（1）系统基本原理：水泥窑预分解系统是现代水泥生产的关键技术环节，主要包含高温风机、旋风预热器、分解炉、窑尾烟室等设备，承担着气固传热、气固分离、燃料燃烧和碳酸盐分解的任务。实验通过优化系统的结构参数和工艺运行参数来改变物料在预分解系统中的悬浮、换热、分离效果，从而优化系统煤耗、电耗和产品质量。

图 水泥窑预分解系统原理图

在预分解系统中，对气固两相流体的流速和能量可以用动量方程和能量方程表示：

（2）仿真计算原理：实验采用气固两相流体动力学微分方程及能量方程对预分解系统温度、压力、流量进行流网求解，结合热传导、热对流、热辐射换热方程以及本院最新的分解炉燃烧及传热特性研究成果来构建实验模型。实验中的风机、管道的结构或工作特性参数均取自厂家的产品说明书，温度、风速等参数均取自水泥企业实测大数据。从而计算出不同的系统阻力、烟气流速、气固比、粉料细度等影响因素下的单位熟料的煤耗和电耗，找到最优的煤耗、电耗所对应的系统结构参数和工艺参数。

（3）实验设计原理：实验通过原理认知、规律探究和节能优化“三阶段、三层次”的设计架构，体现“递进式”的实验教学特色，对水泥窑预分解系统运行状态的调整进行训练，以学者为中心，以优化节能为重点，理论联系实际，让学生学以致用。

学生通过“原理认知”环节掌握实验场景、设备和原理；通过“规律探究”环节探索和分析结构参数和工艺参数对系统的换热效率、分解炉的影响规律，进而找到优化系统运行状态的方向和方法；通过“节能优化”环节，在旋风预热器级数、旋风筒尺寸、撒料高度三个重要结构参数上，找到最高效低阻的结构工艺组合，再通过优化高温风机转速、分解炉喂煤量、生料喂料量、生料细度、窑尾烟室温度这五个关键的工艺运行参数，依据气固流体传热规律计算，得到最优的煤耗、电耗运行方案。

知识点：共 8 个

旋风预热器结构组成与工作原理；

旋风预热器的构造与作用；

分解炉类型、构造与工作原理；

分解炉的作用及其与旋风预热器间的关系；

工艺参数对水泥窑预分解系统性能的影响规律；

结构参数对水泥窑预分解系统性能的影响规律；

预分解系统与回转窑之间的关系及对熟料烧成的作用；

预分解系统对系统煤耗、电耗的影响及优化方法。

（1）实验方法描述：本虚拟实验的实验方法是由学生访问项目网站，按照系统引导，预习基本知识、工作原理后，进行实验操作。实验过程由系统典范引导，学生独立完成。即学生可不受时间和空间的限制，通过网络访问实验项目资源，进入虚拟仿真实验环境，软件系统通过虚拟现实的高度仿真环境，辅以声音、文字、交互界面等多媒体手段，使学生初步了解实验，然后在系统引导下，通过交互，按步骤独立完成实验。学生可自主进行操作,多次重复试验,直至熟练掌握。

