基于平衡模型的流化床煤氣化計算系統的設計與實現

李文軍 劉婷 讀剛 王偉

【摘 要】利用Matlab的GUI功能，開發了流化床煤氣化計算系統。該圖形用戶界面系統可以根據建立的煤炭氣化過程產品的平衡組成計算模型，方便、高效地通過改變相關參數模擬出煤炭氣化平衡組成的重要數據。實例表明：該流化床煤氣化計算系統可以輔助研究氣化操作參數對氣化組成的影響規律，對生產中有針對性的控制操作參數，調節煤炭氣化產品組成和相對含量具有實際指導意義。

【關鍵詞】Matlab；流化床；煤氣化；模擬仿真

中圖分類號： TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0260-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.122

【Abstract】The calculation system of fluidized bed coal gasification is developed with the GUI function of Matlab. The graphical user interface system can calculate the balance composition of coal gasification process products according to the established model， conveniently and efficiently simulate the important data of coal gasification balance composition by changing the relevant parameters. The example shows that the fluidized bed gasification calculation system can assist in studying the influence law of gasification operation parameters on gasification composition， and has practical guiding significance for controlling operation parameters in production and regulating the composition and relative content of coal gasification products.

【Key words】Matlab； Fluidized bed； Gasification； Simulation

0 引言

MATLAB是美國The MathWorks公司出品的一款商業數學軟件。它具有出色的數值計算能力，并在世界數值計算軟件中占據主導地位。數值計算的功能包括變量和數值、數值微積分、求解線性方程組、矩陣和數組、多項式計算、數據分析等。除此以外，MATLAB可以調用其它語言編寫的程序，比如有C語言程序，C++和FORTRAN等。我們可以用MATLAB創建用戶界面，執行矩陣運算、繪制各種函數并根據需要分析數據，還可以用來連接其他編程語言的程序。MATLAB是一種功能強大的軟件，在廣泛應用在工程軟件中。

流化床具有類似流體特性，較輕的物體可以浮在流化床上面；當容器傾斜時，床層頂部保持水平；當兩個流化床層連通時，其床面自動找平；固體顆粒可以從一個容器流道另一個容器中；床層中任意兩點的壓力差等于兩點間床層的靜壓頭。因此，流化床技術有許多優點：

（1）床層溫度均勻，顆粒流動平穩，操作可連續自控；

（2）顆?；旌涎杆?，反應器處于等溫狀態，操作簡單，控制可靠；

（3）顆粒能在兩個反應器之間循環流動，傳熱方便；

（4）適宜于大規模操作；

（5）氣體與固體之間的高傳熱和傳質速率；

（6）流化床與其中浸沒的構建之間的傳熱速率高，所需換熱面積小。

由于流化床中的固體顆粒具有上述性質，使得固體能像流體一樣進行各種處理，流體化技術在工業上有許多應用。目前，流化床技術在煤炭轉化過程已有大量應用，如煤的氣化與干餾、費-托合成、乙烯氧化、石油的催化裂化等。簡而言之，流化技術已經是一種具有廣泛應用和成熟工業應用的技術。

本文主要用MATLAB對煤氣化過程平衡進行編程，分析反應溫度、氧氣濃度、煤焦含碳量、水蒸氣量和氧氣預熱溫度對氣化體系熱力學平衡組成的影響，以及干燃氣熱值、濕燃氣熱值和效率的變化情況，并進行數值解模擬，得到數值解數據，為實際生產提供初步的理論指導和參考。

1 流化床煤氣化計算系統

1.1 設計原則

本文利用MATLAB的強大的數值計算功能，對煤焦炭氣化過程組分含量計算進行了編程模擬，軟件系統采用適宜的模型和先進的算法，使用模塊化程序結構便于系統的擴充，通過GUI設計的可視化圖形界面，讓用戶使用人機會話的輸入方式，通過界面上的按鈕和菜單，根據顯示屏的提示，從鍵盤輸入必要的信息，即可完成一系列復雜的計算并按指定方式輸出結果，不僅可以完成預定的任務，也可以根據實際需要自行設計實驗內容、修改實驗參數來獲取滿足自己需要的實驗結果，充分體現了系統的可操作性和交互性原則。

