煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术。煤气化灰渣是煤气化的副产物，年产量超过3500万吨，但综合利用率低于20%，深入研究煤气化灰渣的来源及性质，是实现气化炉稳定运行以及煤气化灰渣资源化利用的重要基础，对我国煤气化产业的健康发展以及煤炭清洁高效利用具有重要意义。本书系统介绍了常见气化技术、气化灰渣高温性质及常用表征方法、气化灰渣中铁和钾的演化规律、高铁气化灰渣熔融特性、高铁气化灰渣黏温特性、气化灰渣活化制备胶凝材料、气化灰渣制备陶粒等内容，深度揭示了气化灰渣与其资源化利用过程中反应性的关联，可为解决化工、环境、材料、工程热等交叉学科的共性关键问题提供思路。
本书可供煤化工领域的科研人员和相关设计人员参考使用，也可作为高等院校热能工程、化学工程、化学工艺等专业师生的参考书和教学用书。

第1章气化技术简介1
1.1气化原理1
1.2煤气化技术发展历史2
1.3气化技术发展现状2
1.3.1固定床煤气化技术2
1.3.2流化床煤气化技术3
1.3.3气流床煤气化技术4
1.4煤气化灰渣形成机理及气化炉灰渣问题6
1.4.1固定床气化炉的成灰机理及灰渣问题6
1.4.2流化床气化炉的成灰机理及灰渣问题9
1.4.3气流床气化炉的灰渣问题11
参考文献14

第2章气化灰渣高温性质及常用表征方法18
2.1气化灰渣的高温性质18
2.1.1熔融特性18
2.1.2黏温特性19
2.2气化灰渣高温性质的表征方法22
2.2.1灰化学组成分析22
2.2.2物相组成分析23
2.2.3结构分析23
2.2.4铁价态分析24
2.2.5理论模拟26
参考文献27

第3章气化灰渣中铁、钾的演化规律29
3.1煤气化灰渣中Fe2+/Fe3+的演化规律29
3.1.1化学组成、温度和氧分压对气化灰渣中Fe2+/Fe3+的影响规律29
3.1.2不同气氛下气化灰渣中的铁价态分布30
3.1.3气化灰渣中Fe2+/Fe3+的热力学预测模型31
3.1.4气化灰渣中Fe2+/Fe3+的动力学预测模型32
3.1.5气流床气化条件下熔渣中Fe2+/Fe3+的演化34
3.2煤气化灰渣含铁相的析出特性35
3.2.1化学组成对气化灰渣中铁分布的影响规律35
3.2.2化学组成对气化灰渣中含铁相含量的影响规律37
3.2.3气化灰渣中含铁相的定量分析38
3.3煤气化灰渣中金属铁的析出特性41
3.3.1气氛对金属铁析出的影响规律41
3.3.2化学组成对金属铁析出的影响规律42
3.3.3金属铁析出机理47
3.3.4抑制金属铁析出的配煤或助剂添加依据48
3.4生物质灰渣中碱金属钾的释放特性49
3.4.1生物质气化过程中钾的释放机理49
3.4.2高岭土添加对钾释放的影响规律51
3.4.3干法排灰条件下气化灰固钾机理52
3.4.4液态排渣条件下熔渣固钾机理54
3.4.5熔渣固钾能力的定量分析57
3.4.6熔渣固钾能力与黏度的关系58
参考文献59

第4章气化灰渣的熔融及黏温特性62
4.1煤气化灰的熔融特性62
4.1.1化学组成对煤灰熔融特性的影响规律62
4.1.2气氛对煤灰熔融特性的影响机理69
4.1.3铁价态对煤灰熔融特性的影响规律76
4.2煤气化渣的黏温特性84
4.2.1典型煤气化渣的黏温特性的影响机理84
4.2.2气氛对煤气化渣黏温特性的影响机理96
4.2.3金属铁对煤气化渣黏温特性的影响机理105
4.2.4生物质气化渣的黏温特性预测115
4.2.5煤气化渣的黏温特性预测126
参考文献130

