CN114283895A - 一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法 - Google Patents

一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法 Download PDF

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CN114283895A
CN114283895A CN202111356302.9A CN202111356302A CN114283895A CN 114283895 A CN114283895 A CN 114283895A CN 202111356302 A CN202111356302 A CN 202111356302A CN 114283895 A CN114283895 A CN 114283895A
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CN
China
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kiln
temperature
heat transfer
flue gas
coke
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梁骁俊
唐峰润
李勇刚
黄科科
阳春华
桂卫华
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Peng Cheng Laboratory
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Peng Cheng Laboratory
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Abstract

本发明公开了一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑温度场监测方法，该方法包括：将窑体沿轴向方向划分为不同区域，所述不同区域中一个区域为高温反应区；确定窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式；根据窑内不同区域发生的多种化学反应，计算焦炭作为还原剂的消耗总量，建立不同区域化学反应放热模型；将窑体划分为切片单元进行分析，建立物料、烟气和窑壁的能量守恒方程；将传热系数、化学反应放热模型代入能量守恒方程；考虑不同区域的化学反应的数值求解方法计算温度场模型，得到高温反应区的温度分布。本发明能根据化学机理建立温度场模型，其得到的温度信息为窑工提供操作指导，实现生产过程中的节能降耗。

Description

一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场 监测方法
技术领域
本发明涉及工业过程建模与监测领域，尤其涉及一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法。
背景技术
锌的冶炼工业是支撑我国国民经济和国防工业发展的基础原材料产业。世界85％以上的锌产量来自湿法炼锌—矿物经过焙烧、浸出、净化、电解等环节最终生产出锌锭。然而，在矿物浸出环节后剩下的中性浸出渣中仍然含有20％-30％的锌。工业上回收锌的方法是将锌浸出渣与一定比例的焦炭混合，在高温条件下经过一系列复杂的化学反应和挥发过程，分离出混合料中的含锌氧化物，并重新通过湿法炼锌的浸出环节得到锌锭。回转窑因为其良好的混合性能和高效热传导能力，为锌浸出渣的挥发过程提供了最佳反应场景，见图2所示。
氧化锌回转挥发窑是一种典型的高碳排放设备，为锌冶炼过程提供所需的高温反应环境。然而，由于其轴向长度大，内部空间封闭，物理和化学反应复杂，无法监测挥发窑高温反应区的真实温度。窑工根据经验观察窑头区的火焰外观来调整操作参数。在实际生产过程中，由于原料波动、设备性能、生产负荷、工人操作等因素的影响，窑内生产条件波动频繁，所需的窑内反应温度偏差较大。因此人工看火判断温度调节的方法在很大程度上依赖于工人的经验和主动性，随机性非常大。同时，工人观察到的窑头火焰形态特征只能反映窑头区域附近的局部温度信息，异常的窑头火焰形态与高温反应区的温度存在较大的时滞。因而这种操作方式容易导致高温反应区温度控制不准确，能耗过大。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，旨在解决现有挥发窑的高温反应区温度监测方法监测不准确的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其中，包括步骤：
