（机械工程专业论文）基于热电效应工业回转窑余热回收利用的研究.pdf

武汉理 j 人学硕十学位论文 摘要 回转窑是一种重要的工业热工生产设备，在大型水泥生产企业，水泥回转 窑更是决定水泥产量及能耗的关键设备。水泥回转窑窑体表面温度一般在2 0 0 至4 0 0 c 之间，大约1 0 占水泥熟料烧成总能耗的热能通过回转窑表面直接散发 到空气中，造成了大量的热能浪费。因此，回转窑表面余热回收利用的研究具 有重要的意义。 热电材料是一种能将热能直接转换为电能的能源材料，热电发电器件具有 结构简单、无噪声、无污染、体积小、可靠性高等优点，基于熟电材料的发电 技术是目前废热回收技术研究热点之一。 本文对基于热电效应的回转窑表面余热回收技术进行了理论与技术经济研 究。论文首先采用a n s y sw o r k b e n c h 热力学与电学耦合分析仿真软件，建立了 水泥回转窑窑体的有限元温度分析模型，对水泥回转窑窑体的温度分布规律进 行了理论仿真，计算表明窑体表面理论计算温度分布与实际情况基本吻合；其 次，论文创造性的提出了基于热电效应回收利用水泥回转窑表面散失热量的设 想，设计了回转窑表面余热回收系统，建立了热电回收系统理论分析模型，对 回转窑余热回收利用系统的最大输出功率和效率进行了模拟仿真，结果表明： 采用热电发电技术对4 0 0 0 t d 水泥回转窑简体余热回收，其表面散失热量转化 为电能的输出功率可达1 6 4 k w ，系统年发电量为1 5 x 1 0 6 千瓦时，占表面散热量 的0 9 4 ，经济性分析表明回转窑余热回收利用系统的建造成本约为1 2 2 1 元w , 最后，通过分析不同z t 值热电材料回转窑余热回收利用系统，表明随着热电材 料z t 值的增大，回转窑余热回收利用系统的总输出功率和效率显著增加，系统 的建设成本也会显著减少。 综上所述，基于热电效应回收利用水泥回转窑表面余热在技术上和经济上 都具有一定的可行性，本文的研究对热电技术在水泥回转窑余热回收利用的应 用具有一定的理论指导意义。 关键词：水泥回转窑，热电效应，a n s y sw o r k b e n c h ，发电量 武汉理工人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h er o t a r yk i l ni sa ni m p o r t a n te q u i p m e n to ft h ei n d u s t r i a lt h e r m a lp r o d u c t i o n i nt h el a r g ec e m e n tm a n u f a c t u r e r s ，c e m e n tr o t a r yk i l ni sak e ye q u i p m e n tt o d e t e r m i n ec e m e n tp r o d u c t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f t h ec e m e n tr o t a r yk i l ni sg e n e r a l l yb e t w e e n2 0 0 。ct o4 0 0 c ，a b o u t1 0 o ft o t a l e n e r g yc o n s u m p t i o no fc e m e n tc l i n k e rb u r n i n gh e a td i r e c t l yi n t o t h ea t m o s p h e r e t h r o u g ht h er o t a r yk i l ns u r f a c e ，c a u s i n ga 1 6 to fw a s t eh e a t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h e r o t a r yk i l ns u r f a c eh e a tr e c o v e r yh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a li sad i r e c tc o n v e r s i o no fh e a ta n de l e c t r i c i t yo fe n e r g y m a t e r i a l s t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o nd e v i c eh a sas i m p l es t r u c t u r e ，n on o i s e ，n o p o l l u t i o n , s m a l ls i z e ，h i g hr e l i a b i l i t y , e t c p o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e sb a s e do n t h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l