（2）学生交互性操作步骤说明：本实验的总体步骤首先是学生访问项目网站，在实验首页中完成实验原理和基础知识预习后，选择相关实验，进入实验环境，按照系统引导，操作虚拟设备进行实验直至结束。一、水泥窑预分解工艺优化与节能虚拟仿真实验-实验原理点击实验原理，进入旋风预热器、分解炉及回转窑工作原理学习界面。 二、水泥窑预分解工艺优化与节能虚拟仿真实验-基础教学点击烧成系统主机设备学习，学习了解主机设备型号、结构及作用。点击界面漫游按钮，进入全厂区漫游模式，以了解全厂工艺流程和主机设备等。2、点击旋风预热器拆解与组装（1）点击进入旋风预热器拆解，根据提示内容将旋风预热器每一个设备或结构件进行拆分，了解预热器结构与工艺。（2）点击进入旋风预热器组装，根据提示内容将旋风预热器每一个设备或结构件按照工艺顺序进行组装，了解预热器结构与工艺。（3）点击进入基础知识考核，考核分两部分。第一部分是基础知识考核，学生通过答题近一步加深对实验内容及原理的认知。第二部分是旋风预热器组装考核。在没有任何组装顺序提示的情况下，学员按预分解系统工艺顺序对旋风预热器各设备或工作部件进行组装。三、水泥窑预分解工艺优化与节能虚拟仿真实验-验证实验本实验分为工艺参数控制实验及结构参数验证实验两部分，涉及8个小实验，验证工艺参数或结构参数对预分解系统的分解率或换热效率的影响特性。1、点击高温风机转速与换热效率实验。通过滑动条或手动设定的方式改变高温风机的转速，每次升高或降低高温风机转速，在输出结果中都会计算出当前转速对应的分解率及换热效率的数值。同时，在右侧的风机三维动态模型中会展示出风机转速的变化所产生的烟气流速、温度的变化现象。每改变一次高温风机转速，会得到一组换热效率和分解炉的实验数据，实验共取8组数据。取得8组数据之后，点击生成图表，可以得到高温风机转速与换热效率影响特性的理论曲线与实际实验曲线的对比图。如果实验曲线与实际曲线规律不符，系统会提示结果不正确，可以按照系统提示的合理数据区间重新取得数据。如果8组高温风机转速取值范围合理，得到了正确的规律曲线，并且在结果分析中的选项正确，系统会提示学员得到了正确的结论。2、点击生料喂料量与分解率实验。通过滑动条或手动设定的方式改变生料的喂料量，每次增加或减少生料喂料量，在输出结果中都会计算出当前喂料量对应的分解率及换热效率的数值。同时，在右侧的生料下料装置三维动态模型中会展示出生料喂料量多与少的动态效果。每改变一次生料喂料量，会得到一组换热效率和分解炉的实验数据，实验共取8组数据。取得8组数据之后，点击生成图表，可以得到生料喂料量与分解率影响特性的理论曲线与实际实验曲线的对比图。如果实验曲线与实际曲线规律不符，系统会提示结果不正确，可以按照系统提示的合理数据区间重新取得数据如果8组生料喂料量取值范围合理，得到了正确的规律曲线，并且在结果分析中的选项正确，系统会提示学员得到了正确的结论。3、点击生料细度与换热效率实验。通过滑动条或手动设定的方式改变生料细度，每次提高或降低生料细度，在输出结果中都会计算出当前细度对应的分解率及换热效率的数值。同时，在右侧的生料下料装置三维动态模型中会展示出生料细度变化的动态效果。每改变一次生料细度，会得到一组换热效率和分解炉的实验数据，实验共取8组数据。取得8组数据之后，点击生成图表，可以得到生料细度对换热效率影响特性的理论曲线与实际实验曲线的对比图。如果实验曲线与实际曲线规律不符，系统会提示结果不正确，可以按照系统提示的合理数据区间重新取得数据。如果8组生料细度取值范围合理，得到了正确的规律曲线，并且在结果分析中的选项正确，系统会提示学员得到了正确的结论。4、点击分解炉喂煤量与分解率实验。通过滑动条或手动设定的方式改变分解炉喂煤量，每次增加或减少分解炉的喂煤量，在输出结果中都会计算出当前喂煤量对应的分解率及换热效率的数值。同时，在右侧的分解炉三维动态模型中会展示出烟气温度及状态的动态效果。每改变一次分解炉喂煤量，会得到一组换热效率和分解炉的实验数据，实验共取8组数据。取得8组数据之后，点击生成图表，可以得到分解炉喂煤量与分解率影响特性的理论曲线与实际实验曲线的对比图。如果实验曲线与实际曲线规律不符，系统会提示结果不正确，可以按照系统提示的合理数据区间重新取得数据。如果8组分解炉喂煤量取值范围合理，得到了正确的规律曲线，并且在结果分析中的选项正确，系统会提示学员得到了正确的结论。5、点击窑尾烟室温度与分解率实验，通过滑动条或手动设定的方式改变窑尾烟室温度，每次提高或降低温度，在输出结果中都会计算出当前温度对应的分解率及换热效率的数值。同时，在右侧的窑尾烟室三维动态模型中会展示出烟气温度及状态的动态效果。每改变一次窑尾烟室温度，会得到一组换热效率和分解炉的实验数据，实验共取8组数据。取得八组数据之后，点击生成图表，可以得到窑尾烟室温度与分解率影响特性的理论曲线与实际实验曲线的对比图。