探索我国干燥技术的新型发展道路.doc

探索我国干燥技术的新型发展道路刘登瀛1、2 曹崇文3(1中国科学院工程热物理研究所，北京100080；2华北电力大学，北京102206；3中国农业大学，北京100083)1前言干燥作业涉及国民经济的广泛领域，它不仅是大批工农业产品不可或缺的基本生产环节，干燥也是我国的耗能大户，所用能源占国民经济总能耗的12%左右1。另外,干燥过程造成的污染又常常是我国环境污染的重要来源，干燥技术的进步同整个国民经济的发展有十分紧密的关系。当前，能源与环境已经成为我国国民经济可持续发展的战略重点。2004年6月，国务院在原则通过我国能源中长期发展规划纲要（草案）时指出2，“必须坚决贯彻全面、协调、可持续的科学发展观，切实转变经济增长方式，坚定不移走新型工业化道路。”在这一新形势下，研究我国干燥技术发展面临的挑战，探索干燥技术的新型发展道路，不仅是在干燥领域尽快适应与全面落实走新型工业化道路的迫切需要，对干燥技术本身的发展也具有重要的指导意义。2我国的能源、环境现状与发展战略能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，也是我国实现全面建设小康社会宏伟目标的基本物质保证。自改革开放以来，我国国民经济以较快的速度持续发展，能源需求迅速增长，由此造成的环境污染也日趋严重，我国正面临着前所未有的能源与环境的双重巨大压力。据报道3，到2005年，我国能源供给的总量预计可以达到13亿1557万吨标煤，比2000年的10亿6988万吨已有了很大的增长，但仍然远不能满足更快增长的能源需求。表1给出了各类能源的供需差距：表1 2005年我国能源的供需矛盾单位能源供应能源需求产量比例（%）消费量构成比例（%）煤万吨11720063.4120339-12240959.5石油万吨1650017.926293-2674526.0天然气亿m35005.05004.6水电亿kWh355810.835589.9其它万吨标煤/2.9/合计万吨标煤132000100.0144670-146952100.0从表1可以看出，到2005年末，我国能源供需差距总量达到12670至14952万吨标煤。其中，煤炭为31395209万吨，石油为979310245万吨，使我国石油的年进口量有可能突破1亿吨。这就使我国的能源安全和国民经济的可持续发展面临着巨大的挑战。我国要在2020年实现国民经济翻两番的宏伟目标，那时的能源需求总量有可能超过36亿吨标煤4。从我国的能源供应能力来看，远远不能满足这一要求。因此，切实转变经济增长方式，走资源节约型的新型工业化道路，就成为不可替代的战略选择。随着我国能源消费水平的不断增长，对环境的污染也日趋严重。到2002年，我国的GDP（国民经济生产总值）已进入世界前6位，能源消费总量达到13.87亿吨标煤，大约占世界能源消费总量的10%，居世界第二位。但是，我国污染物的排放却大大高于世界的平均水平。据国际能源机构估算，2001年我国仅化石燃料燃烧产生的CO2排放总量为8.4亿吨碳，占全球化石燃料CO2排放总量的13%，居世界第二。2001年，我国单位GDP的二氧化碳排放强度为2.75kg/美元，是世界平均水平的3倍4。另据国家统计局公布的数据，2002年，我国二氧化硫的排放总量为1927万吨，烟尘排放总量为1013万吨，工业粉尘排放总量为941万吨。2005年3月，国家环保总局局长解振华在召开“人大”期间指出，按同等单位GDP的增长计算，我国一些主要污染物的排放强度如SO2和NOX，已达到发达国家的8至9倍。“目前我国各种污染物的排放量，已经大大超过了环境的承载能力。”5大气污染的日益加剧不仅给国民经济造成了巨大损失，成为我国经济可持续发展的重大障碍，也给人民生活与健康带来了巨大危害。其中，大气中的可吸入颗粒物，已成为影响我国许多城市空气质量的首要污染物。2001年，在全国进行大气监测的341个城市中，有三分之二的城市未达到二级标准，处于中度或严重污染状态。在这些可吸入颗粒物中，直径小于2.5m的细微颗粒占的比例很大，这种细微颗粒将在大气中长期悬浮，被人体吸入后，几乎无法去除，危害极大。据文献报道6，在世界癌症死亡病例中，肺癌死亡率约占28%，而其中90%以上是通过呼吸道致癌的。表2给出了世界各国可吸入颗粒物排放量的比较。