旋喷结合水泥分解炉的优化设计研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 旋喷结合水泥分解炉的优化设计研究 姓名：夏凡 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：陆继东 20060417 I 摘 要 随着水泥工业的不断发展，国家政策不断向新型干法水泥生产技术倾斜水 泥分解炉作为新型干法水泥生产技术的核心，其改造和优化设计越来越得到重视 针对当前较为常见的旋喷结合分解炉，结合数值模拟技术，本文提出了一种新的优 化设计方法 本文首先介绍水泥旋喷结合分解炉炉内的物理化学模型，包括湍流模型、颗 粒运动模型、煤粉燃烧模型、生料分解模型、颗粒与气体之间的传热模型然后对 一台工业实际运行的旋喷结合分解炉进行数值模拟， 并将数值模拟结果与实际测值 进行对比分析，验证了采用的物理化学模型的合理性 在三维数值模拟的基础上，借鉴传统的优化设计模型，解决了对分解炉进行 优化设计所必须解决的三个问题 利用正交表的方差分析确定被优化变量的影响显 著性问题，指导优化设计方向；利用神经网络解决目标函数的构建问题；结合优化 目标， 利用遗传算法求得被优化参数的最优值；然后提出旋喷结合分解炉的优化设 计新方法最后利用此方法对一特殊的非线性函数进行了验证，将优化得到的结果 与通过代数理论得到的最优值进行对比分析，验证了此优化设计方法的可靠性。

然后利用优化设计模型对某旋喷结合分解炉的结构参数进行了优化设计，取 得良好的优化效果 在分解炉炉内物理化学模型以及优化设计模型的基础上，利用 Visual C＋＋、 FORTRAN 和 OpenGL 混合编程技术，开发了旋喷结合分解炉优化设计平台此平 台实现的功能有：结构参数、运行参数以及计算参数的输入，提供云图、等值线、 矢量三种可视化的方式来显示分解炉内各种标量场和矢量场， 正交表设计和正交分 析， 神经网络参数设定和训练过程的可视化， 遗传算法参数设定和进化过程可视化， 查看最终优化结果等等 最后对全文进行了总结，并对旋喷结合分解炉优化设计新方法的下一步工作 的开展进行了展望 关键词： 优化设计 旋喷结合分解炉 数值模拟 正交设计 人工神经网络 遗传算法 II ABSTRACT With the development of cement industry, the national policy emphasizes the technique of the new dry cement production. pre- calciner is the core of the technique, its reform and optimal design are regarded. For the swirl- spray pre- calciner, this thesis presents a new optimal design method using numerical simulation technique. Firstly, this thesis introduce the physicochemical modeling of an in- line swirl- spray pre- calciner, including the model of turbulence, the motion model of particle, the combustion model of coal particle, the decompose model of raw materials and models of heat transfer between gas and particle, then simulates a swirl- spray pre- calciner that h as been putted into production using these models. Through the analysis result of the difference between the modeling results and the measured results, we can consider that these models are correct and rational. Based on the 3- D numerical simulation of the swirl- spray pre- calciner, borrows ideas from the traditional optimal design method, this thesis resolve three key problems: the orthogonal analysis of orthogonal table can determine the contribution significance of the optimized variables and guide the direction of optimal design; artificial neural network can build the object function in optimization model, genetic algorithms can figure out the best value of the optimized variables as the optimization algorithm in optimization model. Then optimization model presents a new optimal design method. Then using this optimization model, this thesis optimize a specific non- linear function, through the difference between the optimized results and the actual maximal value that calculated by algebraic method, it can consider that this optimal design model is reliable. Then using the platform, this thesis optimized structural parameters of a specific swirl- spray pre- calciner, the analysis of the optimized result proves that the optimal design is rational. Based on the physicochemical model and optimal design model, this thesis developed an optimal design platform for swirl- spray pre- calciner using mixed coding of Visual C++, III FORTRAN and OpenGL. This platform implements many functions, for example, it can display vector field, scalar field by using three visualization method: nephogram, contour and vector line; it can design orthogonal table and make orthogonal analysis, it can set parameters of artificial neural network and implements visualization of the train process, it also can set parameters of genetic algorithms and implements visualization of the evolution process; after the evolution process, it provide the final optimized result. Finally, the thesis summarized the studies and puts forward problems for further studies. Keywords: optimal design swirl- spray pre- calciner numerical simulation orthogonal design artificial neural network genetic algorithms 1 1 绪 论 1.1 旋喷结合水泥分解炉优化设计背景和意义 水泥是国民经济的基础材料，我国水泥工业自从 1978 年实行改革开放政策以来， 在生产技术、产品质量、制造装备等方面都获得了飞速的发展[1]。

据 2004 年统计，我 国水泥行业已经连续 17 年名列世界第一名，是世界上水泥消费和水泥生产最主要的 市场，份额分别占世界的 30%和 37%左右，2004 年水泥总产量为 9.63 亿 t，每年平均增 长约3202万t，年平均增产率为18.12%，我国已经成为名副其实的水泥生产大国 但是目前我国与世界水泥工业的差距十分明显多年以来，我国发展水泥工业强 调以中小型为主，目前我国水泥 77%的产量出自落后的立窑生产，低标号水泥的产量 高达 80%以上， 水泥生产企业的平均规模仅为世界平均水平的 1/10， 存在水泥质量低、 经济效益差、国际竞争能力差、能源浪费大、环境污染严重等问题水泥工业的产业 结构的不合理，已成为制约我国水泥工业健康发展的一个重要因素 针对上述情况，国家建材局对水泥工业提出了“控制总量、调整结构、提高质量、 保护环境”政策，并制定了“上大改小”的方针来调整水泥工业的产业结构， “上大” 就是要大力发展新型干法窑外分解工艺，提高其工艺水平和装备水平，以改扩建为主 形成具有经济规模的大中型水泥项目改小”就是贯彻“限制、淘汰、改造、提高” 的方针，使立窑生产为主的小型水泥企业走上健康发展之路。

因此，国家在今后几个 五年计划中除了将继续采取措施淘汰一批小立窑水泥厂之外，主要是鼓励和支持加快大 型新型干法水泥厂的建设和改进，使中国的水泥工业走上可持续发展道路[2- 3] 新型干法窑外分解水泥生产技术是 20 世纪 50 年代发展起来的新技术，它在原有 预热器上安装燃料喷入装置，预热器和回转窑之间增设分解炉，使燃料燃烧放热过程 与生料碳酸盐分解吸热过程在其中以悬浮态或者流态化形式迅速地进行，从而使入窑 生料的分解率提高到 85～95%，不仅可以减轻窑内煅烧带的热负荷，而且可以节约单 位建设投资和减少大气污染统计表明新型干法窑外分解系统生产水泥的生产效率可 2 为传统干法回转窑 400%左右，单位熟料热耗可降低 50%左右预分解技术的推广应 用促进了各国水泥工业的高速发展，大幅度提高了水泥生产规模与生产能力，对降低 消耗提高产品质量起到了极为重要的作用，是当前各国水泥工业的发展方向[4- 6]到目 前为止，在日本德国等发达国家，以悬浮预热和预分解为核心的新型干法窑外分解水 泥熟料生产装备率占 95%，我国第一台悬浮预热及预分解窑于 1976 年投产，目前此 种新型干法水泥生产线能力达到 6000 余万吨[7]。