（控制理论与控制工程专业论文）新型干法水泥生产冷却过程建模与控制.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 冷却过程是水泥烧成的重要环节，其功能是对高温熟料进行冷却、输送，同时 对热量进行回收。现代化水泥生产线普遍采用篦式冷却方式，篦式冷却过程的控制 问题一直是水泥生产过程自动化的难点之一。 本文在合理假设条件下，从篦式冷却过程稳定工况下所表现出的实际特性出发， 分析了篦式冷却过程的工作机理，利用网格划分法，建立了水泥熟料篦式冷却过程 的热力学模型，并依据现场数据对模型进行了仿真研究。同时以山水水泥厂4 号线 篦式冷却过程为研究对象，研究了模糊预测控制系统，并通过o p c 接口将控制系统 外挂于d c s ，实现了篦式冷却过程的自动控制，实际运行表明了该方案的正确性和 实用性。 首先，根据篦式冷却过程的工艺特点，深入分析了第三代充气梁篦式冷却机的 工作机理。针对篦冷机内熟料冷却效率低问题，在篦冷机和窑系统运转状态稳定、 熟料颗粒与气体之间传热稳定等假设条件下，基于气固交叉换热理论，采用网格划分 法将篦冷机篦床上的高温熟料进行单元划分，利用气体、熟料以及篦冷机壁之间的热 平衡原理和质量平衡原理，建立了篦冷机熟料多通道冷却风流量控制模型，并对计 算结果进行验证，验证结果表明该模型能够比较准确地反映了实际情况。 其次，在上述模型的仿真结果基础上，提出了一种带有多值逻辑协调控制器的 模糊预测控制方法。分别以篦床静压和一室风机电流为主、辅控制目标，以一段篦 速为控制量，设计了预测模型，模糊控制器，并设计多值逻辑协调控制器协调主控 目标和辅控目标之间的控制策略，其仿真结果通过与常规预测控制系统的对比，发现 该算法具有很好的快速性和鲁棒性，在扰动很大的情况下，依然能够保持很好的控制 效果。 随后，结合山水水泥厂4 号线的实际情况，将在v c + + 环境下编写的预测控制算 法通过o p c 接口与集散控制系统进行数据通讯，强调并采用了模块化结构，增强了 算法的通用性和可移植性，降低了企业成本。实际运行表明，本课题提出的模糊预 测协调控制方案对于篦式冷却过程具有良好的控制效果。 最后，就所完成的课题做出总结，分析了当前研究工作的不足，并对今后的发 展及研究方向进行了展望。整个水泥生产过程，各环节是相互联系的，本文分析的 篦冷机系统的控制，仅仅考虑了窑头环节的控制，并未将窑系统等其他环节的影响 新型干法水泥生产冷却过程建模与控制 因素考虑在内。 关键词：篦冷机，模型建立，模糊预测协调控制，冷却机理 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o o l i n gp r o c e s si si m p o r t a n tt ot h es i n t e r i n gp r o c e s so fc e m e n t i tp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nc o o l i n g 、c o n v e y i n ga n dr e c l a i mt h eh e a to fc l i n k e r g r a t ec o o l i n gp r o c e s si st h e m o s tp o p u l a rc o o l i n gm e t h o d si nm o d e mc e m e n tp l a n t ，a n di t sa u t o m a t i o ni so n eo ft h e m o s td i f f i c u l tp r o b l e m si nc e m e n tp r o d u c t i o n u n d e rt h er e a s o n a b l ea s s u m p t i o na n dt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r a t ec o o l i n gi n s t a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n ，u s i n g 鲥dd i v i d em e t h o d ，t h et h e r m o d y n a m i c sm o d e lo ft h e g r a t ec o o l i n gp r o c e s si sb u i l ta tf i r s t a n dt h e nt h es i m u l a t i o nw a sg i v e no nt h em o d e l c o m b i n e dw i t ht h er e a ld a t a a s s o c i a t e dw i t ht h eg r a t ec o o l i n gp r o c e s sr e a l i t yo fs h a ns h u i c e m e n tp l a n ta n dt h ec h a r a c t e ro fd c