第38卷第1期煤炭轉(zhuǎn)化Vol. 38 No. 12015年1月COAL CONVERSIONJan.2015貴州高灰熔點(diǎn)煤氣化特性研究婁彤"張忠孝2)周志豪3)摘要選取貴州典型高灰熔點(diǎn)煤種老礦中煤,在柱塞流反應(yīng)器中進(jìn)行氣化特性研究,在未反應(yīng)碳縮核模型以及動力-擴(kuò)散模型兩種氣化反應(yīng)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的一維柱塞流氣化小室模型.結(jié)果表明,當(dāng)反應(yīng)溫度從1 200 C上升至1 500 C時,CO2的體積分?jǐn)?shù)下降約15%，CO的體積分?jǐn)?shù)上升約16%,H2的體積分?jǐn)?shù)上升約2%,碳轉(zhuǎn)化率上升約20%;在相同溫度下,水煤漿濃度增加5%,CO的體積分?jǐn)?shù)約增加3%,H2的體積分?jǐn)?shù)約增加0. 5%,碳轉(zhuǎn)化率下降約1.5%,氣化模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好.同時建議在實際氣化爐運(yùn)行過程中，應(yīng)提高水煤漿濃度,以保證碳轉(zhuǎn)化率同時盡量提高合成氣有效成分.關(guān)鍵詞高灰熔點(diǎn)煤,氣化,動力 學(xué)模型,柱塞流中圖分類號TQ54, TQ018條件,分別基于兩種不同的氣化反應(yīng)動力學(xué)模型,建0引言立了一維柱塞流反應(yīng)的氣流床氣化爐小室模型,以預(yù)測高灰熔點(diǎn)煤的氣化過程.煤氣化技術(shù)作為目前潔凈煤技術(shù)的重要組成部分,在近年來有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展.而氣流床氣化技1實驗部分術(shù)以其高效高容量等優(yōu)勢,成為煤氣化的主流技術(shù).氣流床氣化爐內(nèi)的反應(yīng)非常復(fù)雜,有學(xué)者采用實驗1.1 裝置及實驗方法的方法探索氣流床氣化爐內(nèi)部反應(yīng)的規(guī)律,實驗裝置一般采用柱塞流反應(yīng)器[12]實驗臺或者熱天平實水煤漿常壓柱塞流氣化實驗系統(tǒng)見圖1. 該實驗臺.[34]也有學(xué)者采用模擬的方法嘗試描述氣化行驗系統(tǒng)由水煤漿供給系統(tǒng)、--維高溫管式電加熱爐、為,模型分為平衡模型C57和動力學(xué)模型.平衡模型供氣系統(tǒng)、鎖渣罐、氣體凈化檢測系統(tǒng)以及合成氣并不能描述整個氣化的過程,只能得出氣化過程之燃燒爐等部分組成.其中,一維高溫管式沉降爐爐膛后的結(jié)果,而動力學(xué)模型則可描述每個變量在氣化為長2.1m,內(nèi)徑50mm的剛玉管,加熱元件為硅過程中的變化.小室模型89]被證明適用于氣流床氣.鉬棒(最高可控溫度為1 600 C);水煤漿供給系統(tǒng)化爐的氣化過程模擬,其中煤焦異相反應(yīng)速率一般由煤漿罐、攪拌器、濾網(wǎng)、煤漿泵和霧化噴嘴等組成，/ W ater cooling lube使用未反應(yīng)碳縮核模型810]和隨機(jī)孔模型211進(jìn)行NozzleCooing waer Agilatory計算.傳統(tǒng)的氣流床氣化技術(shù)只適用于低灰熔點(diǎn)煤，因此部分文獻(xiàn)的研究目標(biāo)為低灰熔點(diǎn)煤1112],少量PumpTank文獻(xiàn)采用實驗的方法來研究高灰熔點(diǎn)煤的氣化特Heating elementFlowmeter8性[13,而且并無相對應(yīng)的模擬結(jié)果.本實驗在水煤Gas combustion furnace漿常壓柱塞流氣化反應(yīng)器中,對我國貴州的典型高.Analyzer灰熔點(diǎn)煤種老礦中煤在固、液態(tài)排渣氣化溫度范圍白白子jSlag tankSampling pump8一Depuratar內(nèi)的氣化特性進(jìn)行了實驗研究,考察了氣化工藝參.數(shù)(如氣化溫度和0與C物質(zhì)的量比等)對高灰熔圖1實驗系統(tǒng)流程點(diǎn)煤氣化特性的影響，并根據(jù)柱塞流實驗臺的邊界Fig. 