[0001] 本发明涉及气化炉技术领域，具体涉及一种固定床高料层连续气化炉提高和均化料层温度的生产方法。

[0002] 目前，煤气化固定床理想的熔渣气化炉为单段式煤气发生炉，通过高温熔渣、液渣激冷、固体排渣的分段制气模式，有效气体成分可达92％以上，气化剂采用喷枪分布(摒弃了传统的炉篦)，排渣采用液渣高度压差间歇排渣；由于气化剂分布不均，料层阻力在料层高度变化时，差异很大，火层径向气化不均匀并且需增加石灰助溶剂；由于原料灰分成分波动大，液渣温度很难吻合灰分的灰熔点，液渣的粘稠度难以稳定，液渣排出量难以控制，操作控制难度大，不能高负荷运行，且运行不稳定，易穿炉和排渣不畅。排渣口的压力承托燃烧器连续燃烧，大量浪费燃气；并且激冷液渣用水量大，含硫污水处理量大；此外，单段煤气化炉只适用低灰熔点的原料，原料适用范围有限。

[0003] 低温固定床纯氧连续气化炉，气化温度不能超过原料煤变形温度，虽然有效气体3
可达80％以上，蒸汽分解率可达65％以上，残碳2％左右，但是气化强度仅有1300m/㎡·h；
气化层温度较低，只能在原料自身灰熔点以下运行，负荷小，蒸汽分解率低，污水处理量大，运行不经济，成本高，环保压力大；固体排渣，料层较矮，煤气出口温度高达500℃，带出物多，煤气采用水洗塔冷却，污水处理量大，环境污染严重，不适宜煤气化生产，至今在煤气化行业难以推广。

[0004] 生活垃圾，采用沸腾床、炉排炉、循环流化床或固定床气化均是低温气化，且生产的煤气均是经过燃烧放热生产蒸汽或发电，生物质，采用流化床或固定床气化均是低温气化，碳气联产，技术水平低下且生产的煤气均是燃烧放热生产蒸汽或发电，产生大量的CO2直接排放到大气，不能回收利用。

[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种固定床高料层连续气化炉提高和均化料层温度的生产方法，以提高原料的灰熔点，提高原料对高温气化的适应性，达到产品所需合成气的有效成分达到93％以上的技术要求；同时，改变气化剂的进气方式，来提高料层的轴向温度的均匀性并提高单炉气化强度。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种固定床高料层连续气化炉提高和均化料层温度的生产方法，包括如下步骤：

[0007] (a)对原料灰分中的氧化物进行分析，并对二氧化硅、氧化铝和氧化钙的含量进行数据分析核算；

[0008] (b)根据二氧化硅、氧化铝和氧化钙的三元系相图，向原料中添加阻溶剂以使得原料灰分的灰熔点至1600℃以上；

[0009] (c)将原料放入气化炉内，并从所述气化炉的炉底进气部和所述气化炉的多个旋流进气部同时通入气化剂，且多个所述旋流进气部在所述气化炉的外周上下间隔布置，使料层轴向、径向火层温度均匀。

[0010] 本发明首先依据产品所需的气体成分和现有原料性能所确定的高温气化技术要求，对现有原料进行性能改进，提高原料对高温气化的适应性，主要是研究原料的灰分成分及各成分对灰熔融性的影响，依据不同原料的灰分成分，采用不同的阻熔剂提高原料的灰熔点，而提高原料的灰熔点可以提高原料对高温气化的适应性，达到产品所需合成气的有效成分，提高经济效益和环保效益。

[0011] 其次，本发明还改进了气化剂的进气方式，由传统的只从炉底进气的方式，改进为炉底和炉周同时进气，采用这种方式，可以减小炉底进入的气化剂的流量和流速，防止炉内的料层被吹松散，且降低了炉底氧碳比，缓解了炉底气化强度过高，操作弹性小的状况；气化炉外周采用旋流进气部的方式通入气化剂，可以使得气化炉内部呈现多火层状态，有利于均化料层轴向温度，提高有效气质，降低低温区CO2、CH4的产生，此外，旋流的方式，可以延长气化剂与原料的接触时间，反应完全充分，并且对料层温和，进行多火层设置分层、分级气化，单点气化强度弱，火层温度均匀，料层稳定性好。

[0012] 优选地，所述原料为煤时，所述阻溶剂为铝矾土生料、熟料或微铝粉，所述阻溶剂添加至所述原料灰分中Al2O3+SiO2≥85％、Al2O3≥40％且Al2O3/SiO2＞ 0.9，使所述原料灰分的灰熔点达到1600℃以上。

[0013] 优选地，若所述原料灰分中的Al2O3/CaO>3，则添加所述阻溶剂至所述原料灰分中Al2O3+SiO2+CaO≥85％，且Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)≥55％，使所述原料灰分的灰熔点≥1600℃。

[0014] 优选地，所述原料为生物质时，所述原料灰分中SiO2/Al2O3>3，所述阻溶剂为石灰石、生石灰、熟石灰；所述阻溶剂添加至所述原料飞灰Al2O3+SiO2+CaO ≥80％，且CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)≥50％，使所述原料灰分的灰熔点达到1600℃；

[0015] 或者，所述原料灰分中SiO2/Al2O3>3，所述阻溶剂为微硅粉、硅石、石英矿石或高岭土；所述阻溶剂添加至所述原料飞灰中SiO2≥70％，使所述原料灰分的灰熔点达到1600℃以上。

[0016] 优选地，所述旋流进气部包括围绕所述气化炉外周圆周均布的多个进气口，在所述旋流进气部所在的横截面上，所述进气口的中心线和基线之间具有夹角，所述基线定义为：所述进气口中心线和所述气化炉的侧壁的连接点与所述气化炉在该横截面上中心的连线。