si so n eo ft h ew a y so ft h em o s tp r o m i s i n gh e a tr e c o v e r y t e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c h e dt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o re c o n o m i cb a s e do nt h e t h e r m o e l e c t r i ce f f e c to ft h es u r f a c eo fc e m e n tr o t a r yk i i nw a s t eh e a tr e c y c l i n g f i r s t l y , a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h ea n s y sw o r k b e n c h ，t h e r m o d y n a m i c s a n de l e c t r i c a lc o u p l i n g , t h ee s t a b l i s h m e n to fac e m e n tk i l nb o d yf i n i t ee l e m e n t t h e r m a la n a l y s i sm o d e l ，t h ec e m e n tk i l nb o d yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n , e a l c u l a t i o n $ s h o wt h a tt h et h e o r e t i c a ls u r f a c eo ft h ek i i n t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ： s e c o n d l y , t h ep a p e r c r e a t i v ei d e ao ft h eh e a td i s s i p a t i o ns u r f a c eo ft h ec e m e n tr o t a r yk i l nb a s e do nt h e t h e r m o e l e c t r i ce f f e c tr e c o v e r y , t h ed e s i g no far o t a r yk i l ns u r f a c eh e a tr e c o v e r y s y s t e m ，t h ee s t a b l i s h m e n to fat h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e lo ft h e r m o e l e c t r i cr e c o v e r y s y s t e m ，u s et h er o t a r yk i l nw a s t eh e a tr e c o v e r ys y s t e mm a x i m u mo u t p u tp o w e ra n d e f f i c i e n c yo ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yo nt h e4 0 0 0 t | dc e m e n tr o t a r yk i l nw a s t eh e a tr e c o v e r y , t h es u r f a c e d i s s i p a t i o no f h e a ti n t oe l e c t r i c i t yo u t p u tp o w e ru pt o16 4 k w , t h es y s t e mg e n e r a t i n g c a p a c i t yi n 1 5xl0 6m ，a c c o u n t i n gf o r0 9 4 o ft h es u r f a c eo fh e a td i s s i p a t i o n ，t h e a n a l y s i ss h o w s ：t h er o t a r yk i l nw a s t eh e a tr e c y c l i n gs y s t e mc o s to fa b o u t12 21y u a n | h w f i n a l l y , t h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tt h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l sz tv a l u eo ft h er o t a r v k 1 j nh e a tr e c o v e r y s y s t e m ，i n d i c a t i n gt h a tt h et o t a lo u t p u tp o w e ra n de m c i e n c vo ft h e r o t a r yk i l nh e a tr e c o v e r ys y s t e mw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e m o e l e c t r i cm a t e r i a l sz t v a l u e s s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d a s s e s s m e n to ft h e e c o n o m y b a s e do nt h e t h e r m o e l e c t r i ce f f e c to ft h er o t a r yk i l nw a s t eh e a tr e c y c l i n gs y s t e m ，锄dw i t l l t l l e m c r e a g eo ft h et h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l sz tv a l u e ，t h e s y s t e mo fe g o n o m i cc o s t s s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d t h i st h e s i ss h o w st h a tr e c y c l i n gt ot h es u r f a c eo f c e m e n tr o t a r yk i l nw a s t eh e a t i nt h et e c h n i c a la n de c o n o m i c f e a s i b i l i t yb a s e do nt h et l l e n i l o e l e c t r i ce f i e c t t l l i ss t u d v h 觞s o m et h e o r e t i c a lu s eo ft h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g yi nt h ec e m e n t r o t a r yk i l nw 嬲t c h e a tr e c o v e r y a p p l i c a t i o n sg u i d a n c e k e yw o r d s ：c e m e n tr o t a r yk i l n ，t h e r m o e l e c t r i ce f f e c t ，a n s y sw o r k b e n c h ，o u t p u t p 0 w e r 武汉理i i 人学硕托学位论文 第1 章绪论 本章将首先介绍工业余热回收利用以及半导体温差发电课题研究的背景， 然后列述与本课题相关的国、内外研究应用现状，最后详述本文的主要研究工 作。 1 1 课题研究背景及意义 水泥工业是国民经济发展、生产建设和人民生活不可缺少的基础工业。随 着我国经济的发展，水泥产业已达到相当大的规模。国家统计局发布的经济数 据显示，截止2 0 1 1 年1 2 月全国水泥产量1 7 5 0 8 万吨，日平均产量5 6 5 万吨， 同比上月增长7 ；2 0 1 1 年全年生产水泥2 0 6 亿吨，同比增长1 6 1 ，2 0 1 1 年 全国水泥日平均产量，如图l 一1 所示。最近据国家统计局公布的数据，2 0 1 2 年3 月份我国水泥产量为1 7 9 2 8 万吨，同比增长7 9 ；卜3 月份我国水泥累计产量 为3 9 8 1 0 万吨，同比增长7 3 。 水泥 2 0 ：c - 互- ：0 i ：4一!；鼍。鼍：鼍鼍鼍j 吧“， 一4 1 ：； ：一：碍 c = = 习三_ ：! = _ = 量丐：穹+ 囊一妻j 图1 - 12 0 1 1 年全国水泥日平均产量 经过许多年的发展，水泥生产工业历多次重大技术革新，但是水泥回转窑 总是作为关键的锻烧技术设备，为水泥生产锻烧过程提供必要的热量。在水泥 生产过程中，需要在水泥回转窑内进行高温化学、物理反应。由于水泥回转窑 窑内部高温气流与物料之间的换热效率较低，煅烧1 k g 水泥熟料理论上只需消 耗1 7 5 5 6 k j 至1 7 9 7 4 k j 的热量，而实际需要消耗的热量按照设计院提供达到 3 0 11 k j 的热量，热效率仅为5 9 左右，其余通过回转窑窑系统表面散热损失， 窑头和窑尾废气带走热损失等】。国内、外不同窑型的热耗、热效率表1 1 所 。泓l世昭i o 、j_-_-_-_-l 螂f 兰譬睾啪l 刖 。日、 1-_l 篁 圣4 伽坚啪i 4 ，a-i纵iii啪j r v 、 1i 舢产 川l挈狮i 。 一 住k螂i 枷瑚啪 啪啪枷瑚。 武汉理t 火学硕十学位论文 不。 