堿回收鍋爐數(shù)值仿真技術(shù)研究進(jìn)展

王大偉 唐華 欒小娟

摘 要：數(shù)值仿真技術(shù)作為重要的研究工具，在黑液堿回收鍋爐上的研究應(yīng)用已有30余年的歷史，對(duì)推動(dòng)堿回收鍋爐技術(shù)發(fā)展起到了積極的作用。本文較為系統(tǒng)的梳理了黑液堿回收鍋爐數(shù)值仿真技術(shù)的研究發(fā)展歷程，并對(duì)國(guó)內(nèi)外具有代表性的模型進(jìn)行了介紹。目前北歐和北美在堿回收鍋爐數(shù)值研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位置，但我國(guó)也在開始積極研究并開發(fā)黑液燃燒模型，以應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：黑液；堿回收鍋爐；數(shù)值仿真；模型

中圖分類號(hào)：TS733.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.09.011

Abstract：As an important research tool， numerical simulation technology has been used in the research and application of black liquor alkali recovery boilers for more than 30 years. It has played an active role in promoting the development of alkali recovery boiler technology. This article presented systematically carding of the research and development of the numerical simulation of black liquor alkali recovery boiler， and introduced a series of foreign typical models. Northern Europe and North America are in the leading position in the numerical research of alkali recovery boiler， China is also actively researching and developing the black liquor combustion model， and applying in production practices.

Key words：black liquor； alkali recovery boiler； numerical simulation； model

黑液的燃燒特性研究成果眾多，對(duì)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)起到了重要作用，但由于這些研究成果基本都是離散的，很難反映堿回收鍋爐中黑液燃燒的全貌、爐內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)、煙氣組分和機(jī)械攜帶分布規(guī)律等，因此基于理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)值仿真技術(shù)受到重視和發(fā)展。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)研究成果形成共性的模塊，拓展應(yīng)用范圍，黑液燃燒和堿回收鍋爐領(lǐng)域的科研工作者在充分總結(jié)實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了眾多的數(shù)值仿真技術(shù)模型，對(duì)堿回收鍋爐技術(shù)的發(fā)展和提高提供了重要的工具和手段。

數(shù)值仿真技術(shù)以其低成本、高效率的優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今工程技術(shù)發(fā)展必不可少的工具，而數(shù)值仿真的核心在于內(nèi)部模型是否能夠合理地描述對(duì)應(yīng)的物理化學(xué)現(xiàn)象。國(guó)外較早地開展了黑液燃燒方面的數(shù)值仿真研究，如美國(guó)造紙工業(yè)協(xié)會(huì)（IPC）、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）和芬蘭赫爾辛基理工大學(xué)（TKK）等科研機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)了多個(gè)描述黑液在堿回收鍋爐中燃燒過(guò)程的數(shù)值模型，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。國(guó)外的研究成果多為商業(yè)所有，具有商業(yè)保密性，其研究成果與經(jīng)驗(yàn)無(wú)從借鑒，國(guó)內(nèi)對(duì)黑液的數(shù)值仿真研究時(shí)間不長(zhǎng)，但近期取得了一定的成果，武漢武鍋能源工程有限公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的一種UDF黑液燃燒模型是比較有代表性的研究成果。

1 黑液噴射流體計(jì)算模型

Levesque D等人[2]研究表明黑液噴射模型可以很好地預(yù)測(cè)黑液的噴射特性，有利于改進(jìn)噴槍設(shè)計(jì)、提高堿回收鍋爐運(yùn)行操作水平，包括提高連續(xù)運(yùn)行周期、芒硝還原率和減少受熱面管子腐蝕，降低運(yùn)行負(fù)荷。Sarchami A[3]提出了用于預(yù)測(cè)黑液噴射液滴尺寸的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)輸入黑液參數(shù)與噴嘴規(guī)格數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)噴射液滴的尺寸和速度，該模型預(yù)測(cè)的液滴尺寸精確度更高，適用范圍更廣。

