綠色新能源在建材烘干領域應用的新技術探索

（中建材（合肥）粉體科技裝備有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

從具體的產業背景即能源烘干領域來說，隨著環保的要求越來越高，禁煤的區域越來越多，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，限制了其快速發展，壓制了企業改造升級的意愿，這個矛盾暫時很難解決。

1 清潔能源工業烘干現有技術方案的分析

1.1 太陽能烘干房系統

太陽能烘干房系統，利用太陽能的輻射能，采用循環鼓風工藝，主要針對濕污泥等高濕原料，其核心設備是污泥翻拋機，將污泥不斷進行翻拋，實現熱能交換達到干燥的目的。該種工藝的優勢是前期建設投資成本較低，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，因此不適用于大規模工業化的物料烘干。

1.2 太陽能高溫鍋爐系統

不同于太陽能烘干房系統，太陽能高溫鍋爐系統是對于太陽能在中/高溫領域的應用。

1.3 燃氣爐供熱系統

燃氣爐和傳統烘干機組合是現在大部分禁煤地區工廠所采用的烘干方案，該方案是傳統燃煤沸騰爐與烘干機組合系統的直接升級。這套方案的優點是顯而易見的，在少量改動原工藝的基礎上，實現了燃料的轉變滿足了環保政策的要求，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及工藝路線

在綜合上述各類烘干熱源，烘干工藝的優缺點后，結合業已成熟并在工廠大規模實際使用的先進設備，最終提出太陽能集熱系統集成燃氣輔熱系統+對流直接烘干機/間接烘干機的技術方案。

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，技術研發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，導熱工質的研究應用，綜合轉化效率的提高太陽能與工業余熱、天然氣、電能的耦合利用技術，確保熱源的持續穩定輸出；

（2）太陽能與工業余熱、天然氣、電能的耦合利用技術，確保熱源的持續穩定輸出；

2.2 太陽能集熱器、換熱器、導熱工質的選型研究

（1）太陽能集熱器的選型研究

對于建材行業烘干領域來說，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域，因此主要應用在低溫領域的非聚光式集熱器和主要應用在高溫領域的塔式，碟式集熱器不在我們的考慮范圍內。在中溫應用領域，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構，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用的最廣泛，最成熟的技術之一，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，驅動機構電耗大的缺點會大大增加廠家在生產過程中的運行維護成本。

菲涅爾聚焦的基本原理，其本質是凸透鏡。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用方式，一種是菲涅爾反射，根據菲涅爾鏡面的不同，可以實現點聚焦和線聚焦，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，加工制作起來成本較槽式反射系統更低。

第二種為菲涅爾透射聚光結構。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光學原理設計，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的槽式拋物面聚光系統基本相同，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，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+二次反射聚光結構結合了槽式太陽能和菲涅爾的優點，跟蹤簡便，布置靈活，使用較為穩定可靠。

（2）烘干系統導熱工質的選擇

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

<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，寬幅溫度變化下穩定可靠，而蒸汽則需要較高的操作壓力。

<3>熱穩定性較好，結焦少，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，不腐蝕設備，對環境影響很小。

<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，設備維護費用低。

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

3 新工藝路線經濟效益計算

假定條件：太陽能場地面積：10000 平方米，采用菲涅爾透射系統，場地利用系數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）對應天然氣（7920kcal/m3）：4545 × 106kcal/a ÷7920kal/m3=573x103m3/a。

（6）結論：每10000 平米場地產出對應天然氣為573x103m3/a。

經濟可行性計算：（10000 平米場地）

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

（2）系統投資1500 元/m2×10000×0.65=975 萬。

（3）以天然氣為基準，設基準收益率ic=10%，計算期10年，按計算期末設備殘值=0 計算，分別計算靜態投資回收期、財務凈現值、財務內部收益率。

靜態投資回收期Pt=975 萬元/200 萬元≈4.9年。

（4）隨著太陽能集熱系統的成本進一步降低，經濟效益更為明顯。

（5）結論：方案可行。

4 結論

在禁煤減碳的大環境下，太陽能光熱利用自身較高的轉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勢，可廣泛用于烘干系統的新建與改造，可有效降低運行成本，提高產品市場競爭力。同時，國內現有太陽能光熱利用主要應用于熱水（低溫）和發電（高溫）領域，但工業中溫利用案例較少，烘干系統作為工業耗能大戶，其熱源的清潔化，無碳化環保效益十分顯著，因此，不管是經濟效益還是環境效益來說，太陽能烘干符合未來的發展趨勢，具有較好的應用前景。