隨著第25屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)的召開(kāi)，“節(jié)能減排”又上了熱搜榜。雖然我國(guó)的煤炭消耗量已不再增長(zhǎng)了，不過(guò)作為一個(gè)多煤少油缺氣的國(guó)家，煤炭依然是我國(guó)能源的主角，那么如何清潔有效地?zé)海?br />
循環(huán)流化床鍋爐是近三十幾年來(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)有效低污染清潔燃燒技術(shù)（關(guān)于它的歷史請(qǐng)戳：循環(huán)流化床鍋爐的前世今生）。我國(guó)在上世紀(jì)八十年代中期開(kāi)始開(kāi)發(fā)這種鍋爐，經(jīng)過(guò)三十多年的奮斗，如今已經(jīng)成了該領(lǐng)域的技術(shù)和裝備制造的強(qiáng)國(guó)。今天筆者就來(lái)講講研發(fā)中的一些小故事。
啥是循環(huán)流化床鍋爐
循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵就是“流態(tài)化”和“循環(huán)” 。這種鍋爐把固體顆粒（就是燃燒的物料）用空氣等流體介質(zhì)懸浮起來(lái)，然后經(jīng)過(guò)上升-集聚-變重-下降-吹散-變輕-上升的不斷循環(huán)，形成溫度均勻的“床”；新加進(jìn)來(lái)的物料能被高溫物質(zhì)包圍，迅速加熱到燃燒溫度，沒(méi)有燒完的物料會(huì)通過(guò)分離器和返料器，再回到“床”上重新燃燒，直至燃盡。
在循環(huán)流化床鍋爐里，從超低揮發(fā)分的無(wú)煙煤到超高揮發(fā)分的褐煤乃至灰分含量高達(dá)70%的劣質(zhì)高灰煤均可充分燃燒，而且脫硫效果好、氮氧化物排放量低。
循環(huán)流化床鍋爐的奧秘很多，今天筆者要說(shuō)的是其中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備：高溫氣固分離器。
循環(huán)流化床鍋爐以及旋風(fēng)分離器（右側(cè)藍(lán)色是爐膛的外覆板，中間銀色的就是高溫旋風(fēng)分離器，左側(cè)藍(lán)色是尾部煙道的外覆板。與800毫米高的欄桿對(duì)比就可以看出高溫旋風(fēng)分離器的基本尺寸了）
為什么風(fēng)和顆粒幾秒鐘就要分手？
顆粒在爐膛中被風(fēng)吹得上下翻騰，熱鬧無(wú)比，迅速有效地進(jìn)行風(fēng)與顆粒、顆粒與顆粒之間的各種摻混，同時(shí)進(jìn)行風(fēng)與顆粒之間的各種反應(yīng)，比如加熱、干燥、熱解、裂解、分解、化合、氣化、燃燒等?？墒牵煜聸](méi)有不散的宴席，一旦離開(kāi)爐膛，風(fēng)和顆粒就要分手嘍。為什么？
風(fēng)從爐膛的底部加入爐膛，從爐膛的上部離開(kāi)爐膛，風(fēng)離開(kāi)爐膛后被導(dǎo)向其它設(shè)備，也就是說(shuō)風(fēng)從爐膛一次流過(guò)。風(fēng)在爐膛中停留的短短幾秒鐘內(nèi)，就可以完成與顆粒之間的所謂氣-固反應(yīng)。比如，以燃燒為例，加入爐膛的風(fēng)是空氣，主要目的是為爐膛中燃料的燃燒提供氧氣，在離開(kāi)爐膛時(shí)，空氣完成了對(duì)燃料的助燃作用，變成了煙氣。與此同時(shí)，當(dāng)風(fēng)離開(kāi)爐膛時(shí)還攜帶了大量的顆粒，一般每立方米的風(fēng)會(huì)攜帶幾公斤的顆粒，這些顆粒比較小，與風(fēng)難舍難離。
如果不將風(fēng)與顆粒分開(kāi)，會(huì)出現(xiàn)三個(gè)問(wèn)題：
1. 爐膛內(nèi)的顆粒很快會(huì)被吹空，或者只剩下吹不動(dòng)的粗顆粒，爐膛成了空床，只有舞臺(tái)而沒(méi)有演員，戲就沒(méi)法演了；
2. 攜帶大量顆粒的風(fēng)對(duì)后續(xù)設(shè)備來(lái)講是災(zāi)難，就像大量的難民涌入，哪個(gè)國(guó)家都承受不了啊；
