本文以化学热回收两段组合式气化炉为研究对象,采用实验与数值模拟相结合的方法,对两段炉冷态实验装置内的流场特征进行了研究,并且研究了热态实验装置内二段固定床的气化反应性和显热回收效果。此外,还比较了二段水煤浆进料对原有多喷嘴对置式(OMB)气化炉气化效率的影响,并且考察了不同的操作条件对一种上吹式多喷嘴两段式(TS-OMB)气化炉工艺指标的影响。主要内容如下：1.在冷态两段炉内,随着Reynolds数和床层高度的增加二段床层的压降增加,并且空隙率越小,二段床层的压降越大。Montiller公式相比于经典的Ergun方程,能够更加准确地预测炉内的二段床层压降。当单喷嘴顶喷时,随着二段床层高度的增加,中心气速在床层上表面的冲击区内衰减越快。在轴向速度的径向分布中,中心气速最大并且衰减最快,在r=0.5R径向位置处,由于回流的存在导致轴向速度呈先增大后减小的变化趋势,管流区在喷嘴平面下方2.9D处形成。当四喷嘴对喷时,在喷嘴平面的上方和下方形成两股径向射流,径向射流的中心气速从喷嘴平面上的零值增加到最大值后,呈射流衰减变化,向下的径向射流达到管流区所需的轴向距离约为1.1D。在四喷嘴对喷的条件下,平均停留时间随着表观气速和床层压降的增加而减小。采用部分短路Gamma分布数学模型能够与停留时间密度函数的实验值吻合较好。通过模型参数的分析得出,在四喷嘴对喷的条件下炉内几乎不存在短路现象,随着表观气速的减小和床层阻力的增加,炉内气体的流型以及混合程度趋近于全混流。平推流部分的影响程度随着表观气速以及二段床层阻力的增加变得显著。2.对冷态两段炉建立了三维模型,采用Realizable κ-ε模型模拟一段气体的湍流流动,多孔介质模型模拟二段固定床。模拟结果表明,当单喷嘴顶喷时,中心气速沿轴向逐渐衰减,并在喷嘴下方2.7D处形成管流区。在射流基本段的外围近壁面处形成了与中心速度相反的回流,回流比沿着轴向位置,呈先增大后减小的变化规律。当四喷嘴对喷时,中心轴向速度在喷嘴平面的上方和下方速度呈现先增加后减小的变化趋势,最大径向速度的位置距离喷嘴平面约为0.21L。在径向射流的外围形成了回流,并且喷嘴平面上方的回流比大于喷嘴下方。相比于单喷嘴顶喷的条件,四喷嘴对喷所形成的回流更为明显。在四喷嘴对喷的条件下,随着二段床层高度的增加,中心气速在床层上表面的冲击区内衰减加快,随着一段气量的增加和喷嘴直径的减小,最大径向射流速度增加,而最大径向射流的位置基本不变。回流比和回流区域的大小随着床层高度的增加以及一段喷嘴直径的减小而显著增加。一段气量的增加,提高了炉内的回流量,但是回流比和回流区域的大小不发生改变。3.在热态两段炉内,粒径范围为15-20mm的冶金焦,其气化反应性优于10-15mm和20-25mm,与初始的一段气体相比,其二段平均有效气浓度提高了2.52%,平均低热值(LHV)增加了2.27%,CO2转化率为8.9%,最终碳转化率为32.4%。当一段氧油比最大时(1.92m3·kg-1),二段冶金焦的气化反应性最好,平均有效气浓度增加了7.43%,平均LHV增幅为5.26%,CO2转化率为18.1%,最终碳转化率为41.7%。在内蒙褐煤中添加5%的硝酸钾或者硝酸钙,均能有效地提高气化反应速率。5%硝酸钾的催化效果优于5%的硝酸钙。当添加5%的钾时,二段出口处的平均有效气浓度提升了3.43%,平均LHV提高了4.72%,CO2转化率为9.3%,二段块煤的碳转化率为85.5%。二段块煤的气化反应性随着钙添含量的增加而增加。当钙的添加量大于5%时,才能起到显著的催化作用。当二段添加8%的钙时,催化效果最为明显,平均有效气浓度提高了3.74%,平均LHV增幅4.95%,CO2转化率为9.4%,二段内蒙褐煤的碳转化率为90.8%。4.对小型的两段炉热态实验装置,建立了固定床气化反应模型,模拟结果与实验数据吻合良好。当高温合成气流通二段固定床区域时,气体速度增加,气体温度显著降低,并且合成气中C02和H20的含量减小,有效组分CO和H2增加。随着反应的进行,气化反应中心从煤层的上层逐渐向下层转移,气体组分和温度在煤层中的变化亦逐渐减小。二段煤量的减少使得块煤的升温速率增加,导致有效气浓度和气固反应速率在反应初期较高,而最终的碳转化率随着煤量的增加而降低。二段块煤粒径的减小提高了有效气浓度、气固反应速率和碳转化率,并且使得气固反应率先进行,有利于二段块煤的气化反应。一段合成气中C02和H20含量的增加,提高了二段块煤的气固反应速率和碳转化率,并且一段气体温度的升高,使得二段块煤的升温速率和气化反应温度增加,加速了脱挥发分速率和气固反应速率,有利于二段气化反应的进行。5.建立了OMB气化炉的三维模型,模拟结果与实际测量值吻合良好。研究结果表明在OMB气化炉的撞击区和径向射流区域气化反应显著。在OMB-staged气化炉中,二段额外喷入的水煤浆降低了整个气化炉内的温度,并且降低了炉内的气化反应速率和碳转化率。TS-OMB气化炉与OMB相比,有效气产率提高了31.1Nm3·h-1,冷煤气效率和碳转化率均有所提高,表明了将原有的OMB气化炉进行TS-OMB形式的改进是提高气化效率的一种潜在方式。在所提出的上吹式TS-OMB气化炉的典型工况下,出口气体温度为1353.5K,冷煤气效率达到77.47%,碳转化率为96.25%。随着二段给煤比的增加,炉膛温度和碳转化率降低,而有效气浓度和冷煤气效率均存在一个峰值。随着一段氧煤比的提高,炉膛温度和碳转化率增加,有效气浓度和冷煤气效率呈先增加后减小的趋势。随着水煤浆浓度的增加,炉膛温度、碳转化率、有效气浓度和冷煤气效率均呈现逐渐增加的趋势。