绿色新能源在建材烘干领域应用的新技术探索

（中建材（合肥）粉体科技装备有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

从具体的产业背景即能源烘干领域来说，随着环保的要求越来越高，禁煤的区域越来越多，禁煤的要求越来越严，燃煤的需求也大幅下滑，燃油和燃气锅炉的市场有了较快的增长，但是面临着燃料成本急剧上升的困境，限制了其快速发展，压制了企业改造升级的意愿，这个矛盾暂时很难解决。

1 清洁能源工业烘干现有技术方案的分析

1.1 太阳能烘干房系统

太阳能烘干房系统，利用太阳能的辐射能，采用循环鼓风工艺，主要针对湿污泥等高湿原料，其核心设备是污泥翻抛机，将污泥不断进行翻抛，实现热能交换达到干燥的目的。该种工艺的优势是前期建设投资成本较低，但是厂房需要建成透明厂房，热对流会造成较大的热量损失，故处理量较小，因此不适用于大规模工业化的物料烘干。

1.2 太阳能高温锅炉系统

不同于太阳能烘干房系统，太阳能高温锅炉系统是对于太阳能在中/高温领域的应用。

1.3 燃气炉供热系统

燃气炉和传统烘干机组合是现在大部分禁煤地区工厂所采用的烘干方案，该方案是传统燃煤沸腾炉与烘干机组合系统的直接升级。这套方案的优点是显而易见的，在少量改动原工艺的基础上，实现了燃料的转变满足了环保政策的要求，但是最主要的问题还是燃料的成本过高，燃烧天然气的成本大约是燃煤成本的三倍左右，使烘干的成本过高，压制了市场需求。

2 太阳能集热换热烘干的新技术及工艺路线

在综合上述各类烘干热源，烘干工艺的优缺点后，结合业已成熟并在工厂大规模实际使用的先进设备，最终提出太阳能集热系统集成燃气辅热系统+对流直接烘干机/间接烘干机的技术方案。

2.1 太阳能集热换热烘干新工艺简述

太阳能集热换热新工艺的流程，首先通过太阳能集热装置收集太阳辐射能，再通过导热工质将吸收到的热能传递到气—液换热装置，通过该装置加热鼓入的冷空气，进而获得烘干物料所需要的热风。在该种工艺路线中，技术研发的重难点主要在于以下两点：

（1）太阳能集热器，吸收器，换热器，导热工质的研究应用，综合转化效率的提高太阳能与工业余热、天然气、电能的耦合利用技术，确保热源的持续稳定输出；

（2）太阳能与工业余热、天然气、电能的耦合利用技术，确保热源的持续稳定输出；

2.2 太阳能集热器、换热器、导热工质的选型研究

（1）太阳能集热器的选型研究

对于建材行业烘干领域来说，为了提高对高湿度物料烘干效率，因此对于太阳能热利用主要是集中在中温领域，因此主要应用在低温领域的非聚光式集热器和主要应用在高温领域的塔式，碟式集热器不在我们的考虑范围内。在中温应用领域，主要有以下三种形式的集热装置：槽式反射，菲涅尔反射和菲涅尔投射。

槽式抛物线反射的基本原理和结构，其反射面的截面为抛物线形，通过反射太阳光束到集热管实现集热。槽式反射面开口朝上，其开口可以做的很大，可以东西布置和南北布置，采用单轴追踪和双轴追踪太阳。槽式抛物面聚光器是应用的最广泛，最成熟的技术之一，它在许多大型的太阳能热电厂中都得到了成功的利用，在太阳能跟踪系统的精确控制下，它能收集到大于400 摄氏度的高温。但对于建材烘干来说，其抗风抗灰尘能力差，驱动机构电耗大的缺点会大大增加厂家在生产过程中的运行维护成本。

菲涅尔聚焦的基本原理，其本质是凸透镜。通过分析凸透镜的折射情况，将凸透镜中的光线直射部分去处，保留曲面折射部分，形成菲涅尔镜面，这种镜面保留了凸透镜聚焦的特点，同时大幅减少了集热镜面重量，减少了热能损失，因此镜面设备的外形尺寸可以做的比较大，从而降低了成本。

