气化炉是气流床煤气化技术的关键环节,传统的气流床气化炉存在着显热耗损严重热效率不高的问题。为解决这一问题,研究者提出了化学热回收两段组合式煤气化工艺,将一段炉高温煤气中的水蒸气和CO2与二段固定床的煤层再进行一次气化反应,既回收了高温段的煤气显热,又充分利用了煤气中的无效组分(水蒸气和CO2),相比于传统的水激冷、合成气激冷和废热锅炉等流程,显热回收流程更加简洁,设备投资成本更小,并能够提高合成气中的有效气含量和冷煤气效率,具有广阔的应用前景。本文以两段组合式气化炉为背景,针对第二段固定床部分,围绕煤在高温、合成气气氛中的反应特性开展了实验研究,考察了高温热解反应、水煤气变换反应以及煤焦气化反应的特性,并对比了不同尺度装置上的气化反应特性。主要内容如下:(1)基于固定床反应器研究了高温下(~1600℃)不同煤种的热解反应气体产物释放特性。结果表明,煤在高温(1100-1600℃)热解反应过程中,主要气体产物只有CO,随着实验温度的升高,CO释放速率也不断提高。CO主要是由煤灰中的含氧化合物与煤中碳基质发生碳热反应生成。当添加质量分数20%的SiO2,Al2O3,CaO时,脱灰煤样品的起始反应温度依次约为1300℃、1400℃、1550℃;1600℃时,CO生成速率依次为3.72、2.61、2.42 mL·min-1·g-1。通过X射线衍射分析发现,SiO2与碳反应生成SiC,A12O3在氮气气氛下最终生成A1N,未测定到CaO的反应产物,这可能是由于在实验温度下生成的气态Ca随气体逸出而不存在于固体残留物中。CO的生成温度、速率及产量主要与煤灰内在矿物质的种类和含量有关,与煤阶关系较小。(2)研究了反应温度和停留时间分别为700~1300℃和1~2 s条件下合成气水煤气变换反应特性。考察了煤中灰分以及煤热解焦对气化合成气变换反应的影响。研究发现,反应温度低于1100℃时,合成气CO转化率接近于0;而当反应温度为1300℃时,存在明显的逆变换反应,但不能达到反应平衡。煤中灰分对水煤气变换反应具有一定促进作用,但气体分布不均和煤灰烧结导致该促进作用受到限制。以煤灰作为介质,1100℃时合成气CO转化率比无煤灰时提高2.3个百分点。原煤热解焦对水煤气变换反应的影响与煤灰类似,而不同粒径的煤焦对变换反应的作用效果存在明显差异:粒径增大,表面积减小,导致促进作用减弱;而粒径过小时,床层局部阻力较高,易导致气体分布不均,影响气固接触,致使固相介质的促进作用显著减弱。实验条件下粒径为0.8-1.5 mm热解焦对水煤气变换反应的促进效果最为显著,700℃时合成气CO转化率比无介质时提高了 1.7个百分点。(3)基于小型管式反应器,开展了不同混合气氛下(H2O、CO2、H2或CO)煤焦气化特性的实验研究,考察了 1100-1400℃温度下,H2和CO对煤焦-水蒸气和煤焦-CO2气化反应特性的影响。结果表明,H2通过抑制变换反应对煤焦水蒸气气化存在促进作用,且温度较低时更为明显;CO在较低温度下(1100~1200℃)对煤焦-水蒸气气化反应具有一定抑制作用。1100℃时,H2与CO2反应生成反应速率更快的水蒸气,从而提高煤焦在CO2中的整体气化反应速率;温度大于1300℃时,由于水蒸气反应速率接近于CO2,H2将抑制煤焦在CO2气氛中的气化反应。1100-1400℃气化温度范围内,CO对煤焦-CO2气化反应存在抑制作用。随机孔模型能较准确地描述实验条件范围内反应动力学特征。(4)基于管式炉和两段组合式气化炉热模装置,开展了合成气气氛下煤气化特性的实验研究,考察了温度、合成气组成以及煤量对气体产物组成、反应速率、有效气含量等气化参数的影响。结果表明,在管式炉实验工况下,原料气与煤焦气化反应后CO含量提高较明显,H2含量小幅增加,而CO2含量小幅降低。原料气与煤焦气化反应能够提高有效气(CO+H2)浓度,气体产物平均有效气浓度最高增幅为3.3%。不同气化剂之间的相互竞争以及反应产物的抑制作用对反应速率的影响比较显著,气化温度为1100℃和1300℃时,合成气气氛下煤焦反应速率最大值分别为相同气化剂流量CO2和水蒸气气化反应速率最大值的55%和67%。随机孔模型能够较为准确地描述该类气化反应,而均相模型和缩芯模型由于未考虑孔结构变化存在相对较大的偏差。基于热模实验所获得的合成气中气化剂的转化效率与管式炉结果相近,由此证实小尺度装置的实验结果可以为大尺度装置提供参考。