将窑体沿轴向方向划分为不同区域，所述不同区域中一个区域为高温反应区；
确定窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式；
根据窑内不同区域发生的多种化学反应，计算焦炭作为还原剂的消耗总量，建立不同区域化学反应放热模型；
将窑体划分为切片单元进行分析，根据确定的窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式，建立物料、烟气和窑壁的能量守恒方程；
将传热系数、化学反应放热模型代入能量守恒方程，计算温度场模型，得到高温反应区的温度分布。
进一步地，所述将窑体沿轴向方向划分为不同区域，所述不同区域中一个区域为高温反应区的步骤，具体为：将窑体沿轴向方向依次划分为窑头区、高温反应区、窑尾区。
进一步地，所述确定窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式的步骤，具体包括：
烟气与外露窑壁之间的传热Qg-ew，包括热对流项
Figure BDA0003357696740000021
和热辐射项
Figure BDA0003357696740000022
烟气与外露物料之间的传热Qg-es，包括热对流项
Figure BDA0003357696740000023
和热辐射项
Figure BDA0003357696740000024
外露窑壁与外露物料之间的传热Qew-es，包括热辐射项
Figure BDA0003357696740000025
被覆盖内壁与被覆盖物料之间的传热Qcw-cs，包括热辐射项
Figure BDA0003357696740000026
和热传导项
Figure BDA0003357696740000027
外壳与外部环境的传热Qsh-a，包括热对流项
Figure BDA0003357696740000031
和热辐射项
Figure BDA0003357696740000032
进一步地，所述根据窑内不同区域发生的多种化学反应，计算焦炭作为还原剂的消耗总量，建立不同区域化学反应放热模型的步骤，具体包括：
分析窑内浸出渣中含有的锌化合物；
分析不同锌化合物中锌含量占浸出渣中锌含量的质量比例，根据分析得出的比例确定浸出渣中主要的锌化合物；
确定窑内发生的主要化学反应，所述主要化学反应包括：焦炭参与的燃烧反应、主要锌化合物的还原反应、ZnO的还原反应、锌蒸气与氧气反应生成氧化锌烟尘产品的反应；
计算主要锌化合物的质量流量和氧化锌的质量流量；
计算焦炭作为还原剂的消耗总量；
计算高温反应区内作为燃烧剂的焦炭量，建立不同区域化学反应放热模型。
进一步地，所述计算主要锌化合物的质量流量和氧化锌的质量流量的公式如下：
Figure BDA0003357696740000033
其中，M表示相对分子质量，fZn和MZn分别表示物料中Zn的质量流量和相对原子质量，f1和M1分别表示主要锌化合物的质量流量和相对分子质量，f2和M2分别表示ZnO的质量流量和相对分子质量；
所述计算焦炭作为还原剂的消耗总量的公式如下：
Figure BDA0003357696740000034
其中MC表示碳的相对原子质量，Fc表示焦炭作为还原剂的消耗总量，fc1表示主要锌化合物的还原反应中焦炭的消耗量，fc2表示ZnO的还原反应中焦炭的消耗量。
进一步地，所述不同区域化学反应放热模型如下：
Figure BDA0003357696740000041
其中，x表示物料离窑尾的距离，Qc(x)表示x位置处化学反应放热，Fc表示焦炭作为还原剂的消耗总量，Fs表示物料总质量流量，s1表示物料温度达到900℃时离窑尾的距离，QL是低热值，，ku表示微元体内焦炭的利用率，kr表示焦炭占混合料的质量比例。
进一步地，所述将窑体划分为切片单元进行分析，根据确定的窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式，建立物料、烟气和窑壁的能量守恒方程的步骤，具体包括：
稳态条件下，假设窑内任一截面上热量传递过程中物理参数不受时间影响，没有任何化学反应或相变，仅仅是沿一维空间中坐标x的函数；
根据确定的窑内物料、烟气和窑壁的传热方式，建立物料、烟气、窑壁的能量守恒方程。
进一步地，所述物料、烟气的能量守恒方程，具体如下：
Figure BDA0003357696740000042
