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基于CFD模拟和机器学习算法的水泥分解炉性能优化
Performance Optimization of Cement Calciner Based on CFD Simulation and Machine Learning Algorithm
1. 主要摘要
本研究提出了一种基于CFD模拟和机器学习算法的水泥分解炉性能优化方法。通过多相粒子单元（MP-PIC）方法和化学反应模型，模拟煤燃烧和碳酸钙（CaCO₃）分解过程，并结合水泥厂实际数据，建立全面的训练数据库。基于此，构建了结合卷积神经网络（CNN）和长短期记忆网络（LSTM）的环拓扑粒子群优化（RITPSO）算法模型，用于预测燃烧效率、分解率和NOx排放。结果表明，与传统算法相比，新算法的预测误差最低，三项指标的平均相对误差分别为0.045%、0.038%和0.021%。优化后的参数组合使燃烧效率提高了2.17%，分解率提升2.24%，NOx排放量减少了6.15 ppm。
2. 引言
水泥分解炉是新型干法水泥生产线的核心设备，其燃烧效率和分解效率直接影响水泥生产的整体经济性。传统的分解炉优化方法包括材料成分调整、燃烧室尺寸改进和燃烧机制研究，但存在精度低、适用范围有限等问题。为提升水泥分解炉的整体性能，本文提出基于CFD模拟和深度学习算法的优化方法，以更精确地预测和优化分解炉的运行参数。
3. 主要内容
本研究的分解炉对象为4000 t/d熟料生产线中的分解炉，配备五级旋风预热器。分解炉的核心结构主要包括分解炉主体、煤粉喷射口和三级空气入口。燃料通过底部喷入，高温烟气上升推动分解过程。
采用基于欧拉-拉格朗日的CPFD模拟方法模拟气-固两相流，并结合化学反应模型模拟燃烧和CaCO₃分解过程。利用格子单元平均化学方法计算异相反应速率，模拟炉内的温度、压力分布以及主要气体的生成和扩散特性。
通过测试不同网格数（如331,725至456,732）验证网格对模拟结果的影响，确定410,081网格数为最佳平衡，以确保计算的精确性和效率。
模拟了0至40秒的气-固流动模式发展过程，发现分解炉内的流场在30秒左右达到准稳态。通过统计分析30至40秒间的平均流场，观察到物料在炉内从燃烧区进入分解区的流动和停留时间变化。
基于MP-PIC方法模拟了燃烧和分解特性，发现煤粉燃烧区域出现高温区，CO₂主要来源于碳酸盐分解。NOx浓度在煤粉入口处和中部喉管附近达到峰值，表明这些区域因燃料和物料积聚而发生剧烈反应。
CNN用于提取分解炉燃烧过程中的NOx排放特征，LSTM则处理燃烧效率与运行参数之间的时序依赖性。该模型通过嵌入层将操作参数输入CNN模块，再将CNN提取的特征输入LSTM模块，最终输出NOx排放、燃烧效率和分解率。
RITPSO算法通过多环结构优化了PSO算法，适用于早期收敛问题。通过邻域动态调整和逃逸机制，使得算法更容易跳出局部最优并实现全局优化。
GWO模拟灰狼捕猎行为，将三项指标的最优值设定为狼群的猎物位置。通过多轮迭代寻找燃烧效率和NOx排放的最佳组合。
使用工业数据和CFD模拟数据混合训练，模型在燃烧效率、分解率和NOx排放上的平均相对误差分别为0.045%、0.038%和0.021%，显示出较高的预测精度和稳定性。
使用GWO对200组操作参数优化后，燃烧效率提升2.17%，分解率提升2.24%，NOx排放量减少6.15 ppm。优化结果表明，新模型的多目标优化性能优于传统方法，适用于实际生产中的参数调节。
4. 主要结论
1. CFD模拟与工业数据结合的RITPSO–CNN–LSTM模型实现了对燃烧效率、分解率和NOx排放的精确预测，误差率分别为0.045%、0.038%和0.021%。
2. 引入CFD数据显著提升了模型的稳定性和预测准确性，CFD数据扩展了工业实际数据的覆盖范围，使得模型适用于不同的工况条件。
3. 结合GWO算法的优化结果验证了RITPSO–CNN–LSTM模型的多目标优化能力，使得燃烧效率提升2.17%，分解率提升2.24%，NOx排放量减少6.15 ppm。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
