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波特兰水泥回转窑热电余热回收系统
QI LUO,PENG LI,LANLAN CAI,PINGWANG ZHOU,DI TANG,PENGCHENG ZHAI, and QINGJIE ZHANG
1.武汉理工大学理学院，武汉430070。2.学校武汉理工大学机械与电子工程学院，武汉430070。3.电子邮件：lp1968@whut.edu.cn
波特兰水泥是最能源密集型工业生产过程之一。波特兰水泥生产的能源消耗量每吨大约110–120千瓦时。水泥回转窑是用于水泥生产的关键设备。约10-15%的能量在生产中经过水泥熟料的消耗直接进入回转窑外表面的大气。水泥工业急需节约能源的创新技术，在本文提出了一种新型的热电余热回收系统用来减少水泥回转窑的热损失。该系统配置为在与回转窑同轴的二次壳上纵向布置的热电单元阵列。一个数学模型被开发用于余热回收系统的估算。讨论主要集中在发电和节能，采取u4.8 9 72米水泥回转窑为例。结果表明Bi2Te3–PbTe混合热电余热回收系统可以生成约211千瓦的电力，同时节省3283千瓦的能源。相比没有热电回收系统的窑，拥有该系统的窑可以重新获得超过32.85%的能量，这些能量过去被当成余热通过表面丢失。
关键词：热电，回转窑，余热回收，节能，数学模型。
符号列表
A I区单截断面热电偶(m2)
Acold 被动散热片的传热面积 （m2）
dte 热电回收系统的直径（m）
hc gap 回转窑热收集板对流换热系数（Wm-2k-1）
hc 被动散热片到环境空气对流换热系数（Wm-2k-1）
Ii电流 (A)
L 热电组建的高度(m)
m 环形单元内的边数
Nte,i 环形体积内的热电组件的数量
n 在一个模块中的热电偶的数目
Pte 热电模块的输出总功率(W)
Pr Prandtl 空气常数
Qh,i通过在环空体积的热电组件所吸收的热量(W)
Qc,i 环形容积中热电模块的散热量 (W)
Qh,ic热流从回转窑对集热板通过对流(W)
Qh,ir由辐射热收集板到回转窑热流量(W)
Qc,ic 从被动散热到周围空气的对流换热(W)
Qc,ir 热流从被动散热器到周围空气的辐射 (W)
Qin 热电模块的总输入热能(W)
Qout 在TEG系统总热损失 (W)
Qloss 裸窑热损失(W)
Qsave 在TEG系统节约能量(W)
Rshell,i窑壳和耐火材料的等效热电阻（KW-1)
RM,i 热电模块的总内部电阻（）
Rload负载电阻（）
Re 基于TEG系统雷诺数
rkiln 窑内半径(m)
rbrick 耐火材料内半径(m)
rshell 窑外半径(m)
Tkiln,i 窑内表面温度(K)
Tsurface,i 窑外表面温度 (K)
Thot,i 热电组件的热端温度(K)
Tcold,i 热电模块的冷端温度 (K)
Tamb 环境温度 (K)
Ta 基于间隙的泰勒数
tgap 窑表面与集热板之间的距离(m)
Vwind 环境风速(ms-1)
W 热电模块的宽度 (m)
x 环体的轴向长度(m)
简介
波特兰水泥是一个重要的用于建筑住房和各种基础设施的材料。然而，波特兰水泥是世界上最能源密集型工业之一。理论上，如果没有热量损失，一公斤水泥熟料生产理论大约需要1674–1799 kJ能量。事实上，国际上现实实践中一公斤水泥熟料在生产过程中燃油消耗范围在2750-4500KJ，每吨水泥生产平均电力消耗是在110-120kwh。多余的输入能量作为废物热耗散进入大气。在2013年，中国水泥生产总量达23亿5000万吨，中国已成为世界上最大的水泥生产者和消费者。因此，能源创新技术的发展在水泥行业的如何避免浪费是迫切所需的。
