循环流化床气化炉的煤种适应性强,对原料粒径要求不高,床层温度变化平稳;但是,受流态化条件限制,运行温度偏低,灰渣和飞灰的含碳量高。下行床内的固体颗粒速度及浓度分布在径向较均匀,同时气固两相流动方向为顺重力场,返混小,操作温度局限性小,可以在更高温度下运行。为提高碳利用率,降低飞灰产量,消除终煤气中含有微量焦油的问题,结合循环流化床和下行床各自的优势,中国科学院工程热物理研究所提出双床耦合的分级气化技术。分级气化技术分为两个气化单元,一级气化单元为循环床,二级气化单元为下行床。在固态排渣的温度条件以及有限的停留时间条件下,如果进入二级气化单元下行床的高温气固混合燃料与二次气化剂直接掺混反应,大量可燃气与气化剂优先均相燃烧,使固体燃料与气化剂的反应比例降低,从而影响系统的冷煤气效率及碳转化率。为优化燃料进入二级气化单元的方式,使二级气化单元的固体燃料优先与气化剂充分混合,设置关键部件二级分离器具有重要意义。二级分离器在性能上要满足提升系统气化性能的需求,同时结构上要满足方便布置的需求。针对分级气化工艺二级气化单元不同喷嘴位置布置需要,本论文设计了两种二级分离器,分别为适用于二级气化单元喷嘴侧面对置的双排料管-立式旋风分离器和适用于二级气化单元喷嘴顶置的单排料管-卧式旋风分离器,并分别对其性能进行了单因素变量试验研究。研究了运行参数分离器进口气体速度vc、入口固气质量比ω、喷嘴内环气体速度vb对两种分离器压力损失ΔP、分离效率η、漏气率δ的影响;结构参数排料管相对直径D4/D1、倾斜锥段外角α、导流体相对长度L2/D1对单排料管-卧式旋风分离器性能的影响,获得满足系统要求的关键部件结构参数及运行参数,为分级气化系统设计提供指导。然后通过不同结构的热态试验,验证了进入二级气化单元下行床前设置下排气分离器将气固燃料分开,有利于系统气化性能提高,为中试平台设计提供数据支撑。对于双排料管-立式旋风分离器,在设计工况（vc=25.4m/s,ω=0.11kg/kg,vb=14.0m/s）下,η达到 89.5%,δ 为 6.27%,ΔP 为 2.12kPa,满足设计需求。在运行参数对分离器性能影响方面,vc是影响分离器压力分布的主要因素,随着vc从 14.3m/s 增大到 25.4m/s,ΔP 从 0.70kPa 增加至 2.12kPa,η从 85.4%增加到89.5%,δ从3.10%增加至6.27%;颗粒相的存在导致分离器的整体压力损失减小;喷嘴内环气体的存在可以有效改善漏气率高的问题,即在分级气化系统中减少来自一级气化单元可燃气的消耗;vb过大或vc过小将破坏分离器原有的气固流动特性,vb过高为19.9m/s时,δ变为-0.05%,严重影响分离器分离性能。对于单排料管-卧式旋风分离器,在设计工况（vc=24.5m/s,ω=0.11kg/kg,vb=10.5m/s）下,η达到 95.6%,δ 为 9.74%,ΔP 为 2.34kPa,满足设计需求。在运行参数对分离器性能影响方面,vc对分离器分离性能起着非常重要的作用,随着vc从14.2m/s增大到24.5m/s,η从84.7%增加到95.6%,δ从-1.06%增加至9.74%,ΔP从0.56kPa增加至2.34kPa。喷嘴气体的存在,增加了 ΔP对ω变化的敏感性。随着ω从0.03kg/kg增加到0.14kg/kg,δ从14.21%降至7.19%。在结构参数对分离器性能影响方面,随着D4/D1增大,δ呈现总体上升趋势,D4/D1=0.175是δ变化幅度减小的转折点。随着α从45°增加到55°,η从94.2%增加到97.3%。综合δ与ΔP考虑,L2/D1=1为合适值。在运行性能方面,双排料管-立式旋风分离器运行效果更好;在系统结构布置方面,两种结构可以满足不同布置需求。通过关键部件对分级气化工艺性能影响试验研究,确定了二级气化单元前下排气旋风分离器气固分离设计,较顶置喷嘴不分离设计,具有显著优势。在给煤量12.1kg/h,系统氧煤比为0.519m3/kg的条件下,在二级气化单元上方设置下排气旋风分离器,系统的碳转化率比仅布置喷嘴高4.38%,冷煤气效率高9.39%。