----工業(yè)過(guò)程熱綠色發(fā)展痛點(diǎn)及解決方案

隨著2030年“碳達(dá)峰”以及2060年“碳中和”國(guó)家綠色發(fā)展愿景，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域綠色發(fā)展的緊迫性提出現(xiàn)實(shí)考驗(yàn)，針對(duì)現(xiàn)階段用能的調(diào)查顯示，在過(guò)去幾年中，工業(yè)過(guò)程用熱消耗了年工業(yè)能源需求的50％以上，其中約40％的溫度在80至150℃的溫度范圍內(nèi)。深化控制大氣污染防治推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的需要，加速電代煤、氣代煤工業(yè)領(lǐng)域的快速替代，對(duì)于工業(yè)過(guò)程熱企業(yè)帶來(lái)直接成本上漲和環(huán)保影響風(fēng)險(xiǎn)壓力，特別是北方冬季供暖期間的優(yōu)先民生用氣、控制減少污染天數(shù)政策，在不同的可再生能源中，目前太陽(yáng)能熱利用技術(shù)，尤其是拋物線(xiàn)槽式集熱器（PTC）對(duì)于工業(yè)過(guò)程熱應(yīng)用更為匹配。因此，針對(duì)主要市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景使用需求，基于場(chǎng)景和性能要求使我們能夠在80至150℃的溫度范圍內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造用于工業(yè)過(guò)程熱應(yīng)用的PTC系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)要討論了國(guó)產(chǎn)化本地制造以及一些實(shí)用適應(yīng)性設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)在“十四五”階段可再生能源清潔供熱領(lǐng)域非常適合且龐大的市場(chǎng)中應(yīng)用該技術(shù)。

（圖1摘自2050年世界與中國(guó)能源展望2019版）

工業(yè)用熱需求增量主要集中在亞洲與非洲的發(fā)展國(guó)家，2040年達(dá)到56.3億噸標(biāo)油峰值水平，之后保持相對(duì)穩(wěn)定。工業(yè)部門(mén)化石能源需求相繼達(dá)峰，電氣化程度不斷提高。煤炭、石油和天然氣分別于2020年、2040年和2045年達(dá)到峰值。隨著化石能源煤炭在2020年的率先達(dá)峰，從現(xiàn)在開(kāi)始落實(shí)能源“四個(gè)革命，一個(gè)替代”的政策，加速電代煤、氣代煤工業(yè)應(yīng)用，在工業(yè)領(lǐng)域太陽(yáng)能供熱機(jī)會(huì)將會(huì)形成逐年高速增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。由于我國(guó)北方地區(qū)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，因此已確定太陽(yáng)能高效熱利用技術(shù)為可影響實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的主要可再生能源技術(shù)選擇之一。2019年，全國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)累計(jì)達(dá)到2.05億kw，占電源總裝機(jī)容量的10.2%，可再生能源節(jié)省的能源中超15％歸功于太陽(yáng)能熱利用、發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化，主要是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)。

在工業(yè)用熱生產(chǎn)中太陽(yáng)能熱能應(yīng)用最適宜的溫度范圍是80-150℃，在該溫度下，目前工業(yè)過(guò)程中所有熱能的燃料消耗量約為50％。根據(jù)2018-2024年工業(yè)鍋爐市場(chǎng)預(yù)測(cè)，其中輕紡行業(yè)的比例最大，約為19.5％，其次是能源行業(yè)的17.5％，食品藥品行業(yè)的13％，建材行業(yè)的12.5％，化工行業(yè)9.5%,冶金行業(yè)8%，交通行業(yè)7%，軍工行業(yè)6.5%，其他6.5%。

圖2 2018-2024年我國(guó)工業(yè)鍋爐需求市場(chǎng)行業(yè)分布預(yù)測(cè)