[0017] 优选地，所述夹角为30°。

[0018] 优选地，相邻两个所述旋流进气部在竖直方向上的间距为1‑1.5m。

[0019] 优选地，相邻两个所述旋流进气部在竖直方向上的间距为1‑1.5m。经资料研究和实践证明：炉箅上灰渣层厚度中心为200mm，边缘500mm为最佳，灰渣层以上气化层厚度在1‑1.5m左右为最佳气化层厚度，因此，相邻两个旋流进气部的间距设计为1‑1.5m，可以在气化炉内产生多个火层，且每个火层对应的气化层厚度为1‑1.5m，以提高气化效果。

[0020] 本发明对于不同的原料，根据其灰分的特性，加入不同的阻熔剂，以提高原料的灰熔点，给CO2的还原提供了较高的反应温度和较长反应时间，使CO2可以较完全的反应，为回收CO2做气化剂还原成CO提供了充分条件，提高了有效气质。附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

[0022] 图1为本发明实施例的固定床单段气化炉的结构示意图；

[0023] 图2为本发明实施例的固定床旋流进气部的结构示意图；

[0024] 图3为本发明实施例的硅、铝、钙氧化物三元系相图不同原料区域分布图；

[0025] 图4为本发明实施例的不同晋煤原料对应的硅、铝、钙氧化物三元系相区域分布图；

[0026] 图5为本发明实施例的晋煤1原料对应的硅、铝、钙氧化物三元系相区域分布图；

[0027] 图6为本发明实施例的不同生活垃圾原料对应的硅、铝、钙氧化物三元系相区域分布图；

[0028] 图7为本发明实施例的生活垃圾3原料对应的硅、铝、钙氧化物三元系相区域分布图；

[0029] 图8为本发明实施例的不同生物质原料对应的硅、铝、钙氧化物三元系相区域分布图；

[0030] 图9为本发明实施例的麦秸对应的硅、铝、钙氧化物三元系相区域分布图；

[0031] 图10为本发明实施例的固定床复合炉的结构示意图。

[0032] 附图标记：

[0033] 1‑炉底进气部；2‑旋流进气部；21‑进气口；3‑第二上段炉旋流进气部； 4‑第二下段炉旋流进气部；5‑第二炉底进气部。

[0034] 下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0035] 需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

[0036] 本实施例公开了一种固定床高料层连续气化炉提高和均化料层温度的生产方法，包括如下步骤：

[0037] 原料分析步骤：分析原料灰分中所有氧化物含量，并进行酸性氧化物和碱性氧化物的质量分数核算；

[0038] 混合步骤：当酸性氧化物在原料灰分中的占比超过60％时，向一单位重量分数的原料内加入0.02‑0.2重量分数的酸性阻熔剂；在碱性氧化物在原料灰分中的占比超过60％时，向一单位重量分数的原料内加入0.02‑0.2重量分数的碱性阻熔剂；

[0039] 气化步骤：将混合步骤获得的混合原料放入气化炉内，并从气化炉的炉底进气部和气化炉的多个旋流进气部同时通入气化剂，且多个旋流进气部在气化炉的外周上下间隔布置。

[0040] 其中，在上述混合步骤中，酸性阻熔剂指的是铝矾土生料、熟料或微铝粉，碱性阻熔剂指的是石灰石、生石灰或熟石灰。

[0041] 参考图1和图2，上述气化炉可以为固定床单段气化炉和固定床复合气化炉，该单段气化炉具有炉底进气部1(即炉箅)和多个旋流进气部2，其中，多个旋流进气部2在气化炉的外周上下间隔布置，且每个旋流进气部2包括围绕气化炉外周圆周均布的多个进气口21，进气口采用直径40‑80mm的管道制成，在旋流进气部2所在的横截面上，进气口21的中心线和基线之间具有的夹角，基线定义为：进气口21中心线和气化炉的侧壁的连接点与气化炉在该横截面上中心的连线。经资料研究和实践证明：炉箅上灰渣层厚度中心为200mm，边缘500mm为最佳，灰渣层以上气化层厚度在1‑1.5m左右为最佳气化层厚度，因此，相邻两个旋流进气部2的间距设计为1‑1.5m，可以在气化炉内产生多个火层，且每个火层对应的气化层厚度为1‑1.5m，以提高气化效果。本实施例中，相邻两个旋流进气部2的间距优选为1m。

