氧化铝管道化溶出熔盐炉仿真系统研究

摘要

熔盐炉系统是氧化铝管道化溶出工艺的关键设备,但一直以来对熔盐炉系统熔盐加热段和换热段的热工过程缺乏系统研究和分析,以致对该系统的操作和改进主要依靠经验,缺乏相应的理论指导。因此,依据实际生产设备,建立并求解熔盐炉系统各部分的物理数学仿真模型,深入了解熔盐炉系统熔盐加热段和换热段的热工过程,获得熔盐炉系统运行的最优结构参数以及各项运行参数成为亟待解决的新课题。
　　 本文以中铝河南分公司氧化铝厂管道化溶出熔盐炉系统为研究对象,选择ControlBuild软件为平台,以热平衡测试数据为边界条件及初始条件,对管道化熔盐炉系统加热段和换热段的热工过程进行了仿真及优化研究。本研究采用模块化建模思路,在大量实测数据的基础上,利用MATLAB拟合出各物料的动态物性参数公式,同时将各子模块连接起来并结合ControlBuild的设备监控编辑功能搭建熔盐炉全流程仿真系统。
　　 本论文的主要工作与结论有:
　　 1)对熔盐炉进行了系统测试与研究,详细分析了熔盐炉系统的物料及能量平衡,并进行了热工测试,发现空气过量系数过大,制约了熔盐炉性能的进一步提高;
　　 2)使用fluent软件对熔盐炉系统的熔盐换热段进行数值仿真,得出了熔盐和矿浆在管道出口的温度分布;
　　 2)鉴于ControlBuild在全流程仿真的优势,选取ControlBuild对熔盐炉系统进行全流程仿真。基于物料平衡与能量平衡方程,建立了熔盐加热段、空气预热器等熔盐炉系统主要部件的物理数学仿真模型,由于熔盐换热段工况受熔盐及矿浆温度、流量和矿浆的化学反应等因素影响,使得该部分模型具有反应复杂、参数多等因素,所以选择人工神经网络建立熔盐换热段模型。
　　 4)在建立整个熔盐炉系统各部分数理模型的基础上,通过混合编程建立ControlBuild和Matlab协作平台,并应用ControlBuild平台开发了管道化溶出熔盐炉工艺流程仿真系统;
　　 5)利用现场测试数据以及工艺系统运行监控数据,对熔盐炉ControlBuild仿真系统进行验证,结果表明,该仿真系统能正确模拟熔盐炉系统的运行过程,不仅可满足操作人员离线工艺培训的需要,而且可以用于实验研究。
　　 6)应用所开发的仿真系统,进行了仿真优化试验,得出了更加合理的熔盐炉空气过量系数,找出了空气预热器漏风系数变化对换热器效率的影响规律,同时通过研究熔盐换热段的矿浆溶出温度与溶出量的变化关系,发现将管道化系统的溶出负荷增加40m3/h可使得整个系统的效率更高。
　　 7)综合利用ControlBuild和Matlab建立的仿真系统,应用神经网络模型对熔盐换热段熔盐温度预测,如果实现温度的精确控制,可达到很好的节能效果,熔盐平均每天可降低0.87℃,一个清疤周期单个溶出系统可节能降耗31.7GJ。研究工作对于氧化铝管道化溶出系统工艺的改进、推广具有重要的指导意义和应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 管道化熔盐炉系统

1.2.1 管道化熔盐炉

1.2.2 熔盐炉系统存在的主要问题

1.3 熔盐炉系统热工过程仿真的意义

1.3.1 优化设计

1.3.2 优化控制

1.4 课题来源与研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究内容

第二章 文献综述

2.1 氧化铝生产工艺简介

2.1.1 氧化铝生产方法

2.1.2 氧化铝工艺能耗对比

2.1.3 管道化溶出工艺简介

2.2 国外研究状况

2.3 国内研究状况

2.4 建模及仿真软件简介

2.4.1 Control Build工控仿真软件

2.4.2 数值仿真软件

2.4.3 人工神经网络及其应用

2.5 本章小结

第三章 熔盐炉系统及其热平衡测试

3.1 熔盐炉系统简介

3.1.1 熔盐炉特性

3.1.2 熔盐加热系统

3.1.3 空气预热器

3.1.4 SWT及电伴热系统

3.1.5 熔盐炉系统特点

3.2 熔盐炉热平衡测试

3.2.1 热平衡测试体系及基准

3.2.2 测试数据

3.3 物料平衡与能量平衡计算方法

3.3.1 熔盐加热段物料平衡计算方法

3.3.2 熔盐加热段能量平衡计算方法

3.4 物料平衡和能量平衡计算结果

3.4.1 物料平衡计算结果

3.4.2 热平衡计算结果

3.4.3 熔盐换热段热平衡计算结果

3.5 热平衡分析

3.5.1 主要技术指标

3.5.2 热平衡测试结果分析

3.6 本章小结

第四章 熔盐换热段数值仿真

4.1 基本假设和物理模型

4.2 基本控制方程

4.3 网格划分

4.4 边界条件

4.5 温度场

4.6 仿真结果与测试结果比较及其误差分析

4.6.1 结果比较

4.6.2 误差分析

4.7 本章小结

第五章 熔盐炉系统建模

5.1 熔盐加热段建模

5.1.1 燃烧系统

5.1.2 熔盐炉体模型

5.1.3 高温熔盐联箱模型

5.2 空气预热器建模

5.3 基于神经网络的熔盐换热段模型辨识

5.3.1 熔盐温度模型BP神经网络的选择

5.3.2 基于BP算法的多层前馈网络模型及其学习算法

5.3.3 网络初始条件设定

5.3.4 参数选择

5.3.5 数据预处理

5.3.6 神经网络算法设计实现熔盐温度模型

5.4 本章小结

第六章 熔盐炉系统仿真

6.1 仿真目标

6.2 搭建综合仿真平台

6.2.1 混合编程目的

6.2.2 混合编程准备工作

6.2.3 混合编程实现

6.3 熔盐炉仿真系统开发

6.3.1 熔盐加热段的仿真

6.3.2 预热器仿真

6.3.3 熔盐换热段仿真

6.3.4 熔盐炉仿真系统

6.4 仿真校验

6.4.1 熔盐换热段系统验证

6.4.2 仿真实验

6.5 本章小结

第七章 结论及建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

附录:管道化溶出系统总图

发表论文和参加科研情况

致谢