模型预测控制在水泥生产线自动化的应用

介绍模型预测控制（MPC）在某5?000 t/d水泥生产线的应用，MPC系统用于分解炉、回转窑和篦冷机的控制。生产线动态模型由多变量系统辨识（动态数据建模）获得。该MPC系统的实施时间为3周，2018年7月投运后一直稳定运行。相对手动控制，MPC控制系统大大降低了分解炉出口温度等关键参数的波动性。与手动控制比较，可节煤15%。最新运行数据表明，分解炉出口温度波动进一步降低，熟料游离氧化钙合格率接近100%，而另一条手动控制生产线熟料游离氧化钙合格率约为80%。本文还提出一个MPC项目经济效益的简单估算公式。     

水泥分解炉温度控制过程的阶跃响应建模与仿真

根据从新型干法水泥分解炉温度控制过程中采集的实测数据,选取从过渡工况到动态稳定工况过程中的典型数据段,用阶跃响应法建立分解炉温度控制过程稳态工作点附近的二阶惯性加纯滞后数学模型;以分解炉出口温度偏差及偏差变化率为输入变量,尾煤变化量为输出变量,使用MATLAB的Fuzzy Logic工具箱设计二维模糊控制器,并在稳态阶...     

基于完全燃烧模型下市政垃圾衍生燃料在水泥窑分解炉内热贡献的研究#br#

基于燃料的完全燃烧模型,对市政垃圾衍生燃料（RDF）的燃烧特性进行了分析,并对其在分解炉内的热贡献进行了模拟计算。结果表明：入窑基RDF完全燃烧时最小燃烧空气量Amin为0.335Nm3/MJ,最小燃烧废气量Vmin为0.463Nm3/MJ,均大于煤粉;对于入炉温度为20℃的入窑基RDF,当助燃空气温度为850℃时,其绝热燃烧火焰温度可达1?595.9℃,对分解炉的热贡献为4.57MJ/kg,热量利用率为72.2%,即分解炉内喂入4.95t（低位热值为6.30MJ/kg）入窑基RDF与1t（低位热值为24.49MJ/kg）煤粉产生的发热量相当,该理论计算替代量与实际生产数据的偏差率仅为3.2%;最后计算了不同水分下的临界灰分以及对应的RDF临界热值,并给出了RDF的热贡献分区用于指导水泥窑协同处置生产实践。     

基于完全燃烧模型下市政垃圾衍生燃料在水泥窑分解炉内热贡献的研究

基于燃料的完全燃烧模型,对市政垃圾衍生燃料(RDF)的燃烧特性进行了分析,并对其在分解炉内的热贡献进行了模拟计算。结果表明:入窑基RDF完全燃烧时最小燃烧空气量A_(min)为0.335 Nm~3/MJ,最小燃烧废气量V_(min)为0.463 Nm~3/MJ,均大于煤粉;对于入炉温度为20℃的入窑基RDF,当助燃空气温度为850℃时,其绝热燃烧火焰温度可达1 595.9℃,对分解炉的热贡献为4.57 MJ/kg,热量利用率为72.2%,即分解炉内喂入4.95 t(低位热值为6.30 MJ/kg)入窑基RDF与1 t(低位热值为24.49 MJ/kg)煤粉产生的发热量相当,该理论计算替代量与实际生产数据的偏差率仅为3.2%;最后计算了不同水分下的临界灰分以及对应的RDF临界热值,并给出了RDF的热贡献分区用于指导水泥窑协同处置生产实践。     

