第七章 高温气固分离器的性能及选择

G54型高温异型气固旋流分离器在甲烷化气流流化工艺装置中的设计方案诺卫能源技术（北京）有限公司罗力本帖针对流化工艺装置尤其是甲烷化气流流化床工艺装置中专用G54型高温异型旋流分离器设计进行讨论剖析。

流化床工艺装置，相对于固定床工艺装置而言，由于具有产能高、弹性大、易于工业化放大、操作简便等优势，在石油炼化上很受重视。

而从气流中捕集回收高分散的重相携带质，则需要专用的异型旋流分离器。

比如，在高温低压催化裂化装置之催化剂回收分离、FCC/DCC再生烟气催化剂捕集回收、高温高压气化装置之气相除尘除沫、高温低压气流干燥除尘分离、PP装置含尘尾气除尘等等。

近年来，流化工艺装置进一步受到重视和青睐。

国内外一些著名的科研院所正在对原来的固定床加氢工艺、固定床甲烷化工艺进行升级研发转变为更为先进的流化床工艺。

正如前面所言，能否有效从气流中捕集回收分离重相质，比如高度流化分散的微小催化剂颗粒物，决定着工艺技术经济可行性甚至事关工艺开发成败关键。

好几年前，石油大学、石科院曾经做过这方面的尝试而未获突破。

2016年，中科院过程研究所设法找到我司寻求合作，我方按照其工艺要求定制设计制造流化床甲烷化工艺装置专用高温异型旋流分离器推进其项目获得突破。

大约一年后，西南院也在中科院过程所指引下找到我司寻求合作，开展类似流化床工艺装置上专用高温异型旋流分离器设计合作。

本帖以西南院项目涉及到的流化床工艺装置专用高温异型旋流分离器工况针对性设计为例，与大家进行讨论剖析。

相关工艺技术参数如下：1、工况压力：2.2MPaG ；2、工况温度：450℃；3、气相质量流量：1212 kg/h；4、气相密度：7.069 kg/m3；5、气相粘度：0.0236 cp。

6、气相组成（体积分数，vol%）H2：5.49；CO：0.18；CO2：7.03；CH4：54.45；N2：6.28；C2H6：0.01；H2O：26.56。

分离效率要求：固体分离效率为99%以上。

第七章高温气固分离器的性能及选择CFB锅炉的高温气固分离装置是锅炉的关键部件之一，其主要作用是将大量高温固体物料从气流中分离出来，送回炉膛，以维持炉膛的快速流态化运行。

保证燃料和脱硫剂多次循环，为焦炭颗粒和脱硫剂的停留时间的延长提供了条件。

由前面的关于流态的分析可知，循环流化床锅炉的燃烧室虽属高速流态化范畴，底部仍然存在着类似于鼓泡床的密相区。

颗粒浓度较高的密相区上部是一个颗粒浓度逐渐衰减的稀相区，稀相区下部与密相区之间颗粒浓度衰减得比较快的区域为过渡区。

密相区基本上处于鼓泡流化床和湍流床状态，而在二次风口以上才逐步过渡到快速流化床状态。

密相区的气固流动是不均匀的，一般认为密相区由气泡相和乳化相所组成，当气体流速达到临界流化速度后，超过临界流化速度的那部分风量以气泡形式通过床层，而在乳化相中的颗粒维持临界流化状态。

在循环流化床锅炉中，床内固体颗粒比较细，气体流速远高于临界流化速度，大部分气体以气泡方式通过床层，气泡相和乳化相之间的气体质量交换速率与气体流量相比相对较弱。

上部稀相区是快速床，在一定条件下，稀相区的颗粒发生团聚，细颗粒聚集成大颗粒团后，颗粒团重量增加，体积增大，有较高的自由沉降速度。

在一定的气流速度下，大颗粒团不是被吹上去而是逆着气流向下运动。

在下降过程中，气固间产生较大的相对速度，然后被上升的气流打散成细颗粒，再被气流带动向上运动，又再聚集成颗粒团，再沉降下来。

这种颗粒团不断聚集、下沉、吹散、上升又聚集形成的物理过程，使循环流化床内气固两相间发生强烈的热量和质量交换。

由于颗粒团的沉降和边壁效应，循环流化床内气固流动形成靠近炉壁处很浓的颗粒团以旋转状向下运动，炉膛中心则是相对较稀的气固两相向上运动，产生一个强烈的炉内循环运动，见图7-1，大大强化了炉内的传热和传质过程，有效地延长了包括焦炭颗粒在内的固体物料的停留时间，并保证了整个炉膛内纵向及横向都具有十分均匀的温度场。

当循环流化床锅炉采用宽筛分的燃料颗粒时，床内物料不是很均匀，就会出现这样的现象：相应于采用的流化速度，对于大尺寸的燃料颗粒，可能刚好超过输送速度，这时炉膛内就会出现下部是粗颗粒鼓泡床或湍流床，上部为细颗粒组成的湍流床、快速床两者相叠加的工况。