固含量70%～80%的黑液在室溫下呈固態(tài)，為了泵送高濃黑液，需要將黑液加熱到130～140℃，并保持12～20℃的過(guò)熱溫度，當(dāng)黑液從噴槍噴射后壓力急劇降低，形成如圖2所示的閃蒸現(xiàn)象，造成噴射速度較初始速度增加2～3倍；圖3所示為噴槍流體模型準(zhǔn)則，圖3中給出了液體流動(dòng)中的壓力和速度變化，在噴嘴末端壓力降到環(huán)境壓力時(shí)，速度快速升高，而噴射速度的升高與壓力降低和黑液閃蒸有關(guān)[4-5]。Blinkov V N等人[6]的Nozzle Flow計(jì)算流體模型由質(zhì)量、動(dòng)量、能量、蒸汽質(zhì)量、氣泡數(shù)量密度5個(gè)方程構(gòu)成，該模型可用于閃蒸和非閃蒸兩種黑液噴射場(chǎng)合，并考慮了非牛頓流體的影響。Virtamen R[7]在Nozzle Flow模型基礎(chǔ)上創(chuàng)立了液壓阻力模型，該模型考慮了飛濺板壓力下降對(duì)黑液噴射的影響，Virtanen通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)噴射模型進(jìn)行了驗(yàn)證，具有較高的可信度。

Jrvinen M P等人[8]改進(jìn)了Nozzle Flow模型，展示了發(fā)生在噴嘴管內(nèi)部復(fù)雜過(guò)程的信息，給出了壓力、速度、空隙率、氣泡數(shù)密度、氣泡尺寸和流體所有物理性質(zhì)的參數(shù)，該模型可為堿回收鍋爐模擬提供可靠的噴射液滴初始數(shù)據(jù)，為堿回收鍋爐的工業(yè)運(yùn)行提供重要參數(shù)，如噴嘴內(nèi)氣泡數(shù)量在109個(gè)/m3時(shí)噴射效果比較好。

ANSYS FLUENT[9]軟件中的壓力-旋流霧化器噴嘴模型，如圖4所示。從圖4中可看出，流體經(jīng)過(guò)旋流噴頭被加速后，進(jìn)入中心旋流室，由于離心力的作用，液體集中在四周壁面處，在流體中心形成空氣柱，然后液體以不穩(wěn)定的薄膜狀態(tài)從噴口噴出，破碎成絲狀物及液滴。在氣體透平、燃油爐、直接噴射點(diǎn)火式汽車內(nèi)燃機(jī)的液體燃料燃燒中，壓力-旋流霧化噴嘴使用很廣泛。液體從內(nèi)部流體到完全霧化的過(guò)程可分為3個(gè)步驟：液膜形成、液膜破碎及液滴形成。

2 單液滴燃燒數(shù)值仿真技術(shù)研究

Walsh A R[10]拓展了單顆粒模型，并同Sumnicht D W[11]和Jones A K[12]一起提出了堿回收鍋爐數(shù)值仿真計(jì)算模型——FLUENT/RFM模型。Walsh A R結(jié)合他人黑液燃燒模型研究，提出了一種可以預(yù)測(cè)單個(gè)液滴運(yùn)行軌跡和燃燒特性的二維TRAC模型，該模型中液滴懸浮燃燒受粒徑大小、上升氣流速度和揮發(fā)分析出時(shí)間的影響，Walsh三維模型結(jié)合顆粒燃燒和軌跡分析來(lái)預(yù)測(cè)噴射入爐膛內(nèi)的黑液狀態(tài)和位置。Sumnicht D W結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究成果，將墊層表面的活性層反應(yīng)簡(jiǎn)化，認(rèn)為墊層表面的活性物質(zhì)和上部氣體進(jìn)行質(zhì)量和能量的交換，從而建立起質(zhì)量和能量平衡方程來(lái)分析墊層反應(yīng)和爐膛下部反應(yīng)，預(yù)測(cè)墊層表面的溫度、焦炭燃燒速率以及芒硝還原率。Jones A K發(fā)展了堿回收鍋爐三維計(jì)算模型，全參數(shù)化模擬爐膛內(nèi)的黑液燃燒狀況，對(duì)爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)、煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、機(jī)械攜帶、液滴燃燒和墊層反應(yīng)進(jìn)行全面模擬分析。通過(guò)FLUENT/RFM模型計(jì)算結(jié)果表明爐膛中心形成了“溝流”，增加了機(jī)械攜帶，爐膛中心氧含量較低，從而造成燃燒不充分。 FLUENT/RFM模型在堿回收鍋爐數(shù)值仿真研究史上具有重要意義，對(duì)改進(jìn)堿回收鍋爐設(shè)計(jì)和提高工業(yè)化應(yīng)用水平起到了重要作用。但該模型對(duì)液滴燃燒相互間的傳質(zhì)傳熱過(guò)程和黑液液滴的霧化粒徑及速度分布缺少研究。

