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随着我国经济的快速发展,能源与环境问题日益突出,节能减排已成为我国目前面临的主要问题之一。高炉渣作为高炉生产过程中主要副产品,其排出温度约1600℃,每吨渣含有的余热相当于高炉生产1吨生铁消耗能量的13%,但由于其导热系数低、粘度随温度变化剧烈等问题使得其高品质余热回收利用十分困难。目前高炉渣的处理方法主要为水淬法,该方法不仅浪费了新水、污染了环境,而且渣的余热也没有得到很好的回收利用。因此,有效解决高炉渣高品质余热回收利用问题,成为实现钢铁工业节能降耗的关键所在。另一方面,煤炭在利用过程中生成大量CO2、NOx、SO2以及重金属污染物,对环境造成较大的破坏。因此,清洁高效的煤利用技术的开发和应用对我国的可持续发展有着至关重要的作用。鉴于此,本文提出高炉渣热载体煤/水蒸气气化制取合成气的技术路线,以期解决高炉渣余热高效回收利用的问题,同时实现煤炭的高效清洁转化。围绕该技术路线的构建,主要展开下述基础研究工作:（1）提出高炉渣热载体煤/水蒸气气化制取合成气的新工艺。该工艺利用强吸热的煤气化反应有效的将炉渣高品质显热转化为化学热,并生产出高热值的合成气,实现了高炉渣余热余能的回收利用及煤炭的高效清洁转化。（2）针对余热驱动下的煤/水蒸气/高炉渣多过程耦合协同转化过程进行热力学分析与优化设计。基于热力学第一定律,采用吉布斯最小自由能原理,考察了温度、压力、水碳比和高炉渣对煤气化反应的影响以及高炉渣余热回收系统的能量和物质利用情况。研究发现:高炉渣不仅提供煤气化反应所需的热量,而且增大了 H2含量,降低了 CO2含量,提高了合成气的热值。温度、压力及水碳比等因素均对气化反应产生显著影响。煤/水蒸气/高炉渣协同转化过程的最佳操作条件为:温度775℃,水碳比2.0～3.0,压力常压。在此条件下可制取约2.45 mol/molC的合成气,其中H2含量高达62.36%,系统的高炉渣余热回收效率高达83.03%。通过热力学分析,既确定了煤气化反应所达到的界限,又预测了平衡组成随反应条件的变化趋势,为高炉渣热载体煤气化反应的工艺条件提供理论参考。（3）为研究高炉渣对煤热解反应特性,尤其是对热解动力学的影响,采用程序升温技术考察了煤种、升温速率及渣煤比等因素,并通过Coats-Redfern法和Malek法建立了高炉渣热载体煤热解反应动力学模型。研究发现:煤化程度造成不同煤热解反应存在较大差异。煤化程度越大,体系结合越紧密,网络结构越不易被破坏,煤的反应性越低。升温速率的增大有助于煤热解过程中挥发分的析出,更利于煤焦的形成。高炉渣对煤热解反应具有显著的影响,但其影响因煤种而异。高炉渣热载体煤热解反应动力学遵循C3模型,建立的动力学模型计算值与实验值吻合较好。通过热解反应动力学研究掌握了高炉渣热载体煤热解反应过程和机理,准确预测热解反应速率。（4）为研究高炉渣对煤气化反应特性,尤其是对气化反应动力学的影响,采用等温恒重技术考察了温度、煤渣比等因素,并建立了高炉渣热载体煤气化反应动力学模型。研究发现:高炉渣热载体煤气化技术对煤种具有良好的适应性,各煤种均能够顺利气化,并具有较快的气化反应速率。煤焦碳转化率和化学反应速率均随温度的升高而增大,但当气化温度高于灰熔点后,温度对煤焦气化反应的影响减弱,化学反应速率基本保持稳定。高炉渣对煤焦气化反应具有催化作用,炉渣能够有效提高煤焦的碳转化率和化学反应速率,而这种作用对德州煤的影响尤其显著。另外,高炉渣的介入改变了煤焦气化反应动力学特性。以抚顺煤为例,当煤渣比为1:0时,煤气化反应遵循D1模型,而当煤渣比为1:1和1:2时,煤气化反应则遵循R2模型。通过气化反应动力学研究掌握了高炉渣热载体煤气化反应过程和机理,更深层次的把握气化反应规律,有助于气化反应的控制和效率的提高。（5）为保证高炉渣热载体煤气化反应中熔渣良好的流动特性,采用旋转柱体法考察了熔渣碱度（CaO/SiO2）、MgO含量、Al2O3含量和温度对高炉熔渣粘度的影响,并建立了修正Urbain熔渣粘度预报模型。研究发现:高炉渣碱度、MgO含量及Al2O3含量对熔渣粘度具有显著的影响。对于高炉渣热载体煤气化反应来说,适宜的炉渣碱度应控制在1.10～1.20之间,MgO和Al2l3的含量应分别控制在8.22%和11.00%以下。通过实验数据和Urbain模型建立了修正Urbain熔渣粘度预报模型,准确预报了高炉渣热载体煤气化反应中熔渣粘度的变化情况,其预测值与实验测定值的平均误差仅约为17.98%。通过高炉熔渣流动特性和粘度预报模型的研究,掌握了炉渣粘度随组分、温度等因素的变化规律,为后续的实验和应用提供理论依据。（6）采用自行搭建的高炉渣热载体煤/水蒸气气化反应系统进行气化反应制取合成气的实验研究。考察了温度、水碳比和煤种等因素对气化反应效率及产气等情况的影响,并建立了详细的熔渣气化反应机理模型。研究表明:随着温度升高,煤气化反应的碳转化率、气化效率及合成气产量均显著增大,但氢气产率并未获得有效改善。水碳比增大有利于气化反应的碳转化及H2生成,但过多的水蒸气将带走大量热量,降低冷煤气效率。因此,高炉渣热载体煤/水蒸气气化反应的最佳操作温度为1350℃,水碳比应控制在1.5～2.0。高炉渣热载体煤气化反应能够有效解决煤气化效率低等问题,同时能够有效利用高品质炉渣余热制取高热值的富氢合成气。基于实验研究建立了高炉渣热载体煤/水蒸气气化反应机理模型,为该方法的应用提供理论指导。以上研究结果表明:采用高炉渣热载体煤气化反应协同转化技术,既能够有效回收利用高品质的炉渣余热,又能够清洁高效利用煤炭制取可燃组分含量高、燃气热值高的合成气。本课题的研究为高炉渣热载体煤/水蒸气气化制取合成气的新工艺的完善和工程应用奠定了一定的理论和实验基础。