基于平衡模型的流化床煤气化计算系统的设计与实现

李文军 刘婷 读刚 王伟

【摘 要】利用Matlab的GUI功能，开发了流化床煤气化计算系统。该图形用户界面系统可以根据建立的煤炭气化过程产品的平衡组成计算模型，方便、高效地通过改变相关参数模拟出煤炭气化平衡组成的重要数据。实例表明：该流化床煤气化计算系统可以辅助研究气化操作参数对气化组成的影响规律，对生产中有针对性的控制操作参数，调节煤炭气化产品组成和相对含量具有实际指导意义。

【关键词】Matlab；流化床；煤气化；模拟仿真

中图分类号： TP391 文献标识码： A 文章编号： 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公司出品的一款商业数学软件。它具有出色的数值计算能力，并在世界数值计算软件中占据主导地位。数值计算的功能包括变量和数值、数值微积分、求解线性方程组、矩阵和数组、多项式计算、数据分析等。除此以外，MATLAB可以调用其它语言编写的程序，比如有C语言程序，C++和FORTRAN等。我们可以用MATLAB创建用户界面，执行矩阵运算、绘制各种函数并根据需要分析数据，还可以用来连接其他编程语言的程序。MATLAB是一种功能强大的软件，在广泛应用在工程软件中。

流化床具有类似流体特性，较轻的物体可以浮在流化床上面；当容器倾斜时，床层顶部保持水平；当两个流化床层连通时，其床面自动找平；固体颗粒可以从一个容器流道另一个容器中；床层中任意两点的压力差等于两点间床层的静压头。因此，流化床技术有许多优点：

（1）床层温度均匀，颗粒流动平稳，操作可连续自控；

（2）颗粒混合迅速，反应器处于等温状态，操作简单，控制可靠；

（3）颗粒能在两个反应器之间循环流动，传热方便；

（4）适宜于大规模操作；

（5）气体与固体之间的高传热和传质速率；

（6）流化床与其中浸没的构建之间的传热速率高，所需换热面积小。

由于流化床中的固体颗粒具有上述性质，使得固体能像流体一样进行各种处理，流体化技术在工业上有许多应用。目前，流化床技术在煤炭转化过程已有大量应用，如煤的气化与干馏、费-托合成、乙烯氧化、石油的催化裂化等。简而言之，流化技术已经是一种具有广泛应用和成熟工业应用的技术。

本文主要用MATLAB对煤气化过程平衡进行编程，分析反应温度、氧气浓度、煤焦含碳量、水蒸气量和氧气预热温度对气化体系热力学平衡组成的影响，以及干燃气热值、湿燃气热值和效率的变化情况，并进行数值解模拟，得到数值解数据，为实际生产提供初步的理论指导和参考。

1 流化床煤气化计算系统

1.1 设计原则

本文利用MATLAB的强大的数值计算功能，对煤焦炭气化过程组分含量计算进行了编程模拟，软件系统采用适宜的模型和先进的算法，使用模块化程序结构便于系统的扩充，通过GUI设计的可视化图形界面，让用户使用人机会话的输入方式，通过界面上的按钮和菜单，根据显示屏的提示，从键盘输入必要的信息，即可完成一系列复杂的计算并按指定方式输出结果，不仅可以完成预定的任务，也可以根据实际需要自行设计实验内容、修改实验参数来获取满足自己需要的实验结果，充分体现了系统的可操作性和交互性原则。

