CN105651041B - 一种水泥回转窑表面余热回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥回转窑表面余热回收装置及方法，该水泥回转窑表面余热回收装置在水泥回转窑的外表面沿周向设置，包括半导体热电发电模块圆环组、支架，半导体热电发电模块圆环组由若干半导体热电发电模块圆环通过轴向连接装置同轴连接，各个半导体热电发电模块圆环由大小相同的等数量半导体热电发电模块通过径向连接装置连接组成。本发明装置不随水泥回转窑的窑体转动，具有结构简单、坚固耐用、清洁、无噪声、使用寿命长等优点。进一步地，本发明可以通过控制集热器与回转窑之间的距离，获得合适的温度，从而得到高品质的热源。本发明提高了水泥回转窑的余热利用效率，降低了能耗和生产成本，提高了经济效益。

Description

一种水泥回转窑表面余热回收装置及方法

技术领域

本发明属于水泥回转窑的筒体外表余热回收利用领域，尤其涉及一种水泥回转窑表面余热回收装置及方法。

背景技术

2013年，全国水泥产量累积达到2,414,396,617吨，同比增长9.57％，水泥生产过程中大量的能量以热能的形式散失，造成了大量的浪费。水泥回转窑是水泥生产的关键设备，其表面余热的回收利用技术起步较晚，方式较少。目前回转窑表面余热回收利用措施有限，其热能回收利用方式主要是采用水管蒸汽集热和温差发电模块两种方式。由于采用水管蒸汽方式集热，存在有高温热水容易泄露、集热温度不可控制等隐患，且需要进行日常检修，且热能回收效率低，热交换差，水冷循环效率低。与此同时，采用温差发电模块的方式是直接安装在回转窑筒体的外表面并随回转窑转动，严重的影响了回转窑筒体表面的正常散热，这样很容易造成窑体表面的温度升高，对窑体表面钢结构造热应力破坏，危害回转窑窑体的运行安全。总之，其上述两种方法对回转窑余热回收量不可调控，结构固定不可实时变化，且系统复杂、实用性不强、建造成本较高。

发明内容

本发明针对现有水泥回转窑表面余热回收技术余热回收量不可调控、回收装置结构固定不可随水泥回转窑的实际大小变化，回收装置复杂、实用性不强、建造成本较高的问题，提供一种水泥回转窑表面余热回收装置及方法，结构简单、坚固耐用，对水泥回转窑表面余热的回收效果好，提高了余热利用效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水泥回转窑表面余热回收装置，该水泥回转窑表面余热回收装置在水泥回转窑的外表面沿周向设置，包括半导体热电发电模块圆环组、支架，半导体热电发电模块圆环组由若干半导体热电发电模块圆环通过轴向连接装置同轴连接，各个半导体热电发电模块圆环由大小相同的等数量半导体热电发电模块通过径向连接装置连接组成，半导体热电发电模块圆环组通过支架固定在工作平台上。

按上述技术方案，所述半导体热电发电模块由集热器、半导体热电发电器件、散热器组成，半导体热电发电器件设置于集热器与散热器之间，集热器固定在半导体热电发电器件的热端，集热器位于水泥回转窑一侧；散热器固定在半导体热电发电器件的冷端，散热器位于该水泥回转窑表面余热回收装置的背向水泥回转窑的一侧。

按上述技术方案，所述半导体热电发电器件具体为基于热电效应的半导体热电发电材料对组成的长方体扁平器件，其高温区域采用SiGe或者LAST材料，中温区域采用CoSb₃或者PbTe材料，低温区域采用Bi₂Te₃或者Sb₂Te₃材料。

