隨著第25屆聯(lián)合國氣候變化大會的召開，“節(jié)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，那么如何清潔有效地?zé)海?br />



循環(huán)流化床鍋爐是近三十幾年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)有效低污染清潔燃燒技術(shù)（關(guān)于它的歷史請戳：循環(huán)流化床鍋爐的前世今生）。我國在上世紀(jì)八十年代中期開始開發(fā)這種鍋爐，經(jīng)過三十多年的奮斗，如今已經(jīng)成了該領(lǐng)域的技術(shù)和裝備制造的強(qiáng)國。今天筆者就來講講研發(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，然后經(jīng)過上升-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)來的物料能被高溫物質(zhì)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(huán)流化床鍋爐里，從超低揮發(fā)分的無煙煤到超高揮發(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，今天筆者要說的是其中的一個關(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。可是，天下沒有不散的宴席，一旦離開爐膛，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，從爐膛的上部離開爐膛，風(fēng)離開爐膛后被導(dǎo)向其它設(shè)備，也就是說風(fēng)從爐膛一次流過。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(dāng)風(fēng)離開爐膛時還攜帶了大量的顆粒，一般每立方米的風(fēng)會攜帶幾公斤的顆粒，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，會出現(xiàn)三個問題：


1. 爐膛內(nèi)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(fēng)對后續(xù)設(shè)備來講是災(zāi)難，就像大量的難民涌入，哪個國家都承受不了?。?br />

3. 這些被攜帶離開爐膛的顆粒還有好些沒有完成反應(yīng)呢，比如，以煤燃燒為例，被風(fēng)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(fēng)攜帶離開爐膛的顆粒與風(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大問題。看到這里，化工專家可能要忍不住發(fā)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(shí)的歷史唯物主義者，筆者在此必須勇敢承認(rèn)，這不僅是個大問題，曾經(jīng)還是個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)到三個數(shù)量級的密度差。氣固分離的*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(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人注冊了發(fā)明專利。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。我國已故院士時銘顯也為旋風(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）（圖片來源：作者提供）


因此，德國人制造世界先進(jìn)臺循環(huán)流化床工業(yè)爐（水泥煅燒爐）時，就是用旋風(fēng)分離器使風(fēng)與顆粒分離，看來也順理成章了。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，這些問題就更嚴(yán)重了。上世紀(jì)八十年代，我國工業(yè)基礎(chǔ)還比較薄弱。舉個小例子：在八十年代末開發(fā)的國內(nèi)*臺35噸/時循環(huán)流化床鍋爐上，旋風(fēng)分離器與爐膛之間沒有合理的連接結(jié)構(gòu)，是硬碰硬直接焊接的。在做鍋爐性能測試時，因受熱膨脹不一致而拉裂，產(chǎn)生漏風(fēng)，嚴(yán)重影響鍋爐性能測試，當(dāng)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(jié)束。在那個年代，科研人員硬是靠拼搏精神頑強(qiáng)地推動技術(shù)進(jìn)步！在此，筆者要再次向他們表達(dá)深深的敬意。


三十年來孜孜不倦地追求分離效率
居然有點(diǎn)做過頭了


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)，這類被稱為慣性分離的技術(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，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)簡單合理、成本低廉，深受用戶歡迎，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、性能不高的問題，而性低對于鍋爐是致命的。沒有辦法，業(yè)內(nèi)不約而同地將目光回轉(zhuǎn)，重新審視那個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，此時的基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)水平已不可同日而語了。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，針對循環(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。雖然被尊稱為中國循環(huán)流化床鍋爐之父的王達(dá)三研究員推崇美國權(quán)威Zenz的旋風(fēng)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(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)際上是由日本鳥取大學(xué)的教授突破的。


正在車間制造的大型膜式壁旋風(fēng)分離器（圖片來源：作者提供）


中國循環(huán)流化床鍋爐之父-王達(dá)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(jì)算模型都已具備了，又恰逢中國電力大發(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大面積推廣，創(chuàng)造了一個科研促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的耀眼數(shù)據(jù)：全國采用工程熱物理研究所技術(shù)許可生產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐超過了2000臺，*高峰時占全國市場份額三分之二；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，為國奉獻(xiàn)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(fēng)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(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，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，那說明你對科研的魅力還沒有深刻的體驗(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，中國科學(xué)院工程熱物理研究所近年開發(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。