幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統的製作方法

2023-07-27 09:15:06 1

專利名稱：幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種幹法水泥生產線迴轉窯低溫餘熱利用技術，更具體的說，它是一 種利用幹法水泥迴轉窯表面餘熱的熱電轉換方法和裝置，是以工業餘熱利用發電為目標的 新能源開 發利用技術領域。
背景技術：
世界水泥產量的一半出自中國，水泥製造是一種典型的高能耗、高物耗、高汙染的 行業，幹法水泥生產過程中，迴轉窯的表面有大量餘熱常年連續向外散發，表面溫度通常不 低於150°C，為保證窯體不因過熱而損壞需要進行降溫冷卻，水泥迴轉窯表面餘熱不但白白 浪費，而且降溫過程還需消耗能量。目前幹法水泥生產線，通過餘熱鍋爐回收水泥迴轉窯窯頭篦冷機廢氣餘熱和迴轉 窯尾氣的餘熱進行發電的技術已經非常成熟，但利用水泥迴轉窯表面餘熱進行發電的技術 尚未見到相關報導。

發明內容
本發明克服了現有發電技術的不足之處，提供了一種可隨水泥迴轉窯一起旋轉， 利用幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電的方法和裝置，解決了迴轉窯表面餘熱資源的利用難 題，將熱能直接轉化為電能，是一種低品位餘熱的高效利用方式，具有節能、結構簡單、堅固 耐用、清潔、無洩露、無噪聲、使用壽命長等優點。為實現以上目的，本發明採取了以下的技術方案幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電 系統，包括有水泥迴轉窯，在所述水泥迴轉窯外表面依次布置有集熱器、半導體溫差發電模 塊、散熱器，呈層狀結構排布，隨水泥迴轉窯一起旋轉，垂直於煙氣(物料)流動方向呈圓周 狀分布；所述集熱器位於內層，布置於水泥迴轉窯外表面；所述半導體溫差發電模塊位於 中間層，即處於集熱器和散熱器之間；散熱器位於半導體溫差發電模塊的冷端一側，負責將 熱量傳遞至環境；集熱器與半導體溫差發電模塊的熱端接觸，集熱器與半導體溫差發電模 塊、半導體溫差發電模塊與散熱器之間粘貼在一起。所述粘貼材料可以是導熱膠、導熱性銀 漿或錫漿、合金焊料等。通過集熱器收集水泥迴轉窯外表面的餘熱，並將收集的熱量傳遞到溫差發電模塊 熱端；散熱器布置在半導體溫差發電模塊外側的冷端，由於溫差發電模塊的熱端溫度接近 於迴轉窯表面溫度，而冷端溫度接近於環境溫度，因此冷端溫度低於熱端溫度，從而在半導 體溫差發電模塊的熱冷兩端形成溫度差，半導體溫差發電模塊在塞貝克效應作用下形成電 動勢；並通過滑環、電刷將旋轉機構產生的電能轉換為固定方式輸出，解決了由於水泥迴轉 窯不停旋轉產生的纏線問題，經後續電路處理，產生直流/交流電供負載使用。所述半導體溫差發電模塊的冷端一側面上設有電絕緣體，所述半導體溫差發電模 塊的熱端一側面上設有導電體，在導電體和電絕緣體中間連接有PN型半導體，所述導電體 兩端連接到電源極。
所述半導體溫差發電模塊依次與滑環、電刷電連接，電刷依次連接到DC/DC變換 器和DC/AC逆變器並構成迴路，在DC/DC變換器上連接有直流負載，在DC/AC逆變器上連接 有交 流負載。基於水泥迴轉窯不停旋轉的特性，需通過滑環、電刷結構實現旋轉機構向固定 裝置的電能輸出；溫差發電模塊產生的電能經滑環、電刷輸出後，連接DC/DC變換器和DC/ AC逆變器，實現直流/交流供電，供直流或交流負載使用。水泥迴轉窯沿窯長方向採用梯級設置。水泥迴轉窯沿窯長方向的不同位置不同反 應段不同窯體外表面溫度而採用梯級設置。即根據不同的水泥迴轉窯表面溫度設置不同參 數的集熱器，以產生不同的溫差發電模塊熱端溫度。所述幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統的特徵之一是沿幹法水泥迴轉窯煙氣流 動方向不同反應段，依據不同的窯體表面溫度而採用梯級利用，即將整個迴轉窯沿煙氣流 動方向劃分為η段，每段布置m組溫差發電模塊，根據不同迴轉窯表面溫度而設置不同參數 的集熱器，以產生不同的溫差發電模塊熱端溫度，在確保半導體溫差發電模塊工作溫度不 超出其安全工作溫度的前提下，通過優化分析儘可能提高發電模塊熱端溫度，即提高溫差 發電模塊熱冷端面溫差，從而提高發電效率。根據窯體表面溫度，可以分段選擇工作溫度不 同的半導體溫差發電模塊，不同的工作溫度其半導體材料也不同。