s ，d e s i g n e dt h eg r a t ec o o l i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c h u s i n gf u z z p r e d i c t i v ec o o r d i n a t i v ec o n t r o la l g o r i t h m t h ec o n t r o ls y s t e mp r o g r a m m e db y v c + + a n db a s e do no p c t e c h n o l o g y t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h ea l g o r i t h mi sc o r r e c ta n d p r a c t i c a l a tf i r s t ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fg r a t ec o o l i n g ，t h eo p e r a t i o n c h a r a c t e ra n dt h em a i nf a c t o r so fc o o l i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e dd e e p l yt ot h et h i r dt y p e g e n e r a t i o no fa e r a t i o nb e a mg r a t ec o o l e r a i ma tt h ep r o b l e mt h a te f f i c i e n c yo fc e m e n t c l i n k e rg r a t ec o o l e ri sl o wi nt h ep a p e r a tt h es u p p o s eo fc e m e n tc l i n k e ra n dc i l na r e r u n n i n gs t a b i l i t y , b a s e do nt h et h e o r yo fg a s - s o l i dh e a te x c h a n g e ，t h eh i g ht e m p e r a t u r e c l i n k e ro nt h eg r a t eb e di sd i v i d e di n t og r i d s ，a n dt h et h i c k n e s so fc l i n k e rc o n t r o lm o d e li s c o n s t r u c t e d 州t hh e a tb a l a n c ea n dm a s sb a l a n c eb e t w e e ng a s ，c l i n k e ra n dt h ew a l lo f c o o l e r b yv a l i d a t et h er e s u l to fe m u l a t e ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h em o d e lc o u l de x a c t l y r e f l e c tt h ef a c t s e c o n d l y , o nt h eb a s eo ft h em o d e l ，af u z z y p r e d i c t i v ec o n t r o lw i t hac o o r d i n a t e c o n t r o l l e rw a sg i v e n t h ep r e s su n d e rt h ec e m e n tc l i n k e ra n dt h ec u r r e n to ft h ef u na r es e t a st h em a i na n da s s i s t a n tc o n t r o lt a r g e t s ，t h es p e e do ft h ef i r s ts e c tg r a t ec o o l e ri ss e ta st h e c o n t r o lq u a n t i t y , t h ep r e d i c tm o d e la n df u z zc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d ，a n dac o o r d i n a t e c o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oc o o r d i n a t et h ec o n t r o lo fm a i na n da s s i s t a n tc o n t r o lt a r g e t s u s e t h i sm e t