黑液堿回收系統(tǒng)計算流體力學模擬研究最新進展

王益?zhèn)?徐永建 郭康康 岳小鵬

（陜西科技大學輕工科學與工程學院，輕化工程國家級實驗教學示范中心，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，中國輕工業(yè)紙基功能材料重點實驗室，陜西西安，710021）

堿法制漿黑液含有大量無機物和有機物，通常在濃縮后被送入堿回收爐中燃燒，以回收熱能和化學品[1-3]。黑液處理技術(shù)及黑液綜合利用一直是制漿造紙工程技術(shù)人員關(guān)注的研究熱點和難點[4]。黑液堿回收系統(tǒng)包括黑液蒸發(fā)濃縮、燃燒、苛化及白泥煅燒等工段，目前堿回收技術(shù)仍然是工業(yè)化處理黑液以回收化學品和熱能的成熟技術(shù)[5-6]。研究表明[7]，提高入爐黑液固含量，實現(xiàn)高固含量黑液輸送和燃燒已成為堿回收技術(shù)的發(fā)展方向。貴州赤天化紙業(yè)有限公司的堿回收系統(tǒng)采用了黑液高溫鈍化技術(shù)，顯著降低了黑液黏度，改善了黑液流動性，實現(xiàn)了提高黑液固含量的工藝目標，進一步改善了堿回收爐的工況及黑液燃燒穩(wěn)定性[8]。高固含量黑液有利于黑液燃燒，但對黑液管道輸送和噴嘴霧化產(chǎn)生的影響尚未獲得準確評估[9-10]。因此，通過計算流體力學（CFD）技術(shù)可以模擬研究高固含量黑液的流變學性質(zhì)及管道輸送和霧化燃燒等過程。

黑液是一種特殊的有機物/無機物混合流體，高固含量黑液呈現(xiàn)出高黏度、非牛頓流體的流變學特征[11]。CFD技術(shù)是一種重要的模擬研究工具，國外研究人員對黑液堿回收爐的數(shù)值模型進行研究，如加拿大的過程仿真公司（PSL）根據(jù)堿回收爐模擬研究結(jié)果完善并研發(fā)了適用于堿回收爐的模型，可以預(yù)測黑液燃燒污染物的排放[12-13]。國內(nèi)關(guān)于黑液模擬的研究較少，武漢武鍋能源工程有限公司與哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合開發(fā)了基于Fluet軟件平臺的用戶定義函數(shù)（UDF）程序以構(gòu)建黑液燃燒模型，推動了國內(nèi)堿回收爐的數(shù)值模擬研究[14]。本文對應(yīng)用CFD數(shù)學模型模擬高固含量黑液流動特性及其霧化燃燒等過程的研究進行了綜述，旨在為實現(xiàn)高固含量黑液堿回收提供理論參考，對于推動黑液堿回收的理論研究和推動適合我國國情的非木材紙漿黑液堿回收技術(shù)的實踐具有重要意義。

1 堿回收爐數(shù)值計算模型

1.1 黑液霧化模型

黑液的霧化性能是評價堿回收爐黑液燃燒效果的關(guān)鍵。Fluent軟件自帶霧化模型，包括平口噴嘴霧化模型、壓力旋流霧化模型和氣泡霧化模型等。其中，壓力旋流霧化模型的原理是流體經(jīng)過噴嘴內(nèi)部的旋流片加速后進入中心旋流室，然后沿壁面流轉(zhuǎn)，在流體中心形成空氣柱，以不穩(wěn)定的薄膜狀噴出，進而破碎成液滴形態(tài)[15]。此外，F(xiàn)luent軟件支持構(gòu)建霧化噴嘴的幾何模型，用于研究黑液的霧化性能，其與黑液的物理性質(zhì)（如黑液黏度、密度和表面張力[16]）密切相關(guān)。通過研究黑液液膜厚度、破碎距離、霧化錐角、粒徑分布等參數(shù)可以評價堿回收爐黑液的霧化性能。眾多研究者采用不同的數(shù)學模型，以不同角度分析了不同黑液的霧化性能，但研究過程存在尚未考慮的實際條件，如黑液流動過程的熱傳遞和黑液（非牛頓流體）黏度的變化對霧化參數(shù)的影響，筆者對比、歸納了與此相關(guān)的研究，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，堿回收爐常用濺板式噴嘴噴射黑液，其模型簡單且霧化效果好，應(yīng)用最為廣泛?；趯嶋H工況條件，通常需研究黑液物理性質(zhì)（如黑液固含量）、黑液的噴射壓力及黑液噴嘴的尺寸對黑液霧化參數(shù)的影響，以此探究適用于堿回收爐燃燒的最佳黑液液滴尺寸，以提高堿回收爐運行效率。

