CN102072641A - 干法水泥回转窑表面余热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可随水泥回转窑一起旋转、利用干法水泥回转窑余热进行发电装置。其发电装置为通过收集回转窑表面的余热，热量传递到半导体温差发电模块热端，在温差发电模块的冷端布置散热器，从而在温差发电模块热冷两端产生温度差，在塞贝克效应作用下产生电动势，经滑环、电刷输出后或用于需要直流供电的电器负载，从而实现水泥回转窑表面余热发电。该系统包括温差发电模块、集热器、散热器、滑环、电刷等部件。本发明发电部件与水泥回转窑固定在一起随水泥回转窑一起旋转，将原来白白浪费的回转窑表面余热直接转换为电能，是一种低品位余热高效利用方式，具有节能、结构简单、坚固耐用、清洁、无泄露、无噪声、使用寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种干法水泥生产线回转窑低温余热利用技术，更具体的说，它是一种利用干法水泥回转窑表面余热的热电转换方法和装置，是以工业余热利用发电为目标的新能源开发利用技术领域。
背景技术
世界水泥产量的一半出自中国，水泥制造是一种典型的高能耗、高物耗、高污染的行业，干法水泥生产过程中，回转窑的表面有大量余热常年连续向外散发，表面温度通常不低于150℃，为保证窑体不因过热而损坏需要进行降温冷却，水泥回转窑表面余热不但白白浪费，而且降温过程还需消耗能量。
目前干法水泥生产线，通过余热锅炉回收水泥回转窑窑头篦冷机废气余热和回转窑尾气的余热进行发电的技术已经非常成熟，但利用水泥回转窑表面余热进行发电的技术尚未见到相关报道。
发明内容
本发明克服了现有发电技术的不足之处，提供了一种可随水泥回转窑一起旋转，利用干法水泥回转窑表面余热发电的方法和装置，解决了回转窑表面余热资源的利用难题，将热能直接转化为电能，是一种低品位余热的高效利用方式，具有节能、结构简单、坚固耐用、清洁、无泄露、无噪声、使用寿命长等优点。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：干法水泥回转窑表面余热发电系统，包括有水泥回转窑，在所述水泥回转窑外表面依次布置有集热器、半导体温差发电模块、散热器，呈层状结构排布，随水泥回转窑一起旋转，垂直于烟气(物料)流动方向呈圆周状分布；所述集热器位于内层，布置于水泥回转窑外表面；所述半导体温差发电模块位于中间层，即处于集热器和散热器之间；散热器位于半导体温差发电模块的冷端一侧，负责将热量传递至环境；集热器与半导体温差发电模块的热端接触，集热器与半导体温差发电模块、半导体温差发电模块与散热器之间粘贴在一起。所述粘贴材料可以是导热胶、导热性银浆或锡浆、合金焊料等。
通过集热器收集水泥回转窑外表面的余热，并将收集的热量传递到温差发电模块热端；散热器布置在半导体温差发电模块外侧的冷端，由于温差发电模块的热端温度接近于回转窑表面温度，而冷端温度接近于环境温度，因此冷端温度低于热端温度，从而在半导体温差发电模块的热冷两端形成温度差，半导体温差发电模块在塞贝克效应作用下形成电动势；并通过滑环、电刷将旋转机构产生的电能转换为固定方式输出，解决了由于水泥回转窑不停旋转产生的缠线问题，经后续电路处理，产生直流/交流电供负载使用。
所述半导体温差发电模块的冷端一侧面上设有电绝缘体，所述半导体温差发电模块的热端一侧面上设有导电体，在导电体和电绝缘体中间连接有PN型半导体，所述导电体两端连接到电源极。
所述半导体温差发电模块依次与滑环、电刷电连接，电刷依次连接到DC/DC变换器和DC/AC逆变器并构成回路，在DC/DC变换器上连接有直流负载，在DC/AC逆变器上连接有交流负载。基于水泥回转窑不停旋转的特性，需通过滑环、电刷结构实现旋转机构向固定装置的电能输出；温差发电模块产生的电能经滑环、电刷输出后，连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器，实现直流/交流供电，供直流或交流负载使用。
水泥回转窑沿窑长方向采用梯级设置。水泥回转窑沿窑长方向的不同位置不同反应段不同窑体外表面温度而采用梯级设置。即根据不同的水泥回转窑表面温度设置不同参数的集热器，以产生不同的温差发电模块热端温度。