表1 - 1 国内、外不同窑型的热耗、热效率 辽洼长密干 圭长奁半干 圭窑干；毫埙耋! i 嚣窑 热量占皂热量占总热量占皂l 耗热量占甚 疆且 ( k j 热耗( k j 矗耗( u 的百分比( u热耗 h ) 的百a 1 )的百k i )a 1 )的百 分比舟 匕分比 理论焉1 7 5 6 2 & 9 9”4 t o tl t 5 5s z l l1 7 5 3 7 1 热 热水分鼍麓2 组l弧5 l5 6i3 5 2 量 热 衡 废气常走1 1 0 4 1 t 2 21 3 0 4 3 乏 t 4 4 0 6l z o 7 6 9a4 1 热 冷却空气，o l6 13 3 08 _ 2 93 ，91 0 舔3 t1 0 5 3 常走热 赫| i 带走1 3 5z l8 3互档鹞幺5 5 矗 冀体t 夹 2乱篮砒oi 幺8o乱8勉9 舷 蠡 甚热耗0 6 tl 3 9 豁l o o3 3 9l 3 2 t 71 0 0 矗兢搴2 8 札o t6 2 1 15 3 5 7 干挂中空窑灌法窑 车干 击窑 热量占皂热量占擞i热量占皂黼 顶目 l u a热耗 ( k j耗的百 ( u的百分比 1 ) 的百k 1 )分比 a i ) 分比 理论需要臻1 7 5 6 2 6 1 21 7 s 62 6 2 7 1 7 5 63 4 _ 2 筒体热损失僧i 1 1 69 6 1i i 3 1 4 佗乱2 熟料帘走热擒4 3 25 2 t7 9 5 1 0 乱9 热 化牛不完垒1 4 82 21 4 8z 2l 档z 9 蜒烧 量 机饿不，e 垒 l 1 4l 1 5l z 0 麓烧 俺 水分薰发税嬲3 0 钾研3n 2 藉 算 窑灰带走热拢3 4 65 30 t 91 4 82 9 废气常走薅3 1 35 0 91 1 i s1 6 r1 4 3 0瓴2 总热耗6 7 1 8l 6 6 8 3l 5 1 3 tl 热效率2 6 1 2筠钉3 | 2 ( a ) 国外( b ) 国内 水泥熟料锻烧过程中，由窑尾预热器、窑头熟料冷却机等排掉的4 0 0 以下 低温废气余热，其热量约占水泥熟料烧成总耗热量3 0 以上，造成的能源浪费非 常严重。现如今，窑头和窑尾废气余热可通过建设余热发电项目，如图1 2 所示， 取得了经济效益和资源利用效率的最大化。 图1 2 窑尾余热发电锅炉 但是，现有的水泥回转窑简体表面温度均在2 5 0 c 至3 5 0 ，产生和排放了 大约1 0 占水泥熟料烧成总能耗的废弃余热未能得到良好的回收利用。因此，如 何有效充分地利用水泥回转窑简体表面余热资源，对水泥企业是非常重要和迫 切的。 2 武汉理jr 人学硕： 学位论文 半导体温差电作为一种新型绿色清洁的能源，能够利用工业生产中产生的 污染能源和环境中已存在的非污染能源，具有良好的综合社会经济效益【3 1 。伴随 着工业化进程的加快、化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等 工业生产过程中产生的废水和废液逐渐增加，但是其中排放的废弃余热资源量 还是相当可观的。如果将废气余热直接排放到排放到大气、湖泊或者河流中， 将会造成严重的环境污染，甚至还可能会破坏生态平衡。因此工业废弃余热的 合理回收利用是解决能源短缺问题的一个重要方面。采用半导体热电转换模块 可以取代现有的余热锅炉和汽轮机系统进行废弃余热的发电，并且还可降低投 资，增加系统设备的总体稳定性和可靠性。不仅为企业带来巨大的经济效益， 而且在节能和环保等方面也可有较大的提高和改善，所以研究大规模半导体温 差发电的利用以及工业余热的回收利用有着重要的意义。 另外，热电材料是一种将热能与电能直接互相转换的新型半导体功能材料， 将不同的1 3 型和p 型热电臂组合，可制成半导体制冷装置或是半导体温差发电 装置。通过对比普通发电机或压缩制冷器，半导体温差发电器或半导体制冷器 具有结构简单、使用方便、无噪声、无污染、体积小和可靠性高等明显和突出 的优点，可利用工业废热、地热、太阳能等发电，可用作无污染、无噪声的制 冷或发热系统。由于热能与电能的相互转化过程只在热电材料自身内部进行的， 进而热电材料并不处于任何运动状态，这就使得热电材料所产生的能量转化具 有高度的稳定性和可靠性。热电材料还是一种环保节能材料，这不仅由于热电 材料可以将浪费掉的能量转化为有用的能量，而且在这种转化过程中还不会产 生任何环境污染。因此深入研究半导体温差发电技术有着非常现实和长远的战 略性意义。 1 2 课题的研究及现状 本小节分析了半导体热电余热回收研究与应用现状，以及水泥回转窑筒体 表面余热回收利用研究和利用现状，为水泥回转窑简体表面余热回收利用指明 方向。 1 2 1 半导体热电余热回收研究应用现状 随着人们环保意识的逐渐增强以及对未来传统能源的普遍担心，充分回收 3 武汉理t _ 人学硕十学位论文 利用工业废弃余热越来越受到广泛地重视。在工业废弃余热中，余热的品位分 以下三种： ( 1 ) 高温废气余热：废气温度大于6 5 0 ； ( 2 ) 中温废气余热：废气温度3 5 0 - - - 6 5 0 ； ( 3 ) 低温废气余热：废气温度小于3 5 0 。 通常，废弃余热主要来源于高耗能的产业如冶金、化工、发电以及石化等 高耗能行业。其最普遍的形式是管道热水或废气，其中携带大量的废弃热量。 