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水泥生产一体化工艺流程的模拟与优化

在这项研究中，使用AspenHYSYS8.8软件模拟了水泥生产的工艺流程图，通过改变熟料进料中氧化钙和二氧化硅的流量来实现高能量优化和最佳水泥流量。使用DesignExpert10.0.3，使用响应面方法的中央复合设计(CCD)设计十个模拟实验。能源效率优化也使用AspenEnergyAnalyser进行。从等高线图和3D曲面图可以发现最佳水泥流量为47.239吨/天，CaO流量为152.346吨/天，SiO2流量为56.8241吨/天。统计分析确定的R2值为0.9356，表明模型具有良好的显着性。发现能源方面的整体公用事业从6开始优化了81.4%。

一、简介

水泥是一种细小的灰色或白色无机非金属粉末，通常用作建筑材料中的粘合剂。它由高温处理的化学结合的水硬性水泥材料组成，例如钙质、硅质、泥质和铁质[?1?]。水泥与水混合成糊状，后因水泥而变硬，凝固时形成矿物水合物[?2?]。硅酸盐、硅质粉煤灰、石灰质、矿渣和气相硅质水泥等各种水泥及其应用，因SiO?2、Al?2?O?3、Fe?2?O?3、CaO、MgO、SO?3等材料的用量不同而不同。如Na?2O和K?2?O组成[?3?]。经济增长和城市化使水泥成为世界上消费量最大的商品之一，全球年产量从2010年的3.3Gt增加到目前的4.1Gt，由于印度和其他发展中国家的基础设施建设预期，预计未来十年仍将适度增长亚非国家[?4?,?5?]。水泥生产包括三个部分：燃料和原材料加工、通过高温处理生产熟料以及研磨和混合水泥熟料结节与添加剂材料，如石膏和硬石膏，用于不同类型的水泥[?6].?将天然存在的石灰石研磨并按所需比例与硅和铝源（如粘土和沙子）以及含铁化合物混合，形成称为生料的均匀原料混合物。然后将生料在约1450°C的高温下在回转窑系统中进行高温处理，在那里将其干燥、预热、煅烧并烧结成水泥熟料。高温加工可以是干法、湿法、半干法或半湿法，它们的选择取决于生料的水分含量、回转窑配置和能源成本。湿法工艺成本低，产品质量高，但能量强度非常高，因为生料中水分含量高，约为36%。与湿法工艺相比，干法工艺通常更紧凑，运行成本和能耗更低，但产品同质性较差[2?]。所生产的熟料用约5%的石膏进一步研磨，以防止预凝并控制水泥的水化率。其他类型的水泥是通过与水硬性、火山灰或惰性材料混合生产的[?7?]。水泥生产过程是能源密集型过程，产生巨大的温室气体排放，2018年熟料能源强度约为3.4GJ/t[?4?]，产生约4%的全球CO?2排放量[?8?]。已确定的减少水泥生产排放的策略包括提高热回收和能源效率[?9、10、11?]、转向低碳能源[?12?]]、原料和材料替代品[?13、14、15?]、降低熟料水泥比[?16?]以及推进碳捕获和储存等技术创新[?17、18?]。水泥和混凝土技术建模和仿真也被用于提高能源效率和使用[?19、20、21、22?]。

优化是一种数学技术，用于通过在某些约束条件下最大化所需变量并最小化不需要的变量来找到目标函数的最佳解决方案，其唯一目的是提高性能和成本[?23?]。水泥和混凝土研究中的优化技术可大致分为元启发式方法和统计实验设计方法[?24]].?元启发式方法是一种迭代方法，可以在学习策略时智能地利用有哪些信誉好的足球投注网站空间。包括遗传算法（GAs）、粒子群优化（PSO）、和谐有哪些信誉好的足球投注网站（HS）、蚁群优化（ACO）、带电系统有哪些信誉好的足球投注网站（CSS）、大爆炸-大紧缩（BB-BC）、人工蜂群算法（ABC）、目标函数的球面插值、碰撞体优化（CBO）、振动粒子系统（VPS）、模拟退火、磷虾群（KH）、鲸鱼优化算法（WOA）、混合和谐有哪些信誉好的足球投注网站、力法和遗传算法、地雷和改进的地雷爆炸算法[?24、25、26?]，这些算法根据自然和社会行为以及物理定律建模。

统计实验设计方法被广泛用于为一组约束获得所需的优化解决方案[?27?]。响应曲面法(RSM)是一种统计优化技术，用于对过程进行建模和分析，以确定独立多变量对过程响应的影响，并评估这些变量之间的关系[?28?]。RSM基于对响应曲面形貌的了解来确定最合适的响应区域[?29?]。RSM实验设计可分为Box–Behnken设计(BBD)、中心复合设计(CCD)、Dohlert设计、混合响应和三级因子设计[?30、31、32?]].?BBD是从3级因子设计[?32?]创建的，并给出了二次响应模型，该模型具有三个最少数量的因素，每个因素需要三个水平的因素（上、中、下）和设计点的特定定位[?33、34?]。CCD是从2析因设计发展而来的，并为每个因