對(duì)過(guò)去30年中獲得的全球經(jīng)驗(yàn)的透徹了解表明，拋物線(xiàn)槽式集熱器（PTC）是目標(biāo)工業(yè)過(guò)程熱溫度范圍內(nèi)最實(shí)用的系統(tǒng)。PTC領(lǐng)域中的大多數(shù)項(xiàng)目目前都集中在設(shè)計(jì)能夠達(dá)到高溫（通常為300℃至400℃）的系統(tǒng)上，從而使其能夠集成為光熱發(fā)電的熱能來(lái)源，這導(dǎo)致了相對(duì)昂貴和復(fù)雜的設(shè)計(jì)。通過(guò)和國(guó)內(nèi)研究院所光熱發(fā)電專(zhuān)業(yè)人員討論了如何更佳匹配利用太陽(yáng)能熱技術(shù)，尤其是PTC與工業(yè)過(guò)程熱系統(tǒng)集成的領(lǐng)域，考慮到成本高昂的土地資源，考慮到短焦距的拋物線(xiàn)避免二次光污染的問(wèn)題，考慮到集熱溫度和用熱溫度更佳匹配性。大家主要關(guān)注于整體太陽(yáng)能的系統(tǒng)集成，以及如何將其子系統(tǒng)（如集熱區(qū)，儲(chǔ)熱，輔助熱源，熱傳輸和控制子系統(tǒng)）一起配置。盡管用于PTC本身是太陽(yáng)能工業(yè)過(guò)程加熱系統(tǒng)，但對(duì)PTC本身進(jìn)行的詳細(xì)研究是較少，目前采用常規(guī)的開(kāi)口2.55米集熱器設(shè)計(jì)，考慮到適用更多空間區(qū)域的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單制造更低成本特性，因此，我們?cè)谘芯抗I(yè)過(guò)程熱應(yīng)用中PTC的最佳適用匹配方案。

輕型模塊化槽式PTC設(shè)計(jì)是基于工業(yè)過(guò)程熱的適用匹配溫度范圍80-150℃，考慮了工業(yè)企業(yè)土地空間及充分利用廠房及建筑物屋頂?shù)某浞掷茫捎幂p型模塊化可快速?gòu)?fù)制的設(shè)計(jì)理念，且能夠滿(mǎn)足風(fēng)荷載的強(qiáng)度安全要求。

輕型槽式PTC設(shè)計(jì)單元長(zhǎng)度約為6000mm，設(shè)計(jì)兩支長(zhǎng)度3000mm不銹鋼真空集熱管產(chǎn)品，通過(guò)增加集熱管長(zhǎng)度減少使用的數(shù)量、支撐立柱數(shù)量，來(lái)降低PTC及安裝成本來(lái)抑制開(kāi)口變小單位面積成本增加的問(wèn)題。

圖3道榮新能源設(shè)計(jì)專(zhuān)用不銹鋼真空集熱管產(chǎn)品

采用四片拋物線(xiàn)彎鋼化(安全玻璃)反射鏡產(chǎn)品，提高強(qiáng)度和安全性的同時(shí)，滿(mǎn)足戶(hù)外抗冰雹、抗雨雪、抗風(fēng)砂、抗冰凍嚴(yán)寒環(huán)境需要，采用太陽(yáng)能專(zhuān)用涂層抗紫外線(xiàn)照射等戶(hù)外使用的安全、強(qiáng)度、耐候性性能要求。通過(guò)減少反射鏡、支架支撐點(diǎn)的數(shù)量，來(lái)降低PTC設(shè)備和安裝成本，同時(shí)減少精度控制點(diǎn)來(lái)降低系統(tǒng)成本的目標(biāo)。

圖4彎鋼化安全玻璃反射鏡聚光現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果

槽式PTC支架主體采用全碳鋼材料，激光切割、數(shù)控車(chē)、銑、鉆、焊接等工藝制作而成，保證加工完成的部件的裝配精度。在對(duì)于特殊表面處理的緊固件、傳動(dòng)件（如軸瓦等）確保滿(mǎn)足耐室外環(huán)境長(zhǎng)期使用。所有鋼結(jié)構(gòu)部件在加工完成后進(jìn)行表面熱鍍鋅處理，在運(yùn)輸過(guò)程中所有零部件必須防止受到損傷、變形、鍍鋅層破壞。創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用拋物線(xiàn)去中心化模式，優(yōu)化減少整體重量實(shí)現(xiàn)廠房屋頂設(shè)置要求，采用南北跟蹤東西布置更適用于我國(guó)北方地區(qū)冬季時(shí)段更多集熱量的獲取，滿(mǎn)足冬季用供熱供暖等用熱量最大的貢獻(xiàn)。