然而，半导体温差发电技术作为一种有效的余热回收发电的方式受到了极大的 关注。 ( 1 ) 汽车废气余热回收【1 0 m 】 汽车废热回收利用发电的典型代表为美国通用公司，如图1 3 所示。其研究 目的是利用半导体温差发电装置把汽车发动机排气口废气热量转化为电能利用， 从而可以部分取代原有的由发动机直接驱动发电机所产生的电能，并且还可达 到节省燃油的目的。 该项目以s u v 为主要的研究对象，经实验和分析表明汽车排除的废气废热 温度最高位于发动机的排气管，几乎达到6 0 0 的高温。该项目中采用半导体温 差发电器件作为能量转化装置，与散热片共同组成一块温差发电组件，若干温 差发电组件围绕发动机散热管排布。经过分析研究，最大可提供9 1 4 w 以上的输 出功率。该系统的社会效益在于有效利用汽车的废弃热能源进行发电。通过实 验样机的试运行，证明该系统是基本成功的。 图1 3 汽车废气余热回收 ( 2 ) 工业余热回收【1 3 1 8 】 4 武汉理l ：人学硕1 ：学位论文 工业余热回收以f 1 本a i s t 研究所为典型，如图1 。4 所示。其主要研究的内 容是：大规模利用工业低温余热，以便能够研究出能产生兆瓦级输出功率的系 统。以焚化炉为该项目的主要热源，其内部温度可达到1 3 0 0 。c 以上，冷端可采用 循环水进行冷却降温，使得冷、热两端能够产生一定温差。在电阻匹配条件下 可实现最大的输出功率。通过实验样机的试运行，证明该系统现在只能处于实 验性小规模样机研究的阶段。 图1 4 工业余热回收 ( 3 ) 船舶废热回收应用【1 9 2 3 】 a b s 和n r 公司根据远洋船舶的特点将热电器件应用于船舶排放废气余热的 回收中，如图1 5 所示。该项目根据废气排放管道的外形和工况，设计了1 8 0 w 的船舶废热回收利用单元。利用1 8 个h z - 1 4 温差发电器件，并组成平行的两组 环型回收发电装置，其热端温度可达到2 5 0 。c ，并成功的应用于远洋船舶中。该 研究项目表明随着温差的变大，其输出功率也相应增加，该研究并还估计了船 舶废热回收应用系统的建设成本和环境对回收利用系统影响。 武汉理t 大学硕十学位论文 图1 - 5 船舶废热回收应用 1 2 2 水泥回转窑简体表面余热研究利用现状 在冶金、水泥等行业，回转窑作为一种重要的热工设备被广泛的使用。尤 其是在大型水泥生产企业，水泥回转窑更是决定其水泥产量及热耗的关键设备。 水泥在生产过程中需要在回转窑内进行高温反应，物料温度可达1 4 0 0 至 1 4 5 0 ( ? ，烟气最高温度可达1 7 0 0 ( 2 左右，由于窑内炽热气流与物料之间的换热 效率较低，而产生大量的废弃余热。因此，如何有效充分地利用大量的回转窑 余热对水泥工厂来说是非常重要的，回转窑余热有以下多种利用途径： ( 1 ) 烟气余热回收利用： ( 2 ) 熟料余热回收利用； ( 3 ) 窑体散热损失的减少和散热的回收利用； ( 4 ) 工艺回收利用的余热。 目前，对于水泥回转窑冷却熟料的窑头篦冷机排除的热废气及回转窑尾气 的利用比较受入关注，提出了众多的余热利用方案【2 4 - 2 6 1 ，但对于上述的水泥窑 表面的余热资源的利用目前还处于起步阶段。通常的做法是间接利用余热热能， 其主要原理是通过在回转窑窑体表面附近安装管道，使余热以热辐射的形式热 能加热外源水或空气。 其中部分企业通过设置水夹套的方式，回收利用回转窑高温带的废弃热量， 6 武汉理i ：人导：硕一卜学佗论文 如图1 2 所示。即在回转窑高温带简体外安装两个半圆形水央套，将回转窑简体 央住。利用窑筒体的散热将央套中的水加热成蒸汽或热水，用于车i 自j 、办公室 的取暖或工厂的浴池【2 7 - 3 0 1 。f f j 女h ：山东泰安鲁润水泥制造有限公司利用了3 2 5 2 m 回转窑简体表面余热设计生产的热水加热装置典型的代表了国内对回转窑 表面余热加热外源水利用的现状。该装置是利用水泥熟料烧成过程中回转窑简 体表面散热所产生的热量通过对流、辐射及传导等热作用通过集热器回收利用， 从而产生可供职工浴室及生活用热水的一种热交换装置。该系统主要包括集热 器、进水管道、供水管道及储水箱4 大部分。未加热的自来水通过水塔经进水 管道传送至集热器加热，再利用重力经由水管道输送至浴室、生活热水储水箱， 供生活、生产使用。 图1 - 6 水夹套方式余热回收利用 另外，还有的小型回转窑企业通过在窑筒体外焊上夹套层的方式，利用回 转窑表面的余热烘干原料或混合材。同时，还利用回转窑的倾斜角度和筒体的 旋转运动，并在夹套中焊上导向叶片，使物料沿着筒壁不断运行并被窑体的散 热烘干，这种利用余热的方法可替代烘干机【3 l 】，如图1 3 所示。例如：某企业的 回转窑表面余热利用装置，它包括回转窑窑体，其特征是，在回转窑窑体外侧固 定连接一壳体，且所述壳体上套置可相对地基静止的活接环，在与活接环对应 处的所述壳体周向设有圆孔阵列。壳体的内表面设有若干扬料板。所述的接环 包括第一活接环和第二活接环。活接环为环状体，活接环通过密封装置套置在 壳体上，且在第一活接环的上侧设有进料孔，在第二活接环的下侧设有出料孔。 