所述半導體溫差發電模塊採用主要是鉍、銻、硒、碲組成的固溶體。依據水泥旋轉 窯不同的表面溫度，分段粘貼不同工作溫度的半導體溫差發電模塊。更進一步的是半導體工作溫度與水泥旋轉窯不同表面作溫度匹配時，半導體發 電模塊可以直接粘貼於水泥旋轉窯表面，從而省去熱端集熱器。所述水泥迴轉窯沿煙氣流動方向劃分為η段，每段布置有m組溫差發電模塊，上下 遊各溫差發電模塊之間產生的電能為單獨輸出或幾個乃至全部模塊以串聯和/或並聯互 相連接。溫差發電模塊上下遊各段之間可以單獨輸出電能，也可以幾個乃至全部模塊以串 聯和/或並聯互相連通，以滿足不同的需求。如權利要求1所述的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於所述散熱 器為翅片式、板翅式。當採用風冷方式冷卻時，風扇電源來自本溫差發電系統產生的電能， 無需外接電源，從而實現了自冷卻。本發明與現有技術相比，具有如下優點(1)節能。在不影響現有迴轉窯工藝和結構的前提下，將原來表面白白浪費的餘熱 利用，並直接轉換為電能，實現了低品位餘熱的高效利用，避免了熱能轉換為機械能，再將 機械能轉換為電能的複雜過程，並省掉了原迴轉窯冷卻風機，具有節能的優勢。(2)本發明有效解決了水泥迴轉窯旋轉特性造成的餘熱利用難題，通過滑環、電刷 實現旋轉機構向固定裝置的電能輸出，避免了由於水泥迴轉窯不停旋轉產生的纏線問題。(3)本發明是基於熱電轉換原理，是一種全固態轉換方式，具有結構簡單、堅固耐 用、清潔、無洩露、無噪聲、使用壽命長等優點。本發明將進一步提高水泥業餘熱利用水平，推進我國水泥行業的節能減排，符合 國家相關產業和節能減排政策，具有良好的推廣應用價值。


圖1是本發明的結構圖2是圖1的A-A截面圖；圖3是半導體溫差發電模塊原理圖；圖4為發電系統原理圖；附圖標記說明1_水泥迴轉窯；2-滑環；3-電刷；4-集熱器；5-半導體溫差發電 模塊；6_散熱器；7-發電系統支架；8-迴轉窯支架；9-熱端；10-導電體；Il-PN型半導體； 12-電絕緣體；13- 冷端；14-交流負載；15-DC/AC逆變器；16-直流負載；17-DC/DC變換器。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的內容做進一步詳細說明。實施例如圖1到圖4所示，本發明的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統包括集熱器4、半 導體溫差發電模塊5和散熱器6。其中集熱器4緊貼在水泥迴轉窯1外表面，集熱器4材料 採用銅或者鋁材，以取得更好的傳熱效果，同時便於發電模塊的安裝；溫差發電模塊5夾在 集熱器4和散熱器6之間，三者分層布置在水泥迴轉窯1表面，且集熱器4與溫差發電模塊 5、溫差發電模塊5與散熱器6之間粘貼在一起，隨水泥迴轉窯1 一起旋轉。粘貼材料可以 是導熱膠、導熱性銀漿或錫漿、合金焊料等，以降低接觸熱阻，提高傳熱係數。半導體溫差發電模塊5是本裝置的核心元件，溫差發電模塊由多塊半導體發電芯 片組成，每個晶片是由多個半導體PN結11串聯而成。它是一種能夠將熱能直接轉換為電 能的裝置，其基本原理是基於塞貝克效應(Seebeck effect)，是指由於兩種不同電導體或 半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。水泥迴轉窯1內流動著高溫煙氣和物料，高溫煙氣在加熱物料的同時，部分熱量 以對流和輻射的方式傳遞到窯內壁上，然後以導熱的方式將熱量傳到水泥迴轉窯1的外表 面，進而散發到環境中，該部分熱量不僅白白浪費，而且為了避免窯體過熱，通常需要耗能 對其進行冷卻。本發明的發電原理和過程如下煙氣流經水泥迴轉窯1加熱物料的同時，集 熱器4吸收其傳遞到水泥迴轉窯1外表面的熱量，並將熱量傳遞到半導體溫差發電模塊5 的熱端9，因此熱端溫度略低於水泥迴轉窯1外表面溫度；而散熱器6與半導體溫差發電模 塊5外側的冷端13相貼，並將熱量傳遞到環境中，冷端溫度略高於環境溫度，於是半導體溫 差發電模塊5熱端與冷端之間產生100 150°C的溫差，在塞貝克效應作用下形成電動勢， 經滑環2、電刷3、DC/DC變換器17、DC/AC逆變器15，產生直流/交流供電。