h o dt os i m u l a t i o n ，t oc o m p a r et h er e s u l t 谢t ht h er e s u l to fp r e d i c t i v ec o n t r o l ，i tc a n b es e e nt h a tt h i sm e t h o dh a sg o o dr o b u s ta n df a s t n e s sc h a r a c t e r s ，i nt h ec a s eo fb i g i i i 新型干法水泥生产冷却过程建模与控制 d i s t u r b a n c e ，i tc a nk e e pag o o dc o n t r o lr e s u l t a n dt h e n ，a s s o c i a t e dw i t l lt h er e a l i t yo fs h a n s h u ic e m e n tp l a n t ，t h ep r e d i c t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mu s i n gv c + + l a n g u a g er e a l i z e dd a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hd c s c o n t r o ls y s t e mb y t h eo p ci n t e r f a c e f u r t h e rm o r et h es o f t w a r eo ft h i sp r o j e c te m p h a s i z e da n da c t u a l i z e dt h e m o d u l a r i z a t i o n ，i ti sr e d u c e dt h ec o s tw h i l ee n h a n c e dt h eu n i v e r s a l i t ya n dt r a n s p l a n t a t i o n t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ef u z z p r e d i c t i v ec o o r d i n a t i v ea l g o r i t h mh a s g o o de f f e c to ng r a t ec o o l i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h es u m m a r yo ft h i sp a p e ri sg i v e n ，t h es h o r t c o m i n g so fc u r r e n tr e s e a r c ha r e a n a l y z e d ，a n dt h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ep r o p o s e d e a c hc o m p o n e n to ft h ew h o l e c e m e n tp r o d u c tc o u r s ei su n d e t a c h e d ，t h ec o n t r o lo fg r a t ec o o l e ri nt h i sp a p e rj u s t c o n s i d e r e dt h ei n f l u n c eo ft h ec o o l e r ，t h eo t h e ri n f l u e n c eo ft h es y s t e mw e r en o t c o n s i d e r e d k e y w o r d s ：g r a t ec o o l e r , m o d e l i n g ，f u z z - p r e d i c t i v e c o o r d i n a t i v e c o n t r o l ，c o o l i n g m e c h a n i s m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒丛日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：篷喹 导师签 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 水泥是建筑工程的重要基本材料之一，水泥工业是国民经济中非常重要的产 业。水泥工业的发展对保证国家建设规划的顺利实施和国民经济的正常运行、人民 物质和文化水平的提高，具有十分重要的意义【l 】。同时作为高能耗行业之一，其能 源消耗占全国能源消耗的7 ，能源效率偏低的状况非常突出，与国际先进水平相 比，我国每吨水泥能耗约高4 5 3 ，其他诸如人力资源利用、原材料利用等方面也 浪费巨大，十分不符合集约经济的要求与标准。