1 Schematic diagram of experimental system中國煤化工國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2013AA051101).1)博士生;2)博士、教授(通訊作者);3)碩士生，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院2000,MYHCNMH G收稿日期:2014-03-28;修回日期:2014-05-22.2煤炭轉(zhuǎn)化2015年煤漿泵采用JLM系列電磁隔膜式計量泵;氣體分析氣密性良好的情況下,將管式爐內(nèi)的溫度升高至指裝置為武漢四方光電科技有限公司生產(chǎn)的Gas-定溫度并保持恒溫;將事先篩好的煤倒入煤漿罐中，board-3100型煙氣分析儀.加水進(jìn)行實驗室制漿工藝.制漿過程中加入0. 3%實驗使用的霧化噴嘴結(jié)構(gòu)見圖2.該噴嘴為空的水煤漿添加劑,該添加劑由西北化工研究院提供.氣霧化式噴嘴,利用氣體與水煤漿的摩擦,產(chǎn)生均勻.用攪拌器將煤粉、水和添加劑充分均勻地攪拌與混而細(xì)密的霧化效果.為了達(dá)到良好的霧化效果,同時合;打開煤漿泵對制成的水煤漿進(jìn)行流量標(biāo)定(流量又能保證噴嘴出口不被煤漿顆粒堵塞,經(jīng)過多次嘗.約為0.9 L/h);前期準(zhǔn)備完成后,進(jìn)入實驗階段.在.試，最終將噴嘴出口直徑確定為0.8 mm;另外,噴給漿量一-定的情況下,通過調(diào)節(jié)O2流量來實現(xiàn)不嘴外部加有水冷套簡,使水煤漿在噴嘴內(nèi)部不因過同n(O) : n(C);高溫下,煤漿與氧氣在爐內(nèi)發(fā)生氣.度受熱而導(dǎo)致水分蒸發(fā)，影響其流動過程.化反應(yīng),最終生成的煤氣從爐底出口排出,一-小部分煤氣經(jīng)冷卻及氣體凈化后,進(jìn)人Gasboard-3100 型煤氣分析儀對合成氣中的主要?dú)怏w成分(CO,H2，Coal sluryCO2和CH,等)進(jìn)行在線監(jiān)測;另一部分氣體則在燃燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒處理.實驗過程中,使用煙氣分析儀對合成氣進(jìn)行取樣監(jiān)測,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄下來，并對每個記錄下數(shù)據(jù)的工況進(jìn)行灰渣收集,之后將渣樣放置在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行燃燒處理,以求得其碳轉(zhuǎn)化率.實驗結(jié)束后,將沉降爐內(nèi)溫度降至環(huán)境溫度，0.8 mm關(guān)閉煤漿泵以及O2瓶和N2瓶的閥門,同時關(guān)閉冷卻水系統(tǒng).應(yīng)即時對噴嘴、煤漿泵和供氣管路進(jìn)行清圖2霧化噴嘴結(jié)構(gòu)理,避免下次實驗時出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象.Fig. 2 Schematic diagram of atomizing nozzle structure實驗時首先檢查實驗系統(tǒng)各閥門位置、供氣系1.2貴州高灰熔點(diǎn)煤特性及實驗工況統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和水煤漿供給系統(tǒng)是否均在高灰熔點(diǎn)煤氣化特性實驗中，選取我國典型處于可用狀態(tài),用N2檢查各系統(tǒng)的氣密性,特別是高灰熔點(diǎn)煤貴州老礦中煤為實驗煤種,其煤質(zhì)分析供氣系統(tǒng)中的輸氣管以及霧化噴嘴與爐膛間的連接和實驗室制漿特性見表1. 為使隔膜式計量泵和噴口,確保整個實驗系統(tǒng)氣密性良好;在確定實驗系統(tǒng)嘴出口不被煤漿顆粒堵塞,制漿所用的煤粉平均粒徑t1 老礦中煤及水煤漿的特性分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Laokuang middings and coal slurryProximate analysis/ % ,adUltimate analysis/ %,adAsh fusion temperature/C Concentration of Density of coal slurry/MAVFCCH0Ns,DTSTFT coal slurry/%(kg.m-3)_2.7229.1326.5342.7957.363.560.656.210.83 1270 1410 147050950小于75 μm(200目以下).