回转窑是大型工业水泥生产主要的设备。回转窑中这些原材料，逐步加热同时他们在窑的管道中行驶，连续干燥、预热、钙化和组合成水泥熟料。大量在回转窑中消耗的热量，和大约40%的总输入能量损失作为热烟气（19.15%），粉尘和冷却器的排气（5.9%），通过窑壳（15%以上）浪费。热废气的余热回收通过各种技术手段实现，就好像一个蒸汽循环的，有机朗肯周期，或者是热力循环。然而，没有通过窑的外表面余热回收的有效方法。原因之一是窑连续旋转，处理难度大。另一个原因是低能量密度，尽管外表面窑的温度很容易达到300摄氏度。然而，在过去提出从回转窑外表面回收热量。卡比尔等人提出的热保护一个二次壳和保温层。导致在几乎10.4%减少总热量输入和5%的热效率提高。Caputo等人的热回收利用热交换设备，其布置为在圆筒形的外壳与回转窑同轴的表面上的纵向阵列的热交换设备。他们也开发了一个数学和经济模型确定换热器的尺寸和性能甚至研究了经济上的可行性利用换热器回收余热。然而，余热回收利用这些方法只能用于加热流体，例如水，利用低温水发电仍然是有问题的。
热电发电（TEG）是在实践中使用的重要技术回收余热并将其直接转化为有用的电能，例如能量回收从汽车的尾气，木材燃烧炉，或
小型燃烧驱动系统（例如，天然气线路传感器）。热电的最新进展
（TE）材料已拥有比过去的应用更高的转换效率。
热电发电技术似乎有很高适用性在从波特兰水泥回转窑的表面外热回收上发电，有四个原因；
- 回转窑通常是大体积的长度往往超过50米，直径在4–范围6米，如图1a所示。
- 外表面温度容易到达200摄氏度，在200摄氏度和400摄氏度之间变化如图1b所示。
- 热损失通常约为占总数的8-15%的热输入。
- 回转窑通常安装在室外，如在图1a所示，空气流动可能是垂直的到窑的表皮；这可能导致降低热电组件的温度冷端，更导致可回收能源电力生产。
在本文中，我们提出了一种新的热电（TEG）为水泥回转窑余热回收系统。详细的数学模型系统被开发来估计余热不同操作条件下的恢复。一个迭代算法和试验中存在的问题及解决方案通过使用MATLAB开发也被用来设计系统。
热电回收系统
从回转窑表面回收废热是热电回收系统的关键方向。一个简单的方法是将热电组件直接安装在窑面上。不过这种设计是不切实际的，因为重量的增加，额外的电力消耗将用于保持回转窑回转。还需要一个更强大的结构来抵消增加重量的影响；可能导致设备成本的增加。在这工作时，一个二次壳与回转窑同轴的是用来收集废料的对流和辐射传热。配置使用二次壳与回转窑之间的间隙避免影响窑的回转。热电发电（TEG）组件安装在二手壳和被动散热片是安装在TEG组件的另一端。这个两端之间的温度梯度TEG组件将导致发电，这是塞贝克效应的一个结果。TEG层组件和二次壳也将作为节约能源隔热的材料，因为热电
材料通常具有低导热率。一个水泥回转窑余热回收系统
的热电原理图如图2所示。
图1：（a）水泥回转窑（b）回转窑外表面温度的红外热像图。
波特兰水泥回转窑热电余热回收系统
图2：波特兰水泥回转窑热电余热回收系统的配置。