表2 不同地域PM10排放总量，Mt/年（不含生物质燃烧及二次NO3有机物）地域19902040高限低限美国2242.622.5加拿大3.04.02.6日本8.210.05.3西欧23.536.718东欧17.133.320.5中国46.421686.9印度12.549.422.8世界其它地区68.6216129总量240675351面对如此严峻的能源与环境挑战，我国最近以全面、协调、可持续的科学发展观为指导思想，制定了至2020年的中长期能源科技发展战略与发展规划，强调要坚持把节约能源放在首位，显著提高能源利用效率；要大力调整和优化能源结构；要依靠科技进步和创新；要切实加强环境保护，充分考虑资源约束和环境的承载力，努力减轻能源生产和消费对环境的影响，等等。这一能源环境发展战略的制定，也为我国干燥技术的发展指明了方向，探索干燥技术的新型发展道路势在必行。3干燥节能与防治污染的紧迫任务与工农业生产中的其它操作环节相比，干燥过程的节能与防治污染任务尤其迫切。首先，干燥操作涉及的领域极为广泛，在化工、医药、食品、造纸、木材、粮食与农副产品加工、建材等领域，干燥操作常常成为其生产过程的主要耗能环节。 据英国统计7，在英国农产品和食品加工过程中的总能耗约为286109MJ/年，其中干燥部分为35109MJ/年，占其总能耗的12%；木材干燥总能耗为4109MJ/年，占木材加工总能耗的21%；造纸过程中的干燥能耗为137109MJ/年，占其加工总能耗的33%；化学工程中的干燥能耗为23109MJ/年，占总能耗的5%。英国全国各行业干燥能耗总和大约占整个工业系统总能耗的8%。由于我国干燥产品的单位产值能耗比世界先进水平有较大差距，我国的干燥能耗占整个工业能耗的比例几乎比英国高一半，达到12%。而在木材加工行业，干燥能耗占整个加工能耗的比例甚至高达4060%。因此，干燥环节的节能对于降低整个工业能耗有显著影响。其次，干燥对环境的污染也相当严重。在应用最广的各类常规干燥设备中，有四分之三以上是热风干燥，这类干燥设备对环境的污染主要来源于两方面：一是干燥热风生产过程的污染。目前最常用的热源有：热风炉和蒸汽换热器以及直接采用过热蒸汽或烟气。而这些都离不开锅炉或炉窑的燃烧。目前我国干燥系统采用的热源基本上是中小型简易燃煤锅炉或热风炉，绝大部分都没有脱硫和可靠的除尘设备，不仅热效率很低，而且污染严重，许多燃煤热风炉的热效率不足75%，我国热风炉国家标准规定燃煤热风炉的效率不得低于70。控制煤炭燃烧产生的污染物排放是解决我国大气污染问题的战略方向，而对高耗能、重污染的中小燃煤炉的改造则是其主要技术措施。在我国城市将逐渐淘汰这类燃煤炉，而对于干燥系统燃煤炉的改造已成为亟待解决的重要课题。热风干燥的另一个污染源是干燥过程与产物的粉尘排放，一些细微产品的粉尘污染尤其严重。虽然一般都装有布袋或其它收集器，但许多生产车间仍然粉尘弥漫，对周围环境的污染也很严重。正如前文所述，这种极细颗粒被人体吸入后很难清除，危害极大，需要从干燥工艺和收尘设备两方面进行综合治理。提高干燥过程的能源利用效率和防治对环境的污染是相辅相成的。据报道，减少1亿吨标煤的能源消耗，在我国即可减少6400万吨以上CO2和SO2的排放，其环保效益十分显著。因此，在探索干燥技术的新型发展道路时，必须对能效、环保以及产品的质量进行综合考虑，以求得全面、协调和可持续地发展。4实施高效与绿色干燥的发展战略4.1走资源节约型发展道路，变单一粗放型干燥为组合、智能型干燥。目前，我国多数产品的干燥操作是在单一干燥设备内在一种干燥参数下完成的，而从物料的干燥动力学特性可以看出，在物料的不同干燥阶段，其最优的干燥参数是不同的。同时，一种干燥设备，往往不能适应物料在不同干燥阶段其含水率和其它物性对干燥设备的不同要求。如果采用单一干燥设备和单一干燥参数，不仅会造成能源与资源的浪费，还会影响干燥质量与产量。因此，必须首先从干燥工艺上进行根本改造，改变粗放型的干燥方式，逐步向循环经济的方向过渡，即实现无废弃物、零污染排放、高效优化用能和优质生产。4.2 进行全面、多层次的节能技术改造全面节能应包括过程节能、系统节能和单元设备节能几个方面，其根本目的是要提高能源的利用效率，以降低一次能源的消耗和提高单位能耗的产值。过程节能是指生产过程的节能，如上述通过干燥工艺改造来实现节能。对于整个工业生产而言，是要争取实现循环经济，即上游生产的产品或副产品可以作为下游生产的原料或燃料。