Моделювання мультифізичних процесів та адаптивне керування системами газових пальників для підвищення енергоефективності та зниження викидів у процесах сушіння цементу

Abstract

The cement industry faces significant challenges in achieving sustainable production, primarily due to high energy consumption and substantial greenhouse gas emissions during the drying and clinkering processes. This study presents a comprehensive approach to multi-physics modeling and adaptive control of gas burner systems in cement drying units, aimed at enhancing energy efficiency and reducing harmful emissions such as nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO₂). Utilizing advanced simulation tools including Ansys Fluent for gas dynamics, Ansys Maxwell for electromagnetic analysis, and Ansys Twin Builder for integrated system modeling, a multi-physics framework is developed to simulate the interplay of thermal, fluid, and electromechanical processes within the burner system. The proposed intelligent control system incorporates adaptive algorithms, including proportional-integral-derivative (PID) regulation for damper positioning, vector and scalar control for asynchronous motors driving fans and shutters, and multi-criteria optimization to balance energy use, emission levels, and process stability. Key innovations include the integration of reduced-order models (ROM) derived from electromagnetic simulations to replace standard library models, ensuring higher accuracy in drive performance predictions. The system is implemented using Schneider Electric hardware, such as Modicon controllers, Altivar frequency converters, and Magelis interfaces, enabling real-time parameter adjustment based on varying operational conditions like fuel-air ratios, flame temperature, and material humidity. Simulation results demonstrate a 10-15% reduction in energy consumption for electric drives, NOx emissions below 30-40 ppm in compliance with international standards, and improved drying efficiency through optimized heat and mass transfer. Experimental validation on a prototype gas burner confirms the model\u27s accuracy, with discrepancies in temperature and pressure fields under 5%. This work contributes to the decarbonization of the cement sector by providing a scalable, adaptive solution that minimizes operational costs while enhancing environmental performance. Future extensions could incorporate machine learning for predictive maintenance and further emission forecasting.Цементна промисловість стикається зі значними викликами у досягненні сталого виробництва, насамперед через високе енергоспоживання та значні викиди парникових газів під час процесів сушіння та випалювання клінкеру. У цьому дослідженні представлено комплексний підхід до моделювання мультифізичних процесів та адаптивного керування системами газових пальників у сушильних установках цементного виробництва, спрямований на підвищення енергоефективності та зниження шкідливих викидів, таких як оксиди азоту (NOx), чадний газ (CO) та вуглекислий газ (CO₂). Використовуючи передові інструменти моделювання, зокрема Ansys Fluent для аналізу газової динаміки, Ansys Maxwell для електромагнітного аналізу та Ansys Twin Builder для інтегрованого моделювання систем, було розроблено мультифізичну модель для імітації взаємодії теплових, гідродинамічних та електромеханічних процесів у системі пальника. Запропонована інтелектуальна система керування включає адаптивні алгоритми, зокрема пропорційно-інтегрально-диференціальне регулювання для позиціонування заслінок, векторне та скалярне керування асинхронними двигунами, що приводять у рух вентилятори та заслінки, а також багатокритеріальну оптимізацію для балансування енергоспоживання, рівня викидів і стабільності процесу. Основні інновації включають інтеграцію моделей зі зниженою порядковістю (ROM), отриманих із електромагнітних симуляцій, які замінюють стандартні бібліотечні моделі, забезпечуючи вищу точність прогнозування характеристик приводів. Система реалізована з використанням апаратного забезпечення Schneider Electric, такого як контролери Modicon, частотні перетворювачі Altivar та інтерфейси Magelis, що дозволяє налаштування параметрів у реальному часі залежно від змін умов експлуатації, таких як співвідношення палива та повітря, температура полум’я та вологість матеріалу. Результати моделювання демонструють зниження енергоспоживання електроприводів на 10–15%, викиди NOx на рівні нижче 30-40 ppm відповідно до міжнародних стандартів, а також покращення ефективності сушіння завдяки оптимізації тепло- та масообміну. Експериментальна перевірка на прототипі газового пальника підтвердила точність моделі з відхиленнями в полях температури та тиску менше 5%. Ця робота сприяє декарбонізації цементного сектору, пропонуючи масштабоване адаптивне рішення, яке мінімізує експлуатаційні витрати, одночасно покращуючи екологічні показники. Подальші розширення можуть включати використання машинного навчання для прогнозного обслуговування та додаткового прогнозування викидів