按上述技术方案，所述半导体热电发电器件与集热器、散热器之间分别填充有保温材料，保温材料具体为泡沫玻璃或者泡沫混凝土或者无机保温砂浆或者聚苯颗粒保温砂浆或者矿棉。

按上述技术方案，所述集热器为波浪形结构，同时表面涂覆吸热涂层；散热器为三角形翅板式。

按上述技术方案，所述水泥回转窑表面、集热器表面、散热器表面分别设置有温度检测装置。

按上述技术方案，所述径向连接装置包括多个径向连接头，径向连接头对半导体热电发电模块圆环内的相邻半导体热电发电模块进行连接，径向连接头由第一可调角度连接头、转销、第二可调角度连接头组成，第一可调角度连接头与第二可调角度连接头通过转销相铰接，第一可调角度连接头与第二可调角度连接头均可绕转销摆动，第一可调角度连接头、第二可调角度连接头分别与2个相邻的半导体热电发电模块固连；轴向连接装置包括多个轴向连接头，轴向连接头对相邻半导体热电发电模块圆环进行连接，轴向连接头由工型块、连接销钉组成，相邻半导体热电发电模块圆环的对应处2个半导体热电发电模块，其中一个与工型块固定，另一个半导体热电发电模块与工型块通过可拆卸的连接销钉连接。

按上述技术方案，所述支架由齿状连接器、转轴、立柱、导轮座、导轮组成，齿状连接器与半导体热电发电模块圆环组匹配连接，齿状连接器通过转轴与立柱相连，立柱的下端固连有导轮座，导轮座内安装有导轮；导轨多条平行安设于地面，使支架在导轨上前后滑动。

本发明还提供一种水泥回转窑表面余热回收方法，将半导体热电发电模块在水泥回转窑的外表面沿周向设置，半导体热电发电模块由集热器、半导体热电发电器件、散热器组成，半导体热电发电器件设置于集热器与散热器之间，集热器固定在半导体热电发电器件的热端，集热器位于水泥回转窑一侧；散热器固定在半导体热电发电器件的冷端，散热器位于该水泥回转窑表面余热回收装置的外侧，计算集热器与水泥回转窑之间的径向距离。

按上述技术方案，所述计算集热器与水泥回转窑之间的径向距离，具体为

其中t_gap为水泥回转窑窑体到半导体热电发电模块圆环之间的径向距离，r_shel为回转窑外表面半径，r_brick为耐火砖半径，x为半导体热电发电模块圆环组的轴向总长度，r_kiln为回转窑内壁直径，T_kiln为回转窑内壁温度，T_surface回转窑外表面温度，T_hot为半导体热电发电模组的集热器温度，σ为波尔兹曼常数，h^c _gap为回转窑内壁与半导体热电发电模块圆环之间间隙的散热系数，ε_surface为回转窑表面黑度，ε_hot为半导体热电发电模组的集热器黑度，λ_brick为耐火砖导热系数，λ_shel为筒体的导热系数。

本发明产生的有益效果是：本发明在水泥回转窑外表面设置半导体热电发电模块组，实现对水泥回转窑表面余热的回收，采用将模块化的半导体热电发电模块进行拼接的方式，装置组装方便，并可以根据水泥回转窑的实际直径大小调节水泥回转窑表面余热回收装置的大小。可以通过半导体热电发电模块的保温作用，节约水泥回转窑煤粉的用量。水泥回转窑表面余热回收装置中，集热器采用波浪式结构，集热效果好，散热器采用三角形翅板式结构，散热效果明显。本发明装置不随水泥回转窑的窑体转动，具有结构简单、坚固耐用、清洁、无噪声、使用寿命长等优点。进一步地，本发明可以通过控制集热器与回转窑之间的距离，获得合适的温度，从而得到高品质的热源。本发明提高了水泥回转窑的余热利用效率，降低了能耗和生产成本，提高了经济效益。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例水泥回转窑表面余热回收装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中半导体热电发电模块的结构示意图；

