回转窑在太阳能热方面的应用:已开发研究的回顾和潜力分析外文翻译资料

 2022-08-03 16:23:16

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回转窑在太阳能热方面的应用:已开发研究的回顾和潜力分析

E. 阿隆索 a,* A. 加洛 a,b , M.I. 罗尔丹c, C.A. 佩雷斯·拉巴戈d, E. 富恩泰尔巴a

摘 要

回转窑在传统工业中有着悠久的使用历史。与其他类型的反应堆相比，它们能够以更高的热效率实现高温。对其性能进行了广泛的研究，并根据不同的参数进行了分类。由于这是一项众所周知的技术，人们选择回转窑来进行高温太阳能生产。本文对回转窑技术进行了简要的回顾，重点介绍了回转窑技术在聚光太阳能热和热化学过程中的应用。在太阳能装置中，提出了一种用于热化学过程的新型回转窑原型，并与静态太阳能反应器进行了比较。最后，对太阳能回转窑设计和运行中的一些实际结论进行了评述，并对其主要局限性进行了分析。

关键词：聚光太阳能 回转窑 模拟 实验性的

1.介绍

目前，以聚光太阳能为基础的商业技术大多用于发电。这些技术包括几平方米的反射镜，用于集中太阳辐射，也可以用于生产高温热，用于先进的应用。它们包括为运输部门和一些工业过程生产太阳能燃料，如氢气和合成气。太阳能燃料的生产是基于水/二氧化碳的分解。 （Abanades等人，2006年；Agrafifiotis等人，2015年；Chueh等人，2010年；Francis等人，2010年；Fresno等人，2009年；Orfiila等人，2016年；Roeb等人，2011年；Schunk等人，2008年、2009年）

脱碳过程（裂解（Maag et al.，2009），重整（Bianchini Piatkowski et al.，2009；Puig Arnavat et al.，2013）。在聚光太阳能的工业应用中，陶瓷材料或金属等商品的生产是引人注目的。例如，一些文献致力于通过太阳能煅烧石灰石来生产石灰（Meier et al.，2004，2005b，2006）。通过不同的太阳能还原技术，主要是碳热还原（Wieckert et al.，2004）和甲烷热还原（Steinfeld et al.，1995）以及铝的生产（Halmann et al.，2007），解决了从氧化锌生产锌的问题。还对铝的太阳能回收进行了研究（Glasmacher-Remberg等人，2001年）。所有这些方法都被认为是目前最有前途的太阳能集热应用。此外，自最近几年以来，利用集中的太阳能作为高温热化学反应的能源的概念被应用于储存太阳能。可逆反应用于在吸热阶段储存能量，在放热阶段释放能量（Agrafiotis et al.，2014；Neises et al.，2012；Pardo,等人，2014年）。上述应用涉及利用太阳辐射加热固体材料，这是一个重要的研究挑战。在对其发展的贡献中，接收器/反应器设计的研究起着重要的作用。基于固体颗粒直接加热的概念更有趣。固体粒子能够吸收辐射并以可感和/或化学能的形式储存热量。当辐射和粒子直接接触时，吸收效率得到提高-没有任何不透明屏障。20世纪80年代，随着第一个固体粒子太阳能接收器（SPSR）概念的提出，与这一想法相关的一个显著进步发生了（Kim et al.，2009）。粒子作为传热介质，在腔体接收器内吸收辐射。然后热量被转移到一种流体，可能是蒸汽或空气。除了吸收效率和易于储存热量，SPSR与使用不同类型热流体的中央接收器相比有显著的优势。例如，使用固体颗粒非常经济，这取决于所选材料的是否丰富。而且由于直接吸收，植物成分的热应力可以降低(Tan和Chen, 2010)。此外，颗粒可以被加热到比其他传热介质更高的温度。本文的重点是太阳能回转窑，它可以被认为是一种特殊类型的SPSR (Alonso and Romero, 2015a)。最近提出了第一个评估，考虑将一个装满沙子颗粒的回转窑作为50兆瓦太阳能电厂的中央接收器(Gallo等人，2016年)。当这些粒子太阳能装置的目标是执行化学过程(如太阳能燃料或工业应用)，而不是加热作为传热介质的粒子，他们可以被称为粒子太阳能反应堆，而不是SPSR。文献报道了许多不同结构的太阳粒子反应堆。一些作者试图设计和革新工程概念(Diver等人，2008;Kaneko等人，2007年)。还有许多人重新采用了经典技术来集成太阳直接辐射(Gokon等人，2008年;Meier等人，2004年;Nikulshina等人，2009)。太阳能回转窑一直是最受青睐的设备之一(Alonso和Romero, 2015a)。原因可能是传统产业的优势与其他传统的气固体系相比，回转窑的存在具有重要意义。回转窑在冶金和化学工业中有很长的使用历史，它们的性能是众所周知的，它们能够在非常高的温度下运行(超过2000℃，尽管最高温度随参考源的不同而不同)，比其他类型的设备效率更高。此外，它们用途广泛，维护成本低，部件寿命长。

