氧化鋁回轉窯溫度過程動態(tài)模型及仿真研究.pdf

1、回轉窯由于其可提供良好的混合性能和高效的傳熱能力，能適應于多種工業(yè)原料的燒結、焙燒、揮發(fā)、煅燒、離析等過程，因而被廣泛地應用于水泥、冶金、紙漿、化工、環(huán)保等行業(yè)。但由于回轉窯的過程機理復雜，具有運行工況變化頻繁，多變量，強耦合，強非線性，大慣性、不確定性等控制難題，目前尚無有效的控制方法對其實現(xiàn)自動控制，從而導致產品質量不穩(wěn)定、設備運轉率低、能耗高等問題。因此研究回轉窯的自動控制和優(yōu)化控制技術，對提高產品質量和生產效率具有重要意義。

2、r>　　 由于回轉窯過程是一個典型的分布參數(shù)系統(tǒng)，沿窯軸長方向的氣相和固相溫度分布相互關聯(lián)，不同時間尺度的控制變量的調整和過程干擾對整個窯內的氣相和固相溫度分布都會造成影響，過程在相當長時間內的各種干擾和操作條件的調整對窯溫分布的影響隨著物料的緩慢運動進行累積，因此很難通過獲取有效的生產測試數(shù)據(jù)來辨識過程模型，分析過程輸入輸出動態(tài)特性；通過機理動態(tài)模擬，使研究回轉窯過程的長時間、大范圍內動態(tài)行為成為可能，在此基礎上可以進行控制系統(tǒng)分析

3、和設計，在實驗室仿真驗證后再用于實際生產過程，從而提高了在工業(yè)裝置上實施的安全可靠性和控制性能。
　　 本文依托東北大學“985工程”流程工業(yè)綜合自動化科技創(chuàng)新平臺建設項目，為深入地研究回轉窯過程的優(yōu)化控制技術，進行了氧化鋁回轉窯溫度過程動態(tài)模型和仿真模擬的研究，為進行控制系統(tǒng)分析、設計提供了必要的研究平臺。
　　 本文主要完成了如下幾方面的工作：
　　 (1)深入研究了氧化鋁回轉窯的物料運動、傳熱、物理化學反應

4、的機理，基于質量和能量守恒原理，建立了較為全面的回轉窯溫度過程的動態(tài)數(shù)學模型，可以描述輸入變量燃料流量、燃燒空氣量、生料流量、窯體轉速、生料成分等和輸出變量窯內氣體溫度、物料溫度、內襯溫度之間的內在關系；考慮到數(shù)學模型主要用于系統(tǒng)動態(tài)特性和控制結構的研究，模型不能過于復雜，但又要有一定的準確性，本文對氧化鋁熟料燒結反應提出了簡化的物料組分四集總動力學模型，氣體質量平衡和能量平衡按擬穩(wěn)態(tài)處理，窯筒體傳熱過程采用了非穩(wěn)態(tài)導熱傳熱模型。采用有

5、限體積法和有限差分法對窯軸向、徑向進行空間離散化處理，得到由24×N個微分代數(shù)方程聯(lián)立的方程組模型形式；
　　 (2)對上述模型形式進行了微分代數(shù)方程組(DAEs)指標和剛性程度的分析，為解決微分代數(shù)方程組(DAEs)要求初始條件一致相容性難題和剛性微分方程組求解計算效率低問題，提出一種求解該模型合適的算法，即嵌套-變階變步長向后差分算法。
　　 (3)采用RSView32,VBA和Matlab平臺工具軟件開發(fā)了回轉窯溫

6、度過程的實時仿真軟件，主要包括工藝流程畫面、參數(shù)設置畫面、趨勢顯示畫面等前臺人機交互界面，后臺模型與求解算法程序以及前后臺通訊接口，具有溫度過程實時動態(tài)模擬、仿真進程控制、操作參數(shù)設置、邊界條件在線修改等功能。
　　 (4)在仿真軟件平臺上進行了改變操作變量和邊界條件的各種階躍實驗，考察了過程的開環(huán)動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，從回轉窯運行機理角度定性驗證了動態(tài)模型的正確性和仿真算法的有效性，為下一步深入進行控制系統(tǒng)分析、設計提供了必要的