图3是图2中集热器的局部放大图；

图4是图2中散热器的局部放大图；

图5是本发明实施例中径向连接头的连接示意图；

图6是本发明实施例中径向连接头、轴向连接头的连接示意图；

图7是本发明实施例中支架的结构示意图；

图8是本发明实施例半导体热电发电模块组分布设置示意图；

图9是本发明实施例水泥回转窑表面余热回收装置的横截面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种水泥回转窑表面余热回收装置，如图1所示，该水泥回转窑表面余热回收装置在水泥回转窑1的外表面沿周向设置，包括半导体热电发电模块圆环组、支架，半导体热电发电模块圆环组由若干半导体热电发电模块圆环通过轴向连接装置同轴连接，各个半导体热电发电模块圆环由大小相同的等数量半导体热电发电模块2通过径向连接装置连接组成，半导体热电发电模块圆环组通过支架5固定在工作平台上，水泥回转窑表面余热回收装置与水泥回转窑之间不接触，留有空隙。水泥回转窑表面余热回收装置相对于水泥回转窑不发生转动，不影响水泥回转窑自身结构及运行。半导体热电发电模块为模块设计制造，大小统一，便于模块组，且当水泥回转窑的窑体大小改变后或改变余热回收量时可适当增加或减少半导体热电发电模块，易形成圆环状体。解决了水泥回转窑表面余热资源利用的难题，将一部分热能直接转化为电能，同时还具有保温减少燃料的作用，且具有结构简单，坚固耐用，使用寿命较长的特点。半导体热电发电模块圆环组依次连接，并连接到DC/DC变化器和DC/AC逆变器上并构成电流回路，水泥回转窑表面余热回收装置产生的电能传递给DC/DC变化器和DC/AC逆变器，在DC/DC变化器上连接有直流负载，在DC/AC逆变器上连接有交流负载，实现交流/直流供电，提供直流交流、负载使用。

水泥回转窑表面余热回收装置中，计算集热器与水泥回转窑之间的径向距离，具体为

其中t_gap为水泥回转窑窑体到半导体热电发电模块圆环之间的径向距离，r_shel为回转窑外表面半径，r_brick为耐火砖半径，x为半导体热电发电模块圆环组的轴向总长度，r_kiln为回转窑内壁直径，T_kiln为回转窑内壁温度，T_surface回转窑外表面温度，T_hot为半导体热电发电模组的集热器温度，σ为波尔兹曼常数，h^c _gap为回转窑内壁与半导体热电发电模块圆环之间间隙的散热系数，ε_surface为回转窑表面黑度，ε_hot为半导体热电发电模组的集热器黑度，λ_brick为耐火砖导热系数，λ_shel为筒体的导热系数。

水泥回转窑与集热器之间的距离确定后，其回收电能P_te为：

其中ε_cold为半导体热电发电模组的散热器黑度，A_cold为半导体热电发电模组的散热器面积，h_c为为半导体热电发电模组的散热器的散热系数，T_amb为环境温度。

其中，如图2、图3、图4所示，半导体热电发电模块2由集热器201、半导体热电发电器件202、散热器205组成，半导体热电发电器件设置于集热器与散热器之间，集热器固定在半导体热电发电器件的热端，集热器位于水泥回转窑一侧，用于吸收水泥回转窑产生的余热；散热器固定在半导体热电发电器件的冷端，散热器位于该水泥回转窑表面余热回收装置的背向水泥回转窑的一侧，用于将热量传递至周围环境，并可以在本发明实施例装置的外部安设有轴流风机，用于将热量传递至周围环境。风冷电能可以使用来自于温差发电自身产生的电能，无需外接其他供电设备。

其中，半导体热电发电器件具体为基于热电效应的半导体热电发电材料对组成的长方体扁平器件，其高温区域采用SiGe或者LAST材料，中温区域采用CoSb₃或者PbTe材料，低温区域采用Bi₂Te₃或者Sb₂Te₃材料。半导体热电发电器件203之间采用粘接导热材料204固定，粘接导热材料可以是导热胶，导热性银浆、焊锡等。

