專利名稱：干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種干法水泥生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯低溫余熱利用技術(shù)，更具體的說，它是一 種利用干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱的熱電轉(zhuǎn)換方法和裝置，是以工業(yè)余熱利用發(fā)電為目標(biāo)的 新能源開 發(fā)利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
世界水泥產(chǎn)量的一半出自中國，水泥制造是一種典型的高能耗、高物耗、高污染的 行業(yè)，干法水泥生產(chǎn)過程中，回轉(zhuǎn)窯的表面有大量余熱常年連續(xù)向外散發(fā)，表面溫度通常不 低于150°C，為保證窯體不因過熱而損壞需要進行降溫冷卻，水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱不但白白 浪費，而且降溫過程還需消耗能量。目前干法水泥生產(chǎn)線，通過余熱鍋爐回收水泥回轉(zhuǎn)窯窯頭篦冷機廢氣余熱和回轉(zhuǎn) 窯尾氣的余熱進行發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但利用水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱進行發(fā)電的技術(shù) 尚未見到相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)的不足之處，提供了一種可隨水泥回轉(zhuǎn)窯一起旋轉(zhuǎn)， 利用干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電的方法和裝置，解決了回轉(zhuǎn)窯表面余熱資源的利用難 題，將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種低品位余熱的高效利用方式，具有節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單、堅固 耐用、清潔、無泄露、無噪聲、使用壽命長等優(yōu)點。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電 系統(tǒng)，包括有水泥回轉(zhuǎn)窯，在所述水泥回轉(zhuǎn)窯外表面依次布置有集熱器、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模 塊、散熱器，呈層狀結(jié)構(gòu)排布，隨水泥回轉(zhuǎn)窯一起旋轉(zhuǎn)，垂直于煙氣(物料)流動方向呈圓周 狀分布；所述集熱器位于內(nèi)層，布置于水泥回轉(zhuǎn)窯外表面；所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊位于 中間層，即處于集熱器和散熱器之間；散熱器位于半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端一側(cè)，負責(zé)將 熱量傳遞至環(huán)境；集熱器與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的熱端接觸，集熱器與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模 塊、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊與散熱器之間粘貼在一起。所述粘貼材料可以是導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱性銀 漿或錫漿、合金焊料等。通過集熱器收集水泥回轉(zhuǎn)窯外表面的余熱，并將收集的熱量傳遞到溫差發(fā)電模塊 熱端；散熱器布置在半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊外側(cè)的冷端，由于溫差發(fā)電模塊的熱端溫度接近 于回轉(zhuǎn)窯表面溫度，而冷端溫度接近于環(huán)境溫度，因此冷端溫度低于熱端溫度，從而在半導(dǎo) 體溫差發(fā)電模塊的熱冷兩端形成溫度差，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊在塞貝克效應(yīng)作用下形成電 動勢；并通過滑環(huán)、電刷將旋轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為固定方式輸出，解決了由于水泥回轉(zhuǎn) 窯不停旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的纏線問題，經(jīng)后續(xù)電路處理，產(chǎn)生直流/交流電供負載使用。所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端一側(cè)面上設(shè)有電絕緣體，所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電模 塊的熱端一側(cè)面上設(shè)有導(dǎo)電體，在導(dǎo)電體和電絕緣體中間連接有PN型半導(dǎo)體，所述導(dǎo)電體 兩端連接到電源極。
所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊依次與滑環(huán)、電刷電連接，電刷依次連接到DC/DC變換 器和DC/AC逆變器并構(gòu)成回路，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。基于水泥回轉(zhuǎn)窯不停旋轉(zhuǎn)的特性，需通過滑環(huán)、電刷結(jié)構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)向固定 裝置的電能輸出；溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的電能經(jīng)滑環(huán)、電刷輸出后，連接DC/DC變換器和DC/ AC逆變器，實現(xiàn)直流/交流供電，供直流或交流負載使用。水泥回轉(zhuǎn)窯沿窯長方向采用梯級設(shè)置。水泥回轉(zhuǎn)窯沿窯長方向的不同位置不同反 應(yīng)段不同窯體外表面溫度而采用梯級設(shè)置。即根據(jù)不同的水泥回轉(zhuǎn)窯表面溫度設(shè)置不同參 數(shù)的集熱器，以產(chǎn)生不同的溫差發(fā)電模塊熱端溫度。所述干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)的特征之一是沿干法水泥回轉(zhuǎn)窯煙氣流 動方向不同反應(yīng)段，依據(jù)不同的窯體表面溫度而采用梯級利用，即將整個回轉(zhuǎn)窯沿?zé)煔饬?