一种基于卡诺霍克蓄电池与废热回收集成的新型废热发电系统，在水泥厂中实现

本文提出了一种新颖设计系统，将卡诺电池与水泥窑中的废热回收发电技术结合。卡诺电池回收并再利用气体中的热量，利用水泥窑释放的气体加热再生的一氧化碳₂.压缩机同时提升一氧化碳的气压和热条件₂随后，促进了与热传递单元内循环冷却介质的能量交换。热量随后储存在热储罐中，用于加热供水以发电。最初建立了一个由卡诺电池和水泥窑废热发电装置组成的系统模型，采用EBSILON Professional 16.02平台。随后，对系统模型进行了能量分析、能能分析、经济分析和敏感度分析。研究结果显示，该系统发电效率为21.85%，动力效率为53.75%。废热的回收和利用显著提升了卡诺电池的COP性能。该系统的回本期为8.67年，净现值为13396.27千美元，显示出高度的经济可行性。通过降低压缩机排放温度、提高进气温度和适度降低流体循环速率，这些方法都有助于提升卡诺电池的性能。
加速的工业化和技术进步引发了有限能源资源的广泛开发，导致令人担忧的耗竭速度，威胁全球能源安全[1,2]。与此同时，环境恶化问题也极为严重。水泥制造尤其耗能[3]，根据最新国家统计局数据，中国水泥制造产能预计到2022年将达到21.3亿吨[4]。从工艺评估中可以明显看出，熟料生产已成为水泥制造工作流程中的主要能源消耗[5]。具有讽刺意味的是，这一高温转化阶段还产生了大量过剩的热能，为通过热回收技术转化为电力提供了可行的机会[6]。废热回收系统成为优化能源利用和减缓工业运营碳排放的关键工程解决方案[7]。废热回收系统可为水泥厂提供多达30%的总用电需求。这些系统从工业过程产生的低至中温烟气中捕获能量，并将其用于工厂内的低温加热应用[8]。废热发电是收集熟料生产过程中产生的残余热能并将其转化为电能，从而避免了能量被排放到大气中时的浪费[9]。
当前关于低等级热量利用的研究显示出重要的学术和工业相关性。Mohammad Masrur Hossain 等人提出，Kalina 循环系统（KCS）为传统电力循环无法有效利用的低品位热源发电提供了有前景的前景。他们基于KCS-34开发了两种改良型发电循环，以探索将低品位热能转换为电力的潜力[10]。Mohammad Masrur Hossain 等人提出，Kalina 循环除了在 Kalina 蒸发器下游安装的涡轮机外，还包括多相扩展器。与传统Kalina循环的性能评估显示其操作特性更优越[11]。Sifat Abdul Bari 等人提出了一种用于热电厂的再生再热 Rankine 循环增强方法，评估了太阳能换热器对单单元给水供暖系统的影响，并提出了一种创新的电源方法[12]。Shakhawat Hossain Sarker 等人提出了基于太阳能碟的聚光太阳能（CSP）系统设计与分析框架，采用了三重提取朗肯循环，具有类似卡诺电池系统的储能机制，从而展示了一种新颖的集成系统[13]。Mahdi Hafiz Nabil等人开发了一种新型三级级联制冷系统（TCRS），在相同运行条件下，相较于传统的蒸气压缩TCRS显著减少了压缩机功率输入，有效降低了运营成本[14]。Md Walid Faruque 等人提出了一种创新的中低温级联制冷系统，探索通过整合 EEVCC 和 VICT 技术对传统级联系统的潜在改进[15]。
卡诺电池，也称为基于热泵的电力储存技术，由三个部分组成：电热转换、热能储存和热电转换[16]。卡诺电池储能系统专为废热发电改造而设计，保留了原始的发电循环作为热电转换部分，同时添加反向布雷顿循环等作为电热转换部分。此外，低成本热能储存作为大规模电能存储组件被引入。由于加装的卡诺电池储能系统利用现有水泥厂的废热发电，降低了项目的初期投资成本[17]。
目前，国内和国际上对熔盐卡诺电池的研究主要涵盖各种集成系统的构建和效率分析，以及这些系统的经济可行性和峰值削减性能[[18]， [19]， [20]， [21]]。ORC是一种热力学动力循环，利用沸点在0–100°C之间的有机工作流体，高效地将热能转化为机械功[22]。与传统发电系统进行基准测试时，ORC技术在四个关键属性上表现出色：简化的系统架构、更高的运营可靠性、卓越的监管灵活性，以及在不同容量规模中的更广泛适用性[23]。值得注意的是，低温热源的补充集成使ORC集成的卡诺电池能够突破电热能转换效率的100%门槛。这种现象——废热流增强了超出名义容量的发电能力——苏等人对混合地热-太阳能ORC系统的分析得到了体现。他们的发现显示，峰值功率转换效率为133.49%，这归因于卡诺循环架构中热源的协同利用[24]。Bellos等人将地热和太阳能作为其系统热源结合，实现了110%的卓越最大功率效率[25]。Li 等人系统地研究了热储存温度分层与系统级性能优化之间的热力学相互作用，确立了场景特定的最佳温度设定点，最大化功率转换效率，同时阐明了多样化能源应用的关键运行阈值[26]。周等人提出了一种通过熔盐热储存和冷水储存实现能量交换的系统，将加热过程与S-CO无缝结合₂周期[27]。Han等人提出了一套专门用于加装燃煤电厂的系统。该系统保留了原始的发电循环作为热电转换部分，同时加入电加热或反向布雷顿循环作为电热转换部分。此外，低成本熔盐热储存被引入为大规模电能储存组件[28]。Badreddine Ayadi等人开发了一个多维分析框架，整合热力学建模、外能-环境分析和外能-经济评估，对利用太阳能和地热能资源的四种不同卡诺电池架构进行比较评估和帕累托最优优化[29]。
当前的学术研究主要集中在水泥厂的废热发电系统上，这有效解决了工业环境中过量热废的现象。与此同时，关于通过卡诺电池技术进行储能的新兴研究也显示出有希望的进展。然而，关于废热回收系统与卡诺电池储能解决方案的整合，仍存在显著的研究空白。本文通过结合这两种技术提出了创新方法，展示了水泥行业的新技术路径。通过这一集成系统，研究通过实现热回收优化和储能提升，展现了其创新性解决方案，弥合了工业能源管理领域的现有研究空白。本文提出了一种新颖的废热回收、储存和发电系统，将卡诺电池与水泥窑发电厂集成。该系统由两个模块组成：一个用于废热回收和储存的卡诺电池模块，以及一个水泥厂发电模块。该研究推动了卡诺电池技术的发展，优化了水泥厂的废热发电能力，促进可持续发展和环境保护。