Kulas K A[13] 和Empie H J等人[14]模型中包含液滴干燥、揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒3個(gè)模塊，結(jié)合在一起可以全面模擬液滴的燃燒全過(guò)程。模型中干燥和揮發(fā)分燃燒均定義為傳熱控制過(guò)程；干燥模型使用單熱阻模型來(lái)計(jì)算表面沸點(diǎn)溫度，沸點(diǎn)溫度定義為液滴固形物含量的函數(shù)；當(dāng)液滴固形物含量達(dá)到95%時(shí)，認(rèn)為干燥結(jié)束揮發(fā)分燃燒開始；將焦炭燃燒定義為傳質(zhì)控制過(guò)程，焦炭與硫酸鹽、氧、水蒸氣和二氧化碳進(jìn)行反應(yīng)。

Blasiak W等人[15]提出了一種爐內(nèi)黑液燃燒和流動(dòng)過(guò)程的三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，包含通用CFD代碼，描述氣體流動(dòng)、傳熱和氣相反應(yīng)；懸浮黑液燃燒模型包括液滴懸浮燃燒模型和墊層模型。液滴燃燒模型包括干燥、熱解和焦炭燃燒3個(gè)連續(xù)階段，其計(jì)算方式遵循拉格朗日-歐拉準(zhǔn)則，其中液滴守恒方程遵循拉格朗日形式，氣相方程按歐拉形式；液滴相和氣相之間的聯(lián)系通過(guò)氣相方程的源項(xiàng)建立；墊層燃燒通過(guò)它們的界面條件與氣相耦合；整體質(zhì)量守恒取決于液滴落在墊層表面的狀態(tài)。該模型可以間接提供堿回收鍋爐腐蝕、機(jī)械攜帶的傾向性，并可為堿回收鍋爐設(shè)計(jì)和操作提供重要參考信息，但缺少對(duì)NO和煙塵形成機(jī)理的研究。

Wessel R A等人[16]使用堿回收鍋爐商用三維數(shù)學(xué)計(jì)算模型，來(lái)描述黑液液滴燃燒反應(yīng)、受熱面的積灰和墊層反應(yīng)（Na2S還原反應(yīng)和焦炭氣化反應(yīng)），并預(yù)測(cè)堿回收鍋爐內(nèi)化學(xué)組分分布、溫度場(chǎng)、焦炭燃燒速率、墊層還原反應(yīng)、芒硝還原率、焦炭氣化速率和機(jī)械攜帶，但沒有給出模型的細(xì)節(jié)。

焦炭燃燒等溫模型不考慮干燥和熱解的影響，認(rèn)為黑液焦炭燃燒過(guò)程中顆粒表面會(huì)形成氣相層（H2O、CO2、H2和CO），顆粒燃燒模型見圖5。由圖5（a）所示，氣相層在低流速下，焦炭與氣相層的H2O、CO2發(fā)生反應(yīng)生成H2和CO，C、O2和Na2SO4的反應(yīng)只占很小一部分，外層的O2與H2、CO發(fā)生氧化反應(yīng)生成H2O、CO2；設(shè)定O2只有在顆粒內(nèi)的C耗盡后才能到達(dá)表面，Na2S的氧化反應(yīng)可以不計(jì)[17-18]。

Jrvinen M P[19]完善了單顆粒燃燒模型，增加了顆粒內(nèi)部質(zhì)量和熱傳遞方程，考慮了干燥、熱解和焦炭燃燒在液滴反應(yīng)過(guò)程中的相互重疊和影響，對(duì)熱解過(guò)程顆粒內(nèi)部碳和水的自氣化機(jī)理進(jìn)行了描述；由圖5（b）可知，當(dāng)對(duì)流速度太高時(shí)，熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分氣體在氣流攜帶下脫離顆粒表面進(jìn)行反應(yīng)，顆粒表面并不能形成氣相層。Jrvinen M P[20]進(jìn)一步給出了解決液滴熱量傳遞和氣相質(zhì)量傳遞方法，對(duì)干燥和熱解過(guò)程中的顆粒內(nèi)部、氣-碳、氣-氣反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明形成的碳大部分被內(nèi)部析出的水分氣化而消耗，熱解階段碳轉(zhuǎn)化程度和熱解速率主要受膨脹和顆粒內(nèi)大空隙形成的影響；黑液液滴膨脹越大，顆粒結(jié)構(gòu)越均勻，熱解結(jié)束時(shí)的碳轉(zhuǎn)化率就越高。Jrvinen M P[21]還對(duì)黑液熱解過(guò)程中的碳釋放率和膨脹關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了導(dǎo)熱率模型，認(rèn)為Rosseland平均吸收系數(shù)aR近似為輻射傳熱率，其值為850 m-1時(shí)具有最佳相關(guān)性，這對(duì)應(yīng)于1.2 mm的平均穿透長(zhǎng)度，非常接近于實(shí)驗(yàn)中觀察到的顆?？障冻叽?，而對(duì)于1 mm的空隙，模型預(yù)測(cè)的有效導(dǎo)熱率偏小。

