳熱效率高，散熱效果快

<2>導熱油在幾乎常壓條件下，可以獲得很高的操作溫度，寬幅溫度變化下穩(wěn)定可靠，而蒸汽則需要較高的操作壓力。

<3>熱穩(wěn)定性較好，結(jié)焦少，使用壽命較長。導熱性能，流動性能及可泵性能良好。

<4>低毒無味，不腐蝕設(shè)備，對環(huán)境影響很小。

<5>閃點，燃點，自燃點較高，在許用溫度及密閉狀態(tài)下不會著火燃燒。

<6>與熔融鹽相比，導熱油容易維護，溫控準確，設(shè)備維護費用低。

綜合分析，導熱油較其他幾種導熱工質(zhì)綜合安全性高，穩(wěn)定可靠，適合中溫烘干系統(tǒng)。對于中溫烘干系統(tǒng)而言，在常壓高溫的工況下，導熱油系統(tǒng)簡單可靠，250 攝氏度下可選用300#，320#或更高品質(zhì)的油品。

3 新工藝路線經(jīng)濟效益計算

假定條件：太陽能場地面積：10000 平方米，采用菲涅爾透射系統(tǒng)，場地利用系數(shù)0.65，太陽年輻射量取全國輻射中值5860MJ/m2*a，集熱效率取0.6，換熱效率取0.9，其它熱損7.5%，天然氣單價3.5 元/m3，太陽能系統(tǒng)單價1500 元/m2。

熱能計算：

（1）聚光面積：10000x0.65=6500m2。

（2）集熱能量 ：5860MJ/m2*a × 0.6 ×6500m2=2285x104MJ/a=5460x106kcal/a。

（3）換熱能量：5460x106kcal/a×0.9=4914x106kcal/a。

（4）有效熱能：4914x106kcal/a*（1-7.5%）=4545×106kcal/a。

（5）對應(yīng)天然氣（7920kcal/m3）：4545 × 106kcal/a ÷7920kal/m3=573x103m3/a。

（6）結(jié)論：每10000 平米場地產(chǎn)出對應(yīng)天然氣為573x103m3/a。

經(jīng)濟可行性計算：（10000 平米場地）

（1）對應(yīng)天然氣燃料費用為573x103m3/a×3.5 元/m3=200 萬元/a。

（2）系統(tǒng)投資1500 元/m2×10000×0.65=975 萬。

（3）以天然氣為基準，設(shè)基準收益率ic=10%，計算期10年，按計算期末設(shè)備殘值=0 計算，分別計算靜態(tài)投資回收期、財務(wù)凈現(xiàn)值、財務(wù)內(nèi)部收益率。

靜態(tài)投資回收期Pt=975 萬元/200 萬元≈4.9年。

（4）隨著太陽能集熱系統(tǒng)的成本進一步降低，經(jīng)濟效益更為明顯。

（5）結(jié)論：方案可行。

4 結(jié)論

在禁煤減碳的大環(huán)境下，太陽能光熱利用自身較高的轉(zhuǎn)換效率使其與天然氣，電等傳動清潔能源具有較大的成本優(yōu)勢，可廣泛用于烘干系統(tǒng)的新建與改造，可有效降低運行成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。同時，國內(nèi)現(xiàn)有太陽能光熱利用主要應(yīng)用于熱水（低溫）和發(fā)電（高溫）領(lǐng)域，但工業(yè)中溫利用案例較少，烘干系統(tǒng)作為工業(yè)耗能大戶，其熱源的清潔化，無碳化環(huán)保效益十分顯著，因此，不管是經(jīng)濟效益還是環(huán)境效益來說，太陽能烘干符合未來的發(fā)展趨勢，具有較好的應(yīng)用前景。