所述干法水泥回转窑表面余热发电系统的特征之一是沿干法水泥回转窑烟气流动方向不同反应段，依据不同的窑体表面温度而采用梯级利用，即将整个回转窑沿烟气流动方向划分为n段，每段布置m组温差发电模块，根据不同回转窑表面温度而设置不同参数的集热器，以产生不同的温差发电模块热端温度，在确保半导体温差发电模块工作温度不超出其安全工作温度的前提下，通过优化分析尽可能提高发电模块热端温度，即提高温差发电模块热冷端面温差，从而提高发电效率。根据窑体表面温度，可以分段选择工作温度不同的半导体温差发电模块，不同的工作温度其半导体材料也不同。
所述半导体温差发电模块采用主要是铋、锑、硒、碲组成的固溶体。依据水泥旋转窑不同的表面温度，分段粘贴不同工作温度的半导体温差发电模块。
更进一步的是：半导体工作温度与水泥旋转窑不同表面作温度匹配时，半导体发电模块可以直接粘贴于水泥旋转窑表面，从而省去热端集热器。
所述水泥回转窑沿烟气流动方向划分为n段，每段布置有m组温差发电模块，上下游各温差发电模块之间产生的电能为单独输出或几个乃至全部模块以串联和/或并联互相连接。温差发电模块上下游各段之间可以单独输出电能，也可以几个乃至全部模块以串联和/或并联互相连通，以满足不同的需求。
如权利要求1所述的干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：所述散热器为翅片式、板翅式。当采用风冷方式冷却时，风扇电源来自本温差发电系统产生的电能，无需外接电源，从而实现了自冷却。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)节能。在不影响现有回转窑工艺和结构的前提下，将原来表面白白浪费的余热利用，并直接转换为电能，实现了低品位余热的高效利用，避免了热能转换为机械能，再将机械能转换为电能的复杂过程，并省掉了原回转窑冷却风机，具有节能的优势。
(2)本发明有效解决了水泥回转窑旋转特性造成的余热利用难题，通过滑环、电刷实现旋转机构向固定装置的电能输出，避免了由于水泥回转窑不停旋转产生的缠线问题。
(3)本发明是基于热电转换原理，是一种全固态转换方式，具有结构简单、坚固耐用、清洁、无泄露、无噪声、使用寿命长等优点。
本发明将进一步提高水泥业余热利用水平，推进我国水泥行业的节能减排，符合国家相关产业和节能减排政策，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是图1的A-A截面图；
图3是半导体温差发电模块原理图；
图4为发电系统原理图；
附图标记说明：1-水泥回转窑；2-滑环；3-电刷；4-集热器；5-半导体温差发电模块；6-散热器；7-发电系统支架；8-回转窑支架；9-热端；10-导电体；11-PN型半导体；12-电绝缘体；13-冷端；14-交流负载；15-DC/AC逆变器；16-直流负载；17-DC/DC变换器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
如图1到图4所示，本发明的干法水泥回转窑表面余热发电系统包括集热器4、半导体温差发电模块5和散热器6。其中集热器4紧贴在水泥回转窑1外表面，集热器4材料采用铜或者铝材，以取得更好的传热效果，同时便于发电模块的安装；温差发电模块5夹在集热器4和散热器6之间，三者分层布置在水泥回转窑1表面，且集热器4与温差发电模块5、温差发电模块5与散热器6之间粘贴在一起，随水泥回转窑1一起旋转。粘贴材料可以是导热胶、导热性银浆或锡浆、合金焊料等，以降低接触热阻，提高传热系数。
半导体温差发电模块5是本装置的核心元件，温差发电模块由多块半导体发电芯片组成，每个芯片是由多个半导体PN结11串联而成。它是一种能够将热能直接转换为电能的装置，其基本原理是基于塞贝克效应(Seebeck effect)，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。