进一步地，半导体热电发电器件与集热器、散热器之间分别填充有保温材料，保温材料具体为泡沫玻璃或者泡沫混凝土或者无机保温砂浆或者聚苯颗粒保温砂浆或者矿棉。水泥回转窑使用保温材料节约的能量Q_save为：

其中λ_air为空气的导热系数，Re，Gr'，Pr为周围空气的雷诺数，格拉晓夫数，普朗特数，T'_surface为未安装一种水泥回转窑表面余热回收利用装置时回转窑的表面温度。

进一步地，集热器201可以为波浪形结构，同时表面涂覆吸热涂层，对于水泥回转窑的窑长方向(轴向)的不同位置采用不同吸热涂层的集热器。对于半导体热电发电模块组在水泥回转窑窑长方向采用冷却带、烧成带、过度带分布设置。采用不同的集热器、散热器、半导体热电发电器件，以产生不同的温度差，从而达到最佳的发电效率。

散热器205为三角形翅板式，散热效果明显。

进一步地，水泥回转窑表面、集热器表面、散热器表面分别设置有温度检测装置。便于调节水泥回转窑与半导体热电发电模块圆环组的距离从而控制其温度、回收利用量的变化。

进一步地，径向连接装置包括多个径向连接头，径向连接头对半导体热电发电模块圆环内的相邻半导体热电发电模块进行连接，如图5所示，径向连接头由第一可调角度连接头301、转销302、第二可调角度连接头303组成，第一可调角度连接头与第二可调角度连接头通过转销相铰接，第一可调角度连接头与第二可调角度连接头均可绕转销摆动，第一可调角度连接头、第二可调角度连接头分别与2个相邻的半导体热电发电模块固连。通过改变转销转动位置从而达到相邻两个半导体热电发电模块角度可调的目的，使得在径向方向上组成圆环状，有利于回收利用余热。

轴向连接装置包括多个轴向连接头，轴向连接头对相邻半导体热电发电模块圆环进行连接，如图6所示，轴向连接头由工型块401、连接销钉402组成，相邻半导体热电发电模块圆环的对应处2个半导体热电发电模块，其中一个与工型块固定，另一个半导体热电发电模块与工型块通过可拆卸的连接销钉连接。通过轴向连接装置使得相邻的2个半导体热电发电模块圆环在轴向连接，水泥回转窑表面余热回收装置内部的所有半导体热电发电模块固定形成网络。

进一步地，如图7所示，支架由齿状连接器501、转轴502、立柱503、导轮座504、导轮505组成，齿状连接器与半导体热电发电模块圆环组匹配连接，齿状连接器通过转轴与立柱相连，立柱的下端固连有导轮座，导轮座内安装有导轮6；导轨多条平行安设于地面，使支架在导轨上前后滑动。

本发明实施例还提供一种水泥回转窑表面余热回收方法，将半导体热电发电模块在水泥回转窑的外表面沿周向设置，半导体热电发电模块由集热器、半导体热电发电器件、散热器组成，半导体热电发电器件设置于集热器与散热器之间，集热器固定在半导体热电发电器件的热端，集热器位于水泥回转窑一侧；散热器固定在半导体热电发电器件的冷端，散热器位于该水泥回转窑表面余热回收装置的外侧，计算集热器与水泥回转窑之间的径向距离。

其中，所述计算集热器与水泥回转窑之间的径向距离，具体为

其中t_gap为水泥回转窑窑体到半导体热电发电模块圆环之间的径向距离，r_shel为回转窑外表面半径，r_brick为耐火砖半径，x为半导体热电发电模块圆环组的轴向总长度，r_kiln为回转窑内壁直径，T_kiln为回转窑内壁温度，T_surface回转窑外表面温度，T_hot为半导体热电发电模组的集热器温度，σ为波尔兹曼常数，h^c _gap为回转窑内壁与半导体热电发电模块圆环之间间隙的散热系数，ε_surface为回转窑表面黑度，ε_hot为半导体热电发电模组的集热器黑度，λ_brick为耐火砖导热系数，λ_shel为筒体的导热系数。

