摘 要

分解炉作为水泥生产过程中间一个重要的生产设备现在依旧有许多地方有待进行研究。分解炉内进行着诸多的化学反应和气体的流动，主要反应有燃料的燃烧、生料的分解。综合考虑几个占主导作用的过程，包括燃料的燃烧、生料的分解和气体输运，能够模拟出来炉内大体的流场流动、以及温度分布。在温度场、流场已知的情况下面，用已知的流场和温度场的数据为基础，可以用比较小的计算量进行求解二氧化硫的吸收反应。二氧化硫本身在燃料中浓度并不高，炉内中间的三次风、生料又能够起到稀释作用使得浓度更低，因此可以假设二氧化硫的吸收反应不会对整体的流场分布、温度场分布有很大的影响。

本文先使用Ansys Fluent软件对分解炉中间的流场以及温度场进行了模拟。求解时使用的湍流模型是模型；使用的热辐射模型是P1模型；使用了组分输运模型来描述煤粉的燃烧。在计算时通过反复尝试和对残差图的分析，找到了一组合适的松弛因子可以提高求解时收敛的速度。

然后文章对计算流体力学中间动量方程、SIMPLE算法、模型的原理进行了探讨。基于对有限体积法的理解加上组分输运方程建立了在稳态状态下面二氧化硫的吸收模型。并使用离散化方法将偏微分方程离散化为适宜计算的代数方程组。使用Fluent计算求解，算出在稳态下分解炉中温度场、流场的作为原始数据，再结合Matlab进行编程求解出二氧化硫在炉中间的一维分布情况，以及吸收的情况。计算后的结果发现温度对于这个吸收反应是十分敏感，当温度高于一定温度时反应会突然加快，炉内的二氧化硫会迅速被吸收。文章中建立的数学模型具有很强的通用性，通过一定调整可以将这个模型运用到多反应、三维空间中。

另外在文章在展望中提出了两个模型尝试从整体的角度去分析多个设备之间的关系。由于两个模型没有足够的数据进行求解所以就没有放入正文中间，以后可以通过多次模拟所算出的结果对模型进行求解。

关键词：有限体积法、二氧化硫吸收模型、组分输运模型

The simulation of combustion and absorbing of sulfur dioxide

in decomposing furnace

Abstract

Decomposing furnaces, as an important equipment in cement industry, still need be studied. In the decomposing furnace, there are several chemical reactions and flows which mainly are combustion of fuels and decomposing of raw material. The information of flowing and the distribution of temperature can be calculated by considering the combustion and flowing. Some of reactions which have less contribution to whole temperature distribution and flowing fields can be easily profiled. It does not need much computation when the flowing fields and the temperature distribution were already known. Because the concentration of sulfur dioxide is low in the decomposing furnace, the paper assumes that the absorbing of the sulfur dioxide has less contribution to flowing and temperature fields.

This paper, firstly, used the Ansys Fluent software to simulate the flowing field and the temperature field in a decomposing furnace. The models in the simulation are model for the turbulence, the P1 model for the radiation, and the species transportation model to simulate the combustion of coal. By many experiences and analyzing the residual plots, a group of relaxing factors were found.

Then, this paper discusses the mechanism of the momentum equation, SIMPLE algorithm, and the model. Then based on these mechanism and transport equation, this paper introduces a model of absorbing sulfur dioxide. The method to solve this absorbing model is finite volume method which can discretize partial differential equations to algebraic equations. The raw data of temperature field and flow field on steady situation are calculated by Fluent. Finally, distribution of sulfur dioxide and the absorbing rate in one dimension were figured out by my programs in the Matlab and the data from Fluent. The result shows that the absorbing reaction is very sensitive to the temperature. When temperature is higher than a value of temperature, the sulfur dioxide will be absorbed rapidly. The model in the paper is very useful, and it can be used for three dimension and multi-reaction situations.

Moreover, the paper describes two models to analyze the equipment in different angle and the relationship among the several devices in cement industry. However, there are not enough data to train these models, therefore the models are not putted in main body of this paper.