1.1.1 可靠性

软件系统的可靠性直接关系到设计自身的声誉，生存和发展竞争力。在运行过程中，该系统可以抵抗异常情况的干扰，保证系统正常运行，功能平稳。

1.1.2 健壮性

软件健壮性是一个比较笼统的概念，但它是软件质量的一个非常重要的衡量标准。该系统能够判定出不符合规范要求的输入，给出相应的处理方式。

1.1.3 可修改性

该系统有良好的结构和完备的文档，便于系统之后的调整。

1.1.4 可读性

软件的可读性是其可靠性和可修改性的前提。该系统文档清晰可读，系统本身结构简单明了。

1.1.5 实用易用性

该系统条理清晰，各个功能操作简单、快捷，易于使用，具有良好的可操作性，能够解决实际问题。

1.2 系统结构框架

整个系统可以分为三个阶段，预处理、数据输入和计算输出。各阶段的相互关系如图1所示。

预处理部分根据具体的任务完成反应方程的编辑、编译和执行程序的生成；输入部分负责数据输入和存储；计算输出部分负责整个系统的计算和输出。系统主界面如下图所示。

2 应用案例

为了展示如何使用Matlab GUI构建流化床煤气化计算系统，本文通过具体实例说明了系统的设计过程、GUI图形界面的效果及实验结果。

煤的气化反应是由热解产生的挥发分、残余焦炭颗粒和气化剂的复杂反应。本文以煤炭气化过程为示例进行模拟，生成的气体主要是煤焦炭和气化剂反应得到，其主要产物是：可燃性气体CO和H2，小部分碳氧化生成CO2，另外还会有少量的水生成和体系中的氮气组分，本文以这五种组分为计算的主要对象，研究不同因素对这些组分的含量的影响。

在气化过程以100kg焦炭和2kmol水蒸气为计算基准的条件下，假设煤炭焦中含碳量为62.25%，其余为灰分，碳转化率为96%，氧气摩尔分数为21%，氧气预热温度0℃，反应压力为0.1MPa，散热损失为5%。

在实验中，分别改变气化反应温度、氧气浓度、煤炭焦含碳量、水蒸气量及空气预热温度，模拟得出5组氧气消耗量、燃气组分的摩尔质量，总燃气量，湿燃气热值和干燃气热值以及Ex效率的计算结果。

根据计算结果，分别以反应温度、氧气浓度、煤炭焦含碳量、水蒸气量及空气预热温度为横坐标，CO、CO2、H2、H2O、N2、氧气消耗量、湿燃气总气量、湿燃气热值、干燃气热值、效率为纵坐标，得到5组各组分摩尔含量随着横坐标的曲线图，如图3-7所示。

从图3（a）看，气化平衡过程在一定溫度范围内随着温度的提高，平衡组分中N2、氧气消耗量和湿燃气总气量随着增多，组分中CO和H2的摩尔含量略有下降，CO2和H2O摩尔含量略有上升，从图3（b）看，升高温度，湿燃气热值和干燃气热值降低较快，效率降低；

从图4（a）看，气化平衡过程在一定温度范围内随着氧气浓度的提高，平衡组分中N2、氧气消耗量和湿燃气总气量逐渐减少，CO含量增加，组分中H2的摩尔含量略有增加，CO2和H2O摩尔含量略有基本相对稳定，从图4（b）看，升高温度，湿燃气热值和干燃气热值增加较快，效率有所提高，在生产过程中提高氧气浓度对增加燃气热值有直接有效的益处，但是在反应体系中氧气浓度高，工艺条件要求就比较苛刻，且操作危险性较大，较难实现高氧气浓度进料。因此，可以参考现有的工艺技术选取氧气浓度操作参数；

由图5（a）看，可以了解到气化过程随着煤焦含碳量的增加，氧气耗量、氮气、一氧化碳摩尔含量和湿燃气总气量增加明显，其他组分相对变化较小；有图5（b）看，温度升高，湿燃气和干燃气热值增加，效率有所提高；

由图6（a）看，可以了解到气化过程随着水蒸气含量的增加，氧气耗量变化不大，组分中氮气量仍然较大、湿燃气总气量稍有增加，其他组分相对变化较小；由图6（b）看，水蒸气含量增多，湿燃气和干燃气热值都有所下降，效率降低；

由图7（a）看，随着氧气预热温度的逐渐升高，氧气耗量、组分氮气含量，湿燃气总量逐渐减少，一氧化碳的含量逐渐略有增多，二氧化碳的有所减少，从图7（b）分析预热温度升高，湿燃气热值和干燃气热值逐渐提升，效率略有提高。

通过以上模拟研究气化温度、氧气浓度、煤炭焦含碳量、水蒸气量及、氧气预热温度的影响规律，可在一定程度上了解气化组分含量随着各个因素改变的变化趋势，可以为生产工艺条件的改进作参考。上述因素的影响，具有一定的条件限制，只有结合实际的生产条件，通过经济学的比较，才能确定各种参数的取舍。

3 结论

流化床煤气化计算系统可以辅助研究气化操作参数对气化组成的影响规律，对生产中有针对性的控制操作参数，调节煤炭气化产品组成和相对含量具有指导性的实际意义。同时对使用Matlab软件进行建模能力的提升起着积极的推动作用。

【参考文献】

[1]朱自强，吴有庭.化工热力学[M].北京：化学工程出版社，2013.9.

[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3]杨小刚，赵颖.煤气化过程热力学平衡模型研究进展[J].化学工程与装备，2012，12：146-149.