同時沿水泥迴轉窯1內的煙氣流動方向，根據迴轉窯表面溫度不同而將整個水泥 迴轉窯1分成η段以實現梯級利用，每段布置m組溫差發電模塊5，根據不同水泥迴轉窯1 表面溫度而設置不同參數的集熱器4，以產生不同的溫差發電模塊5熱端溫度，一方面確保 半導體溫差發電模塊5工作溫度不超出其安全溫度，另一方面通過優化分析提高半導體溫 差發電模塊5熱端溫度，提高發電效率。且半導體溫差發電模塊5上下遊各段之間可以單 獨輸出電能，也可以幾個乃至全部模塊以串聯和/或並聯互相連通，以滿足不同的需求。本發明的另外一個特徵是溫差發電模塊5輸出的電動勢經滑環2、電刷3輸出後， 連接DC/DC變換器17和DC/AC逆變器15，可供直流負載16或交流負載14使用。上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本發 明的專利範圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含於本案的專利範圍中。
權利要求
1.幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於包括有水泥迴轉窯(1)，在所述水 泥迴轉窯(1)外表面依次布置有集熱器G)、半導體溫差發電模塊(5)、散熱器(6)，呈層狀 結構排布；所述集熱器⑷位於內層，布置於水泥迴轉窯⑴外表面；所述半導體溫差發電 模塊(5)位於中間層，即處於集熱器(4)和散熱器(6)之間；散熱器(6)位於半導體溫差發 電模塊(5)的冷端(1 一側；集熱器(4)與半導體溫差發電模塊(5)的熱端(9)接觸，集 熱器(4)與半導體溫差發電模塊(5)、半導體溫差發電模塊(5)與散熱器(6)之間粘貼在一 起。
2.如權利要求1所述的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於所述半導體 溫差發電模塊(5)的冷端(1 一側面上設有電絕緣體(12)，所述半導體溫差發電模塊(5) 的熱端(9) 一側面上設有導電體(10)，在導電體(10)和電絕緣體(12)中間連接有PN型半 導體(11)，所述導電體(10)兩端連接到電源極。
3.如權利要求1所述的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於所述半導體 溫差發電模塊(5)依次與滑環O)、電刷⑷電連接，電刷⑷依次連接到DC/DC變換器 (17)和DC/AC逆變器(15)並構成迴路，在DC/DC變換器(17)上連接有直流負載(16)，在 DC/AC逆變器(1 上連接有交流負載(14)。
4.如權利要求1所述的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於水泥迴轉窯 (1)沿窯長方向採用梯級設置。
5.如權利要求1所述的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於所述半導體 溫差發電模塊( 採用主要是鉍、銻、硒、碲組成的固溶體。
6.如權利要求1所述的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於所述水泥回 轉窯(1)沿煙氣流動方向劃分為η段，每段布置有m組溫差發電模塊(5)，上下遊各溫差發 電模塊( 之間產生的電能為單獨輸出或幾個乃至全部模塊以串聯和/或並聯互相連接。
7.如權利要求1所述的幹法水泥迴轉窯表面餘熱發電系統，其特徵在於所述散熱器 (6)為翅片式、板翅式。
全文摘要
本發明公開了一種可隨水泥迴轉窯一起旋轉、利用幹法水泥迴轉窯餘熱進行發電裝置。其發電裝置為通過收集迴轉窯表面的餘熱，熱量傳遞到半導體溫差發電模塊熱端，在溫差發電模塊的冷端布置散熱器，從而在溫差發電模塊熱冷兩端產生溫度差，在塞貝克效應作用下產生電動勢，經滑環、電刷輸出後或用於需要直流供電的電器負載，從而實現水泥迴轉窯表面餘熱發電。該系統包括溫差發電模塊、集熱器、散熱器、滑環、電刷等部件。本發明發電部件與水泥迴轉窯固定在一起隨水泥迴轉窯一起旋轉，將原來白白浪費的迴轉窯表面餘熱直接轉換為電能，是一種低品位餘熱高效利用方式，具有節能、結構簡單、堅固耐用、清潔、無洩露、無噪聲、使用壽命長等優點。
文檔編號H02N11/00GK102072641SQ20101060095
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者李文博, 羅偉民, 胡蓉蓉, 郭常青, 閆常峰 申請人:中國科學院廣州能源研究所