一种回转窑分区表观源项确定方法

本发明涉及工业回转窑热工过程数值建模与计算流体力学，具体涉及一种回转窑分区表观源项确定方法。

背景技术：

1、工业回转窑广泛用于矿物焙烧、还原、煅烧及其他高温热处理过程。回转窑内部同时存在燃料射流、分区送风、烟气轴向输运、固体床层运动、气固换热和高温辐射换热等过程，气相温度和主要气体组分沿窑长方向具有明显的空间非均匀性。

2、在工业生产条件下，可以长期获取的运行数据通常包括物料给料量、燃料输入量、各二次风入口的风量或入口速度、出口烟气组成以及有限轴向位置的温度。受高温、多尘和连续生产条件限制，回转窑内局部气体组分、床层内部温度以及局部气固换热状态难以连续测量；同时，燃料转化、固定碳氧化、矿物反应、床层运动及局部气固换热等过程所需的部分动力学参数和传递参数难以由工业现场完整获得。

3、现有回转窑计算流体力学模型通常通过显式设置燃烧反应、气固传热及固相反应过程计算窑内热状态。当用于全尺寸工业回转窑时，上述方法需要较多局部反应动力学参数、颗粒物性参数及传热参数，在现场参数不完整的情况下，模型内部热释放和组分转化过程难以根据长期工业运行状态进行确定。

4、此外，采用实测温度或烟气数据对计算模型进行参数修正时，如果参数确定阶段与模型验证阶段使用相同运行数据，或者在验证阶段继续根据实测输出调整源项及模型参数，则难以评价所确定参数在另一运行周期中的适用性。

5、因此，需要一种能够利用工业可测运行数据确定回转窑内部不同轴向区域热量净作用和主要气体组分净转化作用，并在参数确定后保持源项参数不变、利用另一稳定运行周期进行独立验证的分区表观源项确定方法。

技术实现思路

1、一、要解决的技术问题；

2、本发明的目的在于提供一种回转窑分区表观源项确定方法，在局部反应动力学参数、床层传热参数及窑内连续场测量数据不完整的条件下，根据回转窑设备结构和工业稳定运行数据确定具有轴向空间位置关系的气相表观热源、床层等效热源、床层等效热汇及主要气体表观组分源，并通过出口烟气组成和多个轴向位置的气相温度对不同类型表观源项分别进行参数确定和交叉校核。表观源项确定后保持其空间位置、表达形式及参数不变，并采用时间互不重叠的另一稳定运行周期进行独立验证。

3、二、技术方案；

4、一种回转窑分区表观源项确定方法，包括：

5、步骤s1，稳定运行工业数据筛选；获取回转窑两个时间互不重叠的稳定运行周期数据，第一稳定运行周期的数据作为表观源项确定数据，第二稳定运行周期的数据作为独立验证数据；所述稳定运行周期数据包括物料给料量、燃料输入量、多个二次风入口的运行参数、出口烟气干基组成以及多个轴向位置的气相温度；

6、步骤s2，计算域建立与轴向源项分区；按照回转窑实际几何尺寸建立计算流体力学计算域，将流体力学计算域划分为气相区和等效床层区；根据煤枪作用范围、多个二次风入口的轴向位置以及床层空间关系沿回转窑轴向划分多个源项区；

7、步骤s3，构建分区热源、分区热汇与目标质量分数限制型组分源；在气相区的各源项区设置分区气相表观热源，用于表征对应区域内未显式解析的气相热释放；在等效床层区的各源项区设置床层等效热源或床层等效热汇，用于表征床层吸热、放热及其对气相的热反馈；对o2、co2和co设置表观组分源，用于表征组分在回转窑内的表观净消耗或表观净生成；o2、co2和co的表观组分源采用目标质量分数限制方式，形成质量分数限制型组分源；表观组分源的局部源强由对应的基准表观源强与修正因子的乘积确定；根据局部组分质量分数与对应目标质量分数之间的偏差确定修正因子，限定在0～1范围内；

8、步骤s4，出口干基组分约束表观组分源；根据第一稳定运行周期的物料、燃料和空气输入确定各表观源项的初始源强量级；根据第一稳定运行周期的出口干基o2、co2、co和n2确定表观组分源参数，根据多个轴向位置的质量流量加权平均气相温度确定各源项区的分区气相表观热源以及床层等效热源参数或床层等效热汇参数；

9、步骤s5，多轴向温度约束分区热源、分区热汇，并进行组分-温度双指标交叉校核；依次进行表观组分源参数确定、分区气相表观热源及床层等效热源参数或床层等效热汇参数确定以及出口烟气组成与轴向气相温度交叉校核，重复执行稳态计算和参数调整；当调整表观组分源参数使出口烟气组成偏差减小，但轴向气相温度超出允许范围时，撤销或修正该轮表观组分源参数调整；当调整分区热源参数或分区热汇参数使轴向气相温度偏差减小，但出口烟气组成超出允许范围时，撤销或修正该轮分区热源参数或分区热汇参数调整，直至出口烟气组成和轴向气相温度同时满足预设允许范围；

10、步骤s6，固定表观源项位置、形式、强度和目标值；将满足所述预设允许范围时的源项区位置、表观源项形式、源项强度、目标质量分数以及等效床层参数固定，形成分区表观源项集合；

11、步骤s7，形成可独立验证的分区表观源项集合；在第二稳定运行周期仅更新实际发生变化的运行输入和边界条件，并保持所述分区表观源项集合不变；根据第二稳定运行周期的实测出口烟气组成和多个轴向位置的气相温度对采用所述分区表观源项集合的计算模型进行独立验证；在独立验证过程中，第二稳定运行周期的实测出口烟气组成和轴向气相温度不用于重新确定表观源项形式、源项区位置、源项强度、目标质量分数及等效床层参数。