此装置可以利用回转窑的表面余热来初步预热物料，且可以保证待预热物料始 终处于扬料状态，避免待预热物料在容器内的堆积和硬化。 7 武汉理下人学硕十学位论文 图1 7 余热物料烘干装置 1 3 论文研究的目标和主要内容 回转窑是一种重要的工业热工生产设备，在大型水泥生产企业，水泥回转 窑更是决定水泥产量及能耗的关键设备。水泥回转窑窑体表面温度一般在2 0 0 至4 0 0 。c 之间，大约1 0 占水泥熟料烧成总能耗的热能通过回转窑表面直接散发 到空气中，造成了大量的热能浪费。因此，回转窑表面余热回收利用的研究具 有重要的意义。 针对窑体表面大量热量散失情况，将对水泥回转窑简体表面温度分布及特点 进行详细分析，对水泥回转窑简体散热回收方法及余热利用进行探讨；参考半 导体温差发电原理，大胆提出设想，运用基于热电效应的余热回收利用技术将 回转窑表面的散失热量加以回收利用。计算了利用回转窑表面余热热电发电技 术的发电量和效率，并评估其经济性，为回转窑余热回收利用发电提供基础性 指导。具体内容可分为以下几个方面： ( 1 ) 深入了解热电发电原理、回转窑基础知识以及余热回收技术的理论基 础： ( 2 ) 创造性的提出了基于热电效应回收利用水泥回转窑表面散失热量的设 想，设计了回转窑表面余热回收系统，并且详述回转窑余热回收利用系统的组 成； ( 3 ) 采用a n s y sw o r k b e n c h 热力学与电学耦合分析仿真软件，建立了水泥 8 武汉理t 人学硕十学位论文 回转窑窑体的有限元温度分析模型，对水泥回转窑窑体的温度分柿规律进行了 理论仿真； ( 4 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 建立了热电回收系统理论分析模型，对回转窑 余热回收利用系统的最大输出功率和效率进行了模拟仿真； ( 5 ) 总结和评估利用回转窑表面简体余热热电发电系统总发电量、效率和 系统经济性。 9 武汉理r = 人学硕+ 学位论文 第2 章相关基本理论 2 1 传热学的基本原理 传热学( h e a tt r a n s f e r ) 是研究由温差引起的热能传递规律的学科。热的传递 是由于物体内部或物体之间的温度不同引起的。当无外功输入时，根据热力学 第二定律，热量总是自动的从温度较高的部分传递给温度较低的部分，根据传 热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。 2 1 1 热传导 当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时，物体各部分 之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产 生的热量传递称为热传导( h e a tc o n d u c t i o n ) ，简称导热。 通过对大量实际导热问题的分析，已将导热现象的规律总结为傅里叶 ( f o u r i e r ) 定律。根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温 度变化率及面积成正比，即： = - 翩a t d x ( 2 - 1 ) 式中：巾为导热的热量；人为导热系数；a 为导热的面积；d t d x 为温度在 热传导方向上的变化率。式中的导热系数入，表示以导热方式进行热传递的速 率，其数值主要决定于材料的物理性能。 2 1 2 对流传热 热对流( h e a tc o n v e c t i o n ) 是指由于流体的运动而引起的流体各部分之间发 生相对移动，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。流体流过一个物体 表面时流体与物体表面间的热量传递过程，称为对流传热( c o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e r ) 。 对流传热的基本计算公式是牛顿冷却公式( n e w t o n sl a wo f c o o l i n g ) ： 西： 彳t( 2 2 ) 1 0 武汉理j r 大学硕十学位论文 式中：h 为表面传热系数；a t 为温度差。式中的表面传热系数h ，表示以 对流传热中热传递的速率，其数值不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、 大小与布置，而且还与流速有密切关系。 2 1 3 辐射传热 自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物 体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体 间的热量传递辐射传热( r a d i a t i v eh e a tt r a n s f e r ) 。 辐射传热公式简单的表示为： o = 削仃i z 4 一砰 ( 2 3 ) 式中：为物体的发射率：0 为斯潘波尔兹曼常量，其值为5 6 7 l o 。8 w ( m 2 , 9 4 ) ；t 为黑体热力学温度；式中的物体的发射率，其值总小于1 ，它与 物体的种类及表面状态有关。 