为了方便扩展和保养，这个组件化的设想包含于我们新颖的设计之中，首先，二次外壳的设计是一个可拆卸的多边形板组装在窑外围。每一个板作为一个支撑面板，通过使用导热胶来连接热电组件。因为板必须吸收从窑内的辐射热，不锈钢具有选择性吸收，由于其高的吸收系数和导热系数，被认为是一种合适材料的选择。由于回转窑的较大直径，多边形板的装配和普通的圆形壳体存在一些区别。各热收集板的大小和总的数量取决于回转窑的体积和二次壳之间的间隙。第二，TEG单元用于水泥回转窑的热电余热回收系统的基本单元。每个单元是由TEG组件串联组合夹在集热板和用弹簧结构的被动散热片之间，如图所示图2A。TEG组件单元的阵列可以与每个TEG组件的大小和集热板不同；数量应精确计算来实现对不同尺寸的回转窑紧密排列。最后由于TEG系统的控制的结果，组件化设计具有很强的适应能力。因为在窑的纵向方向上的温度分布是不同的，从不同的热电材料制备的TEG必须选择匹配的可操作性的温度。如图2A和B TEG的单位同样的热电材料组件应该是布置在多边形板与回转窑同轴表面；周向温度假定是均匀的。因为不同的温度分布，从不同的热电材料制备的TEG组件单元可以很容易地安装在TEG在窑的纵向方向的任何位置。一般而言，所推荐的热电回收系统可适用于任何长度的窑炉。然而，不同的材料，结构尺寸，和冷却条件会影响的温度分布，节能和热电回收系统的效率。
热电回收系统的数学模型
水泥回转窑热电余热回收系统的数学模型如图3所示。如图3a所示，设X是沿窑轴坐标，与增加值从冷端传递到窑热端。由于沿窑的温度分布不同，该模型必须分为环形体细分在纵向方向；这些都是表示“环形元素”。在每个环形单元，沿x方向的元素的最小宽度相当于一个单一的TEG组件的宽度，如图3b所示；TEG组件的数量取决于在圆周方向的TEG的单位数。考虑到窑筒状结构的对称性，该模型可以被视为稳态条件下一维传热。为了简单起见，一些合理的假设：
- 多边形板和圆柱壳之间的偏差是可以忽略的，而多边形有足够的边数
- 气体内的传热损失在组件和TEG单位中可以忽略不计。
- 热电材料和导热材料的特性，例如空气和钢的性质，被假定为是恒定的。
- 电和热接触电阻可以忽略不计。
因此，对于一个环形元件的等效热电路可以得到如图3c所示。在稳态下一维传热在装配如图3b所示，分析过程如下。
在回转窑中，表面温度平衡是影响熟料质量的重要因素。TEG余热回收系统应不影响水泥生产的进程。因此，燃烧器的表面和燃烧产物的温度应该是相同的内窑壁，这也保证了水泥熟料的形成。这些温度可以在实际回转窑测量。通过窑壳第i个环形元件的传热速率，dQh，j可以表示为：
在Tkiln，i，是窑内表面温度，Tsurface，i是窑外表面的温度，Rshell，i，是耐火材料和窑壳构造的复合圆筒壁的等效热阻，
图3.（一）一个典型的TEG系统模型示意图；（b）一个环形单元的横截面的一部分；（c）为环形元件等效热电路。
图4.窑用5000吨熟料生产能力的窑外窑壁表面温度分布。
在数据交换接口是第i个环形元素的宽度。lambda;shell和lambda;brick，i，分别是窑壳和耐火材料的导热系数。rklin是窑内半径，rbrick是耐火材料的内半径，和rshell是窑外半径。从回转窑到热收集板的热流量发生对流和辐射。在这种情况下，窑壳的热量等于稳态条件下对流和辐射引起的热损失的总和。总热量可以被定义为：
因为在操作时，窑内缓慢转动圆轴，以每分钟0.4–4转的速率，对流换热率可以对内筒旋转环传热的基础上估计，由Tachibana 和Fukui提出。根据牛顿的冷却定律，它可以写成：
由于热收集板的钢和热电组件的陶瓷层薄且导电，它们的热阻假定为忽略不计。所以热收集板和热电组件热侧之间没有温度梯度。
因此Thot我可以称为TEG组件的热端温度。
对流换热系数，hgapc，根据文献，由式5表示：
其中lambda;air是在环形间隙内的空气导热系数，Pr是空气的普朗特系数。泰勒数Ta可以由公式Talpha;=w2rshelltgap3/v2表示，其中X是回转窑转速、Tgap是窑的外表面与集热板之间的距离
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