在循环经济的理念中，将没有废物，而只是处于不同生产环节中的资源。在干燥工艺的改造中，要努力实现资源的综合利用，这也是从根本上节能。系统节能是指对干燥系统进行总能系统分析，以实现对系统中各单元设备的优化配置，不仅要进行热效率分析和热经济分析，还必须进行（Exergy）分析，以实现能源的温度对口合理梯级利用。目前，许多干燥系统用高温热源降温使用或直接用高温热源进行不需要高温的干燥作业，都是对能源的很大浪费，应当尽快改变。单元设备节能包括干燥器本身和热源设备的节能改造。目前，我国在干燥设备中，低效高污染的老式设备占大多数，低水平重复的现象相当严重。除了要采用经济手段，逐渐淘汰这些落后设备以外，应当加大对开发先进干燥设备的技术投入和推广力度，要更加重视干燥基础理论的研究，要更快地引进其它领域的科研成果，以弥补干燥行业基础研究力量的不足。当前，场协同强化传热理论，快速高强度先进干燥设备，新型的高效热交换设备和炉窑以及一些先进的除尘设备，都有可能在干燥技术的节能改造中发挥显著作用。4.3 大力发展应用可再生能源与工业余热的干燥技术，逐步减少一次能源的消耗和对燃用化石燃料的依存度。大力调整和优化能源结构，是我国实施中长期能源发展规划的主要战略措施之一。我国有丰富的太阳能资源，年日照时数超过22000小时的地区占国土面积的三分之二，为广泛利用太阳能创造了有利条件。我国在利用太阳能干燥方面已有多年历史。近年来，在用太阳能与热泵联合对木材干燥方面已取得显著效果，需要在更大范围内推广和供其它物料干燥时借鉴。我国的生物质能资源也相当丰富，尤其在广大农村，用桔杆制造沼气的技术已相当成熟，现在要进一步提高技术含量和实行规模化工业生产。另外，生物制氢与生物质制工业柴油的研究也已在国内外蓬勃开展。用生物质燃料为干燥提供热源有广阔的应用前景。据报道，每增加1吨生物质能的消耗，大约可减少相当于2吨化石燃料的温室气体排放。目前这方面的报道尚不多，我们应加紧开发。风能，是目前国内外在可再生能源开发方面的一个热点。风能利用投资较少，技术相对成熟，利用风能为热风干燥系统提供动力和风源，是一种有推广前景的技术措施。4.4 建立与完善干燥设备的综合评价准则与行业标准，建立宏观调控与市场调节机制，加快干燥技术的更新换代。作者曾提出过一个集能效、环境与干燥品质为一体的干燥设备的综合评值准则的雏形8，以期引起干燥行业同行的讨论与完善。从目前的情况来看，制定这样的综合评价标准仍然十分必要，并且应当在这一基础上尽快制定符合干燥技术发展战略的行业标准或国家规范，以强化宏观管理和调控机能。另外，要探索在市场经济条件下的一些经济手段，来加快干燥设备的更新换代。例如粮食干燥是一个非常复杂的加工过程，影响因素多，干燥条件多变，其中的影响因素有介质参数(如热风温度、热风风量和热风湿度)、粮食参数(如粮食类别、粮食水分、粮食温度和粮食流量)、环境条件(如环境温度和环境湿度)、干燥工艺(如顺流干燥、逆流干燥、横流干燥、混流干燥)以及干燥机的结构参数。因此同一台粮食干燥机可能在很低的环境温度下(零下15 oC)工作，也可能在高达30 0C的环境条件下工作，其工作性能完全不同，甚至相差甚远。所以必需将测得的性能指标进行折算，折算到一个统一的标准条件，再进行比较和评价。因此干燥机生产能力和单位热耗的折算是一个十分重要的标准。国际上粮食干燥技术标准已经修订了多次，如ISO11520-1:1997, 农业粮食烘干机烘干性能的测定，又如ISO11520-2:2001. 在这些新的干燥技术标准中都有主要干燥性能参数的折算方法，采用的模型和公式多达54个，是一个很重要而比较复杂的问题。我国现行粮食烘干技术标准大部分是上个世纪八九十年代制定。经过十多年的时间，我国的粮食烘干技术和设备已有较大进步，许多粮食烘干新技术、新工艺、新设备被应用，现行粮食烘干技术标准与粮食烘干技术和设备的发展已不能完全适应，因此必须进行修定。实现科学发展观指导下的高效与绿色干燥发展战略，是新时期赋予我国干燥科技工作者的长期而又十分紧迫的光荣任务。要实现这一目标，需要主管部门和产、学、研各方面的共同努力。当前，要注意克服只顾眼前的经济效益，不重视科技创新的错误倾向。要抓住机遇，力争在全国实施新型工业化发展道路的大潮中，逐步明确和加快实现我国干燥技术发展道路的战略转变。参考文献1 王补宣，李淑芬. 96干燥学术研讨会论文集前言，1996.4.2