設(shè)計給漿量約為0.9 L/h,器的恒溫段,進(jìn)行燃燒和氣化反應(yīng).其中包括揮發(fā)分實驗溫度范圍為1 200 C~1 500 C,n(O) : n(C)(CO,H2和CH,等)與O2的同相燃燒反應(yīng)、C與的范圍為0.8~1.2,煤漿在爐內(nèi)恒溫段的停留時間O2的異相燃燒反應(yīng)、C與CO2及C與H2O的異相約為2.5 s.氣化反應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng).一般情況下,燃燒反應(yīng)速率要大于氣化反應(yīng)速率,而同相反應(yīng)2氣化模擬速率大于異相反應(yīng)速率. O2與揮發(fā)分之間的燃燒反應(yīng)速率最快,在爐內(nèi)率先進(jìn)行;燃燒反應(yīng)結(jié)束后,C從水煤漿在柱塞流反應(yīng)器中的氣化過程來看:與CO2,及C與H2O發(fā)生異相氣化反應(yīng);水煤氣變水煤漿與氣化劑(O2)先經(jīng)霧化噴嘴噴人柱塞流反換反應(yīng)為可逆反應(yīng),并被視為平衡反應(yīng),對出口合成應(yīng)器內(nèi)的非恒溫區(qū),該區(qū)域溫度為200C~氣化爐氣成分的組成起關(guān)鍵作用由于實驗裝置是電加熱設(shè)定溫度(1 200 C~1 500 "C). 在該區(qū)域內(nèi)，認(rèn)為式沉降爐,'中國煤化工氣化反應(yīng)所需水煤漿中的水分受熱蒸發(fā),煤中揮發(fā)分析出,生成氣熱量并不需,為了使?fàn)t內(nèi)0HCNM H G,體產(chǎn)物和半焦,接著半焦、揮發(fā)分和氣化劑進(jìn)入反應(yīng)恒溫段盡量保付仕一心血皮，取細(xì)水重應(yīng)盡量小，以第1期婁彤等貴州高灰熔點(diǎn)煤氣化特性研究29免破壞爐內(nèi)恒溫段的溫度,給計算過程帶來困難.慮的反應(yīng)有:2.1 模型基本假設(shè)條件2H2+O2一→2H2O(1)2C0+O2-→2CO2(2)根據(jù)實驗氣化爐的特點(diǎn)作出假設(shè)和簡化(4:認(rèn)CH.+2O2一→CO2 + 2H2O(3)為一維管式爐內(nèi)流動為均勻柱塞流,爐膛內(nèi)各物質(zhì)CO+H2O一→CO2 +H;(4)混合均勻,溫度均勻,煤顆粒粒度均勻,爐膛內(nèi)反應(yīng)CH, + H2O-→CO+3Hz(5)過程處于穩(wěn)態(tài),模型只考慮CO,CO2,H2和H2O四C+1/pO2-→(2 - 2/p)CO+(2/φ- 1)CO2 (6)種氣化產(chǎn)物,氣體組分遵循理想氣體狀態(tài)方程.揮發(fā)C+ H2O一→H2 +CO(7)分組分按經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計算,假定水分蒸發(fā),煤漿進(jìn)C+CO2-→2CO(8)人爐膛后揮發(fā)分瞬間析出.只考慮甲烷水蒸氣重整.對于氣化爐內(nèi)的均相反應(yīng),如可燃?xì)怏w燃燒反反應(yīng)與CH4和O2的燃燒反應(yīng).應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)、甲烷化和水蒸氣的反應(yīng)等,這2.2氣化化學(xué)反應(yīng)方程及模型些反應(yīng)速率表達(dá)式見表2.本模型將氣化爐內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行簡化,考采用經(jīng)典的未反應(yīng)碳縮核模型和在隨機(jī)孔模型表2均相反應(yīng)速率表達(dá)式Table 2Homogeneous reaction rate expressionsReaction numberReaction rate expressions/(mol. m~3●s=1)Kinetic coefficientkn=kz/0. 35Rz=krco●co2kz=2. 4602X 101*exp( - 21137/T+24. 744 14)T3)Rg=kcCH,●co2ks=3. 552X 10"exp( -9.304X 10*/(R. T))kn- 2.987X 10°exp(-3.69X 10*/(R. T))R.=knco●ch,o- keaco2●cn2ksz = ke1/Keuks-312.exp( -2X10*/(R. T)) Porn = KpPco. Pi2/Pn2oRs=ks(PcH,●PEH )Kz=6. 