Thermal Energy Analysis for Rotary Kiln

Kyuri Kim; Sang-hun Lee; Tae-uk Ryu

doi:10.7844/kirr.2025.34.2.16

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2025 Vol.34, Issue 2 Preview Page Next Page

Article Review

Thermal Energy Analysis for Rotary Kiln 로터리 킬른의 열에너지 분석 방안

30 April 2025. pp. 16-24

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Abstract

Rotary kiln (RK) equipment has been utilized for thermal treatment with rotating a long cylindrical reactor for solid mixing. Since heat energy within the RK occurs through various significant mechanisms, this study focused on review of the implementation of heat balance, exergy, and heat transfer analyses in RK. First, heat balance analysis, based on the first law of thermodynamics and mass balance, evaluates input/output, generation/dissipation, and loss of thermal energy. It can estimate unknown heat energy and assess efficiency relative to the input energy. As for RKs with high-temperature, the input heat energy is often generated from fuel combustion and sensible heat of the incoming materials. This energy should be balanced by heat used for reactions, sensible heat of discharged materials, and heat loss through RK surface, etc. Exergy analysis, based on the second law of thermodynamics, complements heat balance analysis by evaluating energy availability at each stage. Exergy analysis for RK considers available heat, enthalpy, and entropy relative to ambient temperature. Reducing heat loss via the RK walls or increasing ambient temperature can improve both energy and exergy efficiency. Heat transfer in the RK involves convection, conduction, and radiation, among which radiation is often the primary mechanism in high-temperature RK processes. Numerical models are useful with integrating heat transfer to assess spatial-temporal distributions of temperature and heat energy, but accurate heat transfer coefficients should be proceeded to gain reasonable model results.

Keywords

Rotary kiln (RK)

Heat balance

Energy

Exergy

Heat transfer

로터리 킬른(Rotary kiln)은 긴 원통형 반응로의 회전을 통해 고체입자을 혼합하면서 열처리하는 장비이다. 로터리 킬른 내에서의 열의 거동은 다양한 메커니즘에 의해 진행되며 본 연구에서는 열수지, 엑서지 및 열전달 관련 분석에 대한 리뷰에 중점을 두었다. 첫째, 열수지 분석은 열역학 제1법칙과 물질수지를 기반으로 열에너지의 유입과 생성/소멸 및 유출/손실을 산정한다. 에너지 보존을 통해 미지의 열에너지를 추정하거나 유입 열에너지 대비 효율의 평가에도 사용될 수 있다. 사례를 보면, 고온 킬른에서 열에너지의 유입은 주로 연료의 연소열과 유입물질의 현열에 의해 이루어지며, 이는 반응에 소모되는 열, 배출 물질의 현열, 그리고 킬른 표면을 통한 열손실과 균형을 이룬다. 엑서지 분석은 보통 열수지 분석에 추가되어 열역학 제 2법칙을 기반으로 각 단계별 에너지의 가용성을 평가하는 기법이다. 로터리 킬른 관련 엑서지 분석에서는 킬른 주변 기온을 기준으로 가용 열량 및 엔탈피 그리고 엔트로피를 모두 고려하며, 킬른 내외벽을 통한 열손실 저감 및 킬른 주변 기온의 상승을 통해 열수지 및 엑서지 기반 효율을 증진시킬 수 있다. 마지막으로 열전달의 경우, 관련 수식을 서로 다른 온도 간 전달되는 열량을 산출할 수 있다. 킬른 내부에서는 대류, 전도, 복사열전달이 모두 발생하지만 고온 열처리의 경우 보통 복사가 가장 주요한 열전달 메카니즘이다. 열전달 메카니즘은 고수준의 수치모델과 연동되어 킬른 내 시공간에 따른 열전달 및 관련 시공간적 온도 분포를 산출하는데 유용하지만 정확한 열전달 관련 계수를 규명하는 것이 전제되어야 한다.

키워드

로터리 킬른(Rotary kiln)

에너지

열수지

엑서지

열전달

References

Alonso, E., Gallo, A., Roldán, M. I., et al., 2017 : Use of rotary kilns for solar thermal applications: Review of developed studies and analysis of their potential, Solar Energy, 144, pp.90-104.

10.1016/j.solener.2017.01.004

Lee, S-H. and Chung, K.W., 2022 : Thermochemical Modeling Factors in Roasting Pre-treatment using a Rotary Kiln for Efficient Vanadium Recovery, Resources Recycling, 31(2), pp.33-39.

10.7844/kirr.2022.31.2.33

Lee, S-H. and Chung, K.W., 2021 : Feasibility of Rotary Kiln Application for Roasting of Vanadium in Domestic Titanium-Magnetite Ore, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, 58(1), pp.30-36.

10.32390/ksmer.2021.58.1.030

Boateng, A.A., 2008 : Rotary Kilns: Transport Phenomena and Transport Processes, pp.1-56, Elsevier Inc., Oxford, United Kingdom.

Popescu, A., 2017 : Design of Rotary Kiln for Cristobalite Production, pp.16-67, Technical Report, University of Birmingham, United Kingdom.

Mujumdar, K. S. and Ranade, V. V., 2006 : Simulation of rotary cement kilns using a one-dimensional model, Chemical Engineering Research and Design, 84(A3), pp. 165-177.

10.1205/cherd.04193

Atmaca, A., Yumrutas, R., 2014 : Analysis of the parameters affecting energy consumption of a rotary kiln in cement industry, Applied Thermal Engineering, 66, pp. 435-444.

10.1016/j.applthermaleng.2014.02.038

Rong, W., Li., B., Liu, P. et al., 2017 : Exergy assessment of a rotary kiln-electric furnace smelting of ferronickel alloy, Energy, 138(1), pp.942-953.

10.1016/j.energy.2017.07.119

Carnot, S., 1824 : Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, pp.394-457, Bachelier, Paris, France.

Ranade, V. V., 2003 : Modeling of rotary cement kiln, Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, Melbourne, Australia, 10-12 December, 2003, Print in Melbourne.

Ranade, V. V. and Mujumdar, K. S., 2003 : CFD simulations of solid motion in the transverse plane of rotating kilns, Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, Melbourne, Australia, 10-12 December, 2003, Print in Melbourne.

Ingraham, T. and Marier, P., 1963 : Kinetic studies on the thermal decomposition of calcium carbonate, Canadian Journal of Chemical Engineering, 63, pp.170-173.

10.1002/cjce.5450410408

Satterfield, C. H. and Feakes, F., 1959 : Kinetics of the thermal decomposition of calcium carbonate, AIChE J, 5, pp.115-122.

10.1002/aic.690050124

Fierro, J. J., Nieto-Londoño, C., Escudero-Atehortua, A., et al., 2021 : Techno-economic assessment of a rotary kiln shell radiation waste heat recovery system, Thermal Science and Engineering Progress, 23(1), pp.100858.

10.1016/j.tsep.2021.100858

Information

Publisher :The Korean Institute of Resources Recycling
Publisher(Ko) :한국자원리싸이클링학회
Journal Title :Resources Recycling
Journal Title(Ko) :자원리싸이클링
Volume : 34
No :2
Pages :16-24
Received Date : 2025-03-06
Revised Date : 2025-04-15
Accepted Date : 2025-04-18
DOI :https://doi.org/10.7844/kirr.2025.34.2.16

Resources Recycling ISSN:2765-3439(Print) 2765-3447(Online) 자원리싸이클링

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