我国大部分中小型燃煤工业炉窑(不包括电厂锅炉)采用直燃煤工艺,燃烧效率低,环境污染严重。为了解决直燃煤工艺引发的环境问题,近些年中小型燃煤工业炉窑开始采用煤气化技术,其中传统的固定床气化炉约占90%。固定床气化炉的出炉煤气热值低、焦油含量高,这样的热脏煤气不宜直接燃用。若采用炉外净化工艺,由于煤气净化设备复杂,运行费用高,且易造成二次污染,所以不适合我国大量而分散的中小型燃煤工业炉窑。为了从根本上解决燃煤工业炉的煤转换效率低、煤气热值低、焦油含量高等问题,论文开发了“煤高温空气气化ˉˉ高温贫氧燃烧一体化实验系统”和煤无焦油气化技术。一方面利用燃气炉窑排出的高温烟气预热空气,将高温空气作为煤气化炉的高温气化剂使煤高效气化：另一方面使焦油在煤气化过程中裂解并转化为可燃气体,实现洁净燃烧。论文工作为煤气化炉的结构设计和操作优化提供了理论依据,为我国中小型燃煤工业炉窑的节能减排开辟了新途径。1.论文自行设计了煤高温空气气化炉,首次成功实现空气高度预热的煤常压固定床气化工艺。研究了气化操作参数对气化指标的影响规律。结果表明：在保持气化温度不变的条件下,空气预热温度由500℃提高到800℃时,煤气热值提高幅度达32.5%。气化当量比和汽碳比对气化指标的影响本质上是通过改变气化温度来实现的,且气化当量比和汽碳比均存在一个最佳操作区域。在保证气化炉内不结焦的前提下,应采用较大的气化当量比和较小的汽碳比并提高空气预热温度。空气预热温度越高,煤气热值、气化效率等气化指标越好,而不同的空气预热温度又对应不同的最佳气化当量比,空气预热温度越高,最佳气化当量比越小。2.论文将煤高温空气气化和高温贫氧燃烧技术相结合,开发了煤高温空气气化ˉ高温贫氧燃烧一体化实验系统。一体化系统实验结果表明：气化空气流量随鼓风机开度增加和排烟机开度减小而逐渐增加,助燃空气流量则随排烟机开度增加和鼓风机开度减小而逐渐增加。实验得到气化空气和助燃空气的分流量范围分别为0-68.5 Nm3/h和0-122.5Nm3/h,可以分别满足气化和燃烧过程的需要；一体化系统使燃气加热炉烟气显热得到充分利用,使煤高温空气气化过程比常温空气气化过程的气化效率和热效率分别提高7.3%和6%,整个一体化系统比常规燃用热发生炉煤气的工业炉窑热效率提高约30个百分点,充分体现了一体化系统的优越性。3.利用TG-MS联用仪研究了煤焦油热裂解时的热失重特性和气相产物的逸出规律,阐述了焦油热裂解机理。结论如下：(1)焦油在100℃左右出现缓慢失重,从200℃开始出现剧烈失重,323℃左右失重速率最大,达到16.38%/℃,之后失重速率逐渐降低,当温度升高至800℃时失重速率缓慢增大,在877℃、1084℃和1235℃左右分别出现三个失重峰,1300℃时热分解基本结束,固体残留物约占49.8%。(2)焦油的热解过程中,H20的析出可以分为三个区间,分属于吸附水的脱出和羟基之间发生缩聚反应产生的热解水以及稳定含氧官能团的断键,其中在316℃左右析出最明显。H2在400～1050℃之间大量析出,从1050℃开始,H2进入缓慢生成阶段。CH4、C2H4和C2H2的析出均存在一个类似高斯分布的峰,其析出峰的强度差异说明焦油裂解产生的小分子碳氢化合物以CH4和C2H4为主。C3、CO和CO2均在800℃以上的高温下析出明显。4.论文对煤高温空气固定床气化炉的结构进行了改造,利用改造后的气化炉在典型的工况下进行了无焦油气化实验研究,并在此基础上提出了喉口型双火层固定床气化炉结构,开发了煤高温空气无焦油气化炉。结果表明：(1)二次空气的加入对降低煤气中焦油的含量作用明显。对上吸式气化炉,采用在干馏段加入二次空气的方法仅能给煤气中的焦油裂解提供一个高温环境,但这需要以燃烧部分煤气为代价,煤气热值反而降低,不能获得去除焦油和提高煤气热值的双重效果。对改造后的气化炉,二次空气的加入,提高了气化炉内上部氧化层的最高温度和还原层的整体温度,加剧了焦油的裂解反应、Boudouard反应和水煤气反应,不仅大大降低了煤气中焦油含量,而且使煤气中CO和H2浓度升高,提高了煤气热值和气化效率,改善了气化过程。(2)气化炉的双火层结构和三段供风方式使出炉煤气中焦油含量大大降低,煤气热值明显提高,煤气中焦油含量最低可达10mg/Nm3,煤气热值高达6466.9kJ/Nm3,完全可满足各种燃烧器和加热工艺要求,实现了煤无焦油气化。(3)炉箅空气的加入可提高碳转化率,降低炉渣含碳量,但炉箅空气比例过大,对降低煤气中焦油含量不利。(4)适量水蒸汽的加入可降低煤气中焦油含量,因为它可与某些焦油成分发生反应,但水蒸汽量过大会导致床层温度下降,反而会使煤气中焦油含量升高。