[0042] 进一步地，本实施例的单段炉的炉壁内设有冷却腔，冷却腔内可以通入冷却液，以防止原料挂壁的情况发生，有利于清理炉膛。

[0043] 上述夹角优选为30°，则气化剂进入炉内，可以产生旋流，结合料层的阻力作用，旋流的气化剂围成的假想圆半径为炉体半径的1/2。

[0044] 依据煤气化技术和生产产量的需求，气化炉需要较高的气化强度和较大的发气量，气化炉直径和高度均需相应增大和提高，连续固定床气化炉由单段炉的高径比2发展成为高径比4，而且炉膛直径由2.4米发展到3.6米至6米，炉膛在加大，炉体在加高，料层也有原来的2米提高到10‑15米，料层压差由 2‑5kpa提高到6‑8kpa。炉内料层高度的提高，改变了低料层干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层各个层次的厚度分布比例，各个层次的厚度相对拉长。导致气体有效成分发生改变，所以气化炉的气化剂入炉方式需要对应改进，来稳定料层温度的轴向和径向的均匀恒定。以前气化炉高径比一般为2，料层高度控制不会超过炉膛的直径尺寸，多数控制在炉膛的半径尺寸，料层均较矮。如2800mm纯氧气化炉料层高度分布尺寸大致为，灰渣层200mm，氧化层100mm，第一还原层300mm，第二还原层600mm，干馏层300mm，干燥层200mm，有效气质较高，可达到86％左右。随着料层的提高，有效气质较相对降低至84％左右。依据现在生产的需要，3.6米纯氧连续气化炉高径比达到4左右，满料层控制时，料层高度可达到14米，由于灰渣层和氧化层高度不变，变的是还原层和干馏层、干燥层厚度。干馏层、干燥层厚度也不会发生较大变化，主要是还原层厚度的拉长，这样还原层就细分为第一还原层、第二还原层、第三还原层、第四还原层，第一还原层主要反应是，CO2的还原成CO，第二还原层主要是蒸汽还原层CO，第三还原层主要是蒸汽还原成CO2,第四还原层主要是低温料层生成CH4的反应。这样就会造成CO2、CH4的升高和有效气体成分的降低。经过理论分析和大量的料层高度和气体成分对比，经资料研究和实践证明：炉箅上灰渣层厚度中心为200mm，边缘500mm为最佳，灰渣层以上气化层厚度在1000mm 左右的温度为最佳气化层厚度，气体成分最佳，所以在炉膛加大、高径比提高，提高气化强度、蒸汽分解率及有效气质的的前提下，就要提高料层高度，为了均衡轴向和径向料层温度，减少温度差，本实施例改进了气化剂的进气方式，由传统的只从炉底进气的方式，改为气化剂大部分从炉底进入，相对减少流量、流速，小部分从进气口21进入，旋流假想圆半径为炉膛半径的1/2(均匀布气)，吻合炉箅布风，来提高料层的轴向温度的均匀性，同时提高气化强度。对于 3.6米气化炉在炉体环周就要设置6层径向旋流气化剂分布装置。炉底气化剂与环周总气化剂流量比为1∽5，这样就降低了炉底氧碳比，缓解了炉底气化强度过高，操作弹性小的状况，并均化料层轴向温度，提高有效气质，降低低温区CO2、CH4的产生。

[0045] 在实际中，如图10所示，气化炉还可以为固定床复合气化炉。固定床复合气化炉适宜于烟煤、生物质、垃圾等高挥发分、高水分的物料气化，下炉体由单段炉构成，主要为气化、净化原料形成干净的灰渣或碳，料层高度相对较薄，高径比一般为1.5‑2.5；上炉体由于受原料水分、挥发分的影响，主要为干馏裂解、气化，消除焦油和水分挥发、气化，料层高度要求较高，高径比一般为2.5‑3.5。第二炉底进气部5为竖直轴向方向分布，气化剂对料层有竖直冲击力，容易松动、吹翻料层及带出物较多；上炉体气化剂以第二上段炉旋流进气部3和第二下段炉旋流进气部4径向水平旋流分布，气化剂旋流气化延长了气化剂与原料的接触时间，反应完全充分，并且对料层温和，进行多火层设置分层、分级气化，单点气化强度弱，火层温度均匀。下炉体固定床相对减少轴向气化剂流量、流速，和气化强度，不仅降低了吹翻现象和炉况稳定性，还减少了带出物的量。上炉体为干燥、干馏段、气化段，为防止挥发分、水分急速挥发膨胀，造成颗粒爆裂，需小流量控制燃烧、气化速度，气化剂的旋流延长了气化剂与原料的接触时间，气化速度慢，增加了反应的完全性，减少了气化剂的显热及粉尘带出。另一方面由于上炉体主要目的是完全干燥水分并使水分充分参与气化和完全使挥发分充分干馏挥发，并使部分碳气化，上炉体高径比一般控制在2.5‑3.5m，上炉体气化剂间隔距离和分布情况与上炉体一致，这样更有利于水分挥发、气化，挥发分彻底分解、消除焦油。对于高温裂解产碳的复合气化炉，下炉体采用蒸汽、空气按一定比例混合进行产气冷却，保护炉下设备，并确保炉下生产安全。固定床上下炉体多火层气化炉适用于生物质、垃圾、污泥成型、烟煤气化，消除了水分、焦油带出，实现环境友好，环保生产。

[0046] 在改进进气方式的基础上，本实施例还进一步公开了对原料灰分的处理方法的改进，以提高原料的灰熔点，进一步提高原料对高温气化的适应性，达到产品所需合成气的有效成分。

[0047] 原料中的灰分以金属氧化物为主，有高熔点的金属氧化物，也有低熔点的氧化物，有酸性氧化物，也有碱性氧化物，它们混合后在一定的温度下熔融形成低温共熔体，灰熔点在800‑1800℃范围。表1是灰分中主要金属氧化物晶体的熔点或非晶体软化点以及它们混合物的灰熔点。

[0048] 表1灰分中主要成分的灰熔点

[0049]

[0050]

[0051] 从以上列表中可以看出：灰分中不同成分及其对应灰熔点，在不同温度下形成的混合物成分也不同，并且由晶体和非晶体，相互作用形成一体；晶体在灰分中作为骨架起到支撑作用，非晶体作为胶结体起到网络连接骨架起到黏连加固的作用，一般情况下原料中SiO2含量最高，其次就是Al2O3、CaO，因此，在原料灰分分析中，本实施例仅考虑以上3种成分占比最多的灰成分，而不考虑其它少量灰成分。