Figure BDA0003357696740000043
其中，Fg表示烟气总质量流量，Cps和Cpg分别表示烟气和物料的混合比热，Ts和Tg分别表示物料温度和烟气温度，△Hs表示物料的热焓，△Hg表示烟气的热焓。
所述窑壁的能量守恒方程，具体如下：
Qsh-a＝Qg-ew+Qew-es+Qcw-cs。
进一步地，所述将传热系数、化学反应放热模型代入能量守恒方程的步骤，具体包括：
将传热系数代入能量守恒方程；
计算换热面积；
计算烟气与外露窑壁的传热系数
Figure BDA0003357696740000044
烟气与外露物料的传热系数
Figure BDA0003357696740000045
外壳与外部环境的传热系数
Figure BDA0003357696740000051
计算物料、烟气、窑壁三者之间的热辐射换热系数；
计算物料、烟气、窑壁三者之间的发射率关系；
计算被覆盖内壁与被覆盖物料的热辐射传热系数。
进一步地，还包括步骤：获取挥发窑的经验参数、结构参数和物理参数，利用现场数据验证所述监测方法。
本发明所提供的温度场监测方法具有以下有益效果：
1、本发明考虑多种热量传递方式和化学反应过程，提出基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑(以下简称挥发窑)高温反应区温度场监测方法，可以得到高温反应区符合实际生产过程的温度分布。
2、本发明考虑了焦炭作为热源燃料和还原剂参与反应对温度场的综合影响，根据机理过程计算焦炭作为还原剂消耗的量，从而建立化学反应放热模型。如此，可以准确预测挥发窑高温反应区的温度。
3、本发明提出的温度场监测方法得到的温度信息为窑工提供操作指导，可以提高产品产量和减少能源消耗量。
4、本发明可以准确预测高温反应区的边界位置。
5、本发明得到的温度信息为氧化锌回转挥发窑工况的准确识别奠定了坚实的基础。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法流程示意图。
图2为氧化锌回转挥发窑工艺流程图。
图3为氧化锌回转挥发窑内部对象不同的传热方式示意图。
图4为氧化锌回转挥发窑截面视图中沿窑轴线的传热过程示意图。
图5为氧化锌回转挥发窑内温度预测结果与实际结果效果对比图。
具体实施方式
本发明提供一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有挥发窑高温反应区温度监测方法，存在以下缺点：
1、窑工在工程上完全依赖经验控制挥发窑的方式随机性大、滞后性大，容易导致高温反应区温度控制不准确，能耗过大。
2、氧化锌回转窑有着特殊的过程机制，窑内部的热力学模型更为复杂，其温度场与过程机理耦合在一起，较难直接利用纯热力学机理的模型求解获得精确温度场。现有回转窑监测方法没有考虑温度场与化学反应过程高度耦合的特点。
3、氧化铝、水泥等回转窑的温度场监测方法只考虑焦炭作为燃料提供热源，而氧化锌回转挥发窑的监测方法仔细考虑了焦炭作为热源燃料和还原剂参与反应对温度场的综合影响。
4、现有回转窑监测方法没有考虑窑内各种各样的化学反应，导致氧化锌回转挥发窑温度场预测不准确，难以应用于工业现场。
基于此，本发明实施例提供一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，如图1所示，包括步骤：
步骤1：将窑体沿轴向方向划分为不同区域，所述不同区域中一个区域为高温反应区；
步骤2：确定窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式；
步骤3：根据窑内不同区域发生的多种化学反应，计算焦炭作为还原剂的消耗总量，建立不同区域化学反应放热模型；
步骤4：将窑体划分为切片单元进行分析，根据确定的窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式，建立物料、烟气和窑壁的能量守恒方程；
步骤5：将传热系数、化学反应放热模型代入能量守恒方程，计算温度场模型，得到高温反应区的温度分布。
本实施例提供的一种基于热力学机理的温度场监测方法。具体来说，首先将窑体分为若干区域，在不同区域考虑焦炭作为燃烧剂释放的热量。接着，基于温度场分布与热力学高度耦合特性，分析材料、烟气、窑壁之间的热对流、热辐射和热传导的传热过程。然后，考虑焦炭燃烧反应和还原反应的热效应，将热量关系添加到能量守恒方程中，建立挥发窑一维温度场热模型，得到物料和烟气的温度曲线。最后，通过数值仿真结果和实验数据的对比，验证了监测方法的准确性。
进一步地，步骤1的具体过程包括：考虑生产过程中的多种化学反应，将窑体沿轴向方向(即从窑头至窑尾的方向，其长度可以为68m，但不限于该长度)划分为窑头区、高温反应区、窑尾区三个区域。