表1 堿回收黑液霧化模型的研究現(xiàn)狀Table 1 Research status of black liquor atomization model for alkali recovery

1.2 黑液燃燒模型

黑液燃燒過程分為4個階段：干燥、熱解、焦炭燃燒和無機殘渣反應(yīng)[24]。黑液經(jīng)堿回收爐配置的多個噴嘴霧化后形成液滴噴入爐膛，產(chǎn)生的小液滴可以迅速被干燥、充分燃燒，大液滴干燥后因來不及充分燃燒而降落在熔融物墊層上。據(jù)文獻報道[25]，液滴干燥和熱解過程中發(fā)生的膨脹、對流傳熱、熱輻射和內(nèi)部傳熱，以及焦炭燃燒階段的碳氧化和水汽化等均會影響黑液在堿回收爐膛內(nèi)的運動軌跡和燃燒行為。因此，除黑液霧化參數(shù)（液滴尺寸、霧化錐角、噴射角度等）外，探究黑液液滴形狀（球形和非球形）、干燥與熱解過程中的液滴膨脹、氣體與液滴間相互作用以及傳熱和傳質(zhì)等影響堿回收爐黑液的飛行軌跡和燃燒行為的因素，有利于提高堿回收爐運行效率。

通常，堿回收爐黑液燃燒模型包括等溫模型和非等溫模型，等溫模型易構(gòu)建且便于計算，常用于研究黑液燃燒的各個階段，但此模型忽略了燃燒過程中黑液顆粒內(nèi)部的溫度梯度；非等溫模型改善了等溫模型存在的缺陷，考慮了燃燒過程中黑液顆粒內(nèi)部溫度的變化，可以精準預(yù)測黑液液滴在堿回收爐內(nèi)的飛行軌跡和燃燒行為，但非等溫模型結(jié)構(gòu)復雜、計算耗時。因此，等溫模型仍是研究堿回收爐黑液燃燒最常用的模擬方法，對于非等溫模型還需簡化模型、開發(fā)適用于實際堿回收爐黑液燃燒的子模型。筆者對相關(guān)研究進行了總結(jié)和歸納，結(jié)果如表2所示。

表2 堿回收爐黑液燃燒模型研究進展Table 2 Research progress of black liquor combustion model in alkali recovery furnace

2 黑液霧化數(shù)值模擬研究進展

黑液霧化是為了增加黑液液滴的蒸發(fā)表面積，加強黑液液滴與助燃空氣的混合，保證黑液液滴在爐膛內(nèi)部能夠迅速、完全干燥并炭化。由于入爐黑液固含量高、黏度大，需要直徑大的噴嘴進行霧化，但是這樣產(chǎn)生的壓力較低，黑液液滴平均粒徑較大，導致黑液霧化液滴含有大量非球形液滴[40]。濺板式噴嘴通常用于堿回收爐噴射黑液，利用液體噴射撞擊固體表面形成液膜，并在液膜變薄后徑向擴散，在周圍介質(zhì)、湍流條件下形成細小液滴[41]以提高黑液霧化效率。濺板式噴嘴的3D模型如圖1（a）所示。由圖1（a）可知，黑液通過噴槍噴口以一定噴射角度噴射在濺板上碎裂散入堿回收爐，隨后被霧化。圖1（b）為黑液的霧化過程[20]。堿回收爐的實際工作溫度高達1000℃，對堿回收爐內(nèi)黑液霧化形成的液滴尺寸不能直接進行測量，因此，通常通過數(shù)值模擬的方法為實際工業(yè)堿回收系統(tǒng)運行提供理論指導。

圖1 （a）濺板式噴嘴3D模型[20]；（b）黑液霧化過程[20]Fig.1(a)3D model of splash nozzle[20];(b)black liquor atom?ization process[20]