Ramesh S等人[22]提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的黑液液滴模型，可以來(lái)估算從黑液噴射位置到墊層的爐內(nèi)行程時(shí)間，對(duì)液滴在爐內(nèi)干燥、熱解和焦炭燃燒的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行模擬，并可為堿回收鍋爐提供安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的液滴適宜粒徑。

3 堿回收鍋爐數(shù)值仿真技術(shù)研究

墊層的平穩(wěn)燃燒有利于堿回收鍋爐穩(wěn)定、高效和安全運(yùn)行，墊層同時(shí)為無(wú)機(jī)物化學(xué)反應(yīng)特別是Na2S還原反應(yīng)提供重要環(huán)境，墊層居于爐膛的核心位置?；旧纤械暮谝喝紵Ｐ椭械膲|層形狀均是固定的，質(zhì)能交換發(fā)生在表面很薄的活性層，這與實(shí)際的墊層區(qū)別較大，Engblom M[23]提出了動(dòng)態(tài)墊層模型并發(fā)展了墊層燃燒模型，利用CFD程序的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格特征，當(dāng)墊層形狀發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算網(wǎng)格會(huì)動(dòng)態(tài)計(jì)算以適應(yīng)新的邊界位置。對(duì)于給定的焦炭累積速率，焦炭表觀密度的數(shù)值影響墊層體積的物理變化速率。在選定的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，可以假設(shè)碳累積速率保持恒定；時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)最大位置變動(dòng)為0.05～0.1 m，典型的時(shí)間范圍為30 s～2 min。墊層形狀更新后，形成新的穩(wěn)態(tài)模擬過(guò)程，包括氣相、液滴和墊層。在模擬計(jì)算過(guò)程中墊層四周邊界和最小允許高度均受限制的。Engblom M通過(guò)改變黑液噴射粒徑大小利用新模型對(duì)墊層形狀進(jìn)行了模擬，并同兩臺(tái)運(yùn)行的堿回收鍋爐內(nèi)觀測(cè)到的墊層圖像進(jìn)行了比較，取得了基本一致的結(jié)果。

Fletcher T H等人[24]發(fā)展了預(yù)測(cè)煤熱解（CPD）模型，通過(guò)核磁（NMR）分析和理論分析確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，用來(lái)預(yù)測(cè)黑液或生物質(zhì)熱解過(guò)程中揮發(fā)分和焦炭的析出數(shù)據(jù)，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，具有較高的精確度。

Cardoso M等人[25]利用商用計(jì)算軟件WinGEMS分析了黑液堿回收鍋爐的性能，將操作變量和設(shè)計(jì)參數(shù)作為模型輸入數(shù)據(jù)來(lái)建立物料和能量平衡方程，熱效率同黑液固形物含量密切相關(guān)，黑液濃度從72%提高到100%，堿回收鍋爐蒸汽產(chǎn)量可以提高10%。WinGEMS軟件可以預(yù)測(cè)堿回收鍋爐內(nèi)的溫度場(chǎng)，但不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃燒氣體的分布。應(yīng)用PSL模型可以較好地預(yù)測(cè)黑液液滴的膨脹指數(shù)和燃燒時(shí)間[26]。

Ferreira D J O等人[27]利用CFD軟件對(duì)堿回收鍋爐內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行分析，取得了較好的模擬結(jié)果。對(duì)四次風(fēng)的布置方式進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明四次風(fēng)對(duì)改善煙氣流動(dòng)具有積極作用，認(rèn)為四次風(fēng)口采用對(duì)稱布置可以提高堿回收鍋爐的性能，延長(zhǎng)煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間，從而降低了污染物排放。