[0052] 一般原料灰分灰熔点受酸碱化合物的比值控制，一般情况下， (Al2O3+SiO2+TiO2+SO3)/(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)＝A/B＝1,各种氧化物打破原有晶体的规则排列，各种分子相互均匀的融合在一起形成低温共熔体，达到一个平衡点，灰熔点在1200℃左右，灰熔点较低。对于原料煤，当酸碱比A/B＝5, 灰熔点大于1350℃。一般的，A/B＝在4‑17之间，当A＞60％,灰分中突出酸性氧化物的性能特点(主要成分是铝矾土、石英、高岭土、莫来石)，向这种原料内加入酸性阻熔剂，可以增加酸性氧化物的质量分数，以提高灰熔点；对于生活垃圾、生物质，当B＞60％,灰分中突出碱性氧化物的性能特点(主要是石灰石、夌镁石，氧化钾)，向这种原料内加入碱性阻熔剂，可以增加碱性氧化物的质量分数，以提高灰熔点。

[0053] 作为气化原料的煤、生活垃圾、生物质要提高有效气体成分，必须添加阻熔剂，进行原料改性提高灰熔点。添加高熔融点的阻熔剂，考虑原料灰分成分及添加阻熔剂的原料产地、产量、和经济性，一般采用石灰矿石，铝矾土生料、石英砂比较适宜，次之可以考虑高岭粘土。所以本技术只研究灰分中主要的硅、铝、钙三元素氧化物在灰分中的变化量对灰分灰熔点的变化特性影响。在此称之为硅铝钙型原料，对于硅铝钙型原料的灰分，利用硅铝钙氧化物熔融性的特点及其三元系相图(参考图3)进行对比研究。所谓三元系相图是以酸性助熔氧化物、酸性非助熔氧化物，碱性氧化物为顶点的正三角形相图，酸性助熔氧化物指SiO2、TiO2；酸性非助熔氧化物指Al2O3，碱性氧化物指CaO、MgO、Fe2O3。

[0054] 原料灰分中由于原生灰分、次生灰分的原因，一般SiO2质量分数较高，一般SiO2/Al2O3在1.2‑14之间，SiO2/CaO在3‑30之间，一般情况下CaO、Al2O3较低，由于SiO2易与其它碱性氧化物反应形成低温共熔体，导致灰熔点较低。在灰分中，虽然SiO2含量较高，但常以非晶体状态存在，它决定不了灰熔点的高低，只是灰分中提高灰熔点的一个必要因素，灰熔点的高低取决于Al2O3、 CaO的质量分数。本实施例依据灰分中SiO2、Al2O3、CaO在灰分中含量的特点，针对性的控制灰熔点升高，研究方法是：在以灰分中质量分数含量最高的玻璃相非晶体SiO2为基础，以添加提高灰熔点阻熔剂的CaO、Al2O3晶体为两条方向的研究方法找出不同原料达到一定灰熔点需要的适宜阻熔剂添加量为目标进行调配。CaO、SiO2、Al2O3三者含量均衡时，生成低温混合共熔体钙长石 CaO·Al2O3·2SiO2，灰熔点1553℃较低。随着CaO或Al2O3的增加，在达到一定值后酸碱饱和，增加其加入量使阻熔剂物质游离，突出其阻熔剂物质性能特点，向阻熔剂晶体转化，灰熔点随加入量的增加而提高。

[0055] 在灰分中加入Al2O3(灰熔点在2050℃)阻熔剂引领灰分氧化物向高熔点物质转化，提高灰分灰熔点，灰分中物质转化过程：Al2O3添加引领SiO2、CaO 向钙长石CaO·Al2O3·2SiO2(灰熔点1553℃)转化，继续添加Al2O3，剩余灰分向高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O(灰熔点
1785℃)转化，灰熔点增高；随着Al2O3质量分数逐渐加入，高岭土成分增加，在灰分中比例增大，灰熔点逐步提高，进一增加Al2O3质量分数，高岭土成分达到极限转变生成莫来石
2SiO2·3Al2O3，灰熔点进一步提高至较高的1900℃；然后继续添加Al2O3，剩余灰分中Al2O3饱和形成游离的刚玉晶体Al2O3(灰熔点2050℃)。

[0056] 在灰分中加入CaO(灰熔点在2570℃)阻熔剂引领灰分氧化物向高熔点物质转化，提高灰分灰熔点，灰分中物质转化过程：CaO添加引领SiO2、Al2O3向钙长石转化CaO·Al2O3·2SiO2(灰熔点1553℃)，继续添加CaO，剩余灰分，向钙铝黄长石2CaO·Al2O3·SiO2(灰熔点
1593℃)转化；再继续添加CaO，剩余灰分向硅灰石CaO·SiO2(灰熔点1544℃)转化；再连续加入CaO，剩余灰分向正硅酸钙2CaO·SiO2(灰熔点2130℃)转化；继续加入CaO，剩余灰分向硅酸三钙3CaO·SiO2(灰熔点2180℃)转化；最后再加入CaO，灰分中CaO 饱和则形成游离晶体(灰熔点2570℃)。

[0057] 在灰分中加入Al2O3、CaO阻熔剂，灰分中物质成分和灰熔融性发生变化的过程中，结合钙硅铝三元系相图显示发现以下规律：在靠近SiO2、CaO、Al2O3三种纯物质区域，Al2O3＞55％，CaO＞50％或CaO＜5％，SiO2＞70％，煤灰成分处于刚玉、石英、石灰的主物相区，其全液相温度三元系相图显示一般都较高，灰熔点超过1600℃，相图中央部分是混合物共熔低温液相区，全液相温度一般较低，在1200‑1550℃区间，其区间化学成分为：Al2O3：10—30％；
CaO：20‑50％， SiO2：40—70％。

[0058] 为了改善原料适用范围，从低温粗放式燃烧向高温洁能气化转变，气体有效成分由低含量向高含量提升，不仅要考虑经济效益，还要兼顾环保效益，对原料灰分的成分性能要细致研究，下面对灰分中主要成分SiO2、CaO、Al2O3的研究成果进行综合梳理总结。