3. 這些被攜帶離開(kāi)爐膛的顆粒還有好些沒(méi)有完成反應(yīng)呢，比如，以煤燃燒為例，被風(fēng)攜帶離開(kāi)爐膛的顆粒中還有好些炭沒(méi)有燃燒完呢，這樣離開(kāi)，豈不是降低燃燒效率？這顯然無(wú)法接受。
為了解決這三個(gè)問(wèn)題，就要做氣固分離，將被風(fēng)攜帶離開(kāi)爐膛的顆粒與風(fēng)分離，再送回爐膛，繼續(xù)反應(yīng)，而與顆粒分離后的風(fēng)則一身輕松奔向后續(xù)設(shè)備。
曾經(jīng)難以解決的大難題：高溫氣固分離
氣固怎么分離可是一個(gè)大問(wèn)題?？吹竭@里，化工專(zhuān)家可能要忍不住發(fā)笑了。什么？氣固分離是個(gè)大問(wèn)題？是的！雖然有些尷尬，但是作為誠(chéng)實(shí)的歷史唯物主義者，筆者在此必須勇敢承認(rèn)，這不僅是個(gè)大問(wèn)題，曾經(jīng)還是個(gè)看似難以解決的大難題。
分離是化工工藝中*基本的單元反應(yīng)，包括氣氣分離、液液分離、固固分離、氣液分離、氣固分離、液固分離、氣液固分離等等。其中*簡(jiǎn)單的就是氣固分離了。因?yàn)闅怏w與固體的密度差別巨大，一般可以達(dá)到三個(gè)數(shù)量級(jí)的密度差。氣固分離的*簡(jiǎn)單方法是自然沉降，這個(gè)過(guò)程我們每人每天都會(huì)遇到，這迫使有潔癖的人經(jīng)常擦桌面，尤其在北方。
工業(yè)中*常用的氣固分離設(shè)備是旋風(fēng)分離器，兩百多年前就被德國(guó)人注冊(cè)了發(fā)明專(zhuān)利。直到現(xiàn)在，還有不少人在做旋風(fēng)分離器的研究。幾年前，日本大學(xué)八十多歲退休教授小川名經(jīng)常給余申教授主編的《熱科學(xué)》雜志投稿，樂(lè)此不疲地用偏微分方程解析顆粒與氣體之間在旋風(fēng)分離器中的各種博弈。我國(guó)已故院士時(shí)銘顯也為旋風(fēng)分離器研究了一輩子。
旋風(fēng)分離器的基本結(jié)構(gòu)和基本原理示意圖（紅色曲線示意旋風(fēng)分離器內(nèi)部的外側(cè)旋流，藍(lán)色曲線示意旋風(fēng)分離器內(nèi)部的內(nèi)側(cè)旋流）（圖片來(lái)源：作者提供）
因此，德國(guó)人制造世界先進(jìn)臺(tái)循環(huán)流化床工業(yè)爐（水泥煅燒爐）時(shí)，就是用旋風(fēng)分離器使風(fēng)與顆粒分離，看來(lái)也順理成章了。但是在循環(huán)流化床鍋爐上應(yīng)用旋風(fēng)分離器，傳統(tǒng)鍋爐行業(yè)沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)、材料等方面都存在困難。
到了中國(guó)，這些問(wèn)題就更嚴(yán)重了。上世紀(jì)八十年代，我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)還比較薄弱。舉個(gè)小例子：在八十年代末開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)*臺(tái)35噸/時(shí)循環(huán)流化床鍋爐上，旋風(fēng)分離器與爐膛之間沒(méi)有合理的連接結(jié)構(gòu)，是硬碰硬直接焊接的。在做鍋爐性能測(cè)試時(shí)，因受熱膨脹不一致而拉裂，產(chǎn)生漏風(fēng)，嚴(yán)重影響鍋爐性能測(cè)試，當(dāng)時(shí)在場(chǎng)的張亞夫老師（50多歲的女同志）情急之中脫下棉衣堵住裂口，直至性能測(cè)試結(jié)束。在那個(gè)年代，科研人員硬是靠拼搏精神頑強(qiáng)地推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步！在此，筆者要再次向他們表達(dá)深深的敬意。
三十年來(lái)孜孜不倦地追求分離效率
居然有點(diǎn)做過(guò)頭了