本实施例中，还可以现场测量高温反应区的边界位置，为监测方法的验证提供数据支撑。
进一步地，步骤2中各不同对象之间具有不同的传热方式，如图3所示，具体包括：
步骤2.1：烟气与外露窑壁(即裸露窑壁)之间的传热Qg-ew，包括热对流项
Figure BDA0003357696740000071
和热辐射项
Figure BDA0003357696740000072
步骤2.2：烟气与外露物料之间的传热Qg-es，包括热对流项
Figure BDA0003357696740000073
和热辐射项
Figure BDA0003357696740000074
步骤2.3：外露窑壁与外露物料之间的传热Qew-es，仅仅包括热辐射项
Figure BDA0003357696740000075
步骤2.4：被覆盖内壁与被覆盖物料之间的传热Qcw-cs，包括热辐射项
Figure BDA0003357696740000076
和热传导项
Figure BDA0003357696740000077
步骤2.5：外壳(窑壁外壳)与外部环境的传热Qsh-a，包括热对流项
Figure BDA0003357696740000078
和热辐射项
Figure BDA0003357696740000079
步骤3中，分析窑内发生的多种化学反应，根据质量守恒原理建立化学反应放热模型。主要关注焦炭既作为燃烧剂又作为还原剂的化学反应。
进一步地，步骤3的具体过程包括：
步骤3.1：分析窑内浸出渣中含有的锌化合物。分析得到锌化合物包括ZnFe2O4、ZnS、ZnSO4、ZnO，主要原因如下：
1、锌精矿在焙烧过程中的产物包含ZnFe2O4和未被氧化的ZnS，它们在进入常规浸出工序后难以被硫酸溶解。
2、锌焙砂在浸出过程中被硫酸溶解后生成ZnSO4，但ZnSO4在过滤过程中未被洗干净。
3、锌焙砂中部分游离的ZnO在浸出过程中未被完全溶解。
步骤3.2：分析不同锌化合物中锌含量占浸出渣中锌含量的质量比例，根据分析得出的比例确定浸出渣中主要的锌化合物。
步骤3.3：确定窑内发生的主要化学反应，建模时忽略次要化学反应和中间化学反应。
通过生产数据可知ZnFe2O4中锌含量约占浸出渣中锌含量的一半，因此确定浸出渣中主要的锌化合物为ZnFe2O4。确定窑内发生的主要化学反应包括：焦炭参与的燃烧反应、ZnFe2O4的还原反应(焦炭作为还原剂)、ZnO的还原反应(焦炭作为还原剂)，以及锌蒸气与氧气反应生成氧化锌烟尘产品的反应。具体主要化学反应如下：
C+O2＝CO2
3ZnFe2O4+4C+2O2＝2Fe3O4+3Zn↑+4CO2
2ZnO+2C+O2＝2Zn↑+2CO2
Zn↑+O2＝2ZnO
具体次要化学反应如下：
2ZnS+3O2＝2ZnO+2SO2
2ZnSO4＝2ZnO+2SO2+O2
步骤3.4：根据步骤3.1～3.3的化学反应分析，计算参与主要化学反应的铁酸锌和氧化锌的质量流量，具体的计算公式如下：
Figure BDA0003357696740000091
其中，M表示相对分子质量，fZn和MZn分别表示物料中Zn的质量流量和相对原子质量，f1和M1分别表示ZnFe2O4的质量流量和相对分子质量，f2和M2分别表示ZnO的质量流量和相对分子质量。
步骤3.5：基于步骤3.4，可计算焦炭作为还原剂的消耗总量，具体的计算公式如下：
Figure BDA0003357696740000092
其中MC表示碳的相对原子质量，Fc表示焦炭作为还原剂的消耗总量，fc1表示ZnFe2O4的还原反应中焦炭的消耗量，fc2表示ZnO的还原反应中焦炭的消耗量。
步骤3.6：高温反应区内作为燃烧剂的焦炭量等于混合料中的焦炭总量与作为还原剂的焦炭总量之差。因此，考虑焦炭的还原反应，可以建立不同区域化学反应放热模型，具体的计算公式如下：
Figure BDA0003357696740000093
其中，x表示物料离窑尾的距离，Qc(x)表示x位置处化学反应放热，Fc表示上一步骤计算得到的焦炭作为还原剂的消耗总量，Fs表示物料总质量流量，s1表示物料温度达到900℃时离窑尾的距离，根据工程经验，此时物料刚刚进入高温反应区，因此也称之为高温反应区的边界位置。燃料的热值是一个正数，等于燃烧焓的大小。QL是低热值(LHV)，它是在燃烧形成的所有水都是气体时获得的。ku表示微元体内焦炭的利用率，kr表示焦炭占混合料的质量比例。
步骤4中，利用微元的思想，将窑体分为烟气和物料的单元体积来分析温度场模型的热分量。接着基于部分假设，建立单元体积的能量守恒方程。