動方向劃分為η段，每段布置m組溫差發(fā)電模塊，根據(jù)不同回轉(zhuǎn)窯表面溫度而設(shè)置不同參數(shù) 的集熱器，以產(chǎn)生不同的溫差發(fā)電模塊熱端溫度，在確保半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊工作溫度不 超出其安全工作溫度的前提下，通過優(yōu)化分析盡可能提高發(fā)電模塊熱端溫度，即提高溫差 發(fā)電模塊熱冷端面溫差，從而提高發(fā)電效率。根據(jù)窯體表面溫度，可以分段選擇工作溫度不 同的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，不同的工作溫度其半導(dǎo)體材料也不同。所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊采用主要是鉍、銻、硒、碲組成的固溶體。依據(jù)水泥旋轉(zhuǎn) 窯不同的表面溫度，分段粘貼不同工作溫度的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊。更進一步的是半導(dǎo)體工作溫度與水泥旋轉(zhuǎn)窯不同表面作溫度匹配時，半導(dǎo)體發(fā) 電模塊可以直接粘貼于水泥旋轉(zhuǎn)窯表面，從而省去熱端集熱器。所述水泥回轉(zhuǎn)窯沿?zé)煔饬鲃臃较騽澐譃棣嵌?，每段布置有m組溫差發(fā)電模塊，上下 游各溫差發(fā)電模塊之間產(chǎn)生的電能為單獨輸出或幾個乃至全部模塊以串聯(lián)和/或并聯(lián)互 相連接。溫差發(fā)電模塊上下游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(lián)和/或并聯(lián)互相連通，以滿足不同的需求。如權(quán)利要求1所述的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述散熱 器為翅片式、板翅式。當(dāng)采用風(fēng)冷方式冷卻時，風(fēng)扇電源來自本溫差發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能， 無需外接電源，從而實現(xiàn)了自冷卻。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(1)節(jié)能。在不影響現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯工藝和結(jié)構(gòu)的前提下，將原來表面白白浪費的余熱 利用，并直接轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)了低品位余熱的高效利用，避免了熱能轉(zhuǎn)換為機械能，再將 機械能轉(zhuǎn)換為電能的復(fù)雜過程，并省掉了原回轉(zhuǎn)窯冷卻風(fēng)機，具有節(jié)能的優(yōu)勢。(2)本發(fā)明有效解決了水泥回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)特性造成的余熱利用難題，通過滑環(huán)、電刷 實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)向固定裝置的電能輸出，避免了由于水泥回轉(zhuǎn)窯不停旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的纏線問題。(3)本發(fā)明是基于熱電轉(zhuǎn)換原理，是一種全固態(tài)轉(zhuǎn)換方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐 用、清潔、無泄露、無噪聲、使用壽命長等優(yōu)點。本發(fā)明將進一步提高水泥業(yè)余熱利用水平，推進我國水泥行業(yè)的節(jié)能減排，符合 國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)和節(jié)能減排政策，具有良好的推廣應(yīng)用價值。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖2是圖1的A-A截面圖；圖3是半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊原理圖；圖4為發(fā)電系統(tǒng)原理圖；附圖標(biāo)記說明1_水泥回轉(zhuǎn)窯；2-滑環(huán)；3-電刷；4-集熱器；5-半導(dǎo)體溫差發(fā)電 模塊；6_散熱器；7-發(fā)電系統(tǒng)支架；8-回轉(zhuǎn)窯支架；9-熱端；10-導(dǎo)電體；Il-PN型半導(dǎo)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(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的內(nèi)容做進一步詳細說明。實施例如圖1到圖4所示，本發(fā)明的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)包括集熱器4、半 導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊5和散熱器6。其中集熱器4緊貼在水泥回轉(zhuǎn)窯1外表面，集熱器4材料 采用銅或者鋁材，以取得更好的傳熱效果，同時便于發(fā)電模塊的安裝；溫差發(fā)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回轉(zhuǎn)窯1表面，且集熱器4與溫差發(fā)電模塊 5、溫差發(fā)電模塊5與散熱器6之間粘貼在一起，隨水泥回轉(zhuǎn)窯1 一起旋轉(zhuǎn)。粘貼材料可以 是導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱性銀漿或錫漿、合金焊料等，以降低接觸熱阻，提高傳熱系數(shù)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊5是本裝置的核心元件，溫差發(fā)電模塊由多塊半導(dǎo)體發(fā)電芯 片組成，每個芯片是由多個半導(dǎo)體PN結(jié)11串聯(lián)而成。它是一種能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)換為電 能的裝置，其基本原理是基于塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或 半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。水泥回轉(zhuǎn)窯1內(nèi)流動著高溫?zé)煔夂臀锪?