[0059] 1、SiO2对灰熔融性温度的影响

[0060] 1)灰分中SiO2的含量较多，灰熔点1460‑1716℃，一般占30‑70％。它具有双重性，含量增加，多生成无定形的玻璃体，灰渣软化提早，并易于碱性金属氧化物反应生成熔点低的化合物和晶体，同时SiO2对熔融温度的影响还与Al2O3的质量含量有关，Al2O3质量分数高时，SiO2质量分数的提高使熔融温度提高，随着SiO2质量分数的提高，ST(软化温度)与FT(流动温度)之间的温差增大,熔渣流动性好。大量资料显示：当SiO2在40‑60％时，灰熔点温度随 SiO2的增加而降低(例如：晋城煤在SiO2：40‑60％时，添加SiO2还会降低灰熔点)；SiO2超过60％时，灰渣熔化时容易起泡，形成多孔性残渣，灰熔点无定性。这主要与Al2O3、CaO、K2O、Na2O、Fe2O3的含量、种类有关系，SiO2易于它们很好的反应融合形成低温共熔体。当SiO2超过70％时，灰渣熔化温度均比较高，灰熔点均大于1600℃；

[0061] 2)在高铝煤灰分中，Al2O3+SiO2＞75％时，SiO2/Al2O3越小，灰熔点越高。 SiO2/Al2O3越大，灰熔点越低。一般煤种SiO2/Al2O3在1.6‑4之间，高铝煤在 0.7‑1.5之间，灰分中物质主要以Al2O3·2SiO2(偏高岭石)、3Al2O3·2SiO2(莫来石)为主，当SiO2/Al2O3在0.7—1.2(Al2O3/SiO2在0.8—1.4)，Al2O3+SiO2＞90％时，灰熔点均大于1600℃；

[0062] 3)当SiO2/Al2O3＜3,时，CaO在35％时灰熔点最低，灰分中主要物质在钙黄长石(2CaO·Al2O3·SiO2)区域，随着CaO含量的增高，灰分转向铝酸高钙，并逐步转向CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3、3CaO·Al2O3，灰熔点逐步升高，CaO ＞50％时，灰熔点均大于1600℃；

[0063] 4)当SiO2/Al2O3＞3且SiO2在灰分中含量大于50％时，CaO在25％时灰熔点最低，灰分中灰分成分主要在钙长石CaO·Al2O3·2SiO2区域。随着CaO含量的增高，灰分成分逐渐转向硅酸钙、CaO·SiO2(硅灰石)、2CaO·2SiO2(硅钙石)、2CaO·SiO2(正硅酸钙)、3CaO·SiO2(硅酸三钙)，灰熔点依次升高。 CaO＞50％时，灰熔点均大于1600℃。

[0064] 2、Al2O3对灰熔融性温度的影响

[0065] 1)煤灰中Al2O3的含量比SiO2的含量少，灰熔点2050℃，一般占10‑50％之间，以晶体存在于灰分中，Al2O3含量增加，能显著提高灰分的熔融性温度，灰分中Al2O3质量从15％开始，随着Al2O3的质量分数增加而成直线型有规律的增加；

[0066] 2)当Al2O3质量分数提高到25％时，随着质量分数的提高，ST与FT之间的温差缩小。当Al2O3质量分数超过40％时，不论其他成分如何变化灰渣熔化温度FT均超过1500℃。当Al2O3＞55％时，灰熔点超过1600℃；

[0067] 3)灰分在CaO·Al2O3·2SiO2(钙长石)或在2CaO·Al2O3·SiO2(钙黄长石) 区域，增加Al2O3含量，灰分向高铝酸钙方向转移，逐步转向12CaO·7Al2O3(1455℃)、CaO·Al2O3(1605℃)、CaO·2Al2O3(1750℃)、CaO·6Al2O3(1900℃)，灰熔点逐步升高。Al2O3＞55％时，灰熔点均大于1600℃。

[0068] 3、CaO对灰熔融性温度的影响

[0069] 1)煤灰中CaO的变化很大，以晶体存在于灰分中，CaO易和SiO2、Al2O3作用形成灰熔点较低的共熔硅酸盐，但另一方面CaO的熔点很高，达2570℃，当灰分中CaO含量达到一定量时(＞30％)，灰分中CaO饱和成为游离的晶体，却可以提高灰熔点，CaO质量分数的提高能显著提高灰分的灰熔点，如达到40％以上时，灰容点可达1400℃以上。添加石灰石后，CaO＞50％时，灰熔点超过 1600℃；

[0070] 2)当SiO2/Al2O3＜3时，CaO在35％时灰熔点最低，灰分在钙黄长石 2CaO·Al2O3·SiO2区域，随着CaO含量的增高，灰分成分向铝酸高钙转移，逐步转向CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3、3CaO·Al2O3转化，灰熔点逐步升高，在 Al2O3+CaO＞52％，且CaO＞50％时，灰熔点均大于1600℃；

[0071] 3)当Al2O3/CaO＜3时，SiO2在47％时灰熔点最低，灰分在钙长石 CaO·Al2O3·2SiO2区域，随着SiO2含量的增高，灰分成分莫来石区域转移，逐步转向3Al2O3·2SiO2。

[0072] 4)满足CaO在30—35％之间，当SiO2/Al2O3＜3时，Al2O3、CaO、SiO2分子相互均衡的融合在一起形成低温共熔体，灰分成分在(钙黄长石) 2CaO·Al2O3·SiO2区域范围，达到一个平衡点，灰熔点较低。从Al2O3‑CaO‑SiO2三元相图也可以看出，灰熔点高的区域，均是两相质量分数含量较高混合物或单相物质；