高温气体分析装置在新型干法水泥生产线中的应用

使用高温气体分析装置,分析旋窑窑尾烟室、分解炉出口的排气成分,解析窑内、分解炉的煅烧状况,从而达到优化操作、节省燃料、提高熟料质量、稳定高产、控制NOX的生成量、保护环境的目的。目前,该装置是和新型干法水泥生产技术同时引进并得到应用。高温气体分析仪在新型干法水泥生产线的应用主要是采样问题。窑尾烟室、分解炉出口是监测排气成分最佳的测点。可是窑尾烟室的温度高达1000℃3～1300℃,粉尘含量达2000g/Nm3;分解炉出口温度达860℃～900℃,粉尘含量在1000g/Nm3左右,何连续不断的从这两处测点采集供分析的试样气,是新型干法水泥…     

水泥回转窑自动控制系统中的控制算法研究

为了稳定水泥回转窑系统的温度,降低能耗,分析了整个烧成工况,提出分解炉与回转窑"合并建模—分开控制"的方法,利用前馈神经网络对旋风系统和回转窑系统中的一些重要参量进行建模,设计出双模糊自动控制器,以所建模型为依据,分别对分解炉温度和回转窑3个重要点温度进行控制。实验仿真和现场运行表明,控制器具有响应速度快及控制精度高等优点,受控温度点在短时间内趋于稳定,喂煤量较手操少。     

CFX模拟分解炉内CaCO3分解反应的研究

运用CFX模拟分解炉模型内的流动、煤粉燃烧、CaCO3的分解过程,对系统进行气体组分质量平衡和热量平衡计算,结果表明：O2的相对误差<3%,CO2的相对误差<9%,热量的相对误差<9%,表明用CFX模拟分解炉时的可靠性达90%以上;当计算参数如CaCO3量或煤粉量变化0.01%时,炉内温度分布、出口温度、CaCO3分解率等变量几乎没有变化,而当计算参数的变化量大于0.01%时,计算结果就看出变化,即CFX的模拟计算结果响应这两个计算参数变化的灵敏度可达到近万分之一。     

实时优化技术在分解炉出口温度控制中的研究与应用

分解炉出口温度是水泥生产中重要的工艺参数之一，直接代表生料分解效果，即入窑生料分解率。分解炉出口温度的高低，代表着入窑分解率的高低。分解率低则窑系统热负荷增加，严重者导致窜生；分解率高则液相提前出现，致使分解炉、旋风筒内容易结皮黏挂，严重者造成系统堵塞。合理控制分解炉出口温度是工艺生产的关键。根据当前实时工况，采用实时优化技术来推荐分解炉出口温度最佳设定值，满足水泥生产的工艺要求，具有重要的意义。     

减压炉的操作模拟与结焦倾向研究

常减压装置减压深拔操作中,减压炉出口温度是控制减压深拔的关键条件,但提高炉温受减压炉结焦倾向的限制。针对实际生产中减压炉的结焦情况缺少直观监测手段的问题,根据已知操作参数建立了炉管内介质运行工况的测算模型,并提出了校正模型准确性的方法。根据炉管段油膜操作曲线与临界结焦曲线的对比,判断实际运行工况是否在安全操作区域内;利用模型分析了减压炉分支出口温度、减压炉炉管注汽量、加工负荷、加工油种对结焦倾向的影响,为卡边精细操作提供定量的数据支持。结合实际操作数据和模型测算结果,提出了高负荷、减压深拔情况下的防结焦原则,切实提升了装置的安稳运行水平。     

基于GA-SVR的水泥分解炉分解率软测量方法

针对水泥生产企业无法对分解炉分解率进行实时在线检测的情况,结合厂家DCS系统中现有的数据,使用灰色关联分析法观察相关变量与分解炉分解率的关系。利用遗传算法对SVR中的惩罚参数C、核函数核宽g、损失系数ε进行参数寻优,使用寻优结果对分解炉分解率进行SVR软测量建模。不同建模方法间的比较结果表明:使用GA-SVR所建的水泥分解炉分解率模型的预测结果与真实值拟合程度高、测量误差小,能够达到稳定水泥分解炉分解率的目的。     