由旋風(fēng)分離器造成的技術(shù)掣肘，逼著業(yè)內(nèi)的大腕們思考出路。在國(guó)內(nèi)外，陸續(xù)出現(xiàn)了一批替代旋風(fēng)分離器的氣固分離技術(shù)，這類(lèi)被稱(chēng)為慣性分離的技術(shù)在業(yè)內(nèi)迅速成為研究熱點(diǎn)，比較知名的有：U型槽式、百葉窗式、S型平面流式、臥式旋流式、V型鰭片管式等等；同時(shí)，由于采用慣性分離器的循環(huán)流化床鍋爐的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、成本低廉，深受用戶(hù)歡迎，有力地促進(jìn)了循環(huán)流化床鍋爐的普及。
百葉窗式高溫分離器
（圖片來(lái)源：循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室）
幾年之后，潮水逐漸退去。采用慣性分離的循環(huán)流化床鍋爐暴露出性低、性能不高的問(wèn)題，而性低對(duì)于鍋爐是致命的。沒(méi)有辦法，業(yè)內(nèi)不約而同地將目光回轉(zhuǎn)，重新審視那個(gè)外形龐大笨拙的旋風(fēng)分離器。
事物的發(fā)展常常是螺旋上升的，此時(shí)的基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)水平已不可同日而語(yǔ)了。一大批先進(jìn)材料和先進(jìn)制造技術(shù)相繼出現(xiàn)，比如：超大尺寸的耐高溫三維膨脹節(jié)、復(fù)雜曲面的膜式壁殼體、耐高溫抗磨損的耐火材料以及施工工藝等。同時(shí)，針對(duì)循環(huán)流化床的大型旋風(fēng)分離器的性能計(jì)算理論日臻成熟。雖然被尊稱(chēng)為中國(guó)循環(huán)流化床鍋爐之父的王達(dá)三研究員推崇美國(guó)權(quán)威Zenz的旋風(fēng)分離器理論，可是德國(guó)教授Trefz和Muschelknautz提出的飽和夾帶理論，更適合計(jì)算循環(huán)流化床的大型旋風(fēng)分離器的外旋渦的性能。而循環(huán)流化床的大型旋風(fēng)分離器的內(nèi)旋渦的性能模型實(shí)際上是由日本鳥(niǎo)取大學(xué)的教授突破的。
正在車(chē)間制造的大型膜式壁旋風(fēng)分離器（圖片來(lái)源：作者提供）
中國(guó)循環(huán)流化床鍋爐之父-王達(dá)三研究員（圖片來(lái)源：工程熱物理研究所檔案室提供）
材料、工藝、計(jì)算模型都已具備了，又恰逢中國(guó)電力大發(fā)展。新一代高性能的循環(huán)流化床鍋爐研制成功后迅速在我國(guó)大面積推廣，創(chuàng)造了一個(gè)科研促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的耀眼數(shù)據(jù)：全國(guó)采用工程熱物理研究所技術(shù)許可生產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐超過(guò)了2000臺(tái)，*高峰時(shí)占全國(guó)市場(chǎng)份額三分之二；也創(chuàng)造了整體技術(shù)包出口（印度）的先例。身處其間，筆者可以很自豪的宣稱(chēng)，為國(guó)奉獻(xiàn)綿薄之力，此生無(wú)憾了！
借著這個(gè)勁頭，再說(shuō)一個(gè)有些不那么謙虛的事。我們一不小心，將旋風(fēng)分離器的分離效率做得好過(guò)頭了，以至于還要想辦法刻意將分離效率調(diào)低一些，以求在燃燒效率和運(yùn)行成本之間達(dá)到*優(yōu)平衡。
不過(guò)，如果你認(rèn)為循環(huán)流化床鍋爐的氣固分離技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到此結(jié)束了，那說(shuō)明你對(duì)科研的魅力還沒(méi)有深刻的體驗(yàn)。實(shí)際上，關(guān)于循環(huán)流化床的氣固分離，還有很多奧秘等待揭曉。這不，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所近年開(kāi)發(fā)的一種新工藝，要求循環(huán)流化床的旋風(fēng)分離器只分離特定粒度的顆粒，而將另外的顆粒放行；還有一種新的工藝要求將循環(huán)流化床的旋風(fēng)分離器的尺寸盡可能壓縮，還要求不斷減少旋風(fēng)分離器的阻力。這些都是未知結(jié)果的挑戰(zhàn)啊。