高温气固分离技术在钢铁冶金中的应用高温气固分离技术在钢铁冶金行业中扮演着至关重要的角色，它直接影响到生产效率、产品质量以及环境影响。

随着环保要求的日益严格和资源高效利用的迫切需求，这一技术的应用日益广泛，成为了推动钢铁行业绿色化、智能化发展的关键技术之一。

以下是高温气固分离技术在钢铁冶金中的六大应用点及其详细解析。

一、炉尘回收与再利用在高炉、转炉和电炉等冶金过程中，会产生大量的含铁粉尘和烟尘。

高温气固分离技术能高效地从高温烟气中捕捉这些细小颗粒，不仅减少了污染物排放，还实现了炉尘的资源化回收。

通过精确控制分离条件，可将回收的炉尘直接返回冶炼过程作为原料，或进一步加工成高附加值产品，如直接还原铁（DRI），促进了资源循环利用，降低了原材料成本。

二、余热回收与能源效率提升钢铁生产过程中产生的高温烟气蕴含大量热能，以往这部分能量往往被浪费。

通过高温气固分离技术，可以在有效去除烟尘的同时回收高温烟气中的热能，用于预热燃烧空气、产生蒸汽或发电，显著提升了能源利用效率。

例如，通过高温气体循环燃烧技术与高效的气固分离装置结合，可以大幅度提高燃烧效率，减少燃料消耗，是实现节能减排的有效途径。

三、环境友好型工艺优化环保压力促使钢铁企业寻求更为清洁的生产工艺。

高温气固分离技术在减少有害物质排放方面发挥重要作用，比如通过干法除尘、电除尘或布袋除尘等方式，能有效去除烟气中的二氧化硫、氮氧化物及重金属等污染物，减轻对环境的负担。

同时，针对特定污染物的高效过滤技术，如选择性催化还原（SCR）和脱硝技术的应用，进一步提升了废气处理能力，助力钢铁企业达到更严格的环保标准。

四、提高产品质量与稳定性在某些特定的冶金流程中，如直接还原铁的生产，高温气固分离技术不仅用于净化气体，还直接参与到产品质量控制中。

通过精确调控分离系统，可以有效去除还原气体中的杂质，保证还原气氛的纯净，从而提高直接还原铁的纯度和化学成分的稳定性，进一步优化下游钢铁产品的性能。

图1SiC含量与抗折强度和孔隙率的关系图2SiC含量与孔隙率和体积密度的关系通过图1和图2可以看出,随着碳化硅含量的升高支撑体的抗折强度和体积密度不断降低,而孔隙率则不断地升高,基本成线性关系。

而本试验的主要目的是在保持一定的抗折强度的前提下尽可能的提高支撑体的孔隙率和孔径大小,因为孔隙率的高低和孔径的大小是直接影响碳化硅支撑体过滤压降的关键因素。

孔径越大率越高,碳化硅支撑体的过滤压降越小。

因此,需要在强度和孔隙率之间寻求一个平衡点。

碳化硅含量过高结合剂的含量相应地减少,会导致碳化硅支撑体不易成图3造孔剂含量与抗折强度和孔隙率的关系的过滤压降降低,但是相应的支撑体的强度呈线性下降在使用过程中支撑体易断裂破碎,使用寿命缩短。

由分析,当造孔剂含量在3wt%时,支撑体的孔隙率为37.5%、抗折强度23.2MPa、测试得到过滤压降390成型压力的大小对陶瓷坯体的致密度以及烧成后制品的强度以及孔隙率有直接的影响,成型压力高,坯体强脱模时不易破碎,烧成后制品的强度高,孔隙率小成型压力低,坯体强度低,脱模时易损坏,烧成后制品的从图5、图6可以看出,随着成型压力的提高支撑体的强度和体积密度随之升高,孔隙率随之下降从图7可以看出,随着烧成温度的不断提高,碳化硅陶瓷支撑体的抗折强度随之升高,孔隙率随之下降。

温度的不断提高,材料中液相不断增多,使碳化硅颗粒能完全地被液相包裹,颗粒与颗粒之间能很好结合在一起使得碳化硅陶瓷的强度得到提高。

但是温度过高时硅陶瓷内部会出现多余的液相,通过不断流动填充到碳化硅陶瓷的各个空隙中,阻塞空隙,使得碳化硅陶瓷材料的闭气孔数量增加,显气孔率下降,影响碳化硅多孔陶瓷气固分离时气体的渗透率,增大了支撑体的过滤压降图4造孔剂含量与孔隙率和体积度的关系图5成型压力与抗折强度和孔隙率的关系图6成型压力与孔隙率和体积密度的关系图7烧成温度与抗折强度和孔隙率的关系。