因此，现阶段在我国水泥工业积极 推广先进的生产工艺和控制技术，将对促进水泥全行业的节支增效具有十分重要的 意义。 1 1 水泥企业自动控制发展研究现状 为适应节支增效的趋势，几十年来人们除了不断对水泥工艺和设备进行优化和 改进，自动控制技术也发挥了越来越重要的作用，从而可以稳定生产过程，提高质 量，增加产量，降低能耗和成本，提高设备运转率和劳动生产率，降低劳动强度， 保证了企业提高经济效益和达产达标【2 1 。 水泥企业自动化的目的主要有两个：一是降低生产过程的成本，二是提高产品 的质量。只有逐步提高自动化水平，逐步实行仪表化、自动调节和计算机控制，才 能逐步提高产品质量。并且，经过4 0 多年的发展，自动控制经历了从简单仪表指 示到自动化调节，从计算机集中控制到集散控制，从单纯的生产过程控制到控制管 理一体化的不断进步和完善提高过程【3 】。 随着新型干法水泥生产技术的推广应用，实现生产过程自动化的必要性也愈加 明显。这是因为新型干法水泥生产过程环节多，连续性强，许多工序联合操作，相 互影响，相互制约。生产过程本身就要求具有高度的稳定性、设备运转的可靠性和 调节控制的及时性。而这些要求，靠人工操作是不可能达到的。生产过程自动控制 具有反应灵敏、控制及时、调整精确的特点，是保证现代化连续性大生产安全稳定 运行必不可少的工具。 我国水泥企业自动化科技人员早在七十年代中期就已经开始研究计算机在水 泥生产过程中的应用，由于受当时计算机技术水平的限制，实际工业应用还存在许 1 新型干法水泥生产冷却过程建模与控制 多困难。 进入八十年代，一些国外引进的大型水泥生产线配套了计算机集中控制系统， 但中控室监控、操作仍以集中仪表盘为主。八十年代后半期，国外引进的大型水泥 生产线开始配套使用集散控制系统，即d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ( d c s ) 。于此同时， 国内自行设计的水泥生产线也开始采用d c s 控制，但仅仅处于设计、研究阶段， 还没有进入实际运行。八十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用的初级阶段。 九十年代以来，国外引进或国内自行设计的大中型水泥生产线绝大多数使用了 计算机控制系统，文献 4 - 8 介绍了d c s 在水泥行业的具体应用，其中文献 6 】、【7 】 的控制系统还分别结合了p l c 技术和现场总线技术。 进入新世纪，随着计算机技术、网络技术、通信技术、控制技术的发展，我们 可以看出一个明显的水泥自动化新动向，即世界各大水泥制造商和计算机公司，除 了注重d c s 在水泥生产线的应用之外，还特别热衷于水泥生产主要环节的先进控 制软件开发，比如：窑磨专家系统，生料质量优化控制系统和优化软件。 1 2 水泥行业先进控制应用研究动态 水泥生产的自动控制与过程优化是水泥企业增产、节能、降耗的关键所在。而 伴随复杂的物、化反应，水泥生产各主要工艺流程均为多变量、时变、非线性、大 时滞对象，这对水泥生产的过程建模及优化控制都带来了极大的难度，为此，国内 外学者进行了大量的相关研究。 1 2 1 国内研究动态 有关的研究集中体现在文献 9 2 5 】中，具体如下： 文献【9 1 3 对模糊控制、专家系统、r b f 神经网络在水泥回转窑自动控制系统 的应用方面进行了研究与实践；文 1 4 1 5 给出了水泥回转窑的模糊控制模型；文 【1 6 1 7 贝j j 分别研究了回转窑和分解炉的b p 神经网络模型；文献 1 8 2 0 在水泥磨、 配料过程、烧成过程的建模与仿真方面做了自己的研究，分别应用了机理推演以及 数值仿真等方法。 分解炉控制系统的研究，体现在文献 2 1 2 5 当中。文【2 1 】、【2 4 研究了分解炉的 模糊预测控制；文【2 2 】、【2 3 研究了基于d c s 环境下的模糊控制在分解炉上的应用 情况；文 2 5 】在建立分解炉模糊控制规则库的基础之上，用b p 神经网络进行优化 处理，研究了分解炉炉温的模糊神经网络控制。 济南大学硕士学位论文 1 2 2 国外研究动态 传统水泥生产的自动控制与过程优化主要是基于操作员经验模型的模糊控制 和专家系统，即是模拟现场操作员工和水泥工艺专家的经验而进行自动控制的，本 身从理论上并不具有优化功能，只是因其模拟的人工经验都是水泥企业生产现场优 秀员工或资深工程师的成熟经验，因此在应用实践中达到了一定的优化目的，操作 效果通常比水泥企业完全手工操作要好的多。 目前国外水泥自动化控制正在由上述单纯的专家系统控制向结合机理模型的 专家控制系统方向发展，希望实现操作的不断优化。文献 2 6 】研究了水泥悬浮预热 回转窑的模糊控制；文献【2 7 】介绍了基于专家系统的水泥回转窑故障诊断问题；文 献 2 8 是a b b 公司的专家系统在水泥磨、生料磨和回转窑的应用。 1 3 篦冷机研究动态 篦式冷却过程的重要设备是篦式冷却机，简称篦冷机。作为影响熟料质量和整 个工艺系统热效率的关键设备之一，篦冷机一直是人们研究的重点。