玻璃熔窑烟气再循环联合燃尽风燃烧数值模拟

玻璃熔窑在采用高温低氧燃烧(HTAC)技术的条件下使用烟气再循环联合燃尽风燃烧对降低NO_x排放有极其显著的效果。基于数值计算方法建立了烟气再循环联合燃尽风燃烧数学模型,并通过实际运行数据与仿真结果对比验证了该模型的可靠性。研究表明:(1)随着烟气循环率增长,炉膛火焰温度下降,小炉出口NO_x浓度下降;(2)加入燃尽风有利于提升烟气对玻璃液的热通量;(3)本研究条件下烟气再循环联合燃尽风降氮燃烧优化运行参数为:烟气循环率5%,燃尽风率20%;在优化参数下运行时,其对应的NO_x质量流量为0.009 51 kg·s^-1,热通量为41.54 kW·s^-1,与基础工况(循环率0、燃尽风率0)相比,NO_x排放浓度下降60.73%,烟气与玻璃液间热通量增加13%;而与循环率0、燃尽风率20%的工况相比,NO_x浓度下降49.4%,烟气与玻璃液间热通量下降3.7%。为玻璃熔窑NO_x减排提供了理论支持。     

辐射管退火炉厚带钢温度场的模拟

针对连续热镀锌生产线辐射管退火炉工艺段,以能量平衡为基础,采用三元法建立了炉气、炉壁、辐射管表面和带钢表面的能量方程组,屏蔽了模型段间能量交换,以加速计算效果,满足实际动态调整需要。针对厚带钢引入内部导热方程,通过与带钢表面热流耦合,采用显格式有限差分法求解带钢内部及炉内温度场,结果与现场检测值基本一致,验证了模型的正确性。在追求最高生产效率的假设条件下,离线模拟得到优化工艺参数。结果表明,来料带钢厚度为2 mm时匹配运行速度达到传动机限速200 m/s。安全运行条件下,加热一段开启尽可能大燃料流量,约为255~260 L/min,二段通过适当减小流量使产品升温同时缩小截面温差并提高燃料利用率,2 mm带钢对应最小温差0.18℃,二段燃料流量降至174 L/min,对应最小单位能耗1049 L/t,5 mm带钢对应最大温差0.60℃,二段燃料流量为230 L/min,对应最大单位能耗1071 L/t。     

15000m3/h耐火材料厂焙烧窑炉烟气低温脱硝工程实验

耐火材料是一种必要的工业炉衬基础材料，经过高温煅烧制得，空气中的N₂高温氧化形成NO_x，且窑炉烟气中NO_x浓度根据生产工段的变化而波动。目前国内在耐火材料焙烧窑炉烟气NO_x脱除方面的工艺少有报道。为解决这一问题，本文首次提出将选择性催化还原（SCR）法运用到耐火材料焙烧窑炉烟气脱硝工程实验中，根据特定工况烟气参数，通过调整反应参数得到了最佳工艺条件。系统地考察了烟气温度、氨氮比和空速对脱硝效率的影响。研究结果表明，当烟气温度为165°C、氨氮比为1.3、空速为2000h^-1时，脱硝效果最佳，脱硝率可达到90%。对于耐火材料焙烧窑炉烟气脱硝治理推广具有较好的前瞻性。     

硅锰炉尾气净化脱硫催化剂研究

大连凯特利催化工程技术有限公司针对富含CO工业尾气中硫化物的脱除进行研究,改进原有脱硫剂,开发出一步法催化氧化脱硫剂S-8419,用于硅锰炉尾气、电石炉尾气等富含CO工业尾气中的复杂硫化物的一步脱除。通过模拟硅锰炉尾气研究入口硫浓度、空速、温度、湿度等对脱硫剂性能的影响。结果表明,在总硫体积分数1×10^-3,空速200 h^-1,反应温度50 ℃,增湿温度25 ℃时,S-8419脱硫剂的穿透硫容达到10.82%。在3个月的锰石炉硅锰炉尾气工业侧线实验中,S-8419脱硫剂的脱硫效果完全满足净化指标。     

