作者：那永潔（中國科學院工程熱物理研究所）
本文來自科普博覽大家族科學大院（ID：kexuedayuan）
隨著第25屆聯合國氣候變化大會的召開，“節能減排”又上了熱搜榜。雖然我國的煤炭消耗量已不再增長了，不過作為一個多煤少油缺氣的國家，煤炭依然是我國能源的主角，那么如何清潔高效地燒煤？
循環流化床鍋爐是近三十幾年來迅速發展的一項高效低污染清潔燃燒技術（關于它的歷史請戳：循環流化床鍋爐的前世今生）。我國在上世紀八十年代中期開始開發這種鍋爐，經過三十多年的奮斗，如今已經成了該領域的技術和裝備制造的強國。今天筆者就來講講研發中的一些小故事。
循環流化床鍋爐的關鍵就是“流態化”和“循環” 。這種鍋爐把固體顆粒（就是燃燒的物料）用空氣等流體介質懸浮起來，然后經過上升-集聚-變重-下降-吹散-變輕-上升的不斷循環，形成溫度均勻的“床”；新加進來的物料能被高溫物質包圍，迅速加熱到燃燒溫度，沒有燒完的物料會通過分離器和返料器，再回到“床”上重新燃燒，直至燃盡。
在循環流化床鍋爐里，從超低揮發分的無煙煤到超高揮發分的褐煤乃至灰分含量高達70%的劣質高灰煤均可充分燃燒，而且脫硫效果好、氮氧化物排放量低。
循環流化床鍋爐的奧秘很多，今天筆者要說的是其中的一個關鍵設備：高溫氣固分離器。
循環流化床鍋爐以及旋風分離器（右側藍色是爐膛的外覆板，中間銀色的就是高溫旋風分離器，左側藍色是尾部煙道的外覆板。與800毫米高的欄桿對比就可以看出高溫旋風分離器的基本尺寸了）
顆粒在爐膛中被風吹得上下翻騰，熱鬧無比，迅速高效地進行風與顆粒、顆粒與顆粒之間的各種摻混，同時進行風與顆粒之間的各種反應，比如加熱、干燥、熱解、裂解、分解、化合、氣化、燃燒等。可是，天下沒有不散的宴席，一旦離開爐膛，風和顆粒就要分手嘍。為什么？
風從爐膛的底部加入爐膛，從爐膛的上部離開爐膛，風離開爐膛后被導向其它設備，也就是說風從爐膛一次流過。風在爐膛中停留的短短幾秒鐘內，就可以完成與顆粒之間的所謂氣-固反應。比如，以燃燒為例，加入爐膛的風是空氣，主要目的是為爐膛中燃料的燃燒提供氧氣，在離開爐膛時，空氣完成了對燃料的助燃作用，變成了煙氣。與此同時，當風離開爐膛時還攜帶了大量的顆粒，一般每立方米的風會攜帶幾公斤的顆粒，這些顆粒比較小，與風難舍難離。
1. 爐膛內的顆粒很快會被吹空，或者只剩下吹不動的粗顆粒，爐膛成了空床，只有舞臺而沒有演員，戲就沒法演了；
2. 攜帶大量顆粒的風對后續設備來講是災難，就像大量的難民涌入，哪個國家都承受不了啊；
3. 這些被攜帶離開爐膛的顆粒還有好些沒有完成反應呢，比如，以煤燃燒為例，被風攜帶離開爐膛的顆粒中還有好些炭沒有燃燒完呢，這樣離開，豈不是降低燃燒效率？這顯然無法接受。
為了解決這三個問題，就要做氣固分離，將被風攜帶離開爐膛的顆粒與風分離，再送回爐膛，繼續反應，而與顆粒分離后的風則一身輕松奔向后續設備。
氣固怎么分離可是一個大問題。看到這里，化工專家可能要忍不住發笑了。什么？氣固分離是個大問題？是的！雖然有些尷尬，但是作為誠實的歷史唯物主義者，筆者在此必須勇敢承認，這不僅是個大問題，曾經還是個看似難以解決的大難題。
分離是化工工藝中最基本的單元反應，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。其中最簡單的就是氣固分離了。因為氣體與固體的密度差別巨大，一般可以達到三個數量級的密度差。氣固分離的最簡單方法是自然沉降，這個過程我們每人每天都會遇到，這迫使有潔癖的人經常擦桌面，尤其在北方。
工業中最常用的氣固分離設備是旋風分離器，兩百多年前就被德國人注冊了發明專利。直到現在，還有不少人在做旋風分離器的研究。幾年前，日本大學八十多歲退休教授小川名經常給余申教授主編的《熱科學》雜志投稿，樂此不疲地用偏微分方程解析顆粒與氣體之間在旋風分離器中的各種博弈。我國已故院士時銘顯也為旋風分離器研究了一輩子。