进一步地，结合图4所示，图4中n表示窑体转速，L表示窑体的轴向长度，r表示窑体的半径，步骤4的具体过程包括：
步骤4.1：稳态条件下，假设窑内任一微元体内热量传递过程中相关物理参数(如热导率、比热容、发射率等)不受时间影响，没有任何化学反应或相变，仅仅是沿一维空间中坐标x的函数，任何控制体积的能量守恒要求。
步骤4.2：根据步骤2不同对象之间的热量传递方式，建立物料、烟气的能量守恒方程，具体如下：
Figure BDA0003357696740000101
Figure BDA0003357696740000102
其中，Fg表示烟气总质量流量，Cps和Cpg分别表示物料和烟气的混合比热，Ts和Tg分别表示物料温度和烟气温度，△Hs表示物料的热焓，△Hg表示烟气的热焓。
步骤4.3：基于窑壁无能量积累的假设，可得窑壁的能量守恒方程，具体如下：
Qsh-a＝Qg-ew+Qew-es+Qcw-cs。
步骤5中，将传热系数、换热面积、化学反应放热模型代入能量守恒方程，并进一步确定方程中各传热系数与内径、转速、填充角等各参数之间的关联关系。考虑不同区域的化学反应过程来对温度场模型数值求解，从而得到高温反应区的边界位置和温度分布。
进一步地，步骤5所述的具体过程包括：
步骤5.1：将传热系数代入步骤4.1～4.3，具体得到如下表示：
Figure BDA0003357696740000103
Figure BDA0003357696740000104
Figure BDA0003357696740000111
其中，Ts、Tw、Tg、Tsh、Ta分别表示物料温度、窑壁温度、烟气温度、外壳温度和环境温度。
Figure BDA0003357696740000112
Cpsi分别表示第i组分物料的质量流量和比热，
Figure BDA0003357696740000113
Cpgj分别表示第j组分气体的质量流量和比热。M为物料中的总组分数量，N为烟气中的总组分数量。
步骤5.2：计算换热面积，具体表示如下：
Aes＝Dsin(β/2)Lk
Figure BDA0003357696740000114
Figure BDA0003357696740000115
Ash≈Aw＝Aew+Acw-cs
其中，Lk表示第k个控制体的轴向长度。单位长度内，烟气、物料、窑壁之间的换热面积由窑体的直径D和物料填充角β确定。在第k个控制体中，Aes和Aew分别表示烟气与外露物料表面和外露窑壁的换热面积，Acw-cs表示被覆盖窑壁与被覆盖物料表面的换热面积，Ash表示外壳的换热面积。
步骤5.3：计算烟气与外露内壁的传热系数
Figure BDA0003357696740000116
烟气与外露物料表面的传热系数
Figure BDA0003357696740000117
外壳与外部环境的传热系数
Figure BDA0003357696740000118
具体表示如下：
Figure BDA0003357696740000119
Figure BDA00033576967400001110
Figure BDA00033576967400001111
Figure BDA00033576967400001112
Figure BDA00033576967400001113
其中，D和De分别表示窑内径和当量直径，n表示窑体转速，vg表示烟气流速，λg表示烟气导热系数，ug表示烟气运动粘度，Re和Rew分别表示流体雷诺数和转动雷诺数的影响参数，Gr表示格拉芙晓数，Pr表示普朗特数。
步骤5.4：计算物料、烟气、窑壁三者之间的辐射换热系数，具体表示如下：
Figure BDA0003357696740000121
其中σ是波尔兹曼常数，m,n表示发射率m和n之间的关联关系，Tm和Tn分别表示m和n的温度，
Figure BDA0003357696740000122
表示M和N之间的辐射传热系数。当下标M为g时，那么m和M相同，当M为ew和es时，m对应w和s。同理，可以得到下标N和n。例如，烟气与外露物料的辐射传热系数
Figure BDA0003357696740000123
被计算为:
Figure BDA0003357696740000124
步骤5.5：计算物料、烟气、窑壁三者之间的发射率关系，具体表示如下：
Figure BDA0003357696740000125
Figure BDA0003357696740000126
Figure BDA0003357696740000127
其中εs，εg，εw分别表示物料、烟气、窑壁的发射率。U表示物料、烟气、窑壁三者之间的传热项，p表示外露窑壁面积与外露物料面积，具体如下所示：
