工业生产中的水泥预分解炉是整个水泥生产过程中的一个关键热力反应容器。其作用是承担水泥生料的吸热分解,减轻回转窑的热负荷并降低水泥生产过程中的污染物排放量。目前对水泥分解炉的设计过程仍旧是采用冷态模型试验和中试试验,然后再经过工业放大进行设计。由于其内部复杂的物理化学过程,经过放大后的实际运行分解炉很难达到设计要求。对于分解炉的研究国内外趋向于采用成熟的数值理论技术并结合实验进行研究。理论研究方法多采用一维、二维简化模化,其模化结果只具有半定性的意义。三维全尺度模化大多集中在气固两相流动和独立的燃烧、分解过程上,模化结果具有一定的定性意义,但是对于分解炉内的物理化学过程揭示尚不够全面。因此在力求更加精细模化,以揭示分解炉内流动、燃烧、分解及其耦合关系的要求下,对于分解炉的全尺度模化进而进行分解炉的优化设计已成为国际上化工领域研究的重点。本文应工业界的需求,提出分解炉内物理化学过程的三维全尺度模化理论模型和优化设计方法,建立相应的数值求解方法和优化设计方案,对水泥预分解炉进行了如下研究:在推导三维圆柱坐标下流场输运方程的基础上,针对三维圆柱坐标下流场模化中存在的极点问题,通过推导极点处特殊网格的输运方程,提出了解决极点问题的新方法,并将其作为边界条件同时结合RNG k-ε湍流模型对双喷腾型分解炉进行了流场模拟,并和实验测试结果进行了比较,验证了极点问题处理的合理性。同时还推导了三维直角坐标下复杂结构造型的方法,对直角坐标下的旋喷结合分解炉进行了模化,预测了旋喷结合分解炉内的流场。在描述分解炉内气固两相流动输运方程的基础上,针对直角坐标下结构化网格处理颗粒轨迹时存在的堆积问题,提出了新的颗粒—壁面边界条件处理方法,解决了模化时颗粒堆积问题。创新性地提出了分解炉内燃烧、分解的“四混合分数”耦合模型,同时将焦炭燃烧的均相和非均相反应融入了化学反应过程。在全面建立描述分解炉内复杂物理化学过程理论模型的基础上对工业生产中的双喷腾分解炉和旋喷结合分解炉进行了三维模化,模拟结果分析了分解炉内气体组分分布、温度分布、颗粒分布,并和现场测试结果进行了比较,验证了理论模型的准确性和合理性。通过对分解炉内氮氧化物生成过程的分析,在机理分析的基础上对分解炉内的NO生成和转化过程进行了模拟研究。在模拟结果得到验证的基础上,对现行主体2500t/d水泥生产线的双喷腾分解炉进行了参数优化研究,在以不影响生产为前提的条件下,考察了分级燃烧对分解炉内NO生成的影响,为实际生产中降低分解炉出口NO浓度提供了理论参考。提出了针对分解炉系统的优化设计研究思路,并且详细地介绍了分解炉虚拟样机的构造、正交设计合理安排实验方案、神经网络分析输入与输出之间强烈非线性关系、方差分析方法推断分解炉结构参数对结果的影响显著性以及利用遗传算法进行反推优化结构参数。通过将现代数学工具和分析方法以及机理模型进行有效地融合,将现场经验和理论方法相结合,建立起了一套较为完备的分解炉优化设计思路,并且得到了双喷腾分解炉优化后的结构参数。该论文成果已应用于实际工业实践,并在所承担的国家高技术发展863项目“水泥预分解窑低氮氧化物控制的技术研究”中作为一个重要的研究手段得到了应用。