然而，由于其 系统的复杂性，目前对篦冷机的研究尚处于半经验阶段，如何使用先进的控制方法 和以现有的显参数有效的控制篦冷机的工作状况，从而使出篦冷机熟料温度达到工 艺要求且便于水泥磨研磨，并且使入窑二次风温和进分解炉的三次风温达到工艺要 求温度，为篦冷机的性能改进、提高工作效率提供依据，都使得本课题的研究有着 重要的意义。 1 3 1 篦冷机技术发展 自篦冷机发明以来的近7 0 年时间，篦冷机不仅仅用于降低熟料的温度，还用于 改善熟料质量、提高熟料易磨性、提高二次风温度、三次风温度、改善燃料燃烧条 件及节约能源。在当代预分解窑系统中，它与旋风筒、换热管道、分解炉、回转窑 等密切结合，组成了一个完整的新型熟料煅烧装置体系，成为一个具有多重功能的 重要装备，其发展可分为三个阶段f 2 9 】： 第一阶段：从2 0 世纪3 0 年代至6 0 年代。以1 9 3 7 年由f u l l e r 公司提供的第一 台篦式冷却机为代表，之后回转篦式、震动篦式、推动篦式冷却机等相继问世。这 一阶段是薄料层( 料层厚2 0 0 3 0 0 m m ) 篦冷机，其特点是单风机统一供风。 第二阶段：从2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代。以往复推动式篦冷机的诞生为代表。 3 新型干法水泥生产冷却过程建模与控制 第二代篦冷机被称作是厚料层( 料层厚5 0 0 6 0 0 m m ) 篦冷机，其特点是多风室多风 机供风，与第一代篦冷机之间的差别在于：它分多个风室，每个风室较小，各风室 配独立风机，改进了各风室间的密封，减少了漏风串风，改善了风与熟料的热交换。 第三阶段：从2 0 世纪8 0 年代至今。生产进一步大型化，对节能、环保等方面 的要求更高，在预分解窑对分解炉用三次风的特殊抽取方式的推动下，出现了第三 代、第四代篦式冷却机。 第三代篦冷机被称作是控制流篦冷机，其特点是阻力篦板梁f 3 0 】单独供风，料层 厚度可以达到8 0 0 1 0 0 0 m m ，和以前的篦冷机相比，它有两项重大改进：一是把篦 床划分为众多的供风小区，更便于供风调整；二是采用由封闭篦板梁和盒式篦板组 成的阻力篦板冷却单元，使每个阻力篦板冷却单元形成众多的控制气流，从而显著 地降低了单位冷却风量，大幅度提高了冷却效率。 我国由成都建材工业设计研究院自主研发的第四代篦冷机于日前研制成功，其 核心技术包括了s 型低阻力无漏料固定篦板、s c d 扫摆式输送装置及f a r 流量自 动调节器。这标志着我国新型干法水泥生产线大型关键设备的国产化又取得重大进 展和突破，其制造技术已经达到国际先进水平，提升了民族工业的国际竞争力。 1 3 2 篦冷机研究方法 总的来说，目前针对篦冷机的研究方法可以分为四种： 第一种是针对实际生产中出现的问题进行改造与试验研究，在不断解决问题中 发展篦冷机，如篦板型式、供风系统与进料口的布料、“红河”现象【3 1 】、“堆雪人 现象3 2 。3 】的解决等。 第二种是针对篦冷机建立数学模型，从理论研究上寻求突破点，篦冷机数学模 型研究的一些成果如下所述： 1 9 8 7 年，h o g a r d e i k t 3 4 1 等给出了篦冷机的热效率评价方法，提出了评估冷却 机的标准。 1 9 9 2 年，h p e l k j a e r 和t e n k e g a a r d 3 5 1 提出了评价篦冷机效率的方法，引出了两 个概念：k 因子与标准冷却机损失，给出了两者和热回收之间的关系。 1 9 9 5 年，v o n g l b e m s t e i n 和e d m o l e s t 3 6 】建立了基于热力学第一定律和能量、 动量、质量守恒定律的数学模型，利用软件计算了熟料层上的气体流场与温度分布， 指出熟料与空气沿篦冷机长度方向的温度分布符合指数衰减规律。 4 济南大学硕士学位论文 2 0 0 2 年，s a u m i t mp a l 3 7 1 利用软件计算了包括篦冷机在内的整个窑系统的热平 衡、气体平衡和质量平衡。 同年，g - l o c h e r 3 8 1 在气体通过颗粒床的传热方程式和静止体非稳态传热方程式 的基础上，建立了数学模型，并利用计算机求解，研究了熟料粒径分布、篦床速度、 冷却风分布等对传热的影响。 2 0 0 4 年，冯绍航例建立了篦冷机内部换热的数学模型，开发出用于该模型计算 的程序，并利用该程序研究了骤冷区篦下风速、后冷却区篦下风速、篦床推动速度、 熟料颗粒粒径和床层空隙率等因素对篦冷机工作特性的影响。 第三种是c c d 比色测温系统的研究，用于测量篦冷机骤冷区的料层厚度和温 度。电耦合器件，即c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) ，是1 9 7 0 年由美国贝尔实验室 的w s b o y l e 和g e s m i t h 首先提出。c c d 比色法是一种有效的温度测量手段，它 通过摄取被测对象的图像，借助光学理论和计算机图像处理技术得到温度分布状况。 文献 4 0 4 3 研究了基于c c d 比色测温的熟料温度测量，其中文献 4 0 】的研究成果已 得到初步应用，文献 4 4 】除给出温度测量，还介绍了厚度的测量。 第四种是关于篦冷机控制的研究，包括建模和控制策略的研究。与1 2 节先进 控制算法在其它主要水泥生产环节大量研究相比较，只有为数不多的文献对此进行 了研究，以下详细说明之。