U＝(1-εg)(1-εw)[p(1-εg)(1-εs)+(1-p)]
Figure BDA0003357696740000128
步骤5.6：计算被覆盖窑壁与被覆盖物料的辐射传热系数，具体表示如下：
Figure BDA0003357696740000131
其中物料的热扩散系数αs＝λs/(ρsCps)，ρs和λs分别表示物料的密度和导热系数。
本实施例中提供的监测方法，将窑内复杂的传热过程分为对流、辐射、传导三种方式，基于工艺流程将挥发窑物理模型划分成不同区域；根据窑内不同区域的多种化学反应，计算反应物消耗的焦炭量，建立不同区域化学反应放热模型；将窑体划分成切片单元进行分析，得到物料、烟气与窑壁的能量守恒方程；提出考虑不同区域的化学反应的数值求解方法计算温度场模型，从而得到高温反应区的边界位置和温度分布；获取挥发窑的经验参数、结构参数和物理参数，利用现场数据验证监测方法。本实施例能根据化学机理建立温度场模型，其得到的温度信息为窑工提供操作指导，实现生产过程中的节能降耗。
与现有温度监测方法相比，本发明实施例提出的一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，具有以下关键点：
水泥、氧化铝等回转挥发窑内焦炭的功能单一，主要作为燃料剂提供热源。然而，氧化锌回转挥发窑中的焦炭不仅仅作为燃料剂提供高温反应所需的热量，同时还作为重要还原剂参与窑内的化学反应。
本发明实施例提出的温度场监测方法，考虑了温度分布与热力学机理耦合的特点。主要体现在窑内高温反应区的温度分布直接决定反应过程，同时，反应释放与吸收的热量又影响温度的变化，所以温度场与反应过程高度耦合。
本发明实施例考虑多种热量传递方式和化学反应过程，提出基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑温度场监测方法，可以得到高温反应区符合实际生产过程的温度分布。
本发明实施例在利用数值求解方法计算高温反应区的边界位置时，考虑了各个区域发生的多种化学反应。
本发明实施例利用工业现场数据验证温度场监测模型的有效性，结果表明当考虑不同的化学反应时，能够更准确的预测高温反应区温度。反之，高温反应区温度预测不准确，整体趋势偏高。
图5为氧化锌回转挥发窑内温度预测结果与实际结果效果对比图。从图5可知，Ts和Tg分别为窑内真实物料和烟气的温度分布，Ts2和Tg2为考虑焦炭的还原反应时物料和烟气的温度分布，可以看到计算数据与实际数据非常吻合，验证了模型的准确性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，包括步骤：
将窑体沿轴向方向划分为不同区域，所述不同区域中一个区域为高温反应区；
确定窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式；
根据窑内不同区域发生的多种化学反应，计算焦炭作为还原剂的消耗总量，建立不同区域化学反应放热模型；
将窑体划分为切片单元进行分析，根据确定的窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式，建立物料、烟气和窑壁的能量守恒方程；
将传热系数、化学反应放热模型代入能量守恒方程，计算温度场模型，得到高温反应区的温度分布。
2.根据权利要求1所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述将窑体沿轴向方向划分为不同区域，所述不同区域中一个区域为高温反应区的步骤，具体为：将窑体沿轴向方向依次划分为窑头区、高温反应区、窑尾区。
3.根据权利要求1所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述确定窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式的步骤，具体包括：
烟气与外露窑壁之间的传热Qg-ew，包括热对流项
Figure FDA0003357696730000011
和热辐射项
Figure FDA0003357696730000012
烟气与外露物料之间的传热Qg-es，包括热对流项
Figure FDA0003357696730000013
和热辐射项
Figure FDA0003357696730000014
外露窑壁与外露物料之间的传热Qew-es，包括热辐射项
Figure FDA0003357696730000015
被覆盖内壁与被覆盖物料之间的传热Qcw-cs，包括热辐射项
Figure FDA0003357696730000016
和热传导项
Figure FDA0003357696730000017