Keywords: FVM; The model of absorbing sulfur; Transportation modeling

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

第2章 计算时所涉及的数学模型建立 3

2.1. 纳威-斯托克斯方程 3

2.1.1. 方程中间的符号说明 3

2.1.2. 方程的意义 4

2.1.3. 动量方程的离散化 4

2.2. SIMPLE算法 5

2.2.1. 动量预测器 5

2.2.2. 压力修正方程 6

2.3. 模型 7

2.3.1. 雷诺平均模型（RANS） 7

2.3.2. 模型的计算 10

2.4. 二氧化硫吸收模型 12

2.4.1. 组分输运方程的简化 12

2.4.2. 插值方法 13

2.4.3. 化学反应模型 16

第3章 Fluent对分解炉燃烧/流动的计算模拟 18

3.1. 几何模型 18

3.2. 网格划分 18

3.3. 求解参数 19

3.4. 迭代求解 20

第4章 Matlab对二氧化硫吸收的计算模拟 22

4.1. 计算时使用的物理模型 22

4.2. 非边界情况下的控制体方程 22

4.3. 边界情况下的控制体方程 24

4.3.1. 入口边界条件 24

4.3.2. 出口边界条件 24

4.4. 计算的准备条件 25

4.4.1. Fluent计算出来的流场结果 25

4.4.2. Fluent计算出来的温度场的结果 25

4.5. 使用Matlab实现二氧化硫的吸收模型 26

第5章 结果分析 28

5.1. 流场 28

5.2. 温度场 29

5.3. 燃料场 30

5.4. 氧气场 30

5.5. 二氧化硫吸收分布 32

第6章 结论与展望 34

6.1. 结论 34

6.2. 展望 34

6.2.1. 神经元网络模型 34

6.2.2. 设备网络模型 35

6.2.3. 增强学习 36

1. 绪论

水泥行业既是一个高耗能产业又是一个高排放产业，水泥工业的主要污染物有二氧化碳、固体颗粒物、氮氧化物以及硫氧化物等。在二氧化碳排放方面，水泥工业的排放占国内总二氧化碳排放量的6-8%，仅次于能源行业（12-15%）是第二大二氧化碳排放行业。^[1]这很好的体现出水泥行业的高能耗和高排放。但是水泥作为一种基础的建筑材料，在中国的城市化过程中间扮演着及其重要的角色，建筑高速公路、铁路、城市和房屋都需要大量的水泥作为支撑。^[2]因此我们不能没有水泥，中国当前的发展需要大量的水泥去建设我们的基础设施、工厂等生产建筑；城市化使得大量人口向城市迁移，需要水泥去构建住房、公路等工程。

在中国水泥生产使用的主要热源是煤粉的燃烧。随长时间的煤炭开采、劳动力成本上升、以及国家对环保的管控，使得高品质的煤炭资源的价格逐渐上升。对此，一方面我们需要有更加高效的水泥设备来降低单位产量所带来能耗和排放。另一方，也需要这些设备在更加复杂的工况下运行。例如，能够使用品质更差煤甚至生活垃圾作为燃料^[3-5]，也能够正常运行并保证固体污染物、有毒有害气体的排放在合理范围。

在复杂的燃烧环境条件下，我们就难以像设计传统热工设备那样使用简单的经验公式、使用小规模的模拟，来达到设计一个新型的适应于多种工况的化工设备。这时我们需要更加明确化工设备里面的状态，需要知道设备内部流动的状态、各个点的温度分布以及化学反应的进程。这就需要数值模拟方法去模拟这些设备在工作时候的状态。十三五规划指出我国现在水泥行业的技术和装备水平不高^[6]，因此花费时间、精力、经费去设计一系列能够描述水泥生产过程中详细化学反应的模型去提高技术和装备制造水平是值得的。通过这些模型计算的结果，去调节水泥生产中的各个环节的参数，从而降低整体能耗、降低污染物排放。降低污染和排放意味降低能耗，是可以给企业和国家带来直接的利益，因此也需要去设计这些模型。

在水泥生产工艺里面，分解炉是中间很重要的一个设备。在分解炉内主要作用是将生料分解，而生料的分解是一个吸热反应需要额外的热量供给，在分解炉中会消耗掉水泥生产过程中的一半的燃料。而煤炭中往往不可避免伴生有硫铁矿和一些含硫的有机化合物，燃烧之后也不可避免的存在硫氧化物的污染问题。在GB4915-2013^[7]有规定在水泥工业中规定工厂窑尾及预热系统二氧化硫排放不能超过100mg/m³；烘干、煤磨和冷却系统中间二氧化硫排放不得超过400mg/m³。尽管在分解炉内是一个高碱性的环境，存在有大量的氧化钙颗粒但炉内反应较为剧烈、流动较为复杂，现在暂时没有研究表明分解炉内二氧化硫一定能够被完全吸收掉。而真实情况中间氧化钙颗粒和二氧化硫气体的反应也比较复杂，所以这里也需要我们去建立模型进行研究。

本文先使用Fluent软件模拟分解炉内部的燃烧时温度、流场状态，再使用Matlab，根据Fluent中间求解出来的数据，将推导出来的二氧化硫吸收模型实现。

1. 计算时所涉及的数学模型建立
   1. 纳威-斯托克斯方程

纳维-斯托克斯有两种说法，其一指流体力学中的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程集合；另一说法是单独指动量守恒方程。动量方程和连续性方程之间的关系十分的密切，可以证明^[8]当流动满足动量方程的时候连续性方程也会自动满足。动量方程对整体的流场有比较大的贡献。

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