0 引言

Matlab是一个庞大的系统，具有许多工程计算和模拟功能，它具有强大的图像功能，高编程效率和良好的交互性等特点。在工程方面，MATLAB是一个产品开发、分析的工具，是工程部门必备的软件。图形用户界面简称为GUI（Graphic User Interface），是由诸如窗口、按钮、文字、图形、菜单等对象组成的用户窗口。图形控制对象有相应的回调函数，用户可以通过回调函数轻松与计算机通信，完成特定的功能，是人机交流信息的有效工具。GUI可以在Matlab中构造交互式图形界面，在工程软件中已有广泛应用。

固定床气化过程的基本原理是气化剂中的氧气和固体燃料中的碳经历氧化反应，释放大量的热量以为气化过程的吸热反应提供热量。由氧化反应产生的二氧化碳进一步与碳反应生成一氧化碳；而气化剂中的水蒸气与碳发生反应生成氢气和一氧化碳。同时，一氧化碳与水蒸汽的变换反应在炉中发生，产生二氧化碳和氢气，它们在调解气相产物中一氧化碳、二氧化碳、氢气和水蒸气比例方面发挥作用。此外，煤气化伴随着干馏过程，产生一些碳氢化合物。有的气化煤气中还含有一定量的焦油等液相产物。煤气化过程动力学模型主要是解决煤气化过程中反应速率的问题，建立基于质量传递、动量传递、能量传递和反应工程原理的数学方程。先计算出每个反应的反应速率，再根据速率计算公式求出反应剂浓度与反应气化炉高度的关系式。根据煤气化过程动力学模型，可以解决许多项目中的实际问题。

本文把固定床煤气化动力学理论和计算机数值求解功能结合起来，利用Matlab的GUI功能，遵循连贯性、交互性和可操作性的设计原则，开发了固定床煤气化过程数值模拟系统，用Matlab软件来求解常微分方程组以及完成气化过程的模拟计算，应用表明该系统非常有利于提高对知识的理解和掌握。

1 固定床煤气化过程模拟数值模拟系统

1.1 设计原则

根据固定床煤气化过程的动态模型，在MATLAB软件中对固定床煤气化过程模拟系统进行编程。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)先进性

软件系统的开发设计，采用先进的技术架构，结构化程度高，扩展性好，符合信息化发展的趋势。本系统釆用GUI技术，使软件系统具备领先的地位，是信息系统发展的方向，保证软件系统的延续性。

2)可靠性

在运行过程中，该系统可以抵抗异常情况的干扰，保证系统正常工作，功能流畅。

3)可维护性

该系统操作简单，实用性强，易于操作，易于维护。该系统对操作环节具有良好的适应性，并且不依赖于特定类型的计算机设备和固定版本的操作系统软件。

4)实用易用性

该系统各项功能要一目了然，条理清晰，使各个功能操作简单、快捷，易于用户理解、掌握和使用，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。

图1 系统框架

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。

图2 系统主界面

2 应用案例

为了展示如何使用Matlab GUI构建固定床煤气化过程数值模拟系统，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。

在本文中，原煤、半焦和焦炭用作原料，使用二氧化碳、水蒸气为气化剂在固定床气化炉内进行气化。利用初值法进行模拟所建的数学模型是否合理，采用该系统进行模拟计算，在模拟计算中主要是用打靶法来确定所需气化炉的高度。

在程序中代入焦炭的动力学参数，其中焦炭含有85%的碳和15%的灰，并且从气化炉排出的灰渣通常为8%。气化炉的气化强度为600 kg/(m².h)，自热式气化过程的燃烧过程中的碳消耗量为30%，炉底送入空气量为60.7142 kmol/(m².h)，水蒸汽送入量为95.2 kmol/(m².h)。

经过该程序的计算，得到了原煤、半焦和焦炭3种固体燃料气化时反应温度及各气体量随气化炉床层高度变化的分布曲线，如图3所示。

图3 3种原料气化反应温度与床层高度关系图

从图3中可以看出，随着气化炉床层高度增加，固体燃料的气化过程中的反应温度先升高后降低。这是因为反应开始时所吸收的热量要多，并且随后的反应是吸热反应，因此线的变化趋势是合理的，所以可认为所建模型符合实际。气化过程所产生的气体与床层高度的关系如图4所示。

（a）水蒸气量与床层高度的关系

（b）二氧化碳量与床层高度的关系

（c）一氧化碳与床层高度的关系

（d）氢气量与床层高度关系

（e）氧气量与床层高度的关系

图4 3种原料气化时各种气体与床层高度关系图

从图4中可以看出，当固体燃料气化时，氧气量随着床层高度的增加而减少。原因是引入的空气量是恒定的，氮气不参与反应，并且氧气与固体燃料反应导致氧气量减少。

随着床层高度增加，加入的气化剂水蒸气量逐渐减少，起初减少较为缓慢，后加速减少。由于初始温度较低， 固体燃料以较慢的速率与水蒸气反应，随着反应的进行，反应速度逐渐加快，水蒸气的消耗速度也逐渐加快。此外，原煤和水蒸气的气化反应消耗大部分水蒸气，然后是半焦，焦炭是最少的，这也表明原煤的反应活性最强，半焦次之，焦炭的反应活性最差。

随着固定床气化炉床层高度的增加，二氧化碳的量先迅速增加一段时间后趋缓，这是由于在开始时固体燃料与氧气反应产生了大量二氧化碳，之后一部分二氧化碳与固体燃料反应。原煤经气化后得到的二氧化碳量最少，半焦略多，焦炭最多。这表明原煤最先开始与反应产生的二氧化碳发生气化反应。

一氧化碳量随着床层高度的增加而增加，并且原煤气化产生的一氧化碳量多于半焦，焦炭气化产生一氧化碳量最少。

氢气量随床层高度的增加而增加，原煤气化产生的氢气量最多，半焦次之，焦炭最少且反应速度慢。

3 结论

固定床煤气化过程数值模拟系统对提升学习固定床煤气化技术的兴趣、提高动手能力和创新能力，特别是对使用Matlab软件进行建模能力的提升起着积极的推动作用。通过固定床煤气化过程数值模拟系统的应用，使用者可以借助系统来解决煤气化过程中的问题，从而增强他们学习专业的兴趣，培养使用者的动手能力、创新能力。

参考文献

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