富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

富氧燃烧过程中,由于使用再循环烟气代替空气中N₂作为稀释剂,烟气中存在大量CO₂和H₂O。CO₂和H₂O作为非极性三原子分子,具有N₂没有的辐射能力,导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中,气体辐射模型是一个重要的子模型。前人提出多种修改后适用于富氧燃烧的气体辐射模型,但不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下,气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响,通过编程,将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的6种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明,在气体富氧燃烧中,气体辐射模型影响了火焰结构。同时,燃烧温度分布有所变化,不同模型结果之间差别最高可到500 K。气体与壁面之间的辐射换热受到影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大,而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中,当有效辐射层厚度在0.3 m左右时,如在100 kW下行炉中,气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是由于颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16 m左右时,如1000 MW塔式炉中,气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大,温度差别可到100 K左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。     

分解炉空气分级燃烧及NOx排放特性研究

随着我国经济的飞速发展,作为重要基础材料的水泥产品需求量极大且趋于稳定。水泥生产过程中的NOx排放与燃煤火电厂和汽车尾气产生的NOx排放已成为空气污染的主要来源,而分解炉是降低水泥生产工艺中NOx排放的有效设备。笔者在引入高温烟气的模拟分解炉内进行空气分级燃烧试验,研究配风位置、配风比例以及石灰石/煤比例对分解炉内燃烧和NOx排放特性的影响规律。试验稳定过程中,高温烟气发生装置的给煤量和配风量保持不变。此时,高温烟气发生装置的时间平均温度为911℃,其产生的高温烟气温度稳定在750℃左右,高温烟气中NOx主要以NO和N2O的形式存在,其浓度分别为261.49×10^-6和12.96×10^-6。该股高温烟气将模拟实际回转窑产生的烟气进入分解炉内。在分解炉的上部区域(距离顶部0~2 000 mm区域)的温度为800~1 000℃,与实际分解炉运行温度一致,排放烟气中NOx主要以NO和N2O形式存在。随着中间配风位置的下移,煤粉燃烧放热区域下移,而顶部区域的石灰石吸热量变化较小,则原有热量平衡被打破且原有吸热量高于现有放热量,导致顶部区域内燃烧温度降低。此时,还原气氛中煤粉燃烧和石灰石分解反应时间均变长,导致NOx的还原反应更加充分。但石灰石分解产生的氧化钙(CaO)作为中间产物会促进NO的生成反应,其反应时间增加也促进了NO的生成;另一方面,石灰石作为催化剂参与焦炭和挥发分还原NO的反应过程,分解炉顶部区域的温度下降使得该还原反应变弱。综上,NO的最终排放浓度是以上反应的综合结果。随着配风位置的下移,该变化对NO的生成作用更加明显,故NO的排放浓度逐渐升高。当一级风量与二级风量的配风比例降低时,分解炉上部区域的煤粉燃烧份额减少和石灰石分解量降低,而分解炉下部区域的煤粉燃烧份额增加和未分解的石灰石份额增加,但石灰石的吸热增加量高于燃烧增加份额的放热量,因此分解炉内整体温度均降低。分解炉内NO浓度是由石灰石催化的氧化过程和还原过程综合决定的。一级风量变小时,尾部CO浓度随之增加,烟气中NO浓度呈现降低的趋势。当石灰石/煤比例增加时,分解炉内沿程温度逐渐下降。随着石灰石给粉量增加,分解炉内石灰石受热分解产生的CaO浓度增加,CaO催化NO还原反应更剧烈,从而NO浓度逐渐降低。而石灰石给粉量增加和分解炉温度降低的过程导致尾部的CO浓度升高。     

