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Shell粉煤气化炉堵渣故障时产生的大块渣结晶度较好,其中一类渣析出晶体状的陨硫铁和单质铁。利用超声逐级化学提取法定量分析煤中铁元素的赋存状态,然后以高硫煤为研究对象,并向原煤中添加含铁物相,利用XRD、SEM-EDX分析熔渣的矿物组成和微观形貌,考察熔渣中含铁晶体物质的演变过程。利用FactSage软件,对高温熔渣的平衡组成进行模拟计算,建立了熔渣中单质铁的析出模式,揭示了高硫煤气流床气化熔渣析铁机理,为解决因析铁而致的气化炉堵渣问题提供理论依据。煤中铁元素以碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物结合态、铝硅酸盐结合态、有机结合态5种形式存在。高硫含量的ZX煤中铁元素主要是硫化物结合态铁(黄铁矿及衍生物)和铝硅酸盐结合态铁(掺杂在伊利石等矿物中的铁离子)。硫化物结合态铁在灰化过程中部分转变成赤铁矿,铝硅酸盐结合态铁随着矿物的瓦解,逐渐被还原,最终部分转变成单质铁。在V(CO):V(N2)=160:40的气氛中,当温度升至1000℃,ZX煤熔渣中产生单质铁、陨硫铁,随着温度升高,其含量变化总体趋势先增大后减小。1450℃的熔渣体系有序性降低,渣中含铁成分主要是铁质玻璃体和微量的单质铁、陨硫铁。当气氛中CO浓度≥25%、温度≥1200℃、煤灰中WFe2O3≥8.82%,高温熔渣中能够产生单质铁。气流床气化气氛下熔渣中单质铁的生成可能经由以下四条途径实现：(1)煤灰中的赤铁矿直接被还原；(2)铝硅酸盐矿物中掺杂的Fe3+随着矿物骨架的坍塌,逐渐暴露在气氛中,直接或间接地被还原；(3)煤中黄铁矿转化成磁黄铁矿(FeSx),系列FeSx同分异构体结构转换,释放气态硫,生成FeS,温度达到1200℃以上,FeS熔化成液态并分解,产生单质铁；(4)部分共熔体Fe-O-S高温下释放出S,又重新生成方铁矿,被还原。若煤灰中残存的硫元素较多,易形成含硫的中间体FeS、Fe-O-S,这两种中间产物的形成,延缓了单质铁的析出。熔渣发生析铁现象与钙长石的结晶紧密相关。铁离子由于较强的极化作用,富集在熔渣中,诱发处于熔融状态的钙长石结晶析出。随着钙长石晶格的完善,铁离子脱离晶体结构,被还原,产生单质铁。另一方面,在还原性气氛下,还原产物Fe2+通过类质同象进入钙长石晶体结构中,随着钙长石晶体的熔融,Fe2+再脱离熔体,被还原成单质铁。