2 2 温差发电的基本原理 半导体温差发电是在半导体热电材料的两端存在温差时，在半导体热电材 料两端产生电动势的现象。热电效应是各种电效应的总称，其包括塞贝克 ( s e e b e c k ) 效应、帕尔贴( p e l t i e r ) 效应和汤姆逊( t h o m s o n ) 效应、焦耳( 3 0 u l e ) 效应以及傅里叶( f o u r i e r ) 效应，通过这五个效应，实现热能与电能的转换。 武汉理：r 火学硕士学位论文 2 2 1 塞贝克( s e e b e c k ) 效应 t l 导体a t 2 导体b 图2 1 热电效应示意图 塞贝克( s e e b e c k ) 效应是热能转换为电能的现象。如图2 1 所示，对于两 种不同的导体串联形成的回路，如果使两个接头维持在不同的温度互和正，则 在导体之间就会产生一个开路电位差，其大小为： 。厶= 口口6 佤一互j ( 2 - 4 ) 式中，a 曲定义为两种导体的相对塞贝克系数。如果两接头间的温差 a t = 瓦一z 不是很大，口曲可视为常数。塞贝克系数有正有负，其方向规定为： 若电流在接头l 处由导体a 流入导体b ，口曲为正，反之为负。可见，口曲的大 小和正负取决于组成回路的导体材料的温差电特性。 2 2 2 帕尔贴( p e l t i e r ) 效应 如图1 1 所示，在x 、y 之间施加一个电动势，则将有电流在a 和b 两种导 体构成的回路中通过，同时在接触面位置，还要伴随着在两中导体的接头处一 个吸热，另一个放热现象的产生，这个现象称为帕尔贴( p e l t i e r ) 效应。 经过实验表明，接头处上的热量交换与电流成正比： qp=万西i(2-5) 式中，靠“为导体a 、b 的相对帕尔帖系数。当电流在接头处由导体a 流向 导体b 时，该接头从外界吸热，则曲为正，反之为负。 1 2 武汉理：1 ：人学硕士学位论文 2 2 3 汤姆逊( t h o m s o n ) 效应 若电流通过存在有温度梯度的导体，将在导体和周围环境之间产生能量转 换，这种现象称为汤姆逊( t h o m s o n ) 效应。实验表明：单位长度吸收或放出的热 与电流和温度梯度的乘积成正比： g = a d t a x ( 2 - 6 ) 式中，t 为汤姆逊系数，与材料性质和温度有关。一般规定，当电流沿正 温度梯度方向流动时，若导体吸热，则汤姆逊系数为正，反之为负。汤姆逊效 应将原本以为没有联系的塞贝克系数和帕尔贴系数之间建立了相互的联系。 2 3 水泥回转窑的基本理论 回转窑广泛用于冶金、化工、建筑耐火材料以及环保等工业。水泥回转 窑更是水泥熟料干法和湿法生产线的重要设备。 。2 3 1 水泥回转窑的结构 水泥回转窑主要由简体，支承装置，带挡轮支承装置，传动装置，活动 窑头，窑尾密封装置，喷煤管装置等部分组成，如图2 2 所示。 图2 2 水泥回转窑结构简图 回转窑是圆形简体，窑体与水平呈一定的倾斜，整个回转窑窑体由托轮 装置支承，电动机经过减速后，通过小齿轮带动大齿轮使简体作回转运动。 还安装有控制窑体上下窜动的挡轮装置，传动系统除设置主传动外，还设置 了当主电源中源断时仍能使窑体转动，以及防止窑体弯曲变形的辅助传动装 置，窑头、窑尾密封装置采用了先进的技术，保证了密封的安全可靠性。 h 套蛙直 烈鳋 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 水泥窑工艺带划分 水泥回转窑内根据物料的形成过程可分为干燥带、预热带、碳酸盐分解带、 放热反应带、烧成带和冷却带六个带。窑系统由于湿度及反应速率的不同，回 转窑内以上各带不是截然分开的，各带没有明显的界限，而是互相交又的。随 着窑内下料量的多少、温度高低、通风状况、火焰长短等因素而变化。新型干 法窑由于预热和碳酸盐分解都移到窑外的预热器和分解炉内进行，窑内分为三 个带，即过渡带、烧成带和冷却带。传统水泥窑工艺带的划分，如表2 1 所示。 表2 2 传统水泥窑工艺带的划分 干 去窑湿 去窑 上乙帘立波尔窑 篦冷机多筒冷却机篦冷机多筒冷却机 卸料带( 冷 2 - - 3 圈2 - - 3 圈 l 1 5 d 2 - - 3 圈 1 - - 1 印 却带) 烧成带 4 d4 d4 d4 6 d4 6 d 过渡带 2 1 )4 6 d4 6 d7 1 2 d7 1 2 d 分解带 2 1 )2 1 )2 02 1 )2 0 预热带 6 d6 d6 d1 4 - - 2 5 b1 4 2 5 d 进料端( m ) 1ll11 2 3 3 水泥回转窑的热经济 注- 表中o 为回转窑简体直径 煅烧形成l k g 的水泥熟料，理论上计算只需要消耗1 7 0 0 k j 至1 7 5 0 k j 的热 量，但由于生产方法和煅烧设备的不同，实际上需要消耗3 0 0 0 k j 至6 8 0 0 k j 的 热量。这种理论上需要的热量与实际消耗的热量之比，称之为回转窑的热效率。 各种内型窑由于热耗不同，其热效率也不同，国外新型干法预热器窑的熟料热 耗一般为3 0 0 0k j k g 至3 3 0 0 k j k g ，热效率为5 2 至5 3 ，而湿法窑或是老式干 法窑熟料的热耗一般为5 3 0 0k j k g 至6 8 0 0 k j k g ，热效率为2 5 至3 5 ，两者相 差将近一倍。