Foust等人[18]建立了濺板式噴嘴三維模型，采用流體體積分數(shù)VOF模型預(yù)測黑液（固含量為35%、50%）從液膜破碎到形成液滴的霧化特性；結(jié)果表明，無外殼的噴嘴比有外殼的噴嘴形成的霧化錐角更大，黑液液滴分散性更好，提高了黑液的霧化效率。數(shù)值模擬結(jié)果表明，噴嘴的幾何形狀會影響黑液的霧化特性，但需對更細的網(wǎng)格進行計算，確保實驗結(jié)果的準確性。Levesque等人[16]開發(fā)了用于預(yù)測黑液霧化特性的計算機代碼BLSpray，研究了3種不同直徑噴嘴、噴射角度和噴射速度對黑液霧化特性的影響；總結(jié)了黑液黏度、表面張力、密度及噴射速度對黑液液滴尺寸的影響；提出了對BLSpray模型進行二次開發(fā)以精確預(yù)測黑液液滴尺寸、改善管道腐蝕并提高負載運行能力的思路，有助于改善堿回收爐黑液燃燒行為。Sarchami等人[42]提出采用離散液滴代替連續(xù)液滴的濺板式噴嘴霧化模型，采用拉格朗日噴射霧化程序模擬噴霧動力學和液滴尺寸分布，研究了黑液霧化形成的液膜厚度和液滴尺寸分布，分析了濺板式噴嘴中心線和邊緣的液滴尺寸；結(jié)果表明，液滴尺寸在噴嘴中心線處最大，中心線與邊緣處液滴尺寸最小，邊緣處液滴尺寸可低至中心線液滴尺寸的一半。Kankkunen等人[43]研究了高固含量木漿黑液（固含量為75%）的霧化過程，分析了黑液噴射溫度、質(zhì)量流量和閃蒸現(xiàn)象對黑液液滴形成的影響；結(jié)果表明，升高溫度可增大黑液噴射速度，而質(zhì)量流量對黑液噴射速度沒有影響；但低質(zhì)量流量條件下易發(fā)生閃蒸，進而影響黑液液滴尺寸與形狀，噴嘴管內(nèi)閃蒸導致高固含量黑液在霧化過程中產(chǎn)生大量非球形液滴；研究還發(fā)現(xiàn)，液滴直徑小于2 mm的黑液液滴占比小于3.7%，液滴直徑大于6 mm的黑液液滴占比為2%~76%，表明閃蒸會導致黑液液滴直徑增大。

非木材原料，尤其是竹材（我國造紙原料的補充），其高硅含量會導致黑液黏度增大，給堿回收系統(tǒng)造成一系列困擾。劉宇陽[15]采用VOF模型仿真模擬了木漿黑液（固含量為61%）通過壓力旋流霧化噴嘴的霧化過程，研究了黑液的物理性質(zhì)（黑液黏度、密度和表面張力）對黑液霧化液滴尺寸和堿回收爐黑液液滴分布的影響；層流模型模擬結(jié)果表明，黑液黏度和表面張力與霧化液滴尺寸呈正比，而黑液密度與霧化液滴尺寸呈反比；熔融物墊層上明顯出現(xiàn)了直徑大于4.8 mm的大液滴，且小液滴（直徑1.5~2.0 mm）均勻分布在熔融物墊層中心；因此可知，與湍流模型模擬黑液霧化效果相比，層流模型的霧化效果更好。Xu等人[20]模擬了高固含量竹漿黑液（固含量為70%、80%）在一定入口壓力下通過不同直徑濺板式噴嘴的流動特性與霧化過程；結(jié)果表明，黑液液膜厚度由噴嘴直徑?jīng)Q定，與黑液固含量和噴射壓力無關(guān)；相較于大直徑噴嘴，采用小直徑噴嘴時，黑液液膜破碎距離更小，霧化效果更好；當黑液固含量增至80%時，在130 kPa下的霧化錐角僅為11°，霧化效果不明顯。因此，高固含量竹漿黑液霧化需采用小直徑噴嘴和較高壓力（160 kPa或170 kPa）條件，可保證降低黑液液膜破碎距離和增大霧化錐角，以達到更好的霧化效果。

雖然眾多研究者針對堿回收爐黑液霧化模擬研究提出了建議，但目前實際生產(chǎn)中，堿回收系統(tǒng)黑液入爐固含量通常大于78%，甚至大于80%，為提高高固含量黑液的霧化性能，還需進一步模擬研究高固含量黑液的霧化性能及其影響因素，以及高固含量黑液對堿回收系統(tǒng)運行產(chǎn)生的影響。