712 5X10- *exp(27 020/T)基礎(chǔ)上提出的動力-擴(kuò)散模型對異相反應(yīng)(6)~反應(yīng)Ot與小室的高度Oz的關(guān)系見式(14):(8)進(jìn)行描述并加以對比,以考察哪--種模型更適合Oz=|。v,dt(14)描述高灰熔點(diǎn)煤老礦中煤的氣化行為.未反應(yīng)碳縮核模型[15]的基本表達(dá)式為:可求得固體顆粒在小室內(nèi)的停留時間Ot:Oz=Ot. (..e -bsx+(vg+u)(1-e-0)) (15)Rate=一(9)kedetke(Y)+yk.2.4模型的求解胡世磊等162在隨機(jī)孔模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了內(nèi)、以模型求解過程中第i個小室的求解計算過程外擴(kuò)散修正后提出動力-擴(kuò)散模型的基本表達(dá)式為:為例,單元體內(nèi)變量有:固體質(zhì)量m..,焦炭質(zhì)量K=-m.i,第j種氣體的質(zhì)量m.1.本文的建模對象為電gooleXkoexp(- E/RT)X(1-x)[1-yAn(1-x)]/2t M.D,加熱式沉降爐,爐內(nèi)溫度T為定值,由于給煤量極6aRT小，可忽略掉能量方程,因此求解方程有0:(10)1)固體顆粒質(zhì)量平衡方程2.3停留時間.m.i-1- m.i : - m.s,s=0(16)小室中總固體質(zhì)量的停留時間t;可以由動量2)焦炭質(zhì)量平衡方程定理求得,由于人爐煤的粒徑非常小，因此可以采用me,i-1' - me,i 一mr.e=0(17)Stoke's準(zhǔn)則數(shù)來描述固體的流動，固體的流動速3)氣體的質(zhì)量平衡方程率采用下列公式進(jìn)行計算[8] :m.-1- m.,,- m.,j=0(18)v.=v,e-0 +(vg+v,)(1-e bx) (11)計算流程為:輸人數(shù)據(jù)-→計算物性-→計算揮發(fā)分開始計算中國煤化工小室的停留時(12)ρsd;間→計算第.TYHCNMHGF始計算小室v,=(p.-pz)●g/(b.p.)(13) i計+1- ....計算小室n-→結(jié)果.第1期婁彤等貴州高灰熔點(diǎn)煤氣化特性研究3水煤漿濃度的增加,合成氣中CO和H2的體積分氣化原料的氣化爐 ,存在一個最佳的水煤漿濃度,在數(shù)不斷提高. n(O) : n(C)為0. 95時，CO的體積分?jǐn)?shù)保證其順利供漿和合適的碳轉(zhuǎn)化率條件下,盡量提高出口煤氣中的有效氣體成分.596一60%675- n(0):m(C)=1.050-2012001250 i 300 1 350 140014501500n(0): n(C )=0.95/--65CGasification temperature/ C451200 12501300135014001450 i 50050Gasifcation temperature/ C65%..圖6水煤漿濃度對碳轉(zhuǎn)化率的影響Fig.6 Effect of coal slurry concentrationon carbon conversion20 120012501 3001350 140014501 500Gasifieation termperature/ C4結(jié)論圖5水煤漿濃度對合成氣組分的影響對高灰熔點(diǎn)煤漿在柱塞流反應(yīng)器中的氣化反應(yīng)Fig. 5 Effect of coal slurry concentration過程進(jìn)行了實驗,在經(jīng)典的未反應(yīng)碳縮核模型和動on syngas componentsa-n(O) : m(C)=0.95;b- -n(O) : n(C)=1.05力-擴(kuò)散模型兩種氣化反應(yīng)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建約增加3%,H2的體積分?jǐn)?shù)約增加0.5%. n(O) :立了相應(yīng)的一維柱塞流氣化小室模型,對整個氣化n(C)為1.05時,CO的體積分?jǐn)?shù)約增加2. 5%,H2過程進(jìn)行模擬并加以對比.結(jié)果表明，在相同反應(yīng)溫的體積分?jǐn)?shù)約增加0.3%.提高水煤漿濃度可以得度下,隨n(O) : n(C)的增加,CO2的體積分?jǐn)?shù)和碳到更高的合成氣有效成分,這與劉洋等[6]的結(jié)論相轉(zhuǎn)化率增加,CO和H2的體積分?jǐn)?shù)減小;隨著水煤似.