这项工作的目的是分析回转窑在集中太阳能直接照射下的潜力。为此，本文首先综述了工业回转窑的特点和应用。然后，研究了该技术的主要意义。本节包括太阳能回转窑的传热研究的现状，并采用模拟方法和开发原型的概述。在这些太阳能原型中，提出了一种由本文作者设计和操作的新型太阳能原型。它还包括一个实验评估，比较旋转性能与填充床配置，展示如何旋转运动改善颗粒加热和有利于他们的反应。最后，对太阳能回转窑的设计和运行提出了一些实用的结论，并对其主要局限性进行了分析。

2.回转窑技术

回转窑是绕纵轴旋转的圆柱形容器。一般来说，它们是连续工作的。粒子在一端引入，在另一端引出。通常有气体逆流通过。在其他一些情况下，气体和固体是同流的。回转窑可以有一定的倾斜度s，也可以水平放置（s=0）。轻微的倾斜有利于粒子的轴向运动。在径向上，颗粒的运动主要取决于转速N和填充率FR%（颗粒占据反应器体积的百分比）。图1显示了典型工业回转窑的方案。Mellmann（2001）定义了三种基本形式（滑移、层叠、折裂）和七种亚类型来分类旋转圆柱体中固体的横向运动。在此之前，Henein等人（1983）报告了类似的分类，他们介绍了床层行为图，其中不同类型的床层运动表示为某种颗粒的弗劳德数、Fr和Fr%的函数。如式（1）所示，Fr仅取决于转速和圆柱体的内半径，r；g是重力加速度。当Fr等于1时，向心加速度和重力加速度相等，得到了与离心亚型相对应的床层运动。其他床面运动不止一个。

颗粒类型及其特性（尺寸、形状、密度、休止角）也影响旋转圆柱体内的横向运动（Boateng和Barr，1996）。Mellmann分类中的滚动和级联子类型是工业应用中最常用的行为。在滚动模式下，固体物质沿着反应器内壁底部上升到一定高度，然后颗粒在床层的上表面上滚动。因此，向下滚动的粒子构成主动层，而与圆柱壁一起作为刚体旋转的粒子构成被动层。所谓的“床高”h（见图1）随着旋转保持不变，并且在一定速度下，动态休止角theta;d也保持不变。从一定的FR%开始，在床层的中心区域出现一个静态颗粒的核心，而在床层内部，没有实现混合。类似地，当不同大小或密度的粒子被引入反应堆内部时，更小和更致密的粒子分离并形成一个静态堆芯（Boateng和Barr，1996）。为了解决这个问题，一些转鼓出现了水坝、升降器、桨或鳍。水坝增加了圆筒末端的固体水平，因此，颗粒在反应器内停留的时间更长，而升降机或翅片在圆筒内引发了一种颗粒幕，改善了颗粒混合和加热（Boateng，2008）。

图1 工业回转窑方案

回转窑的另一个基本参数是停留时间s，它表示反应器内粒子的持久性。它只取决于几何参数和操作参数。它的值可以从几秒钟到几个小时不等。许多实验关联式已经被提出来预测旋转圆筒中的平均停留时间。Renaud等人（2000）提出了一个相当复杂的模型来计算工业旋转干燥机中的停留时间。他们改进了Duchesne等人（1996）提出的修正的Cholete和Cloutier（1959）模型。这些模型将窑沿其纵轴分为几个单元，每个单元考虑两个不同的区域（一个活动区域和一个静止区域）。在活性区，允许一个单元与下一个单元进行质量交换，而在死区，只允许同一单元的活性区进行质量交换。采用该方法，模拟停留时间与实验测量值的差异小于5.1%。在同一项工作中，Renaud等人（2000年）比较了基于中试规模旋转干燥机的一些最常用的相关性，他们发现其中大多数低估了平均停留时间。