[0073] 5)SiO2/Al2O3＞3，且SiO2在灰分中含量大于50％时，CaO在25％时灰熔点最低灰分成分在(钙长石)CaO·Al2O3·2SiO2区域范围，随着CaO含量的增高，灰分成分向硅酸钙方向转移，逐步转向CaO·SiO2(硅灰石)、2CaO·2SiO2(硅钙石)、2CaO·SiO2(正硅酸钙)、3CaO·SiO2(硅酸三钙)，灰熔点依次升高，SiO2+CaO＞75％，且CaO＞50％时，灰熔点均大于1600℃；

[0074] 6)在一般灰分中，加入一定质量分数的CaO，灰熔点会逐步降低，当质量分数在一定范围内如25％(35％)灰熔点最低，但是随着CaO质量分数的增加质量分数超过25％(35％)时，灰熔点会急剧上升，即呈V字分布。

[0075] 此外，氧化铝，氧化钙含量与灰熔点(软化点ST)关系如表2所示。

[0076] 表2氧化铝、氧化钙含量与灰熔点(软化点ST)关系

[0077]Al2O3含量％ 灰熔点(ST)/℃ CaO含量％ 灰熔点(ST)/℃
20 1250 10 1500
30 1350 15 1400
35 1400 20 1350
40 1500 35 1300(最低)
≥55 ≥1600 40 1500
    ≥50 ≥1600

[0078] 基于上述分析，下面分别对原料为煤、生活垃圾和生物质的情况进行逐一分析。

[0079] (1)原料为煤

[0080] 不同原料煤灰分中氧化物及灰熔点范围如表3所示；

[0081] 表3不同原料煤灰分中氧化物及灰熔点范围

[0082]

[0083] 对不同原料煤的成分进行分析，分析结果如表4所示：

[0084] 表4不同原料煤的分析成分

[0085] 种类 水分 灰分 挥发分 固定碳淮南1 1.45 33.99 22.22 42.96
淮南2 1.42 9.09 29.49 60.87
两渡煤 0.54 10.4 13.2 75.38
高阳煤 0.46 8.42 16.5 74.19
朱集西 1.62 12.48 30.46 55.44
晋城 2.59 15.92 5.21 76.28
晋城 3.26 20.73 9.32 66.56
晋城 0.86 12.15 8.35 78.65
晋城 3.59 13.54 7.86 78.21
晋城 2.9 15.88 9.79 73.76
阳泉煤 2‑3 14‑16 7‑8 75‑84
蔚县煤 6.9 15.27 17.78 59.99

[0086] 对不同原料煤灰分成分的分析如表5所示：

[0087] 表5不同原料煤灰分的分析成分以及三相分析

[0088]

[0089]

[0090] 三元系相分析如图4所示，由表5以及图4可知，

[0091] 对于晋城煤3，Al2O3+SiO2+CaO＝90.68％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝8.7％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝44.6％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝46.7％。根据晋城煤1的 CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图4中的黑色线交点。

[0092] 对于晋城煤2，Al2O3+SiO2+CaO＝90.41％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝2.3％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝42.2％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝55.5％。根据晋城煤2的 CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图4中的黄色线交点。

[0093] 对于晋城煤1，Al2O3+SiO2+CaO＝80.06％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝5.2％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝36.6％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝58.2％。根据晋城煤3的 CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图4中的蓝色线交点。

[0094] 上述晋城煤3、晋城煤2和晋城煤1的灰分中，CaO、Al2O3、SiO2的含量满足以下关系：Al2O3+SiO2+CaO＞80％，SiO2/Al2O3在1.0—1.7区间，SiO2/CaO ＞5，根据图4中的画线分析可知，晋城煤3、晋城煤2和晋城煤1的灰分灰熔点均在莫来石区域，此时，增加Al2O3含量，灰熔点会逐渐升高。在 CaO·Al2O3·SiO2三元系相图中，灰分中添加AL2O3物质，突出Al2O3的量，使灰分成分转向Al2O3·2SiO2(偏高岭石)、3Al2O3·2SiO2(莫来石)、刚玉，当Al2O3/SiO2在0.8—1.4(SiO2/Al2O3在0.7—1.2)，Al2O3+SiO2＞90％时，灰熔点均大于1600℃。

[0095] 综上，现有煤原料灰分中三种氧化物(CaO、AL2O3、SiO2)质量分数的含量满足以下三点：

[0096] 1、SiO2+CaO+AL2O3＞80％；2、S/A在0.7—1.7区间；3.S/C＞5。

[0097] 以下通过实例研究增加阻熔剂量，以提高灰熔点；

[0098] 依据现有原料灰分成分分析、灰熔点的情况，依据硅钙铝三元系相图为参照进行阻熔剂的添加量核算进行灰熔点的提高，选择上述灰熔点最低的晋城1 原料按原料重量的5％，8％添加，计算CaO、AL2O3、SiO2、的含量，并在硅钙铝氧化物三元系相图中标注，确定晋城1.晋城1+5％，晋城1+8％灰熔点温度区域；其中，添加阻溶剂后原料煤灰分成分如表6所示：

[0099] 表6

[0100]

[0101] 三元系相图分析如图5所示；

[0102] 将添加氧化铝阻熔剂量为原料重量的5％，8％，标注在CaO‑AL2O3‑SiO2三元系相图中(图5)，其中，CaO+AL2O3+SiO2＝100,CaO＝5.19；AL2O3＝36.6； SiO2＝58.23(蓝色线交点)；CaO+AL2O3+SiO2＝100,CaO＝3.7；AL2O3＝55.16 SiO2＝41.78(黄色线交点)；CaO+AL2O3+SiO2＝100,CaO＝3.12；AL2O3＝61.96 SiO2＝34.96(红色线交点)；