水泥回转窑1内流动着高温烟气和物料，高温烟气在加热物料的同时，部分热量以对流和辐射的方式传递到窑内壁上，然后以导热的方式将热量传到水泥回转窑1的外表面，进而散发到环境中，该部分热量不仅白白浪费，而且为了避免窑体过热，通常需要耗能对其进行冷却。本发明的发电原理和过程如下：烟气流经水泥回转窑1加热物料的同时，集热器4吸收其传递到水泥回转窑1外表面的热量，并将热量传递到半导体温差发电模块5的热端9，因此热端温度略低于水泥回转窑1外表面温度；而散热器6与半导体温差发电模块5外侧的冷端13相贴，并将热量传递到环境中，冷端温度略高于环境温度，于是半导体温差发电模块5热端与冷端之间产生100～150℃的温差，在塞贝克效应作用下形成电动势，经滑环2、电刷3、DC/DC变换器17、DC/AC逆变器15，产生直流/交流供电。
同时沿水泥回转窑1内的烟气流动方向，根据回转窑表面温度不同而将整个水泥回转窑1分成n段以实现梯级利用，每段布置m组温差发电模块5，根据不同水泥回转窑1表面温度而设置不同参数的集热器4，以产生不同的温差发电模块5热端温度，一方面确保半导体温差发电模块5工作温度不超出其安全温度，另一方面通过优化分析提高半导体温差发电模块5热端温度，提高发电效率。且半导体温差发电模块5上下游各段之间可以单独输出电能，也可以几个乃至全部模块以串联和/或并联互相连通，以满足不同的需求。
本发明的另外一个特征是温差发电模块5输出的电动势经滑环2、电刷3输出后，连接DC/DC变换器17和DC/AC逆变器15，可供直流负载16或交流负载14使用。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (7)
1.干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：包括有水泥回转窑(1)，在所述水泥回转窑(1)外表面依次布置有集热器(4)、半导体温差发电模块(5)、散热器(6)，呈层状结构排布；所述集热器(4)位于内层，布置于水泥回转窑(1)外表面；所述半导体温差发电模块(5)位于中间层，即处于集热器(4)和散热器(6)之间；散热器(6)位于半导体温差发电模块(5)的冷端(13)一侧；集热器(4)与半导体温差发电模块(5)的热端(9)接触，集热器(4)与半导体温差发电模块(5)、半导体温差发电模块(5)与散热器(6)之间粘贴在一起。
2.如权利要求1所述的干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：所述半导体温差发电模块(5)的冷端(13)一侧面上设有电绝缘体(12)，所述半导体温差发电模块(5)的热端(9)一侧面上设有导电体(10)，在导电体(10)和电绝缘体(12)中间连接有PN型半导体(11)，所述导电体(10)两端连接到电源极。
3.如权利要求1所述的干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：所述半导体温差发电模块(5)依次与滑环(2)、电刷(4)电连接，电刷(4)依次连接到DC/DC变换器(17)和DC/AC逆变器(15)并构成回路，在DC/DC变换器(17)上连接有直流负载(16)，在DC/AC逆变器(15)上连接有交流负载(14)。
4.如权利要求1所述的干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：水泥回转窑(1)沿窑长方向采用梯级设置。
5.如权利要求1所述的干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：所述半导体温差发电模块(5)采用主要是铋、锑、硒、碲组成的固溶体。
6.如权利要求1所述的干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：所述水泥回转窑(1)沿烟气流动方向划分为n段，每段布置有m组温差发电模块(5)，上下游各温差发电模块(5)之间产生的电能为单独输出或几个乃至全部模块以串联和/或并联互相连接。
7.如权利要求1所述的干法水泥回转窑表面余热发电系统，其特征在于：所述散热器(6)为翅片式、板翅式。
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