国内、外不同窑型的热耗、热效率，见表2 - 2 所示。 1 4 武汉理 ：大学硕十学位论文 表2 3 国内、外不同窑型的热耗、热效率 涅 圭长窖干j 圭长窗半干j 圭窑干 圭预女憎窑 热量占总热量占总热热量占躲热量占息 硪矗 ( 玎 荔耗( 蚶幌的百( k j k耗的百( ”菇耗 a - )的百a s )分比 1 )分比 k - ) 的百 分比 分 匕 理论- 臼i1 7 6 6砑9 9 l t 5 6 0 1 t 5 65 z i l1 7 5 6韶7 7 菇 热水分纛发 恐l l鹅6 15 6l 毫6 2 掼 热 失 废气帝走 1 1 0 41 8 毖1 3 0 3 2 1 1 1埔i z0 4f 2 文7 蠢 冷却空气i 6 t3 t 鞠口l 饥晡3 盯i 饥6 3 常走精 赫料帝走1 箝z l幺柏幺钙 髂 体救失啪9 5 l ol t l渤t 03 恐昭 矗 息藉耗6 惦下1 0 03 螂1 0 03 筠9l 3 钉下l 赫触奉 丝“o t5 毫l i鼠5 ( a ) 国外 2 4 本章小结 干 击中空窑湿 击窑半干法窑 魁占总热触占撼舭占怠觥 项目 ( k j k s耗的百( 叮耗的百( 叮a的百分比 )分比k i )分i 七) 理论需要热1 7 5 62 6 1 21 7 5 62 6 2 71 7 铀朝2 筒体热损失7 8 1 1 1 6l1 4 3 74 7 29 2 蠢赫料带走菇2 髓3 25 2 7t 95 1 09 9 化学不先垒 1 4 82 21 4 8z 2l 蚰幺 损 最烧 机坂不走垒i 1 i 1 5l 乞o 失憾烧 水分薰发耗 2 0 2 32 7研3n 2 蒋 窑灰带走热2 托3 4 65 3o 7 91 佃z 废弃带走热 m 1 35 0 91 1 1 51 6 t1 4 砑2 总热耗6 y 1 8l 6 6 l 5 1 3 t1 蔫藏率拍i 22 6 2 73 4 2 ( b ) 国内 本章从传热学基本原理、温差发电基本原理、水泥回转窑结构特点方面描 述了建立水泥回转窑简体表面余热发电系统的基础理论。为后面章节的水泥回 转窑温度场模型、水泥回转窑表面余热发电系统分析、建模、计算奠定了理论 基础。 武汉理- 1 ：大学硕+ 学位论文 第3 章回转窑温度场模型的建立 本章简述了水泥回转窑内的传热情况，建立了水泥回转窑的几何模型及水 泥回转窑有限元模型，计算了水泥回转窑筒体外表面与环境的传热系数，确定 了水泥回转窑有限元模型计算边界条件，应用a n s y sw o r k b e i l c h 软件对水泥回 转窑温度场进行了分析。 3 1 水泥回转窑内的传热 根据传热学理论，在水泥回转窑窑内化石燃料燃烧的过程中，水泥回转窑 的传热过程存在稳态传热和非稳态传热两种情况，水泥回转窑内部的传热属于 稳态传热，水泥回转窑内部传热同时包括热传导、热对流和热辐射三种形式。 回转窑窑内主要的热源是：煤粉燃烧产生时高温烟气所携带的热量。热量 主要以对流和辐射的方式传给窑内壁和物料，窑内壁还以各种方式传给要内壁 和物料，窑内壁还以各种方式向物料传热，窑内壁通过热传导的方式将热量传 到简体外表面，筒体外表面通过对流和辐射的方式向环境散发热量。水泥回转 窑内传热情况，如图3 1 所示。 图3 - 1 水泥回转窑传热示意图 图中，为烟气对暴露物料表面的传热：为烟气对暴露窑壁表面的传热： 为暴露窑壁表面对暴露物料表面的传热：为暴露窑壁表面对暴露窑壁表面 的传热；为覆盖窑壁对覆盖物料的传热为对环境的热损失。 1 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 3 2 水泥回转窑的几何模型 水泥回转窑是水泥熟料煅烧系统中的主要设备。水泥回转窑由筒体、支撑 装置、传动装置、密封装置、喂料装置等组成。水泥回转窑是圆形简体，倾斜 的安装在数对托轮上，电动机经过减速后，通过小齿轮带动大齿轮使回转窑简 体作回转运动。生料由喂料装置从窑尾加入，在窑内与烟气进行热交换，物料 受热后，发生一系列的物理化学变化，逐渐变成熟料，由于回转窑的窑体有一 定斜度并且不断地回转，使熟料逐渐向前移动，最后水泥煅烧熟料从水泥回转 窑窑头卸出。 本文采用4 0 0 0 t d 水泥回转窑作为分析依据，其水泥回转窑基本尺寸以及 材料，如表3 1 所示。 表3 1 水泥回转窑材料以及尺寸 项目参数 回转窑规格中4 8 7 2i l l 筒体材料碳钢 大目朝1 耐火砖材料同1 口1 铬镁砖等 根据某水泥企业所给的平面图纸，利用s o li dw o r k s 对水泥回转窑进行几 个建模，其基本结构简图，如图3 2 至3 3 所示。 图3 - 2 水泥回转窑平面简图 1 7 武汉理工大学硕十学位论文 图3 3 水泥回转窑立体简图 水泥回转窑窑体是水泥回转窑的主要组成部分，它是一个钢质的圆筒，预 先用钢板做成一段一段的圆筒，安装时再把各段铆接或焊接而成，直径一般为 2 m 至6 m ，长度一般为3 0 m 至2 0 0 m 。水泥回转窑筒体外部通过板簧和大齿圈连接， 回转窑简体内部砌有耐火砖、挂有窑皮。轮带活套在筒体上，并支承在托轮上， 托轮分别与垂直方向呈一定角度安装。其