燕山大学的李海滨m 利用模糊神经网络针对第四代篦冷 机仿真了以生料量和二室压力为输入、以十字棒推动速度为输出量的篦冷机熟料流 动模型。印度尼西亚的a w a n gn i w a r d a n a h 6 1 以压力和篦冷机速度建立了p i d f u z z y 控制策略以改进篦冷机工作性能。广西大学的陈益兰利4 7 】用b p 神经网络在m m l a b 环境下对篦冷机热工参数作了优化设计仿真。华侨大学的方千山【4 8 】以压力和温度为 输入、阀门开度为输出建立了模糊控制规则表，针对第二代篦冷机做了研究。 综上所述，无论是设备的开发研制，还是理论研究，科技工作者所做的工作都 越来越深入，篦冷机的发展也越来越快，其目的都是为了改善篦式冷却过程的性能、 优化生产过程。c c d 比色法还处于研究阶段，即使有少量应用也没有纳入到自动控 制系统内，只是奠定了一定基础。而对于篦冷机控制的研究也处于仿真阶段。因此 在提高热回收效率、降低能耗等方面，先进的控制方法在篦冷机系统的应用有着很 大的研究空间。 新型干法水泥生产冷却过程建模与控制 1 4 研究内容和方法 本文针对天津水泥工业设计院设计的t c 1 1 6 4 第三代充气梁篦式冷却机，在充 分分析其结构和工作机理的基础上，将篦压和一室风机电流两个控制目标，根据工 业要求分别定义为点控制方式的主控目标和域控制方式的辅助控制目标，并利用多 值逻辑控制器协调两个控制目标对应的输出。将模糊控制和预测控制思想相结合， 利用近似模型的宏观预测能力预测出误差的变化趋势，模糊控制器根据人的专业知 识和操作经验，利用预测误差计算控制器的输出，降低了对于模型精度的要求，并 使其适用于大时滞对象。算法简捷实用，鲁棒性好，适合应用于水泥生产等复杂的 场合。算法的实现是利用v c 高级语言编制程序，通过o p c 接口与d c s 进行数据 通讯，然后将指令下达到d c s 相应控制模块，达到控制目的。 1 5 本章小结 本章在深入分析课题背景和篦冷机的发展趋势及对水泥企业影响的基础上，得 出了对篦式冷机过程进行先进控制研究并将其应用到工业现场势在必行的结论。对 山水水泥厂4 号线生产过程中冷却环节的现状及存在的问题进行了分析和总结，结 合模糊预测控制算法的优势，给出了研究的内容和方法。 6 济南大学硕士学位论文 第二章篦冷机熟料冷却过程机理研究 水泥生产自1 8 2 4 年诞生以来，生产技术历经多次变革。作为水泥熟料的煅烧设 备，开始是间歇作业的土立窑，1 8 8 5 年出现了回转窑。1 9 3 0 年德国伯力鸠斯公司研 制了立波尔窑，用于半干法生产，1 9 5 0 年联邦德国洪堡公司研制成功悬浮预热窑， 称洪堡窑，1 9 7 1 年日本石川岛公司和秩父水泥公司研制成功预分解法，称s f 法。 七十年代初，窑外分解技术出现后，更加受到世界各国的重视，并且很快出现了许 多各具特点的预分解技术。与此同时，生料制备、水泥粉磨等各种水泥生产技术装 备，也与之配套，同步发展，现代电子技术及科学管理方法在水泥工业中也得到了 广泛应用。以悬浮预热和窑外分解技术为核心的新型干法水泥生产，采用了现代最 新的水泥生产工艺和装备，正在逐步取代湿法、老式干法及半干法生产，把水泥工 业生产推向一个新的阶段。 本课题的研究针对的是新型干法水泥生产过程，以下主要介绍新型干法水泥的 生产工艺流程。 2 1 水泥生产工艺简介 新型干法水泥生产，就是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，把现代科学技术 和工业生产成就，广泛地应用于水泥干法生产的全过程，使水泥生产具有高效、优 质、低耗、符合环保要求和大型化、自动化的特征的现代化水泥生产方法。新型干 法水泥生产包含了一整套现代化水泥生产新技术和与之适应的现代化科学管理方 法。与传统的湿法、干法、半干法水泥生产相比，新型干法水泥生产具有均化、节 能、环保、自动控制、长期安全运转和科学管理六大保证体系。 其具体组成部分见图2 1 。 其中熟料煅烧部分也就是烧成部分是水泥生产非常重要的一个环节，这部分主 要由预热器、分解炉、回转窑、篦冷机四部分组成。 7 新型干法水泥生产冷却过程建模与控制 图2 1 水泥生产流程 1 ) 水泥生料的窑外预热和分解：水泥的生料经研磨、均化等处理后由气力提升泵 传送进入预热器。悬浮预热器由由上至下排列的五级旋风筒组成，生料由一级旋风 筒入口进入，在各级旋风筒内悬浮，自上而下与由窑尾烟室送入五级筒底部的高速 热气流充分混合，进行热交换后进入分解炉，并与从分解炉中部送入的煤粉进行混 合燃烧，并大部分被分解，其分解率可达8 0 - 一9 0 。 2 ) 窑内锻烧：从分解炉出来的物料由窑尾进入窑体，随着回转窑的不停旋转，物 料从窑尾向窑头慢慢流动。在窑头喷煤处煤粉的燃烧继续向窑体内提供热量，使未 分解的生料进一步分解。物料在回转窑的不同区域发生不同的化学反应，形成分解 带、过渡带、烧成带三个工艺带。 3 ) 熟料冷却：熟料由回转窑窑头进入篦冷机的篦床，进行冷却。篦冷机篦床的往 复运动，小的熟料块落到下面的熟料拉链机上，而大块的熟料块则移送到破碎机进 行破碎。熟料在篦冷机内以对流方式进行热交换，温度迅速降低。 