（圖片來源：作者提供）
旋風分離器的基本結構和基本原理示意圖（紅色曲線示意旋風分離器內部的外側旋流，藍色曲線示意旋風分離器內部的內側旋流）
因此，德國人制造世界第一臺循環流化床工業爐（水泥煅燒爐）時，就是用旋風分離器使風與顆粒分離，看來也順理成章了。但是在循環流化床鍋爐上應用旋風分離器，傳統鍋爐行業沒有任何經驗，在結構、材料等方面都存在困難。
到了中國，這些問題就更嚴重了。上世紀八十年代，我國工業基礎還比較薄弱。舉個小例子：在八十年代末開發的國內首臺35噸/時循環流化床鍋爐上，旋風分離器與爐膛之間沒有合理的連接結構，是硬碰硬直接焊接的。在做鍋爐性能測試時，因受熱膨脹不一致而拉裂，產生漏風，嚴重影響鍋爐性能測試，當時在場的張亞夫老師（50多歲的女同志）情急之中脫下棉衣堵住裂口，直至性能測試結束。在那個年代，科研人員硬是靠拼搏精神頑強地推動技術進步！在此，筆者要再次向他們表達深深的敬意。
由旋風分離器造成的技術掣肘，逼著業內的大腕們思考出路。在國內外，陸續出現了一批替代旋風分離器的氣固分離技術，這類被稱為慣性分離的技術在業內迅速成為研究熱點，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，由于采用慣性分離器的循環流化床鍋爐的整體結構簡單合理、成本低廉，深受用戶歡迎，有力地促進了循環流化床鍋爐的普及。
百葉窗式高溫分離器（圖片來源：循環流化床實驗室）
幾年之后，潮水逐漸退去。采用慣性分離的循環流化床鍋爐暴露出可靠性低、性能不高的問題，而可靠性低對于鍋爐是致命的。沒有辦法，業內不約而同地將目光回轉，重新審視那個外形龐大笨拙的旋風分離器。
事物的發展常常是螺旋上升的，此時的基礎工業技術水平已不可同日而語了。一大批先進材料和先進制造技術相繼出現，比如：超大尺寸的耐高溫三維膨脹節、復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，針對循環流化床的大型旋風分離器的性能計算理論日臻成熟。雖然被尊稱為中國循環流化床鍋爐之父的王達三研究員推崇美國權威Zenz的旋風分離器理論，可是德國教授Trefz和Muschelknautz提出的飽和夾帶理論，更適合計算循環流化床的大型旋風分離器的外旋渦的性能。而循環流化床的大型旋風分離器的內旋渦的性能模型實際上是由日本鳥取大學的教授突破的。
正在車間制造的大型膜式壁旋風分離器（圖片來源：作者提供）
中國循環流化床鍋爐之父-王達三研究員（圖片來源：工程熱物理研究所檔案室提供）
材料、工藝、計算模型都已具備了，又恰逢中國電力大發展。新一代高性能的循環流化床鍋爐研制成功后迅速在我國大面積推廣，創造了一個科研促進產業發展的耀眼數據：全國采用工程熱物理研究所技術許可生產的循環流化床鍋爐超過了2000臺，最高峰時占全國市場份額三分之二；也創造了整體技術包出口（印度）的先例。身處其間，筆者可以很自豪的宣稱，為國奉獻綿薄之力，此生無憾了！
借著這個勁頭，再說一個有些不那么謙虛的事。我們一不小心，將旋風分離器的分離效率做得好過頭了，以至于還要想辦法刻意將分離效率調低一些，以求在燃燒效率和運行成本之間達到最優平衡。
不過，如果你認為循環流化床鍋爐的氣固分離技術發展已經到此結束了，那說明你對科研的魅力還沒有深刻的體驗。實際上，關于循環流化床的氣固分離，還有很多奧秘等待揭曉。這不，中國科學院工程熱物理研究所近年開發的一種新工藝，要求循環流化床的旋風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流化床的旋風分離器的尺寸盡可能壓縮，還要求不斷減少旋風分離器的阻力。這些都是未知結果的挑戰啊。