12、所述稳定运行周期数据通过剔除停窑、升温、降温、检修、报警、仪表异常及非生产阶段记录获得，对保留数据计算稳定运行均值和分位区间；将出口烟气分析数据统一换算为干基组成，以干基o2、co2和co之外的余量作为等效n2含量。

13、所述等效床层区采用多孔介质对长期平均运行状态下固体床层对气相流动阻力、气固接触路径及热量交换的综合作用进行等效表征，并采用darcy–forchheimer型多孔介质阻力模型；所述气相区用于表征煤枪射流、二次风掺混、烟气轴向输运以及气相温度和主要气体组分分布。

14、所述分区气相表观热源以及床层等效热源或床层等效热汇均作为体积能量源项加入能量守恒方程；所述源项区的边界根据煤枪作用范围、二次风入口轴向位置、主要表观热释放区域、床层空间范围和下游冷却区域中的一种或两种以上确定；各源项区内的表观热源或表观热汇采用分段常值、分段线性或参数化函数表示。

15、对于o2、co2和co，目标质量分数限制型组分源满足：

16、；

17、且：

18、；

19、其中，

s

i为组分

i的局部源强，

s

i,0为组分

i对应的基准表观源强，

f

i为修正因子；

20、o2对应的修正因子为：

21、；

22、co2对应的修正因子为：

23、；

24、co对应的修正因子为：

25、；

26、其中，clip表示将修正因子限定在0～1范围内，为组分o2的局部质量分数，为组分o2对应的目标质量分数，为空气入口中的o2质量分数；为组分co2的局部质量分数，为组分co2对应的目标质量分数；为组分co的局部质量分数，为组分co对应的目标质量分数；

27、o2对应的基准表观源强取负值，表示o2的表观净消耗，co2和co对应的基准表观源强和取正值，分别表示co2的表观净生成和co的表观净生成。

28、在所述第一稳定运行周期内，出口干基o2、co2、co和n2用于确定表观组分源的基准表观源强和目标质量分数，多个轴向位置的质量流量加权平均气相温度用于确定各源项区的分区气相表观热源以及床层等效热源或床层等效热汇；每轮参数调整后重新进行稳态计算，并同时校核出口烟气组成和轴向气相温度；当本轮参数调整使当前确定指标改善而另一类校核指标超出对应允许范围时，撤销或修正本轮参数调整。

29、在所述第二稳定运行周期中，根据实际运行状态更新物料给料量、燃料输入量以及多个二次风入口风量或入口速度中的一种或多种运行输入，同时保持计算域几何、网格、湍流模型、辐射模型、等效床层参数、表观源项形式、源项区位置、源项强度以及目标质量分数不变。

30、所述独立验证同时采用第二稳定运行周期的出口干基o2、co2、co、n2以及多个轴向位置的气相温度作为验证量，并采用主要气体组分相对误差、轴向气相温度相对偏差以及轴向气相温度均方根误差中的一种或多种评价所述分区表观源项集合的独立验证结果。

31、在所述分区表观源项集合通过独立验证后，采用所述分区表观源项集合计算回转窑内部气相温度和主要气体组分的空间分布，并以通过独立验证的计算模型为基准设置二次风运行参数变化工况；所述二次风运行参数变化工况包括总二次风量增加或降低、单个或多个二次风入口风量改变以及总二次风量保持不变条件下不同二次风入口之间的风量重新分配中的一种或多种；根据不同二次风运行参数变化工况下出口温度、o2和co相对于基准工况的响应变化，按照出口温度、o2和co的联合变化确定二次风总量以及各二次风入口风量的调节方向。

32、三、有益效果；

33、与现有回转窑热工建模方法相比，本发明具有以下有益效果：

34、本发明依据煤枪作用范围、二次风入口位置及床层空间关系对回转窑计算域进行轴向分区，并在不同区域分别设置气相表观热源、床层等效热源或床层等效热汇以及主要气体表观组分源，使表观源项与回转窑实际空间结构相对应，能够在局部反应动力学参数和床层传热参数难以完整获取的条件下表征窑内不同轴向区域的净热效应和主要气体组分净转化过程。

35、本发明利用出口干基o2、co2、co和n2确定表观组分源参数，利用多个轴向位置的质量流量加权平均气相温度确定分区气相表观热源和床层等效热源或热汇，并在每轮参数调整后同时校核出口烟气组成和轴向气相温度，从而降低仅采用单一出口测量量确定多个源项参数所引起的参数不确定性及内部热工状态失真。

36、本发明采用目标质量分数限制型组分源，根据局部组分质量分数与对应目标质量分数之间的偏差调节组分源强；当局部组分质量分数接近目标质量分数时，组分源强自动减小，从而限制o2的过度表观消耗以及co2、co的过度表观生成，提高主要气体组分计算结果的稳定性。

37、本发明在第一稳定运行周期完成分区表观源项参数确定后，将源项区位置、表观源项形式、源项强度、目标质量分数及等效床层参数保持不变，并采用时间互不重叠的第二稳定运行周期进行独立验证，使参数确定阶段与模型验证阶段在数据使用上相互分离，避免利用验证期实测输出对模型进行再次标定。

38、经独立验证的分区表观源项集合能够用于计算回转窑内部气相温度和主要气体组分的空间分布，并进一步分析总二次风量及二次风空间分配变化对出口温度、o2和co的影响，为回转窑热工状态分析及二次风运行参数调整提供计算依据。