圖5輕型模塊化工業(yè)過(guò)程熱專(zhuān)用槽式PTC集熱器

對(duì)于工業(yè)過(guò)程熱專(zhuān)用PTC專(zhuān)利技術(shù)，太陽(yáng)直接輻射通過(guò)在拋物線(xiàn)焦距上的集熱管黑色表面上吸收涂層而快速轉(zhuǎn)化為熱量。吸收的能量有用部分通過(guò)熱傳導(dǎo)穿過(guò)不銹鋼鋼管薄壁，并被傳熱流體導(dǎo)熱油（HTF）吸收，后者以湍流方式流經(jīng)管道，把熱量及時(shí)收集帶走。

本PTC設(shè)計(jì)采用短焦距不高于1米，有效避免二次光污染現(xiàn)象，更采用不小于36倍的聚光倍數(shù)，達(dá)到最佳集熱系統(tǒng)效率，且能夠匹配工業(yè)過(guò)程熱領(lǐng)域溫度區(qū)間要求，考慮北方地區(qū)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需要。

圖7槽式集熱器（PTC）聚光倍數(shù)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)光熱效率

針對(duì)輕型模塊化PTC集熱器評(píng)估優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，主要幾大創(chuàng)新設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

1、簡(jiǎn)易輕型化

2、標(biāo)準(zhǔn)模塊化

3、去拋物線(xiàn)中心化

4、柔性可移動(dòng)化

5、創(chuàng)新低成本

全球首創(chuàng)(專(zhuān)利)技術(shù)北方地區(qū)適應(yīng)性設(shè)計(jì)理念，目的是解決建筑物屋頂、農(nóng)業(yè)大棚、公共綠地等可利用空間，簡(jiǎn)易模塊化快速安裝施工、更適合我國(guó)北方地區(qū)適應(yīng)性設(shè)計(jì)、更低制造和安裝成本、柔性模塊化可移動(dòng)等多項(xiàng)綜合特性，滿(mǎn)足工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、商業(yè)及公服機(jī)構(gòu)多種應(yīng)用場(chǎng)景的需要。通過(guò)簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)降低集熱器材料加工制造成本，標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)能夠減少施工安裝成本。

圖8輕型模塊化工業(yè)過(guò)程熱專(zhuān)用PTC去中心化設(shè)計(jì)模式

全球首創(chuàng)去拋物線(xiàn)中心化槽式PTC集熱(專(zhuān)利)技術(shù)是堅(jiān)持綠水青山就是金山銀山理念，堅(jiān)持尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然，堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主，守住自然生態(tài)安全邊界。加快推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展，支持綠色技術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)清潔生產(chǎn)，發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)工業(yè)重點(diǎn)行業(yè)和重要領(lǐng)域綠色化改造。推動(dòng)能源清潔低碳安全高效利用，作為太陽(yáng)能高效熱利用的創(chuàng)新技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)最佳成本提供綠色利用技術(shù)。

圖9分布式光熱+槽式PTC鏡場(chǎng)（網(wǎng)絡(luò)圖）布置

輕型模塊化PTC技術(shù)將會(huì)發(fā)揮自身匹配性?xún)?yōu)勢(shì)，助力提供最佳可再生能源清潔供熱替代轉(zhuǎn)換，隨著煤改電、煤改氣政策的更多應(yīng)用領(lǐng)域強(qiáng)制執(zhí)行，導(dǎo)致工農(nóng)商業(yè)多領(lǐng)域的熱價(jià)逐年上漲，基于電能替代優(yōu)惠政策的推進(jìn)，太陽(yáng)能光熱+將會(huì)成為最佳匹配技術(shù)形式。希望政策制定推動(dòng)者，能夠在節(jié)能環(huán)保應(yīng)用領(lǐng)域，考慮可再生能源清潔能源供熱比例的規(guī)劃逐步實(shí)施落地，以目前山東電能替代的優(yōu)惠補(bǔ)貼政策分析，以低谷電量補(bǔ)貼累計(jì)2023年后退坡測(cè)算，參考下表：

圖10山東省電能替代獎(jiǎng)勵(lì)電量參考標(biāo)準(zhǔn)

