水泥分解爐內(nèi)物理化學(xué)過(guò)程模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、工業(yè)生產(chǎn)中的水泥預(yù)分解爐是整個(gè)水泥生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵熱力反應(yīng)容器。其作用是承擔(dān)水泥生料的吸熱分解，減輕回轉(zhuǎn)窯的熱負(fù)荷并降低水泥生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放量。目前對(duì)水泥分解爐的設(shè)計(jì)過(guò)程仍舊是采用冷態(tài)模型試驗(yàn)和中試試驗(yàn)，然后再經(jīng)過(guò)工業(yè)放大進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于其內(nèi)部復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，經(jīng)過(guò)放大后的實(shí)際運(yùn)行分解爐很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于分解爐的研究國(guó)內(nèi)外趨向于采用成熟的數(shù)值理論技術(shù)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。理論研究方法多采用一維、二維簡(jiǎn)化?；淠；Y(jié)果只具有

2、半定性的意義。三維全尺度?；蠖嗉性跉夤虄上嗔鲃?dòng)和獨(dú)立的燃燒、分解過(guò)程上，?；Y(jié)果具有一定的定性意義，但是對(duì)于分解爐內(nèi)的物理化學(xué)過(guò)程揭示尚不夠全面。因此在力求更加精細(xì)?；?，以揭示分解爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒、分解及其耦合關(guān)系的要求下，對(duì)于分解爐的全尺度模化進(jìn)而進(jìn)行分解爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為國(guó)際上化工領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。 本文應(yīng)工業(yè)界的需求，提出分解爐內(nèi)物理化學(xué)過(guò)程的三維全尺度?；碚撃Ｐ秃蛢?yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立相應(yīng)的數(shù)值求解方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)水

3、泥預(yù)分解爐進(jìn)行了如下研究： 在推導(dǎo)三維圓柱坐標(biāo)下流場(chǎng)輸運(yùn)方程的基礎(chǔ)上，針對(duì)三維圓柱坐標(biāo)下流場(chǎng)?；写嬖诘臉O點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)推導(dǎo)極點(diǎn)處特殊網(wǎng)格的輸運(yùn)方程，提出了解決極點(diǎn)問(wèn)題的新方法，并將其作為邊界條件同時(shí)結(jié)合RNG k- 湍流模型對(duì)雙噴騰型分解爐進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，并和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了極點(diǎn)問(wèn)題處理的合理性。同時(shí)還推導(dǎo)了三維直角坐標(biāo)下復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型的方法，對(duì)直角坐標(biāo)下的旋噴結(jié)合分解爐進(jìn)行了?；?，預(yù)測(cè)了旋噴結(jié)合分解爐內(nèi)的流場(chǎng)。

4、 在描述分解爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)輸運(yùn)方程的基礎(chǔ)上，針對(duì)直角坐標(biāo)下結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理顆粒軌跡時(shí)存在的堆積問(wèn)題，提出了新的顆?！诿孢吔鐥l件處理方法，解決了模化時(shí)顆粒堆積問(wèn)題。創(chuàng)新性地提出了分解爐內(nèi)燃燒、分解的“四混合分?jǐn)?shù)”耦合模型，同時(shí)將焦炭燃燒的均相和非均相反應(yīng)融入了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在全面建立描述分解爐內(nèi)復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程理論模型的基礎(chǔ)上對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的雙噴騰分解爐和旋噴結(jié)合分解爐進(jìn)行了三維模化，模擬結(jié)果分析了分解爐內(nèi)氣體組分分布、溫度分布、顆粒

5、分布，并和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性和合理性。 通過(guò)對(duì)分解爐內(nèi)氮氧化物生成過(guò)程的分析，在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上對(duì)分解爐內(nèi)的NO生成和轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。在模擬結(jié)果得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)行主體2500t/d水泥生產(chǎn)線的雙噴騰分解爐進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化研究，在以不影響生產(chǎn)為前提的條件下，考察了分級(jí)燃燒對(duì)分解爐內(nèi)NO生成的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中降低分解爐出口NO濃度提供了理論參考。 提出了針對(duì)分解爐系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究思

6、路，并且詳細(xì)地介紹了分解爐虛擬樣機(jī)的構(gòu)造、正交設(shè)計(jì)合理安排實(shí)驗(yàn)方案、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析輸入與輸出之間強(qiáng)烈非線性關(guān)系、方差分析方法推斷分解爐結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響顯著性以及利用遺傳算法進(jìn)行反推優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)將現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和分析方法以及機(jī)理模型進(jìn)行有效地融合，將現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和理論方法相結(jié)合，建立起了一套較為完備的分解爐優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，并且得到了雙噴騰分解爐優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 該論文成果已應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)實(shí)踐，并在所承擔(dān)的國(guó)家高技術(shù)發(fā)展863項(xiàng)目