Fakhrai R[28]對(duì)黑液堿回收鍋爐內(nèi)模擬進(jìn)行了算法和網(wǎng)格優(yōu)化，以保持模擬的先進(jìn)水平，通過(guò)數(shù)值方法求解流動(dòng)物理的控制微分方程，能夠預(yù)測(cè)氣體速度，溫度分布和濃度場(chǎng)。Fakhrai R建立了NO模型，假定燃料型NO來(lái)自揮發(fā)分析出和焦炭燃燒的釋放，通過(guò)模擬NO形成表明，熱力型NO和快速型NO對(duì)整個(gè)NO形成具有邊際效應(yīng)，燃料型NO的形成依賴于黑液中氮元素含量。

克瓦納動(dòng)力公司聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)[29]開發(fā)了三維定態(tài)燃燒模型，模擬燃燒情況下液滴的軌跡、溫度的峰值等參數(shù)，提高分析燃燒工藝和預(yù)測(cè)無(wú)法測(cè)量參數(shù)的能力，優(yōu)化爐膛設(shè)計(jì)。武漢特種鍋爐公司和加拿大PSL公司合作，對(duì)云南云景林紙股份有限公司2#堿回收鍋爐進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改造后堿回收鍋爐性能大幅提高[30]。PSL公司采用標(biāo)準(zhǔn)ε-κ雙方程湍流模型[31]來(lái)模擬爐膛三維湍流流動(dòng)，采用離散射線法模擬爐內(nèi)的輻射換熱，CH4、H2、CO氣相燃燒采用Magnussen模型，黑液液滴運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日方法由氣固兩相的動(dòng)量交換進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算機(jī)模型得到了大量商業(yè)應(yīng)用。由于商業(yè)保密，克瓦納動(dòng)力公司和PSL公司均沒有給出詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型。

Jerry Y[32]分析了堿回收鍋爐NOx的生成來(lái)源，認(rèn)為燃料型NOx比例最大，但隨著黑液濃度提高熱力型和快速型NOx將增加，未來(lái)應(yīng)進(jìn)行考慮。Jerry Y提出了堿回收鍋爐燃料型NOx計(jì)算模型，該模型中氮的轉(zhuǎn)化路線如圖6所示，該反應(yīng)包括6個(gè)反應(yīng)方程，并給出了方程中的應(yīng)用系數(shù)，該模型已進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，具有較高的參考價(jià)值。Anders B等人[33]研究了黑液液滴轉(zhuǎn)換模型和墊層特性模型，氣相反應(yīng)機(jī)理可以描述為21類54個(gè)反應(yīng)，并應(yīng)用到CFD軟件中，揭示了NOx的形成以及各種運(yùn)行工藝參數(shù)對(duì)NOx生成的影響。

武漢武鍋能源工程有限公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)[34]聯(lián)合開發(fā)了黑液堿回收鍋爐UDF燃燒模型，在借鑒國(guó)外公開發(fā)表的黑液燃燒數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了黑液顆粒內(nèi)部具體成分的估算模型，利用顆粒內(nèi)組分變化來(lái)判斷所處燃燒階段，給出了黑液顆粒燃燒模型，提出了針對(duì)大顆粒黑液的焦床模型。應(yīng)用UDF模型對(duì)一臺(tái)300 t（絕干）/d的堿回收鍋爐進(jìn)行了模擬研究，通過(guò)與PSL公司的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了相似結(jié)果，證明該模型具有一定的實(shí)用價(jià)值。使用開發(fā)的黑液燃燒UDF程序?qū)A回收鍋爐的燃燒情況進(jìn)行模擬，得到爐內(nèi)速度、溫度、組分濃度的分布以及不同初始粒徑的顆粒在氣相空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，可對(duì)堿回收鍋爐內(nèi)的燃燒、機(jī)械攜帶以及可能出現(xiàn)的腐蝕、結(jié)渣情況做出了定性的預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 論

本課題對(duì)黑液液滴的噴射流體模型、單液滴的燃燒模型和堿回收鍋爐數(shù)值模型的發(fā)展歷程進(jìn)行較為全面的介紹，這些計(jì)算流體熱力學(xué)模型的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐起到了積極的作用。當(dāng)前黑液堿回收鍋爐的數(shù)值仿真技術(shù)研究著重于某一局部細(xì)節(jié)的完善，如何使數(shù)值仿真技術(shù)能更精細(xì)和完美的展現(xiàn)黑液在爐膛內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程，以提高熱能利用效率，指導(dǎo)堿回收鍋爐降低污染物（NOx和SO2等），將是未來(lái)一段時(shí)間研究的重點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：常 青）