循环流化床锅炉工作原理：燃煤和空气进入一个流态化燃烧室，进行燃烧，夹带着大量细颗粒物料的烟气在炉膛出口以后的气固分离器中把所夹带的固体物料分离下来，烟气进入尾部受热面，而被分离器收集下来的物料通过返料器被送入燃烧室循环在燃烧。

1、什么是临界流化风量？当床层由静止状态转变为流化状态时的最小风量，称为临界流化风量。

2、流化床有几种不正常的流化状态？流化床不正常的流化状态是沟流、节涌、和分层等。

3、什么是节涌？在床料被流化的过程中，当一次风流化形式主要以“气泡”形式在床料中向上运动并在上部小气泡聚集成大气泡时，气泡尺寸等于容积的截面尺寸。

当气泡向上运动达到某一高度时崩裂，气泡中所包含的固体颗粒喷涌而下，料层由于气泡运动所引起的波动达到最大，这种现象叫节涌。

4、什么是分层？当宽筛分的床料中细颗粒含量缺少时，会出现料层流态化下较粗颗粒沉底，较细颗粒上浮的床料自然分配状况，这种现象就称为料层的分层。

5、什么是物料循环倍率，影响循环倍率的运行因素有那些？物料循环倍率是指在循环流化床锅炉运行中，循环物料量与入炉的物料量（包括燃料、脱硫剂等）的比值。

循环倍率是炉内衡量炉内物料颗粒浓度的一个重要参数影响循环倍率的运行因素很多，主要有以下几个方面：分离器效率，燃料粒度，燃料含灰量，燃料的成分，灰特性，灰颗粒的磨耗特性对循环倍率有决定性影响。

锅炉负荷的影响。

随着机组负荷的降低，即锅炉蒸发量的减少，锅炉整体风量和烟气流速必然降低，促使CFB锅炉循环倍率也相应降低。

6、床料层中各物理因素对临界流化风量的影响有哪些？料层堆积高度对临界流化风量影响较大。

料层的当量平均粒径增大时，临界流化风量增大。

料层中的颗粒密度增大时，临界流化风量增大。

流体物理性质的影响。

7、CFB锅炉主要有哪些燃烧区域？答：CFB锅炉有三个燃烧区域：1）炉膛下部密相区；2）炉膛上部稀相区；3）高温气固分离器区。

8、循环流化床锅炉主要由哪些设备组成？循环流化床锅炉主要由燃烧系统设备、气固分离循环设备、对流烟道设备三部分组成。

一、填空题1、水和水蒸气的饱和压力随饱和温度的升高而（升高)。

2、锅炉蒸发设备的水循环分为（自然循环）和（强制循环)两种。

3、锅炉的热效率,就是锅炉的(有效）利用热量占（输入)锅炉热量的百分数。

5、锅炉排污分为（定期排污）和（连续排污）两种。

7、管道上产生的阻力损失分为（沿程阻力)损失和(局部阻力）损失。

8、冲洗水位计时，应站在水位计的(侧面），打开阀门时应(缓慢小心)。

10、电除尘器的工作过程分为(尘粒荷电）、（收集灰尘)、（清除捕集灰尘）三个阶段。

11、循环流化床料层不正常流化状态主要有(沟流）、(气泡和节涌）、(分层)。

12、完全燃烧的必要条件是(充足的燃烧时间)、（合适的空气量）、(相当高的炉膛温度)、（煤与空气的良好混合)。

14、锅炉的燃烧设备包括（燃烧室)、(燃烧器)和(点火装置)。

18、离心泵启动前应（关闭）出口门，（开启）入口门。

19、停止水泵前应将水泵出口门（逐渐关小)，直至（全关）。

20、水泵汽化的内在因素是因为(温度）超过对应压力下的（饱和温度）。

21、润滑油对轴承起（润滑）和(冷却）、（清洗）等作用.23、闸阀的特点是结构（简单）,流动阻力（小），开启，关闭灵活，但其密封面易于（磨损)。

24、转动机械发生强烈（振动）,窜轴超过（规定）值,并有扩大危险时，应立即停止运行.25、轴承室油位过高，使油环运动阻力(增加），油环可能不随轴转动，影响（润滑）作用，散热也受影响，油温会升高，同时会从轴及轴承缝隙中（漏油）.26、逆止阀的作用是在该泵停止运行时，防止压力水管路中液体向泵内（倒流）,致使水泵（转子倒转），损坏设备。

28、布风装置由（风室）、（布风板）和（风帽）等组成。

29、、风机运行中滚动轴承温度不超过（80）℃，滑动轴承温度不超过（70 ）℃。

30、、转动机械连续启动不允许超过（三）次。

31、压炉后应关闭（所有）风机入口风门和风烟气侧各（风门挡板）。

32、在整个点火升压过程中，锅炉停止上水必须开启（省煤器再循环)门，上水时关闭.33、两票是指(工作票 )(操作票 )34、旋风分离器的分离效率可达（99。