填料塔中哌嗪二胺吸收低浓度SO_2的传质性能

为满足有机胺法脱硫设计开发的需要,采用动态吸收法测定了填料塔中哌嗪二胺(PA-A)水溶液吸收低浓度SO2的体积总传质系数KGa,考察了吸收工艺参数如吸收液中的PA-A浓度和初始pH值、液相流率、吸收温度、进气SO2浓度及流速等对KGa的影响。结果表明:KGa随着吸收液中的PA-A浓度和初始pH值、液相喷淋密度的增加而增大;随着吸收温度、气相流率及进气SO2浓度的增加而减小。通过实验结果分析得到体积总传质系数KGa与气液相流率比(qG/qL)之间符合指数关系式,该经验关系可用于工程设计计算。     

毒重石制氢氧化钡的热分解实验研究

毒重石的热分解率严重影响氢氧化钡的收率。研究了高温分解毒重石钡矿,经热水浸取制备氢氧化钡工艺条件,考察了温度、压力、粒径、添加剂和气氛对分解率的影响。结果表明,毒重石钡矿颗粒粒径较小时,有利于降低分解温度,粒径在150 μm以下时,理想分解温度为1 373.15 K;通过加入石墨等含碳添加剂能大幅提高碳酸钡分解率;通入氩气来改善炉膛的气氛,减小反应生成的一氧化碳、二氧化碳浓度对提高毒重石分解率效果不大,当通入氩气流量为0.5 m³/h时,分解率仅提高2.55%。在真空烧结炉中（绝对压力5 Pa）煅烧钡矿能大幅提高分解率和降低分解温度,最佳分解温度为1 273.15 K,钡转化率达82.3%。较低的分解压力和较少的二氧化碳气氛有利于毒重石热分解。     

Mathematical modeling of an industrial steam-methane reformer for on-line deployment

A mathematical model of an industrial steam-methane reformer (SMR) is developed for use in monitoring tube-wall temperatures. The model calculates temperature profiles for the outer-tube wall, inner-tube wall, furnace gas and process gas. Inputs are the reformer inlet-stream conditions, the furnace geometry and material properties of the furnace and catalyst-bed. The model divides the reformer into zones of uniform temperature and composition. Radiative-heat transfer on the furnace side is modeled using the Hottel Zone method. Energy and material balances are solved numerically. The effect of important model parameters on reformer temperature profiles is assessed and the parameters are fit to data from an industrial SMR. At plant rates greater than 85% the model accurately predicts the process-gas outlet temperature, composition, pressure, flow rate and tube-wall temperatures. The adjustable parameters may need to be re-estimated using additional low plant rate data. The model has the capacity to be developed into a more complex model that accounts for classes of tubes associated with different radiative environments.     

Modelling the complex interactions between reformer and reduction furnace in a midrex‐based iron plant

This article studies the complex mass and energy interactions between the reformer and the reduction furnace in an iron plant based on Midrex technology. The methodology consists in the development of rigorous first principle models for the reformer and the reduction furnace, in addition to models for auxiliary units such as heat recuperator, scrubber and compressor. In this regard, a one‐dimensional heterogeneous model for the catalyst tubes which takes into account the intraparticle mass transfer resistance was developed for the reformer unit, while the furnace was modelled with bottom‐firing configuration. As for the reduction furnace, the mathematical model was based on the concept of shrinking core model. The furnace was modelled as a moving bed reactor taking into consideration the effects of water gas shift reaction, steam reforming of methane and carburisation reactions. The model was first validated using data from a local iron/steel plant and was then simulated to determine key output variables such as bustle gas temperature, degree of metalisation, carbon content, ratio of hydrogen to carbon monoxide, reductants to oxidants ratio and required compression energy. The effects of key input parameters on the performance of the plant were studied. These parameters included recycle ratio, scrubber exit temperature, injected oxygen flow rate, flow rate of natural gas after reformer, to transition zone, to reformer and to cooling zone. Useful profiles were compiled to illustrate the results of the sensitivity analysis. These results may serve as guidelines for a further optimisation of the plant.