基于平衡模型的流化床煤氣化計算系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李文軍 劉婷 讀剛 王偉

【摘 要】利用Matlab的GUI功能，開發(fā)了流化床煤氣化計算系統(tǒng)。該圖形用戶界面系統(tǒng)可以根據(jù)建立的煤炭氣化過程產(chǎn)品的平衡組成計算模型，方便、高效地通過改變相關(guān)參數(shù)模擬出煤炭氣化平衡組成的重要數(shù)據(jù)。實例表明：該流化床煤氣化計算系統(tǒng)可以輔助研究氣化操作參數(shù)對氣化組成的影響規(guī)律，對生產(chǎn)中有針對性的控制操作參數(shù)，調(diào)節(jié)煤炭氣化產(chǎn)品組成和相對含量具有實際指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】Matlab；流化床；煤氣化；模擬仿真

中圖分類號： TP391 文獻標(biāo)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(yè)數(shù)學(xué)軟件。它具有出色的數(shù)值計算能力，并在世界數(shù)值計算軟件中占據(jù)主導(dǎo)地位。數(shù)值計算的功能包括變量和數(shù)值、數(shù)值微積分、求解線性方程組、矩陣和數(shù)組、多項式計算、數(shù)據(jù)分析等。除此以外，MATLAB可以調(diào)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(chuàng)建用戶界面，執(zhí)行矩陣運算、繪制各種函數(shù)并根據(jù)需要分析數(shù)據(jù)，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(yīng)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(dāng)容器傾斜時，床層頂部保持水平；當(dāng)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(shù)有許多優(yōu)點：

（1）床層溫度均勻，顆粒流動平穩(wěn)，操作可連續(xù)自控；

（2）顆?；旌涎杆伲磻?yīng)器處于等溫狀態(tài)，操作簡單，控制可靠；

（3）顆粒能在兩個反應(yīng)器之間循環(huán)流動，傳熱方便；

（4）適宜于大規(guī)模操作；

（5）氣體與固體之間的高傳熱和傳質(zhì)速率；

（6）流化床與其中浸沒的構(gòu)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(zhì)，使得固體能像流體一樣進行各種處理，流體化技術(shù)在工業(yè)上有許多應(yīng)用。目前，流化床技術(shù)在煤炭轉(zhuǎn)化過程已有大量應(yīng)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(shù)已經(jīng)是一種具有廣泛應(yīng)用和成熟工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)。

本文主要用MATLAB對煤氣化過程平衡進行編程，分析反應(yīng)溫度、氧氣濃度、煤焦含碳量、水蒸氣量和氧氣預(yù)熱溫度對氣化體系熱力學(xué)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(shù)值解模擬，得到數(shù)值解數(shù)據(jù)，為實際生產(chǎn)提供初步的理論指導(dǎo)和參考。

1 流化床煤氣化計算系統(tǒng)

1.1 設(shè)計原則

本文利用MATLAB的強大的數(shù)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(tǒng)采用適宜的模型和先進的算法，使用模塊化程序結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)的擴充，通過GUI設(shè)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(jù)顯示屏的提示，從鍵盤輸入必要的信息，即可完成一系列復(fù)雜的計算并按指定方式輸出結(jié)果，不僅可以完成預(yù)定的任務(wù)，也可以根據(jù)實際需要自行設(shè)計實驗內(nèi)容、修改實驗參數(shù)來獲取滿足自己需要的實驗結(jié)果，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的可操作性和交互性原則。

1.1.1 可靠性

軟件系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到設(shè)計自身的聲譽，生存和發(fā)展競爭力。在運行過程中，該系統(tǒng)可以抵抗異常情況的干擾，保證系統(tǒng)正常運行，功能平穩(wěn)。

1.1.2 健壯性

軟件健壯性是一個比較籠統(tǒng)的概念，但它是軟件質(zhì)量的一個非常重要的衡量標(biāo)準。該系統(tǒng)能夠判定出不符合規(guī)范要求的輸入，給出相應(yīng)的處理方式。

1.1.3 可修改性

該系統(tǒng)有良好的結(jié)構(gòu)和完備的文檔，便于系統(tǒng)之后的調(diào)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(tǒng)文檔清晰可讀，系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)簡單明了。

1.1.5 實用易用性

該系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

整個系統(tǒng)可以分為三個階段，預(yù)處理、數(shù)據(jù)輸入和計算輸出。各階段的相互關(guān)系如圖1所示。

預(yù)處理部分根據(jù)具體的任務(wù)完成反應(yīng)方程的編輯、編譯和執(zhí)行程序的生成；輸入部分負責(zé)數(shù)據(jù)輸入和存儲；計算輸出部分負責(zé)整個系統(tǒng)的計算和輸出。系統(tǒng)主界面如下圖所示。

2 應(yīng)用案例

為了展示如何使用Matlab GUI構(gòu)建流化床煤氣化計算系統(tǒng)，本文通過具體實例說明了系統(tǒng)的設(shè)計過程、GUI圖形界面的效果及實驗結(jié)果。

煤的氣化反應(yīng)是由熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分、殘余焦炭顆粒和氣化劑的復(fù)雜反應(yīng)。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(yīng)得到，其主要產(chǎn)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(shè)煤炭焦中含碳量為62.25%，其余為灰分，碳轉(zhuǎn)化率為96%，氧氣摩爾分數(shù)為21%，氧氣預(yù)熱溫度0℃，反應(yīng)壓力為0.1MPa，散熱損失為5%。

在實驗中，分別改變氣化反應(yīng)溫度、氧氣濃度、煤炭焦含碳量、水蒸氣量及空氣預(yù)熱溫度，模擬得出5組氧氣消耗量、燃氣組分的摩爾質(zhì)量，總?cè)細饬?，濕燃氣熱值和干燃氣熱值以及Ex效率的計算結(jié)果。

根據(jù)計算結(jié)果，分別以反應(yīng)溫度、氧氣濃度、煤炭焦含碳量、水蒸氣量及空氣預(yù)熱溫度為橫坐標(biāo)，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(biāo)，得到5組各組分摩爾含量隨著橫坐標(biāo)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(nèi)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(nèi)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(wěn)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(chǎn)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(yīng)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(xiàn)高氧氣濃度進料。因此，可以參考現(xiàn)有的工藝技術(shù)選取氧氣濃度操作參數(shù)；

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?。挥袌D5（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?。挥蓤D6（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(yù)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(yù)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(yù)熱溫度的影響規(guī)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(chǎn)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(jié)合實際的生產(chǎn)條件，通過經(jīng)濟學(xué)的比較，才能確定各種參數(shù)的取舍。

3 結(jié)論

流化床煤氣化計算系統(tǒng)可以輔助研究氣化操作參數(shù)對氣化組成的影響規(guī)律，對生產(chǎn)中有針對性的控制操作參數(shù)，調(diào)節(jié)煤炭氣化產(chǎn)品組成和相對含量具有指導(dǎo)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】

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