1.1.1 可靠性

軟件系統的可靠性直接關系到設計自身的聲譽，生存和發展競爭力。在運行過程中，該系統可以抵抗異常情況的干擾，保證系統正常運行，功能平穩。

1.1.2 健壯性

軟件健壯性是一個比較籠統的概念，但它是軟件質量的一個非常重要的衡量標準。該系統能夠判定出不符合規范要求的輸入，給出相應的處理方式。

1.1.3 可修改性

該系統有良好的結構和完備的文檔，便于系統之后的調整。

1.1.4 可讀性

軟件的可讀性是其可靠性和可修改性的前提。該系統文檔清晰可讀，系統本身結構簡單明了。

1.1.5 實用易用性

該系統條理清晰，各個功能操作簡單、快捷，易于使用，具有良好的可操作性，能夠解決實際問題。

1.2 系統結構框架

整個系統可以分為三個階段，預處理、數據輸入和計算輸出。各階段的相互關系如圖1所示。

預處理部分根據具體的任務完成反應方程的編輯、編譯和執行程序的生成；輸入部分負責數據輸入和存儲；計算輸出部分負責整個系統的計算和輸出。系統主界面如下圖所示。

2 應用案例

為了展示如何使用Matlab GUI構建流化床煤氣化計算系統，本文通過具體實例說明了系統的設計過程、GUI圖形界面的效果及實驗結果。

煤的氣化反應是由熱解產生的揮發分、殘余焦炭顆粒和氣化劑的復雜反應。本文以煤炭氣化過程為示例進行模擬，生成的氣體主要是煤焦炭和氣化劑反應得到，其主要產物是：可燃性氣體CO和H2，小部分碳氧化生成CO2，另外還會有少量的水生成和體系中的氮氣組分，本文以這五種組分為計算的主要對象，研究不同因素對這些組分的含量的影響。

在氣化過程以100kg焦炭和2kmol水蒸氣為計算基準的條件下，假設煤炭焦中含碳量為62.25%，其余為灰分，碳轉化率為96%，氧氣摩爾分數為21%，氧氣預熱溫度0℃，反應壓力為0.1MPa，散熱損失為5%。

在實驗中，分別改變氣化反應溫度、氧氣濃度、煤炭焦含碳量、水蒸氣量及空氣預熱溫度，模擬得出5組氧氣消耗量、燃氣組分的摩爾質量，總燃氣量，濕燃氣熱值和干燃氣熱值以及Ex效率的計算結果。

根據計算結果，分別以反應溫度、氧氣濃度、煤炭焦含碳量、水蒸氣量及空氣預熱溫度為橫坐標，CO、CO2、H2、H2O、N2、氧氣消耗量、濕燃氣總氣量、濕燃氣熱值、干燃氣熱值、效率為縱坐標，得到5組各組分摩爾含量隨著橫坐標的曲線圖，如圖3-7所示。

從圖3（a）看，氣化平衡過程在一定溫度范圍內隨著溫度的提高，平衡組分中N2、氧氣消耗量和濕燃氣總氣量隨著增多，組分中CO和H2的摩爾含量略有下降，CO2和H2O摩爾含量略有上升，從圖3（b）看，升高溫度，濕燃氣熱值和干燃氣熱值降低較快，效率降低；

從圖4（a）看，氣化平衡過程在一定溫度范圍內隨著氧氣濃度的提高，平衡組分中N2、氧氣消耗量和濕燃氣總氣量逐漸減少，CO含量增加，組分中H2的摩爾含量略有增加，CO2和H2O摩爾含量略有基本相對穩定，從圖4（b）看，升高溫度，濕燃氣熱值和干燃氣熱值增加較快，效率有所提高，在生產過程中提高氧氣濃度對增加燃氣熱值有直接有效的益處，但是在反應體系中氧氣濃度高，工藝條件要求就比較苛刻，且操作危險性較大，較難實現高氧氣濃度進料。因此，可以參考現有的工藝技術選取氧氣濃度操作參數；

由圖5（a）看，可以了解到氣化過程隨著煤焦含碳量的增加，氧氣耗量、氮氣、一氧化碳摩爾含量和濕燃氣總氣量增加明顯，其他組分相對變化較小；有圖5（b）看，溫度升高，濕燃氣和干燃氣熱值增加，效率有所提高；

由圖6（a）看，可以了解到氣化過程隨著水蒸氣含量的增加，氧氣耗量變化不大，組分中氮氣量仍然較大、濕燃氣總氣量稍有增加，其他組分相對變化較??；由圖6（b）看，水蒸氣含量增多，濕燃氣和干燃氣熱值都有所下降，效率降低；

由圖7（a）看，隨著氧氣預熱溫度的逐漸升高，氧氣耗量、組分氮氣含量，濕燃氣總量逐漸減少，一氧化碳的含量逐漸略有增多，二氧化碳的有所減少，從圖7（b）分析預熱溫度升高，濕燃氣熱值和干燃氣熱值逐漸提升，效率略有提高。

通過以上模擬研究氣化溫度、氧氣濃度、煤炭焦含碳量、水蒸氣量及、氧氣預熱溫度的影響規律，可在一定程度上了解氣化組分含量隨著各個因素改變的變化趨勢，可以為生產工藝條件的改進作參考。上述因素的影響，具有一定的條件限制，只有結合實際的生產條件，通過經濟學的比較，才能確定各種參數的取舍。

3 結論

流化床煤氣化計算系統可以輔助研究氣化操作參數對氣化組成的影響規律，對生產中有針對性的控制操作參數，調節煤炭氣化產品組成和相對含量具有指導性的實際意義。同時對使用Matlab軟件進行建模能力的提升起著積極的推動作用。

【參考文獻】

[1]朱自強，吳有庭.化工熱力學[M].北京：化學工程出版社，2013.9.

[2]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]楊小剛，趙穎.煤氣化過程熱力學平衡模型研究進展[J].化學工程與裝備，2012，12：146-149.