4 ) 废气处理：窑尾废气由高温风机引风，自下而上通过各级旋风筒，完成与生料 的热交换。含有粉尘的高温废气，一部分去原料磨对原料进行烘干，其余的通过高 温风机在窑尾废气排风机的牵引下进入增湿塔，在增湿塔内对高温气体进行降温， 而后进入汇风箱，废气中的颗粒在汇风箱内沉积后再被回收到原料磨。其余经电收 尘后排入大气。 新型干法回转窑的烧成系统结构如图2 2 所示。 8 * m 顶l 1 正论z 圈2 2 新弘t 法叫转窑烧成系统小意i 划 22 篦冷机系统组成及工作原理 2 21 熟料冷却目的及性能 熟料冷却在水泥生产。 - ，据t e 要地位，埘于熟料睫能、水泥品质以及生产工艺 部有若很大影响，作川t 要表现如f ： ( 1 ) 便丁熟料输送如果输送高甜的熟料，则须耐高温材料；制造输送设备， 不利于减少成本，且容易腓损。 ( 2 ) 改善熟料质量：急拎熟料的液棚米不及完全结品，一部分呈破璃相， 部 分解生成阿利特晶粒，这种热料可制成优质水泥，具有很好的安定性和很高的强度。 急冷水栊熟料还具有很多微裂纹，更易粉磨且电耗低。 ( 3 ) 热量回收：急玲熟料”t 从l l 回收大量热能，供窑内燃烧、分斛炉预分解、 余热发电或烘干物料之片i ，大大降低生产成本。 作为主要冷却装置，篦冷机以。气为介质，使其从高温熟料中通过，对熟料进 行急速冷却，同时回收人量热量，并将得到的热风作为二次、j 次风以及烘干热风 返回水泥生产系统，提高窑热效率。从热r 及工艺角度衡量，对冷盘机的具体性能 要求如下： ( ”回收的热量应尽量多，次肝 g a ss t r e a m - 卜c l i n k e rs t r e a m 图2 4 熟料层网格划分示意图 为确定熟料堆积层区域内的温度分布和熟料冷却情况，对该区域进行网格划分。 基于假设，篦冷机内熟料均匀分布，在网格划分时按二维网格处理，即只对jj ，面( 长 l l 度与高度方向) 进行划分，不对宽度方向划分。根据熟料颗粒度大小要求，将熟料堆积 区划分为2 8 0 0 个网格，每一网格均为矩形，网格线与熟料堆积区的边界线正交，以利于 准确计算，如图2 4 所示。在此基础上，以每个网格为基本控制单元做质量平衡和热平 衡计算，取前一网格的输出值作后一网格的输入值，逐次按顺序对每个网格进行求解， 最后，得到整个篦冷机断面上各点熟料和气体的温度分布，以及热损失，以描述篦冷机 内熟料的换热状态。 2 3 1 2 质量平衡计算 ( 1 ) 熟料质量平衡：在篦冷机推动速度不变、料层稳定的情况下，熟料的流量不 会发生改变1 其质量平衡方程如下式所示： 丝，( ，j ) = 丝，。( f ，) ( 2 1 ) 式中，m 。，( f ，j ) 为网格单元进口的熟料质量流量，单位为k g s ：丝，。( ，j ) 为网格 单元出口的熟料质量流量，单位也为k g s 。 ( 2 ) 气体质量平衡：通过熟料层的气体满足连续性方程。由于气体垂直向上运 动，稳态下可压缩流的连续性方程式可简化为如下一维连续性方程： 岛，疋，j ) v j ，( f ，j ) = 展，。( f ，) ，。( f ，j ) = c o n s t ( 2 2 ) 其中： 彤= 铹 ( 2 3 ) 式中，& 荆( f ，j ) 为网格单元进口气体密度， 培聊3 ：展，。( f ，j ) 为网格单元出 口气体密度， k g m 3 ：o ，( f ，j ) 为网格单元进口气体速度，【m s 】：_ ，。( f ，j ) 为网格 单元出i ：i 气体速度，【m s 】：& 州( f ，j ) 为网格单元进( 出) 口气体密 度， 堙朋3 ：0 小) ( f ，) 为网格单元进( 出) 口气体绝对压强，【p a 】：t ，和) ( ，) 为网格 单元进( 出) 口气体温度，【k 】：r 为气体常数， 8 3 1 4 ( j m 0 1 ) k 。 2 3 1 3 热量平衡计算 一个网格单元的能量衡算方法如图2 5 所示。其中，在图2 5 a 所示的焓流中， 下标的第一个字符代表物相的类别，c 表示熟料，g 表示气体，p 表示气体中悬浮的 熟料粉末，第二个字符表示方向( 位置) ，i 为进网格单元( 内侧) ，o 为出网格单元 ( 外侧) ：在图b 所示的热流中，逗号前的下标表示给出能量的物体，逗号后的下标为 接受能量的物体，w 表示篦冷机的壁面，u 表示环境。 济南大学硕士学位论文 卜妙 缓缓 1 - 岛f 心铲 。 磊。 钆。 荔笏 ( a ) e n t h a l p ys t r e a m ( b ) h e a ts t r e a m 图2 5 各焓流与热流示意图 对于任网格单元，其熵流与热流的平衡关系如下式( 2 4 ) 式( 2 7 ) 所示： 1 对气流和悬浮物： h 掣+ q c 。g + h 啊= h 雪o + q g f + hd o 2 对冷却的熟料： h c t = q c g + h 七q c v 3 对篦冷机壁： q g ，w + 吼，。2 q 。 4 对环境： q 。2q 。 