菲涅尔镜面有两种应用方式，一种是菲涅尔反射，根据菲涅尔镜面的不同，可以实现点聚焦和线聚焦，这种菲涅尔需要在反射面喷涂反射材料。反射材料主要有金属板，铂和金属薄膜，铝是目前直接反射阳光最佳且廉价的金属，菲涅尔面即可在上也可在下，各有优缺点。

第一种为菲涅尔反射聚光，可以认为是槽型反射的分段改形，每个菲涅尔镜面下需要跟踪机构，加工制作起来成本较槽式反射系统更低。

第二种为菲涅尔透射聚光结构。菲涅尔投射聚光器，也分为点状聚焦和线状聚焦。一般聚光器上面做成光面，下面做成菲涅尔面，聚光器由有机透明材料根据光学原理设计，采用精确模具注塑成型，材料有抗紫外的pc 制造，可在阳光下工作近十年。

除了投射聚光器外，菲涅尔集热装置的其他部件与传统的槽式抛物面聚光系统基本相同，但由于它的真空管接收器置于聚光器下方，所以可以设置二次聚光器，从而将没有直接投射到真空管的光束再次反射到真空管上，提高了集热效率。

综合分析各种方案，针对中温烘干系统，在支架要求，跟踪要求，抗灰尘，抗风雪，热效率等综合方面考虑，认为菲涅尔透射+二次反射聚光结构结合了槽式太阳能和菲涅尔的优点，跟踪简便，布置灵活，使用较为稳定可靠。

（2）烘干系统导热工质的选择

常用的导热工质有熔融盐，水/蒸汽，空气，导热油四种，这四种导热工质各有其优缺点，在综合分析各导热工质有缺点后，我们选择导热油作为太阳能烘干系统的导热工质，主要在于导热油具有以下几个优点：

<1>传热效率高，散热效果快

<2>导热油在几乎常压条件下，可以获得很高的操作温度，宽幅温度变化下稳定可靠，而蒸汽则需要较高的操作压力。

<3>热稳定性较好，结焦少，使用寿命较长。导热性能，流动性能及可泵性能良好。

<4>低毒无味，不腐蚀设备，对环境影响很小。

<5>闪点，燃点，自燃点较高，在许用温度及密闭状态下不会着火燃烧。

<6>与熔融盐相比，导热油容易维护，温控准确，设备维护费用低。

综合分析，导热油较其他几种导热工质综合安全性高，稳定可靠，适合中温烘干系统。对于中温烘干系统而言，在常压高温的工况下，导热油系统简单可靠，250 摄氏度下可选用300#，320#或更高品质的油品。

3 新工艺路线经济效益计算

假定条件：太阳能场地面积：10000 平方米，采用菲涅尔透射系统，场地利用系数0.65，太阳年辐射量取全国辐射中值5860MJ/m2*a，集热效率取0.6，换热效率取0.9，其它热损7.5%，天然气单价3.5 元/m3，太阳能系统单价1500 元/m2。

热能计算：

（1）聚光面积：10000x0.65=6500m2。

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

（3）换热能量：5460x106kcal/a×0.9=4914x106kcal/a。

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

（5）对应天然气（7920kcal/m3）：4545 × 106kcal/a ÷7920kal/m3=573x103m3/a。

（6）结论：每10000 平米场地产出对应天然气为573x103m3/a。

经济可行性计算：（10000 平米场地）

（1）对应天然气燃料费用为573x103m3/a×3.5 元/m3=200 万元/a。

（2）系统投资1500 元/m2×10000×0.65=975 万。

（3）以天然气为基准，设基准收益率ic=10%，计算期10年，按计算期末设备残值=0 计算，分别计算静态投资回收期、财务净现值、财务内部收益率。

静态投资回收期Pt=975 万元/200 万元≈4.9年。

（4）随着太阳能集热系统的成本进一步降低，经济效益更为明显。

（5）结论：方案可行。

4 结论

在禁煤减碳的大环境下，太阳能光热利用自身较高的转换效率使其与天然气，电等传动清洁能源具有较大的成本优势，可广泛用于烘干系统的新建与改造，可有效降低运行成本，提高产品市场竞争力。同时，国内现有太阳能光热利用主要应用于热水（低温）和发电（高温）领域，但工业中温利用案例较少，烘干系统作为工业耗能大户，其热源的清洁化，无碳化环保效益十分显著，因此，不管是经济效益还是环境效益来说，太阳能烘干符合未来的发展趋势，具有较好的应用前景。