圖11山東省電能替代獎(jiǎng)勵(lì)1蒸噸（700kw）費(fèi)用測(cè)算

按照產(chǎn)生1蒸噸需要700kw電功率來(lái)測(cè)算，利用低谷時(shí)段8小時(shí)，電價(jià)按照低谷時(shí)段電價(jià)0.3157元/kwh，按照每年330天使用，累計(jì)補(bǔ)貼的總費(fèi)用為212.36萬(wàn)元。根據(jù)這個(gè)政策補(bǔ)貼方案，按照安裝使用1年，退坡3年的累計(jì)，全部按照低谷時(shí)段電價(jià)計(jì)算，總的補(bǔ)貼費(fèi)用較高，去補(bǔ)貼之后工業(yè)用戶(hù)的用熱成本將會(huì)大幅上升，抑制成本增加的最佳方案就是采用輕型模塊化PTC技術(shù)，充分利用白天太陽(yáng)能來(lái)降低白天峰值平段電價(jià)較高帶來(lái)的用熱成本難題。隨著生態(tài)環(huán)保政策的加速落地，山東省生態(tài)環(huán)境局下發(fā)《關(guān)于做好非傳輸通道城市35蒸噸/小時(shí)以下燃煤鍋爐淘汰工作的通知》中明確要求，2021年10月底前，青島、棗莊、東營(yíng)、煙臺(tái)、濰坊、泰安、威海、日照、臨沂9個(gè)非傳輸通道城市35蒸噸/小時(shí)以下燃煤鍋爐（高效煤粉爐除外）全部淘汰。全省不再新建35蒸噸/小時(shí)以下各種類(lèi)型燃煤鍋爐。也期盼政府政策制定者，能夠在政策補(bǔ)貼上面采用針對(duì)可再生能源技術(shù)利用的更多傾斜，如果電能替代的1蒸噸電量補(bǔ)貼測(cè)算212萬(wàn)元能夠補(bǔ)貼給槽式PTC技術(shù)應(yīng)用，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)更多效益，而且是100%的可再生能源利用。建議政策制定者禁煤后采取鼓勵(lì)大家提高可再生能源供熱比例，通過(guò)計(jì)量實(shí)際供能采取5年稅收獎(jiǎng)補(bǔ)的方式鼓勵(lì)企業(yè)，自主加速提高可再生能源用熱比例，當(dāng)然也可以考慮采取增加碳稅、能源稅的方式，真正實(shí)現(xiàn)綠色制造高質(zhì)量生態(tài)發(fā)展目標(biāo)。

圖12槽式PTC集熱器系統(tǒng)在廠區(qū)綠地可以空間應(yīng)用

讓每一個(gè)屋頂、每一塊綠地空間可利用場(chǎng)地都能插上槽式PTC集熱系統(tǒng)的翅膀，為用戶(hù)節(jié)約更多的能源成本，為煤改電、煤改氣后時(shí)代提供最佳匹配的低成本清潔供熱技術(shù)。

圖13輕型模塊化PTC更適用于建筑物屋頂應(yīng)用場(chǎng)景

大力推行工業(yè)綠色清潔發(fā)展是生態(tài)文明建設(shè)、高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，全面落實(shí)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略，強(qiáng)化綠色發(fā)展理念，緊緊圍繞制造業(yè)資源能源利用效率和清潔生產(chǎn)水平提升，以制造業(yè)綠色改造升級(jí)為重點(diǎn)，以科技創(chuàng)新為支撐，以法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)綠色監(jiān)管制度為保障，以示范試點(diǎn)為抓手，加大政策支持力度，加快構(gòu)建綠色制造體系，推動(dòng)綠色產(chǎn)品、綠色工廠、綠色園區(qū)和綠色供應(yīng)鏈全面發(fā)展，壯大綠色產(chǎn)業(yè)，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)高效清潔低碳循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)文明與生態(tài)文明和諧共融。

圖表14不同DNI法向直接輻射地區(qū)PTC產(chǎn)生蒸汽成本測(cè)算

上表為根據(jù)不同地區(qū)測(cè)算的PTC集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽成本參考，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，規(guī)?；蟮南到y(tǒng)成本會(huì)逐步下降，供熱成本也一定會(huì)逐年下降。