特别是，在工业规模的回转窑中，预测的停留时间比实际数据小4 - 8倍。从这项研究中，Sai等人(1990)提出的相关性是最简单、最精确的相关性之一，其停留时间仅比真实数据小1.2倍。式(2)对应于Sai的平均停留时间相关，其中F为单位横截面积充电率，单位为kg s-1 m-2, N为转速，单位为rpm。

回转窑的操作温度范围可以从环境温度的几度到近2000℃不等(Mastorakos等，1999年)。为了抵抗这种高温，内部衬里通常用耐火砖或致密浇注耐火材料制成。通常，提高温度的热量是由化石燃料提供的。所需的能量由燃烧器产生的火焰直接引入到炉内，加热固体反应物和炉壁。在其他一些情况下，窑和燃烧器是分开的，窑是进料燃烧气体，以提高反应物的温度。旋转管式炉(间接烧窑)可以在2400℃以上的温度下运行(Boateng，2008)。这些熔炉通常存在于石墨管中，反应物在管内流动，而加热气体在管外。在商业上，一些供应商宣布生产可工作温度高达3000℃的旋转管炉(Harper-International, 2016)。因此，旋转反应器的传热机理复杂，且取决于窑型。在大多数窑炉中，它是由气体、颗粒和窑炉壁之间的辐射、对流和传导共同产生的。此外，由于窑炉的旋转，固体床内的颗粒混合使传热过程更加复杂。

已经提出了几种预测回转窑热行为的模型（Boateng and Barr，1996；Brimacombe and Watkinson，1978；Dhanjal et al.，2004；Gorog et al.，1983；Iguaz et al.，2003；Mastorakos et al.，1999；Palmer and Howes，1998；Watkinson and Brimacombe，1978；Yang and Farouk，1997；Yang et al.，1999；Zhang et al.，2008）。例如，Brimacombe和Watkinson（Brimacombe和Watkinson，1978；Watkinson和Brimacombe，1978）采用了一个中试规模的回转窑（长度5.5 m，内径0.406 m，i.d.）填充惰性砂，对热传递进行了综合分析。在窑内插入52个热电偶，沿窑轴线监测气体、固体和窑壁的温度。在不同的操作条件下，对热模型和实验结果进行了比较。在他们的实验中，气体、固体和壁的最高温度几乎达到了800℃。由于测得的颗粒和窑壁温度非常相似，模型中忽略了固体和窑壁之间的辐射和传导传热。他们得出结论，热传递到床层是一个两阶段的过程：首先，热量从气体传递到床层表面的颗粒，然后由于颗粒运动而在床层内混合。此外，回转窑传热最显著的影响是从热气体到固体的对流，这控制了传递到颗粒的近70%的能量。从气体到粒子的辐射不到固体吸收热量的30%。此外，从气体到固体床的热通量是到窑壁的热通量的十倍。他们还指出了在滚动模式下工作对于改善气体和固体床之间的传热的重要性。

Boateng和Barr(1996)将回转窑横截面的二维、二维热模型与一维、一维轴向模型相结合，建立了准三维、三维的惰性颗粒模型。首先，利用与Brimacombe和Watkinson(1978)报告的回转窑尺寸相同的中试回转窑的轴向温度测量对一维模型进行了验证。然后，将计算结果作为二维模型的边界条件。通过这种方法，我们得到了不同转速(0-2 rpm)、粒径(0.298 - 3.36 mm)、气速(1.41-2.53 kg/s)、游离板气温(600-1200℃)和填充率(12%和27%)范围内的温度分布。研究结果表明，在反应器中引入相同尺寸的球形颗粒，且转速足以产生最低FR%的轧制模式条件时，反应器的横截面可实现等温分布。反之，出现分离床时，断面温度梯度可达200℃以上。

Palmer和Howes(1998)提出了一个氧化铝脱水浆在132米长、内径4.2米的回转窑中干燥的传热模型。该模型包含了燃烧剖面来模拟非瞬时燃烧过程。进料的干燥过程是从床层表面到床层内部进行的，固体颗粒的温度分布沿窑轴方向变化。模型中考虑的最高气体温度为1500℃。作者得出的结论是，并不是所有的热能都进入了干燥过程所需的汽化潜热，

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