但是隨著水煤漿濃度的增加,碳轉(zhuǎn)化率卻呈現(xiàn)出漿濃度的上升,CO和H2的體積分?jǐn)?shù)上升,CO2的不斷降低的趨勢,且降低幅度較為明顯.當(dāng)n(O) :體積分?jǐn)?shù)下降,碳轉(zhuǎn)化率也有所下降;增加水煤漿濃n(C)為0.95和1.05,氣化溫度相同時,碳轉(zhuǎn)化率約度會提高出口合成氣中的有效氣體成分,但會降低降低1.5%.因此,水煤漿濃度不能無限制增加，否.碳轉(zhuǎn)化率;動力-擴(kuò)散模型比未反應(yīng)碳縮核模型更適則雖然提高了合成氣中的有效氣體成分,但是造成合描述高灰熔點(diǎn)煤的氣固反應(yīng)行為.實際的氣流床了煤炭利用率的降低,影響經(jīng)濟(jì)效益,而且增加水煤氣化爐是在極高壓力下進(jìn)行工作的,在高溫與高壓漿濃度會同時增加其黏度,可能會降低其霧化效果，的工況下進(jìn)行實驗十分困難,本研究并未考慮壓力影響氣化爐的運(yùn)行.綜上所述,對于采用水煤漿作為因素對煤氣化反應(yīng)過程的影響,有待進(jìn)一步的研究.符號說明co一 CO氣體濃度,mol/Lp一反應(yīng)氣體有效分壓,MPaCH,-CH,氣體濃度,mol/L-內(nèi)控擴(kuò)散效率因子-CO2氣體濃度,mol/L-顆粒半徑,mH2氣體濃度,mol/L-顆粒密度,kg/m-H2O氣體濃度,mol/L- 指前因子,s 'Kequ-- 水煤氣反應(yīng)的平衡常數(shù)-活化能,kJ/mol.甲烷蒸汽重整反應(yīng)的氣體常數(shù)R一 理想氣體常數(shù),J/(K●mol)Y一未反應(yīng)核半徑與煤焦半徑之比- 環(huán)境溫度,Kx-熱解后任意時 刻的碳轉(zhuǎn)化率.%ψ---顆粒結(jié)構(gòu)尺寸kan-氣膜擴(kuò) 散系數(shù),kg/(m2●MPa.s)M.一 反應(yīng)氣中國煤化工k,一煤焦表面反應(yīng)速度常 數(shù),kg/(m2●MPa. s)w.一初始焦:MYHCNMHGkah-灰層阻力系數(shù),kg/(m2 ●MPa.s)D.-氣體擴(kuò)散系數(shù),m' /s.32煤炭轉(zhuǎn)化2015年g-重力加速度 ,m/3-固體顆粒密度,kg/m2v%一氣體 平均速度,m/s氣體密度,kg/m2v.--固體顆粒初始速度,m/s氣體動力黏度,Pa/s固體顆粒平均速度,m/sme..--第i小室內(nèi)氣體;的質(zhì)量,kg固體顆粒終端速度,m/s第i小室內(nèi)C的質(zhì)量,kg-停留時間,snR.co,- - i小室內(nèi)C反應(yīng)掉的質(zhì)量,kgQz--小室高度,m參考文獻(xiàn)[1] Kejiani s,Suzuki N,Ashizawa M,et al. 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The result shows that whenthe temiperature increased form 1 200 C to 1 500 C, the volume fraction of CO2 decreases by15 % , the volume fraction of CO increases by 16%, the volume fraction of H2 increases by 2%，the carbon conversion increases by 20%; at the same temperature, when the concentration of coalslurry increases by 5%，the volume fraction of CO increases by 3%，the concentration of H2 in-creases by 0. 5%，the carbon conversion decreases by 1. 5%. The calculated result is correspond-ing to the experiment result well. It is suggested that the concentration of coal slurry should beimproved as high as possible, so that there will be more effec中國煤化工S. .KEYWORDS coal with high ash fusion temperature,fYHCNMHGdel, plugflow