，高溫?zé)煔庠诩訜嵛锪系耐瑫r，部分熱量 以對流和輻射的方式傳遞到窯內(nèi)壁上，然后以導(dǎo)熱的方式將熱量傳到水泥回轉(zhuǎn)窯1的外表 面，進而散發(fā)到環(huán)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(fā)明的發(fā)電原理和過程如下煙氣流經(jīng)水泥回轉(zhuǎn)窯1加熱物料的同時，集 熱器4吸收其傳遞到水泥回轉(zhuǎn)窯1外表面的熱量，并將熱量傳遞到半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊5 的熱端9，因此熱端溫度略低于水泥回轉(zhuǎn)窯1外表面溫度；而散熱器6與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模 塊5外側(cè)的冷端13相貼，并將熱量傳遞到環(huán)境中，冷端溫度略高于環(huán)境溫度，于是半導(dǎo)體溫 差發(fā)電模塊5熱端與冷端之間產(chǎn)生100 150°C的溫差，在塞貝克效應(yīng)作用下形成電動勢， 經(jīng)滑環(huán)2、電刷3、DC/DC變換器17、DC/AC逆變器15，產(chǎn)生直流/交流供電。同時沿水泥回轉(zhuǎn)窯1內(nèi)的煙氣流動方向，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯表面溫度不同而將整個水泥 回轉(zhuǎn)窯1分成η段以實現(xiàn)梯級利用，每段布置m組溫差發(fā)電模塊5，根據(jù)不同水泥回轉(zhuǎn)窯1 表面溫度而設(shè)置不同參數(shù)的集熱器4，以產(chǎn)生不同的溫差發(fā)電模塊5熱端溫度，一方面確保 半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊5工作溫度不超出其安全溫度，另一方面通過優(yōu)化分析提高半導(dǎo)體溫 差發(fā)電模塊5熱端溫度，提高發(fā)電效率。且半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊5上下游各段之間可以單 獨輸出電能，也可以幾個乃至全部模塊以串聯(lián)和/或并聯(lián)互相連通，以滿足不同的需求。本發(fā)明的另外一個特征是溫差發(fā)電模塊5輸出的電動勢經(jīng)滑環(huán)2、電刷3輸出后， 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(fā)明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā) 明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
1.干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括有水泥回轉(zhuǎn)窯(1)，在所述水 泥回轉(zhuǎn)窯(1)外表面依次布置有集熱器G)、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(5)、散熱器(6)，呈層狀 結(jié)構(gòu)排布；所述集熱器⑷位于內(nèi)層，布置于水泥回轉(zhuǎn)窯⑴外表面；所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電 模塊(5)位于中間層，即處于集熱器(4)和散熱器(6)之間；散熱器(6)位于半導(dǎo)體溫差發(fā) 電模塊(5)的冷端(1 一側(cè)；集熱器(4)與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(5)的熱端(9)接觸，集 熱器(4)與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(5)、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(5)與散熱器(6)之間粘貼在一 起。
2.如權(quán)利要求1所述的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體 溫差發(fā)電模塊(5)的冷端(1 一側(cè)面上設(shè)有電絕緣體(12)，所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(5) 的熱端(9) 一側(cè)面上設(shè)有導(dǎo)電體(10)，在導(dǎo)電體(10)和電絕緣體(12)中間連接有PN型半 導(dǎo)體(11)，所述導(dǎo)電體(10)兩端連接到電源極。
3.如權(quán)利要求1所述的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體 溫差發(fā)電模塊(5)依次與滑環(huán)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)并構(gòu)成回路，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(quán)利要求1所述的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于水泥回轉(zhuǎn)窯 (1)沿窯長方向采用梯級設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1所述的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體 溫差發(fā)電模塊( 采用主要是鉍、銻、硒、碲組成的固溶體。
6.如權(quán)利要求1所述的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述水泥回 轉(zhuǎn)窯(1)沿?zé)煔饬鲃臃较騽澐譃棣嵌?，每段布置有m組溫差發(fā)電模塊(5)，上下游各溫差發(fā) 電模塊( 之間產(chǎn)生的電能為單獨輸出或幾個乃至全部模塊以串聯(lián)和/或并聯(lián)互相連接。
7.如權(quán)利要求1所述的干法水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述散熱器 (6)為翅片式、板翅式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可隨水泥回轉(zhuǎn)窯一起旋轉(zhuǎn)、利用干法水泥回轉(zhuǎn)窯余熱進行發(fā)電裝置。其發(fā)電裝置為通過收集回轉(zhuǎn)窯表面的余熱，熱量傳遞到半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊熱端，在溫差發(fā)電模塊的冷端布置散熱器，從而在溫差發(fā)電模塊熱冷兩端產(chǎn)生溫度差，在塞貝克效應(yīng)作用下產(chǎn)生電動勢，經(jīng)滑環(huán)、電刷輸出后或用于需要直流供電的電器負載，從而實現(xiàn)水泥回轉(zhuǎn)窯表面余熱發(fā)電。該系統(tǒng)包括溫差發(fā)電模塊、集熱器、散熱器、滑環(huán)、電刷等部件。本發(fā)明發(fā)電部件與水泥回轉(zhuǎn)窯固定在一起隨水泥回轉(zhuǎn)窯一起旋轉(zhuǎn)，將原來白白浪費的回轉(zhuǎn)窯表面余熱直接轉(zhuǎn)換為電能，是一種低品位余熱高效利用方式，具有節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、清潔、無泄露、無噪聲、使用壽命長等優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者李文博, 羅偉民, 胡蓉蓉, 郭常青, 閆常峰 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所