如果实验曲线与实际曲线规律不符，系统会提示结果不正确，可以按照系统提示的合理数据区间重新取得数据。如果8组窑尾烟室温度取值范围合理，得到了正确的规律曲线，并且在结果分析中的选项正确，系统会提示学员得到了正确的结论。工艺参数控制的5个实验完成后，可以点击知识总结，显示当前实验结论。6、点击结构参数验证实验-撒料高度。可以选择不同的撒料高度，撒料高度共5个选项，D代表生料下料管直径。选择不同的撒料高度，在输出结果中都会计算出当前撒料高度对应的分解率及换热效率的数值。同时，在右侧的下料装置三维动态模型中会展示出对应的撒料高度。每改变一次撒料高度，会得到一组换热效率和分解炉的实验数据，实验共五个选项，对应5组实验数据。完成数据取点后，点击生成图表，可以得到撒料高度对换热效率影响特性曲线。7、点击结构参数验证实验-分级燃烧方式。可以选择分解炉的分级燃烧方式，验证分级燃烧对系统分解率和换热效率的影响特性。共有3个选项，1代表燃料及配风不分级；2代表煤粉及三次风由分解炉下部及中下部分两级送入；3代表煤粉及三次风分3级送入分解炉。不同的分级燃烧方式，对应着不同的分解率及换热效率。依次选择三个选项，观察不同分级燃烧的分解率、换热效率以及分解炉三维模型中的煤粉及烟气状态。点击生成图表，可得到分级燃烧方式对分解率的影响特性曲线。8、点击结构参数验证实验-旋风筒尺寸。可以选择不同尺寸的旋风筒，验证旋风筒尺寸结构对系统分解率和换热效率的影响特性。共有3个选项，分别对应不同的旋风筒尺寸。三种尺寸的主要区别在于旋风筒的内筒、外筒及椎体参数，三者参数的改变将引起旋风筒分离效率及阻力的变化。依次选择三个选项，观察不同旋风筒尺寸对分解率、换热效率产生的影响。通过右侧三维窗口可以观察到不同尺寸的旋风筒的三维动态模型。点击生成图表，可得到旋风筒尺寸对分解率的影响特性曲线。四、水泥窑预分解工艺优化与节能虚拟仿真实验-创新实验本部分实验通过调整工艺及结构参数，使预分解系统生料分解率进一步提高，系统煤耗、电耗进一步降低，力求系统指标优于国家及行业标准。点击开始节能创新进入提示与引导界面，点击“知道了”，完成实验操作提示与引导，进入实验1、工艺参数调整实验分别点击“调整分解炉喂煤量”、“调整生料喂料量”、“调整窑尾烟室温度”、“调整高温风机转速”，进入参数调整设定界面，优化当前的运行参数，使生料分解率达到合格范围进入调整分解炉喂煤量界面，可通过“+”、“-”或直接设定数值的方式改变分解炉喂煤量，工况参数及运行结果分别在三维模型的左右两侧显示。设定完毕后点击“调整完毕”按钮，自动回到主界面。进入调整生料喂料量界面，可通过“+”、“-”或直接设定数值的方式改变生料喂料量及生料细度，工况参数及运行结果分别在三维模型的左右两侧显示。设定完毕后点击“调整完毕”按钮，自动回到主界面。进入调整窑尾烟室温度界面，可通过“+”、“-”或直接设定数值的方式改变窑尾烟室温度，工况参数及运行结果分别在三维模型的左右两侧显示。设定完毕后点击“调整完毕”按钮，自动回到主界面。进入调整高温风机转速界面，可通过“+”、“-”或直接设定数值的方式改变高温风机转速，工况参数及运行结果分别在三维模型的左右两侧显示。设定完毕后点击“调整完毕”按钮，自动回到主界面。在主界面上，通过电耗与煤耗趋势图、分解率与换热效率趋势图，可以观察到每次参数调整后对运行结果产生的影响的趋势。在运行结果显示区域可以观察到分解率、换热效率、煤耗、电耗这四个输出参数是否已达标。（绿色表示该参数已达标；红色表示该参数偏高；黄色表示该参数偏低）当生料分解率及换热效率达标后，点击“调整完毕”按钮。根据提示进入结构与工艺调整界面。2、结构参数调整实验在主界面中依次进入“燃烧方式调整”、“撒料高度调整”、“旋风筒尺寸调整”、“高温风机选型”的设定界面中，完成结构参数的调整。进入“燃烧方式调整”界面，选择不同的燃烧方式，观察分解率及其他参数的变化，确定最优的燃烧方式，点击确定回到主界面。进入“撒料高度调整”界面，选择撒料高度，观察运行结果中的分解率及换热效率、煤耗、电耗的变化情况，确定最优的撒料高度，点击确定返回主界面。进入“旋风筒尺寸调整”界面，选择不同的旋风筒尺寸或旋风筒的级数，观察右侧运行结果的变化，最终确定最优的旋风筒尺寸或级数，点击确定返回主界面。进入“高温风机选型”界面，选择不同的高温风机类型或运行方式，观察右侧运行结果的变化，最终确定最优的高温风机型号方案，点击确定返回主界面。回到主界面上，观察电耗与煤耗趋势图、分解率与换热效率趋势图，可以更直观的观察到每一步调整所产生的的输出参数变化趋势，用以确定最优的结构参数方案。主界面中的运行结果显示区域，用不同的颜色提示了分解率、换热效率、煤耗及电耗是否已达标（绿色表示该参数已达标；红色表示该参数偏高；黄色表示该参数偏低）点击调整完毕，系统会依据调整的煤耗、电耗的水平来判定实验成功与否。