流化床气化技术具有燃料适应性广、运行成本低和环境污染小等优点,是目前极具前景的低阶煤利用技术之一。但由于气化炉运行温度较低,导致大量煤气化细粉灰被粗煤气携带出炉膛,降低了系统碳转化率。煤气化细粉灰具有超细粒径、低挥发分、高含碳量、高灰分和反应活性差等特点,这给其进一步转化带来了极大的困难。如何实现煤气化细粉灰的高效清洁利用,对于流化床气化技术的推广应用具有重要意义。基于现有煤气化细粉灰利用技术,本论文提出了一种流化床煤气化集成细粉灰高温燃烧熔融处理新工艺,可以实现煤气化细粉灰的充分转化,减少环境污染,同时实现飞灰熔融固化。针对该工艺开发过程中存在的重要问题和关键环节,本论文采用灰熔融温度分析仪、高温热台显微镜和FactSage化学热力学软件等方法研究了煤气化细粉灰的高温熔融特性;在2.5 t/d高温燃烧熔融实验台上研究了细粉灰的高温燃烧特性及熔融渣样和飞灰的基本特性;采用所建立的平衡模型研究了流化床煤气化集成细粉灰高温燃烧熔融系统的运行特性。获得的主要结论如下:(1)与五彩湾煤相比,经气化后细粉灰中水分和挥发分含量较低,灰分和碳含量较高,Fe和Ca含量较高,Al、Si和Na含量较低。粒径对五彩湾煤气化细粉灰中矿物元素含量有着显著的影响。与热解煤焦相比,五彩湾煤气化细粉灰碳微晶结构的有序性程度更高,具有更宽的孔径分布,孔隙结构更为发达,具有更好的燃烧和气化反应性。(2)与原煤相比,经工业循环流化床气化后细粉灰的灰熔融温度要低30-75℃,这与其更高的碱性矿物组分含量有关。煤气化细粉灰在高温下灰样的主要矿物相为石英、钙长石、钙镁辉石和氧化铁,钙长石在高温下的生成和逐渐熔融是主要矿物质转化行为,决定着其熔融特性。煤气化细粉灰样的熔融是一个渐进的过程,灰样中低熔点物质如钠长石先发生熔融,生成的液相在固体颗粒之间缓慢流动;在更高温度下,熔点较高的主要矿物质如钙镁辉石和钙长石参与熔融过程,灰样熔融迅速发展,液相组分含量迅速增加,导致流动性随温度升高而明显增强。(3)随着粒径增加,宿迁煤气化细粉灰熔融温度先迅速增加,而后增长速率变缓,而聊城煤气化细粉灰熔融温度随粒径变化不大。随着CaO添加量的增加,宿迁煤气化细粉灰熔融温度先降低,后逐渐升高,而聊城煤气化细粉灰熔融温度持续降低。将CaO替换为CaSO4后,CaO与莫来石的反应加快,生成高熔点的氧化铝,导致宿迁煤气化细粉灰熔融温度升高;而聊城煤气化细粉灰熔融温度有所降低,这可能与Fe-O-S低温共熔体及FeS等助熔矿物质的生成有关。宿迁和聊城煤气化细粉灰在不同气氛下的灰熔融温度遵循如下顺序:氧化性>惰性>还原性,这与铁元素在不同气氛下的存在价态有关。随着灰样中碳含量的增加,宿迁和聊城煤气化细粉灰熔融温度均显著提高,这与高熔点矿物质,如硅铁合金和碳化硅的生成有关。聊城煤气化细粉灰完全熔融后倾向于形成玻璃渣,而宿迁煤气化细粉灰倾向于形成塑性渣。宿迁煤气化细粉灰渣样在降温结晶过程中出现了树状颗粒,可以强化液态熔渣内部作用力,促进固相颗粒的形成,加速高温下渣样黏度的增长。(4)在设计并搭建的2.5 t/d煤气化细粉灰高温燃烧熔融实验台上,考察了神木煤与神木半焦的高温燃烧与熔融特性。以神木半焦为原料,熔融炉在空气气氛下连续稳定运行31.5 h,飞灰含碳量为2.7%,燃烧效率达到99.54%,神木半焦在炉内实现了充分燃烧。采用神木煤为原料,通过调整总风量、氧气浓度和配风比例,旋风熔融炉在44%富氧空气1392°C条件下,液态排渣连续稳定运行达到40 min,验证了细粉燃料高温燃烧熔融工艺路线的可行性,对今后实验参数的选择有着指导意义。与熔融渣样相比,神木煤燃烧后飞灰颗粒直径更小,主要来源于高温烟气携带出的细灰颗粒。(5)建立了流化床煤气化集成细粉灰高温燃烧熔融系统平衡模型,以一种工业循环流化床气化工况为例对系统运行特性进行了预测。与流化床气化单独运行对比,加入细粉灰高温燃烧熔融单元后,集成系统O/C摩尔比从0.62增加到1.02,气化单元运行温度从910.0℃升高至982.2℃,碳转化率从81.24%提高至99.64%。