对于网格单元，其焓流及热流求解如下： ( 一) 各种焓流的确定 计算熵流的基准温度为3 0 3 k ，各物料的显热焓为： n g = 心q ( t 一瓦) 皿= 丝e ( z 一瓦) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中，以为气体的显热熵，【w 】：h c 为熟料的显热熵，【w 】：m g 为气体质量流 量， k g s 】：够为熟料质量流量，【k g j 】：c g 为气体热容， j ( k g k ) ：e 为熟料热 容， j ( k g k ) ：乏为熟料温度，【k 】：t 为气体温度，【k 】：瓦为基准温度， 【3 0 3 k 】。 对高温气体和水泥熟料而言，其热容又往往是温度的函数，可用下式表示： 1 3 c g = 9 5 5 + 0 1 4 3 8 7 x t g + 3 8 5 2 5 x 1 0 - 5 + 2 1 0 3 6 x 1 0 - 1 。+ 1 2 0 5 2 1 0 - 1 3 巧 ( 2 1 0 ) q = 9 5 5 + 0 1 4 3 8 7 xt g + 3 8 5 2 5 x 1 0 。5 巧+ 2 1 0 3 6 x 1 0 一o 霉+ 1 2 0 5 2 x1 0 3 巧 ( 2 1 1 ) ( - - ) 各种热流的确定 ( 1 ) 熟料与气体间的换热 熟料与气体间的换热在熟料堆积层中，熟料与气体间的换热方式主要为对流换 热。由于熟料的运动速度缓慢( 约为气体运动速度的千分之一) ，在讨论熟料层气固间 换热时，可以将熟料层视为静止不动体，把熟料和气体间的换热简化为固定床的气固 换热，这样可用下式计算： g 昭= k a ( t 。一毛) y ( 2 1 2 ) 式中，为熟料与气体间换热的热流量，【w 】：k 为气固间综合换热系 数， w ( m 2 k ) ：口为单位体积床层内颗粒的有效表面积， 肌2 聊3 ：瓦一丁为在d 时 间内气固间平均温差，【k 】：y 为单元网格的体积， m 3 。 气固间综合换热系数的求解： 气固间综合换热系数可用式( 2 1 3 ) 确定： 心b + 冬 亿蚴 式中，办为气体对流换热系数， w ( 聊2 k ) ：以为熟料导热系数， w ( m k ) ：矽为颗粒形状校正系数，圆柱状中巾= 1 5 、圆球状由= 1 4 、平板状 巾= 1 3 ；x 为颗粒透热深度，用其半径坐标表示， 聊】。 式( 2 1 3 ) 中的气体对流换热系数h 可用下式( 2 1 4 ) 求解： m ：挲：2 “8p r ；r e p j i ( 2 1 4 ) 飞 式中，以为气体导热系数， w ( m k ) ：p r 为普朗特准数，p r = 咚以：r e p 为 雷诺准数，r e p = k ；也为努谢尔准数：u g 为气体动力粘度，【p a s 】：为气体比 1 4 济南大学硕士学位论文 热， j ( k g k ) ：k 为气固相对运动速度，【m s 】：k 为气体运动粘性系数， m 2 s 。 由于熟料层相对于气体视为静止不动体，可用气体的运动速度来代替气固相 对运动速度，有： 把式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 4 ) ，得： 解得： 令 r e p ：丝 ( 2 1 5 ) 名 玑讲m l t u g c p g j 、jl v g k d p j j ( 2 1 6 ) 办= 等= 刍 2 + 1 8 ( 警 ；( 警州 亿忉 则综合换热系数为： 曰= ( 科，c - ( 书 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 颗粒有效受热表面积q 的求解 在堆积状态下，可根据空隙率s 及料块尺寸求得单位体积床层内颗粒有效受热表 面积口： 口：坐掣 ( 2 2 0 ) 印 时间内固气间平均温差的求解 气固之间平均温差可以用下式表示： 瓦一t = ( 瓦+ 瓦，。一t ，一巧，。) 2 ( 2 2 1 ) 式中，乙为网格单元的入口熟料温度，【k 】：瓦，。为网格单元的出口熟料温度， 1 5 【k 】：毛为网格单元的入口气体温度，【k 】：t ，。为网格单元的出口气体温度，【k 】。 ( 2 ) 熟料和气体与篦冷机壁面间的换热 熟料与篦冷机壁面间的换热： 熟料与篦冷机之间的换热方式主要为辐射换热和传导换热。由于假设熟料为球形 颗粒，颗粒与壁面间的接触方式为点接触，因而换热面积很小。在一个网格单元中，可 忽略传导换热的作用，仅考虑高温颗粒对壁面的辐射换热。辐射换热( g 。) 用下式计 算求得： ，：辈掣 ( 2 2 2 ) 9 c ，w 。二i _ f z z z ， ws c 式中，q c ，。为熟料与篦冷机壁面间的辐射换热的热流量，【w 】；5 为斯蒂芬2 波尔 茨曼常数，5 6 7 1 0 - 8 形( 所2 k 4 ) ：4 为辐射换热面积， m 2 ：瓦为熟料温度， k 】：互为篦冷机壁面温度，【k 】：气为篦冷机壁面的黑度，0 9 ：乞为熟料的黑度，0 气体与篦冷机壁面问的换热： 气体与壁面间的换热以对流换热为主，其对流换热可由下式算出： g g ，= k ，4 ，。( i 一瓦) ( 2 2 3 ) 崔吲3 g d p ) 2 1 n 弦2 4 ， 式中，q g , w 为高温气体与内壁面间的对流换热的热流量，【w 】：九，。为气体与壁面 间的对流换热系数， w ( m 2 k