[0103] 由钙硅铝三元系相图可知，通过在晋煤1中增加阻溶剂，使得原料灰分中的Al2O3/CaO>3，所述原料灰分中Al2O3+SiO2+CaO≥85％，且Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO) ≥55％，并达到了原料灰分的灰熔点≥1600℃。具体地，晋煤1灰熔点与晋煤 1+5％灰熔点温度相差150℃，晋煤1+5％与晋煤1+8％灰熔点相差50℃。由于仅研究钙硅铝三种主要混合物的灰熔点，灰分中其他次要氧化物会对灰分灰熔点有影响，所以在钙硅铝三系相图中显示的灰熔点偏高，但是不影响实际生产应用的结果。

[0104] 计算中采用纯氧化铝，工业生产中采用铝矾土生矿石(含氧化铝70‑98％)；由于不同原料，钙硅铝氧化物成分差异加大，不同原料依据情况和灰熔点要求添加，一般不超过原料重量的10％。为了扩大原料的适用范围和生产实际应用阻熔剂实际添加量控制在原料重量的2∽20％

[0105] 综上，原料为煤时，阻溶剂为铝矾土生料、熟料或微铝粉，阻溶剂添加至所述原料灰分中Al2O3+SiO2≥85％、Al2O3≥40％且Al2O3/SiO2＞0.9，能够使所述原料灰分的灰熔点达到≥1600℃。

[0106] 若原料灰分中的Al2O3/CaO>3，则添加阻溶剂至原料灰分中Al2O3+SiO2+CaO ≥85％，且Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)≥55％，则能使原料灰分的灰熔点≥1600℃。

[0107] (2)原料为生活垃圾

[0108] 原料为生活垃圾时，原料灰分中SiO2/Al2O3>3，阻溶剂为石灰石、生石灰或熟石灰；阻溶剂添加至原料灰分中Al2O3+SiO2+CaO≥85％，且 CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)≥50％,则可以使原料灰分的灰熔点≥1600℃。

[0109] 不同生活垃圾成分分析，分析结果如表7所示：

[0110] 表7

[0111]种类 水分 灰分 挥发分 固定碳
生活垃圾1 43.8 21.9 26.2 8.1
生活垃圾2 18 14.8 52.9 14.3
RDF1 27.29 31.53 48 20.48
RDF2 26.37 26.40 48.66 24.94
RDF3 27.96 27.79 49.08 23.13

[0112] 下面以三种生活垃圾为例进行详细说明。表8为三种生活垃圾的灰分成分分析表及三元系相图分析。

[0113] 表8生活垃圾的灰分成分分析表

[0114]

[0115] 对于生活垃圾1，Al2O3+SiO2+CaO＝79.7％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝30.7％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝19.5％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝49.8％。根据生活垃圾1 的CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图6中的黄色线交点。

[0116] 对于生活垃圾2，Al2O3+SiO2+CaO＝76.0％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝40.5％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝13.8％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝45.7％。根据生活垃圾2 的CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图6中的黑色线交点。

[0117] 对于生活垃圾3，Al2O3+SiO2+CaO＝76.52％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝24.5％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝15.1％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝60.4％。根据生活垃圾3 的CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图6中的蓝色线交点。

[0118] 通过对上述生活垃圾灰分成分的分析，得到如下结论：

[0119] 1.SiO2+CaO+AL2O3＞75％，氧化钙含量一般不小于20％，氧化铝不大于10％氧化硅含量比原料煤明显减少，

[0120] 2.S/A＜3,时，CaO在35％时灰熔点最低，随着CaO含量的增高，灰熔点升高，[0121] 3.S/A＞3时，且SiO2在灰分中含量大于50％，CaO在25％时灰熔点最低，随着CaO含量的增高，灰熔点升高。

[0122] 4.SiO2＜60％，增加SiO2含量，不会升高灰熔点，氧化硅、粘土、石英矿石不适用提高灰熔点。

[0123] 5、生石灰价格低廉，铝矾土价格较高。

[0124] 上述垃圾灰分中CaO含量较高，进而为了解决上述垃圾灰分灰熔点较低的问题，突出CaO的量，形成钙长石、钙铝黄长石、硅灰石灰熔点1540℃，硅钙石1590℃、正硅酸钙2130℃，硅酸三钙、石灰；生产中采用石灰矿石增加氧化钙的量。

[0125] 对上述生活垃圾1、生活垃圾2和生活垃圾3的灰分中，生活垃圾1的 SiO2/Al2O3<3，不满足本实施例对原料的筛选要求，而生活垃圾2和生活垃圾3 的SiO2/Al2O3>3,属于本实施例可处理的原料范围；进而以上述垃圾氧化钙含量最低的垃圾3为例进行配置，由于石灰石较便宜，阻熔剂添加量为原料重量的 10％进行核算，添加阻溶剂后的灰分成分如表9所示：

[0126] 表9

[0127]

[0128]

[0129] 上述垃圾3的三元系相图如图7所示，通过向原料中增加氧化钙，使其满足原料灰分中Al2O3+SiO2+CaO≥85％，且CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)≥50％,则能够使原料灰分的灰熔点≥1600℃。具体地，垃圾3灰熔点与垃圾3+10％灰熔点温度相差800℃。由于仅研究钙硅铝三种主要混合物的灰熔点，灰分中其他次要氧化物会对灰分灰熔点有影响，所以在钙硅铝三系相图中显示的灰熔点偏高，但是不影响实际生产应用的结果。

[0130] 计算中采用纯氧化钙，工业生产中采用熟石灰；由于不同原料，钙硅铝氧化物成分差异加大，不同原料依据情况和灰熔点要求添加，一般不超过原料重量的10％。为了扩大原料的适用范围和生产实际应用阻熔剂实际添加量控制在原料重量的2∽20％。