外壳与外部环境的传热Qsh-a，包括热对流项
Figure FDA0003357696730000018
和热辐射项
Figure FDA0003357696730000019
4.根据权利要求1所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述根据窑内不同区域发生的多种化学反应，计算焦炭作为还原剂的消耗总量，建立不同区域化学反应放热模型的步骤，具体包括：
分析窑内浸出渣中含有的锌化合物；
分析不同锌化合物中锌含量占浸出渣中锌含量的质量比例，根据分析得出的比例确定浸出渣中主要的锌化合物；
确定窑内发生的主要化学反应，所述主要化学反应包括：焦炭参与的燃烧反应、主要锌化合物的还原反应、ZnO的还原反应、锌蒸气与氧气反应生成氧化锌烟尘产品的反应；
计算主要锌化合物的质量流量和氧化锌的质量流量；
计算焦炭作为还原剂的消耗总量；
计算高温反应区内作为燃烧剂的焦炭量，建立不同区域化学反应放热模型。
5.根据权利要求4所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述计算主要锌化合物的质量流量和氧化锌的质量流量的公式如下：
Figure FDA0003357696730000021
其中，M表示相对分子质量，fZn和MZn分别表示物料中Zn的质量流量和相对原子质量，f1和M1分别表示主要锌化合物的质量流量和相对分子质量，f2和M2分别表示ZnO的质量流量和相对分子质量；
所述计算焦炭作为还原剂的消耗总量的公式如下：
Figure FDA0003357696730000022
其中MC表示碳的相对原子质量，Fc表示焦炭作为还原剂的消耗总量，fc1表示主要锌化合物的还原反应中焦炭的消耗量，fc2表示ZnO的还原反应中焦炭的消耗量。
6.根据权利要求5所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述不同区域化学反应放热模型如下：
Figure FDA0003357696730000031
其中，x表示物料离窑尾的距离，Qc(x)表示x位置处化学反应放热，Fc表示焦炭作为还原剂的消耗总量，Fs表示物料总质量流量，s1表示物料温度达到900℃时离窑尾的距离，QL是低热值，ku表示微元体内焦炭的利用率，kr表示焦炭占混合料的质量比例。
7.根据权利要求3所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述将窑体划分为切片单元进行分析，根据确定的窑内物料、烟气和窑壁之间的传热方式，建立物料、烟气和窑壁的能量守恒方程的步骤，具体包括：
稳态条件下，假设窑内任一截面上热量传递过程中物理参数不受时间影响，没有任何化学反应或相变，仅仅是沿一维空间中坐标x的函数；
根据确定的窑内物料、烟气和窑壁的传热方式，建立物料、烟气、窑壁的能量守恒方程。
8.根据权利要求7所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述物料、烟气的能量守恒方程，具体如下：
Figure FDA0003357696730000032
Figure FDA0003357696730000033
其中，Fg表示烟气总质量流量，Cps和Cpg分别表示烟气和物料的混合比热，Ts和Tg分别表示物料温度和烟气温度，△Hs表示物料的热焓，△Hg表示烟气的热焓；
所述窑壁的能量守恒方程，具体如下：
Qsh-a＝Qg-ew+Qew-es+Qcw-cs。
9.根据权利要求1所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，所述将传热系数、化学反应放热模型代入能量守恒方程的步骤，具体包括：
将传热系数代入能量守恒方程；
计算换热面积；
计算烟气与外露窑壁的传热系数
Figure FDA0003357696730000041
烟气与外露物料的传热系数
Figure FDA0003357696730000042
外壳与外部环境的传热系数
Figure FDA0003357696730000043
计算物料、烟气、窑壁三者之间的热辐射换热系数；
计算物料、烟气、窑壁三者之间的发射率关系；
计算被覆盖内壁与被覆盖物料的热辐射传热系数。
10.根据权利要求1所述的基于热力学机理的氧化锌回转挥发窑高温反应区温度场监测方法，其特征在于，还包括步骤：获取挥发窑的经验参数、结构参数和物理参数，利用现场数据验证所述监测方法。
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