圖15輕型模塊化槽式PTC集熱系統(tǒng)在綜合能源領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景模式

針對(duì)煤改氣的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用企業(yè)，面對(duì)北方地區(qū)冬季清潔供暖民用市場(chǎng)用戶(hù)的突然增加，導(dǎo)致出現(xiàn)燃?xì)忮仩t停工限產(chǎn)狀況時(shí)有發(fā)生，伴隨著國(guó)內(nèi)天然氣進(jìn)口的比例逐年增長(zhǎng)，未來(lái)燃?xì)獾某杀緯?huì)越來(lái)越高，PTC聚光集熱系統(tǒng)技術(shù)為北方地區(qū)工商業(yè)企業(yè)提供最佳匹配光熱+燃?xì)忮仩t耦合節(jié)能降費(fèi)的最佳匹配方案。

圖16槽式PTC集熱系統(tǒng)（威縣）綠地應(yīng)用實(shí)景

輕型模塊化槽式PTC集熱技術(shù)，不僅僅適用于工業(yè)領(lǐng)域的清潔供熱替換耦合市場(chǎng)，也可以應(yīng)用在北方地區(qū)冬季清潔供暖領(lǐng)域中的，分布式區(qū)域集中供暖領(lǐng)域，在寒冷的冬季不僅僅能夠提供清潔熱源，同時(shí)在非供暖季能夠提供現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中草藥烘干、糧食烘干、枸杞、煙草等烘干，實(shí)現(xiàn)跨季充分利用的同時(shí)為用戶(hù)創(chuàng)造更大價(jià)值利益。

輕型模塊化PTC槽式集熱技術(shù)，作為可再生能源清潔供熱的太陽(yáng)能高效熱利用技術(shù)，為綠色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供能源保障，為綠色工業(yè)制造清潔生產(chǎn)提供未來(lái)最具競(jìng)爭(zhēng)力的清潔熱能，作為推行綠色生產(chǎn)和消費(fèi)是建設(shè)生態(tài)文明、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。圍繞槽式聚光光熱直接利用技術(shù)，建設(shè)以熱為中心的綜合能源項(xiàng)目，將為PTC光熱技術(shù)的應(yīng)用打開(kāi)新的增量市場(chǎng)空間，隨著電能替代、電氣化政策快速發(fā)展的綜合能源領(lǐng)域，槽式PTC光熱清潔供熱技術(shù)將會(huì)是最佳的綜合降本匹配應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源在綜合能源領(lǐng)域的充分利用。

輕型模塊化槽式PTC集熱太陽(yáng)能高效熱利用應(yīng)用技術(shù)，

他將成為綜合能源領(lǐng)域可再生能源清潔供熱最佳匹配技術(shù)，

他將成為區(qū)域整村集中供暖最優(yōu)解決方案，非供暖季能夠滿(mǎn)足糧食、中草藥等烘干應(yīng)用，

他將成為“煤改電”電能替代最優(yōu)匹配技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)白天光熱+晚上低谷電更低用熱成本的途徑，

他將成為“煤改氣”最佳耦合利用技術(shù)，不僅僅是解決低成本可再生能源供熱比例的增加，也避免供暖季保民生供暖限氣限產(chǎn)的煩惱，

他將成為北方地區(qū)空氣源熱泵供暖白天成本較高，有效降低電費(fèi)高的有效技術(shù)解決方案，

他將成為公服機(jī)構(gòu)最低成本冬季供暖、夏季制冷太陽(yáng)能高效應(yīng)用技術(shù)，

他將成為企業(yè)綠地廣場(chǎng)上面的清潔供熱太陽(yáng)能翅膀，

他將成為農(nóng)業(yè)科技大棚清潔用熱的曙光，

他將成為未來(lái)最低成本清潔供熱技術(shù)，

他將成為我們太陽(yáng)能高效熱利用重要前進(jìn)方向，

讓我們光熱家人一起努力，讓陽(yáng)光溫暖清潔的未來(lái)，

歡迎朋友們共同努力推動(dòng)太陽(yáng)能高效熱利用的更大規(guī)模利用。

本文作者：王洪國(guó)，一三八一〇五一八八三九，歡迎交流。