[发明专利]一种基于热平衡计算的水泥回转窑温度实时估计方法

说明书

本发明公开了一种基于热平衡计算的水泥回转窑温度实时估计方法，包括如下6个步骤：步骤1：获取计算所需参数数据；步骤2：构建零维模型；步骤3：设置物料温度初始值，初步求解物料化学反应热；步骤4：通过水泥回转窑内部的物料平衡、热平衡初步求解回转窑内温度；步骤5：利用水泥回转窑输入输出的热平衡对求解效果进行评估；步骤6：使用步骤4得到的温度参数求解物料化学反应热，然后重新求解回转窑温度，迭代上述过程，输出回转窑温度的计算结果。本发明实现了水泥回转窑运行数据实时输入、温度参数实时输出的分钟级、秒级实时温度估计，显著提高了水泥回转窑温度模型的实用性，有助于生产企业对回转窑温度进行实时的监控和调整。

技术领域

本发明属于水泥生产过程建模、监控和仿真领域，特别涉及一种基于热平衡计算的水泥回转窑温度实时估计方法。该方法主要适用于分解炉、回转窑、篦冷机等设备参与的干式水泥生产工艺中水泥回转窑温度的实时估计。

背景技术

在水泥生产过程中，水泥回转窑温度的监测是行业普遍重视的一大问题，其原因有三：其一，企业常常采用水泥熟料的游离钙(以下简称“f-CaO”)含量作为水泥产品质量的评价指标，f-CaO表征了水泥生料煅烧过程中氧化钙(以下简称“CaO”)与二氧化硅(以下简称“SiO₂”)、氧化铝(以下简称“Al₂O₃”)和氧化铁(以下简称“Fe₂O₃”)等成分结合的完全程度，对水泥的强度和安定性影响较大，而水泥熟料的f-CaO含量与水泥回转窑的煅烧温度高度相关；其二，烧成系统乃至整个水泥生产过程的煤耗与回转窑的煅烧温度直接挂钩，水泥回转窑的温度监测可以为水泥生产的能耗情况提供参考；其三，水泥回转窑温度的异常可能会引发红窑、掉窑砖等问题，对设备、人员造成损坏和伤害，因此水泥回转窑的温度监测对于水泥回转窑的安全运行起到关键作用。

回转窑温度的影响因素众多，包括生料喂料量、生料成分、回转窑喂煤量、二次风温度、二次风量等等，甚至回转窑窑速的变化都会对回转窑温度造成一定的影响。由于回转窑筒体为转动部件，无法安装热电偶等接触式测温器件，且回转窑内部高温、高灰的环境也不利于红外测温仪等非接触式测温装置的部署，因此生产过程中大多采用二次风温度、窑尾烟气温度等容易测量的运行参数间接反映回转窑内的温度，或者通过机理建模、机器学习建模等方法，通过已知的运行参数对回转窑的温度进行推理和建模。

其中，回转窑温度的机器学习建模方法主要依靠传统机器学习算法或神经网络算法从标签数据中学习、总结、归纳运行参数和回转窑温度之间的关系，然而机器学习模型存在的局部最优值问题以及神经网络训练的不稳定问题会对模型的可靠性产生很大的影响。

用于回转窑温度建模的机理模型根据维度划分主要分为多维模型和一维模型两类，多维模型依赖Fluent、COMSOL等CFD软件对回转窑内部空间进行网格划分，并在所设定的复杂边界条件下开展大量的迭代计算，虽然其建模结果可以良好地反映窑内温度和气体流动的分布状况，但是其建模操作复杂，计算时间长，且存在计算结果不收敛的风险，从生产应用的角度来看，其实用性和可靠性并不强。

一维模型忽略了回转窑内物料和能量在除轴向以外其他方向上的运动和传递，而只考虑轴向上物质和能量的变化情况，相比多维模型在计算速度和灵活性方面有了较为明显的提升，然而在实际应用中，一维模型也暴露出了两个不可忽视的问题：