水泥回转窑与集热器之间的距离确定后，其回收电能P_te为：

其中ε_cold为半导体热电发电模组的散热器黑度，A_cold为半导体热电发电模组的散热器面积，h_c为为半导体热电发电模组的散热器的散热系数，T_amb为环境温度。

水泥回转窑使用保温材料节约的能量Q_save为：

其中λ_air为空气的导热系数，Re，Gr'，Pr为周围空气的雷诺数，格拉晓夫数，普朗特数，T'_surface为未安装一种水泥回转窑表面余热回收利用装置时回转窑的表面温度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种水泥回转窑表面余热回收装置，其特征在于，该水泥回转窑表面余热回收装置在水泥回转窑的外表面沿周向设置，包括半导体热电发电模块圆环组、支架，半导体热电发电模块圆环组由若干半导体热电发电模块圆环通过轴向连接装置同轴连接，各个半导体热电发电模块圆环由大小相同的等数量半导体热电发电模块通过径向连接装置连接组成，半导体热电发电模块圆环组通过支架固定在工作平台上，所述半导体热电发电模块由集热器、半导体热电发电器件、散热器组成，半导体热电发电器件设置于集热器与散热器之间，集热器固定在半导体热电发电器件的热端，集热器位于水泥回转窑一侧；散热器固定在半导体热电发电器件的冷端，散热器位于该水泥回转窑表面余热回收装置的背向水泥回转窑的一侧，所述集热器为波浪形结构，同时表面涂覆吸热涂层；散热器为三角形翅板式，所述支架由齿状连接器、转轴、立柱、导轮座、导轮组成，齿状连接器与半导体热电发电模块圆环组匹配连接，齿状连接器通过转轴与立柱相连，立柱的下端固连有导轮座，导轮座内安装有导轮；导轨多条平行安设于地面，使支架在导轨上前后滑动。

2.根据权利要求1所述的水泥回转窑表面余热回收装置，其特征在于，所述半导体热电发电器件具体为基于热电效应的半导体热电发电材料对组成的长方体扁平器件，其高温区域采用SiGe或者LAST材料，中温区域采用CoSb₃或者PbTe材料，低温区域采用Bi₂Te₃或者Sb₂Te₃材料。

3.根据权利要求1所述的水泥回转窑表面余热回收装置，其特征在于，所述半导体热电发电器件与集热器、散热器之间分别填充有保温材料，保温材料具体为泡沫玻璃或者泡沫混凝土或者无机保温砂浆或者聚苯颗粒保温砂浆或者矿棉。

4.根据权利要求2或3所述的水泥回转窑表面余热回收装置，其特征在于，所述水泥回转窑表面、集热器表面、散热器表面分别设置有温度检测装置。

5.根据权利要求1所述的水泥回转窑表面余热回收装置，其特征在于，所述径向连接装置包括多个径向连接头，径向连接头对半导体热电发电模块圆环内的相邻半导体热电发电模块进行连接，径向连接头由第一可调角度连接头、转销、第二可调角度连接头组成，第一可调角度连接头与第二可调角度连接头通过转销相铰接，第一可调角度连接头与第二可调角度连接头均可绕转销摆动，第一可调角度连接头、第二可调角度连接头分别与2个相邻的半导体热电发电模块固连；轴向连接装置包括多个轴向连接头，轴向连接头对相邻半导体热电发电模块圆环进行连接，轴向连接头由工型块、连接销钉组成，相邻半导体热电发电模块圆环的对应处2个半导体热电发电模块，其中一个与工型块固定，另一个半导体热电发电模块与工型块通过可拆卸的连接销钉连接。