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隧道窑计算机模拟方法与运行状态模拟试验的研究

王世峰  
【摘要】: 隧道窑是无机非金属材料等行业广泛用于制品烧成的大型非标准热工设备。为提高产品质量,降低能耗,急需在烧成制度、结构设置、控制策略等方面进行深入研究。但隧道窑结构与机理复杂、运行工艺参数较多、体积较大,现场测量与实体模型等研究方法的使用受到一定限制。本文在研究了隧道窑计算机模拟理论与方法的基础上,以某卫生陶瓷煤气明焰隧道窑为研究对象,对隧道窑运行状态进行了大量计算机模拟试验,研究运行控制变量对烧成制度(窑内温度、压强)及排烟量等输出参数的影响。 模拟理论与方法。隧道窑计算机模拟研究的主要内容有选择合适的模拟理论与方法、收集与分析有关资料数据、建立系统模型、进行模拟试验、设计模拟系统等。系统模型包括结构模型、广义数学模型与模拟模型。结构模型表示系统中各子系统之间的相互关系,广义数学模型表示系统或子系统描述变量之间的广义数学逻辑关系,模拟模型是由广义数学模型转化而来的计算机接受并能处理的模型。模拟系统应由数据库、数据分析、动态模拟及结果分析、计算机辅助设计等子系统组成,具有综合利用所有资源、交互式建模、动态模拟实验及结果分析、辅助设计等功能。可利用计算机模拟实际或虚拟隧道窑系统,进行热工理论研究,提高设计与运行水平。 运行状态模拟试验。理论与实际相结合,建立隧道窑系统模型。根据实际结构及其各要素之间的关系,建立能正确反映被模拟系统的结构模型。根据实际工艺,推导窑内换热与气体流动方程,确定窑内气体流动与换热控制方程及其离散方法,建立广义数学模型。选择合适的通用模拟软件、计算区域及网格划分方法,合理简化处理燃烧设置等子系统,正确计算流体控制方程源项,建立模拟模型。借助正交试验设计方法安排模拟试验,进行变量重要性分析与模型修正。将实测数据与模拟试验数据相结合,确定基准状态点。在基准状态点附近,进行隧道窑运行状态模拟试验,研究各控制变量对窑内温度与压强、排烟量等工艺参数的影响规律与机理。 隧道窑运行操作规律。总排烟压强、窑尾冷却区抽热风压强、急冷区抽热风压强、物料装载区气体流动阻力系数等15个运行控制变量决定其运行状态,窑内温度与压强制度(曲线)、排烟量、抽出热风量、窑头(尾)溢出(漏入)风量等运行输出参数可表示为15个运行控制变量的函数。运行基准状态点(操作点)附近,可作为线性系统处理。 模拟试验数据整理。在生产记录等资料不能满足要求时,以理论模型为基础进行计算机模拟试验,将模拟试验数据与其它数据资料相结合,提取建模信息,整理为系统现场模拟与实时控制等用途的函数经验模型。 隧道窑正常运行状态。组织窑内气体合理流动是隧道窑正常运行的基础,加热段与冷却段之间无气体流动是平衡状态点。正常运行操作状态点应在平衡状态点偏向冷却段一侧,即有适量急冷段冷却风流向烧成段。运行状态点偏离平衡状态点超过某一限量时,窑内平衡被破坏,烧成制度无法维持。有窑门密封时,运行状态恶化的速度与程度降低。 隧道窑结构设置决定窑内压强制度(曲线)。窑内压强制度(曲线)是窑内气体流动的外观表现,是最易测量且能较好反映气体合理流动的参数。结构设置不同,窑内压强制度(曲线)不同,涉及窑内压强制度种类(如正压与负压操作)时,应强调隧道窑结构设置的特点。在机械通风隧道窑中,通风、排烟、烧嘴等设置的结构及布置方式决定窑内横截面上下压强差,窑内气体静压头与动压头的作用远大于几何压头的作用。 窑内温度制度(曲线)调节。组织窑内气体合理流动是调节窑内温度制度的前提条件。窑内温度变化是气体与物料之间热量传递的累积效应,只能是渐变过程。窑车台面设置火道、预热段搅拌气幕、分散式喷风等措施均可降低窑内横截面上下温度差。用排烟孔调节窑内温度、压强,需首先考虑窑内气体合理流动。 其它改进措施。工艺条件相差较大的结构设置之间留有合适的过渡距离,通过适当降低总排烟压强、急冷段急冷风压强、窑尾冷却段冷却风压强降低窑内总体压强,调整急冷段急冷风上下喷风比例(或增加前几对喷嘴的喷风量)减少烟气倒流等措施可改善隧道窑性能。


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