[0131] (3)原料为生物质

[0132] 对于原料为生物质时，原料灰分中SiO2/Al2O3>3，阻溶剂为石灰石、生石灰、熟石灰；阻溶剂添加至原料飞灰中Al2O3+SiO2+CaO≥80％，且 CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)≥50％，则能够使原料灰分的灰熔点达到1600℃；

[0133] 或者，原料灰分中SiO2/Al2O3>3，阻溶剂为微硅粉、硅石、石英矿石或高岭土；阻溶剂添加至原料飞灰中SiO2≥70％，则能够使所述原料灰分的灰熔点达到1500‑1700℃。不同生物质灰分中成分含量及灰熔点如表10所示：

[0134] 表10

[0135]

[0136]

[0137] 不同生物质成分含量如表11所示：

[0138] 表11

[0139] 种类 水分 灰分 挥发分 固定碳各成分范围 2‑11 3‑13 61‑74. 12‑20

[0140] 以下对几种不同生物质进行成分分析，分析如表12所示：

[0141] 表12

[0142]

[0143]

[0144] 然后，对以下不同生物质的灰分成分以及三元系相图进行分析；分析结果如表14和图8所示：

[0145] 表14

[0146]

[0147]

[0148] 对于生物质1(向日葵壳)，Al2O3+SiO2+CaO＝48％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝33％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝6％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝61％。根据生物质1的CaO、 Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图6 中的黑色线交点。

[0149] 对于生物质2(稻草)，Al2O3+SiO2+CaO＝80.72％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝3.7％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝1.3％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝92.5％。根据生物质2的 CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图6中的蓝色线交点。

[0150] 对于生物质3(麦秸)，Al2O3+SiO2+CaO＝55.2％，CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)＝6.7％, Al2O3/(Al2O3+SiO2+CaO)＝6.3％,SiO2/(Al2O3+SiO2+CaO)＝87.0％。根据生物质3的 CaO、Al2O3和SiO2的占比，在图3所示的三元系相图上画线获得对应交点，见图6中的黄色线交点。

[0151] 由表14以及图8可知得出：

[0152] 1稻草、稻秸，树叶灰分较高，其余秸秆、树木，都不高；

[0153] 2，氧化硅，氧化钙、氧化钾含量较高，不同生物质成分差异较大；

[0154] 3氧化硅含量不大于70％(出去稻壳)，一般不采用氧化硅阻熔剂；SiO2＜60％，增加SiO2含量，不会升高灰熔点，氧化硅、粘土、石英矿石不适用。

[0155] 4.氧化铝含量太少，采用氧化铝作阻熔剂成本太高

[0156] 5.S/A＞3时，且SiO2在灰分中含量大于50％，CaO在25％时灰熔点最低，随着CaO含量的增高，灰熔点升高。

[0157] 6.CaO、K2O同性互不影响，有关资料显示K2O在13.9％时灰熔点最低，随着K2O含量的增高，灰熔点升高。

[0158] 此外，上述生物质稻草、麦秸和葵壳均满足SiO2/Al2O3>3，上述生物质灰分含量少，为了提高灰熔点，综合考虑成本，处理方法：突出CaO的量，形成钙长石、钙铝黄长石、硅灰石、正硅酸钙，硅酸三钙、石灰；有关资料显示：麦秸、稻草采用AL2O3、AL2O3.2SiO2、CaO作阻熔剂，相同量时，灰熔点温度AL2O3＞AL2O3.2SiO2＞CaO，但温差不大。生产中采用石灰矿石增加氧化钙的量比较合适，突出CaO的量，形成钙长石、钙铝黄长石、硅灰石灰熔点1540℃，硅钙石1590℃、正硅酸钙2130℃，硅酸三钙、石灰；

[0159] 然后，以上述生物质麦秸为例进行配置，由于石灰石较便宜，阻熔剂添加量为原料重量的10％进行核算，添加阻溶剂后的灰分成分如表15所示：

[0160] 表15

[0161]

[0162]

[0163]

[0164] 上述生物质的三元系相图如图9所示，通过向原料中增加氧化钙，使其满足原料灰分中原料飞灰中Al2O3+SiO2+CaO≥80％，且CaO/(Al2O3+SiO2+CaO)≥50％, 则能够使原料灰分的灰熔点达到≥1600℃。具体地，麦秸灰熔点与麦秸+10％灰熔点温度相差600℃。由于仅研究钙硅铝三种主要混合物的灰熔点，灰分中其他次要氧化物会对灰分灰熔点有影响，所以在钙硅铝三系相图中显示的灰熔点偏高，但是不影响实际生产应用的结果。

[0165] 计算中采用纯氧化钙，工业生产中采用熟石灰；由于不同原料，钙硅铝氧化物成分差异加大，不同原料依据情况和灰熔点要求添加，一般不超过原料重量的10％。为了扩大原料的适用范围和生产实际应用阻熔剂实际添加量控制在原料重量的2∽20％。

[0166] 本实施例向原料内加入阻熔剂，以提高原料的灰熔点，同时，改进气化剂的进气方式，提高了料层的轴向温度的均匀性，给CO2的还原提供了较高的反应温度和较长反应时间，使CO2可以较完全的反应，为回收CO2做气化剂还原成CO提供了充分条件，提高了有效气质。而在 1600℃温度高温料层中，CO2几乎全部转换成CO,CO2的回收利用具有环保和经济效益双重功效。经过深入研究、试验，采用CO2返炉技术工艺，利用压缩机把CO2通过空气管线送入气化炉内，代替一部分蒸汽。试验表明，CO2返炉后，生产运行稳定。CO2返炉试验数据，可以实现CO2大幅转换为有效成分CO，不仅降低了CO2的排放量，而且也降低了蒸汽的使用量，实现了节能环保。

[0167] 本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

[0168] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0169] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。