第5章煤气化渣资源化利用134
5.1煤气化渣-煤矸石制备高强陶粒134
5.1.1陶粒的抗压强度134
5.1.2烧结过程解耦分析135
5.1.3陶粒的微观形貌139
5.1.4矿物演化机理141
5.1.5烧结过程的热分析142
5.1.6固液转变过程的热力学模拟143
5.2煤气化渣源头活化制备辅助胶凝材料147
5.2.1钙铁助剂对灰熔融温度的影响147
5.2.2源头活化过程分析147
5.2.3钙铁助剂活化机理分析155
5.2.4源头活化对煤气化渣-水泥胶砂强度的影响159
5.3煤气化渣热活化脱碳制备辅助胶凝材料160
5.3.1煤气化渣-水泥胶砂强度的抗压强度160
5.3.2热活化机理分析161
5.3.3水化反应机理分析164
参考文献167

我国的资源禀赋特点决定了煤炭是我国最重要的化石能源之一，然而化石能源利用带来的环境问题——碳排放问题日益突出。气化技术是实现煤炭清洁高效利用的基础，也是发展大宗化学品以及制备液体燃料的关键技术之一。将含碳废弃物（如生物质、城市生活垃圾等）与煤炭共气化利用，对于优化我国能源结构、缓解化石能源危机、降低碳排放、实现固废资源化利用等具有重要意义。气化灰渣的高温特性是引发气化炉发生积灰、结渣、堵渣等问题的本质，同时也是其资源化利用技术选择的重要因素。研究气化灰渣的高温特性和其资源化利用成了国内外研究的热点。
本书以上述应用背景为出发点，将笔者及团队多年来的相关研究进行了系统总结，通过多维度表征方法，系统分析了气化灰渣的熔融特性、黏温特性、碱金属释放特性等，并基于气化灰渣的高温性质开展了资源化利用研究。
全书共5章。第1章介绍了气化原理、气化技术发展现状，着重讨论了气化灰渣形成机理及气化炉运行所遇到的灰渣问题。第2章介绍了气化灰渣的高温性质及常用表征方法。第3章介绍了气化灰渣中铁、钾的演化规律，重点介绍了煤气化灰渣中铁的价态分布特性及演变路径模拟，特别是金属铁的析出机理，此外对生物质气化灰渣中钾释放机理进行了讨论。第4章围绕气化灰渣的熔融特性和黏温特性进行了详细阐述，系统介绍了化学组成、气氛、结晶等对灰渣熔融特性和黏温特性的影响机理，建立了基于短程结构的气化灰渣黏度预测模型。第5章讨论了气流床煤气化灰渣在制备辅助胶凝材料和高强陶粒方面的相关机理。
本书内容所涉及的研究结果得到了如下项目的资助：
① 国家自然科学基金重点项目含碳废弃物与煤耦合气化的灰化学基础（U23A20129），中低阶煤热解-气化分级转化利用过程中的关键基础问题 （U1703252），高灰、高灰熔点煤气流床气化的关键基础问题（U1510201），煤直接液化残渣与低变质烟煤制备气化用水煤浆的基础研究（U1261209）。
② 国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目液态排渣气化炉中灰渣黏度的若干关键问题（21761132032）。
③ 国家自然科学基金面上项目煤气化熔渣中铁的价态分布对其流动性的影响及机理（21476247），气流床煤气化条件下部分结晶熔渣黏温特性的预测及动态调控机制（22078352），气流床煤气化炉辐射废锅条件下不同粒度飞灰颗粒的熔融和沉积行为（22178250）。
④ 国家自然科学基金青年项目气化条件下煤中高岭土固定生物质中碱金属机理及灰的烧结特性（22108190）。
⑤ 山西省回国留学人员科研资助项目煤矸石-煤气化渣基陶瓷材料固液界面矿相重构机理及其烧结特性（2023-048）。
⑥ 国家重点研发计划子课题基于煤气化灰渣特性的多场活化理论及调控机制 （2023YFB4103505）。
感谢太原理工大学和中国科学院山西煤炭化学研究所301课题组给笔者开展科学研究提供的平台和科研条件，特别是李文研究员和白进研究员提供的宝贵指导、支持和帮助。
希望本书的出版能为气化炉的操作和设计提供指导和借鉴，同时为开展气化灰渣高温研究和资源化利用的学者和研究生提供参考。
限于写作时间和能力，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

著者
2026年于太原理工大学