水泥分解爐內(nèi)物理化學(xué)過程模擬和優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、工業(yè)生產(chǎn)中的水泥預(yù)分解爐是整個水泥生產(chǎn)過程中的一個關(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)窯的熱負荷并降低水泥生產(chǎn)過程中的污染物排放量。目前對水泥分解爐的設(shè)計過程仍舊是采用冷態(tài)模型試驗和中試試驗，然后再經(jīng)過工業(yè)放大進行設(shè)計。由于其內(nèi)部復(fù)雜的物理化學(xué)過程，經(jīng)過放大后的實際運行分解爐很難達到設(shè)計要求。對于分解爐的研究國內(nèi)外趨向于采用成熟的數(shù)值理論技術(shù)并結(jié)合實驗進行研究。理論研究方法多采用一維、二維簡化?；淠；Y(jié)果只具有

2、半定性的意義。三維全尺度模化大多集中在氣固兩相流動和獨立的燃燒、分解過程上，?；Y(jié)果具有一定的定性意義，但是對于分解爐內(nèi)的物理化學(xué)過程揭示尚不夠全面。因此在力求更加精細?；?，以揭示分解爐內(nèi)流動、燃燒、分解及其耦合關(guān)系的要求下，對于分解爐的全尺度?；M而進行分解爐的優(yōu)化設(shè)計已成為國際上化工領(lǐng)域研究的重點。 本文應(yīng)工業(yè)界的需求，提出分解爐內(nèi)物理化學(xué)過程的三維全尺度?；碚撃Ｐ秃蛢?yōu)化設(shè)計方法，建立相應(yīng)的數(shù)值求解方法和優(yōu)化設(shè)計方案，對水

3、泥預(yù)分解爐進行了如下研究： 在推導(dǎo)三維圓柱坐標下流場輸運方程的基礎(chǔ)上，針對三維圓柱坐標下流場?；写嬖诘臉O點問題，通過推導(dǎo)極點處特殊網(wǎng)格的輸運方程，提出了解決極點問題的新方法，并將其作為邊界條件同時結(jié)合RNG k- 湍流模型對雙噴騰型分解爐進行了流場模擬，并和實驗測試結(jié)果進行了比較，驗證了極點問題處理的合理性。同時還推導(dǎo)了三維直角坐標下復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型的方法，對直角坐標下的旋噴結(jié)合分解爐進行了模化，預(yù)測了旋噴結(jié)合分解爐內(nèi)的流場。

4、 在描述分解爐內(nèi)氣固兩相流動輸運方程的基礎(chǔ)上，針對直角坐標下結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理顆粒軌跡時存在的堆積問題，提出了新的顆?！诿孢吔鐥l件處理方法，解決了?；瘯r顆粒堆積問題。創(chuàng)新性地提出了分解爐內(nèi)燃燒、分解的“四混合分數(shù)”耦合模型，同時將焦炭燃燒的均相和非均相反應(yīng)融入了化學(xué)反應(yīng)過程。在全面建立描述分解爐內(nèi)復(fù)雜物理化學(xué)過程理論模型的基礎(chǔ)上對工業(yè)生產(chǎn)中的雙噴騰分解爐和旋噴結(jié)合分解爐進行了三維模化，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)場測試結(jié)果進行了比較，驗證了理論模型的準確性和合理性。 通過對分解爐內(nèi)氮氧化物生成過程的分析，在機理分析的基礎(chǔ)上對分解爐內(nèi)的NO生成和轉(zhuǎn)化過程進行了模擬研究。在模擬結(jié)果得到驗證的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)行主體2500t/d水泥生產(chǎn)線的雙噴騰分解爐進行了參數(shù)優(yōu)化研究，在以不影響生產(chǎn)為前提的條件下，考察了分級燃燒對分解爐內(nèi)NO生成的影響，為實際生產(chǎn)中降低分解爐出口NO濃度提供了理論參考。 提出了針對分解爐系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究思

6、路，并且詳細地介紹了分解爐虛擬樣機的構(gòu)造、正交設(shè)計合理安排實驗方案、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析輸入與輸出之間強烈非線性關(guān)系、方差分析方法推斷分解爐結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)果的影響顯著性以及利用遺傳算法進行反推優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過將現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具和分析方法以及機理模型進行有效地融合，將現(xiàn)場經(jīng)驗和理論方法相結(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)用于實際工業(yè)實踐，并在所承擔(dān)的國家高技術(shù)發(fā)展863項目