3 黑液燃燒數(shù)值模擬研究進展

對黑液燃燒階段進行數(shù)值模擬研究，可進一步指導黑液堿回收的實際過程，眾多研究學者和工廠實踐人員對此做了大量研究。貴州赤天化紙業(yè)有限公司開發(fā)了一種由黑液噴槍槍管、槍頭和濺板組成的堿回收爐黑液燃燒專用噴槍，其槍頭與濺板呈38°夾角，且在槍頭前端設(shè)有二次噴口，以防止黑液大量飛散及濺射在爐壁上，有利于在爐底形成良好墊層[44]。在堿回收爐改造應(yīng)用中，采用CFD模擬可更好地優(yōu)化堿回收爐燃燒空氣系統(tǒng)，PSL過程仿真公司通過堿回收爐計算和模擬研究爐內(nèi)燃燒并取得了一定成果，有利于改善新堿回收爐的設(shè)計，并使其達到最佳性能[45-46]。Merriam等人[26]開發(fā)了堿回收爐黑液燃燒模型，研究了黑液單液滴的飛行軌跡和干燥燃燒行為；結(jié)果表明，黑液霧化參數(shù)、液滴形狀、液滴膨脹等對黑液燃燒過程具有顯著影響。Horton等人[47]采用兩種直徑的噴嘴，基于CFD流場模型預(yù)測堿回收爐流場分布，采用黑液燃燒模型預(yù)測黑液的3個燃燒階段和黑液在爐膛邊界的分布；模擬研究結(jié)果表明，爐膛中心氣體速度最高，隨后向上流動的速度減小；與小直徑噴嘴相比，采用大直徑噴嘴霧化產(chǎn)生的黑液大液滴來不及燃燒而擊中熔融物墊層的現(xiàn)象更明顯，且大液滴黑液燃燒活性較高，因而產(chǎn)生了大量煙氣導致溫度升高。J?rvinen等人[36-37]提出了適用于CFD模型的黑液單液滴干燥燃燒模型，其涵蓋了非等溫液滴干燥與燃燒階段重疊的可能性，并探究了膨脹行為引起的干燥后液滴顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對脫揮發(fā)分和炭汽化的作用；結(jié)果表明，完全脫揮發(fā)分與干燥后的焦炭轉(zhuǎn)化率取決于顆粒的膨脹，顆粒膨脹體積越大，顆粒結(jié)構(gòu)越均勻，焦炭轉(zhuǎn)化率越大。

在高溫條件下，輻射是堿回收爐中非常重要的傳熱機制。Ferreira等人[48]采用兩種輻射模型模擬堿回收爐黑液燃燒與顆粒飛行軌跡；結(jié)果表明，無輻射模型中，靠近爐膛壁面的黑液顆粒呈上升趨勢，而輻射模型研究中出現(xiàn)了黑液顆粒流動竄流現(xiàn)象。因此，即使在高溫燃燒模擬中沒有離散相，也需考慮輻射的影響。Cardoso等人[49]基于WinGEMS模擬器研究了桉木制漿黑液燃燒對堿回收爐回收性能的影響；結(jié)果表明，當黑液固含量從72%提升至99.9%（假設(shè)條件）時，蒸汽產(chǎn)量增加了10%；蒸汽產(chǎn)量增加的原因可能是由進爐前黑液的濃縮所致，且堿回收爐溫度明顯提高，主要分布在燃燒的爐膛，因此促進了黑液燃燒的穩(wěn)定性，增加了蒸汽產(chǎn)量。該實驗進一步對比燃燒參數(shù)與堿回收爐測量值，可知堿回收爐溫度與實際溫度一致；不足之處在于WinGEMS模型沒有考慮鍋爐中的硫與鈉鹽的化學反應(yīng)，因此燃燒產(chǎn)生的煙氣分布不均；WinGEMS模型雖然準確預(yù)測了堿回收爐中的溫度分布，但若要預(yù)測爐內(nèi)燃燒氣體的分布，還需進一步改進模型。

紀曉瑜[50]通過Fluent軟件對草漿黑液在流化床中的燃燒過程進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)黑液液滴進入爐膛后，在爐膛中下部出現(xiàn)范圍較小的高溫區(qū)，此處由于固定碳和揮發(fā)分劇烈燃燒可能產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象，而爐膛中上部的溫度隨爐膛高度增加而下降，且在爐膛底部沒有發(fā)生燃燒，因此在爐膛中下部布置埋管可有效抑制燒結(jié)現(xiàn)象。張建新[51]針對一臺處理量為300 t/d（絕干）的堿回收爐，利用UDF程序編入Fluent以模擬堿回收爐燃燒情況；結(jié)果表明，黑液霧化后液滴在重力作用下向下運動，粒徑小于0.5 mm的顆粒進入爐膛上部，這一部分顆粒可能在飄向煙氣管道時造成堵塞，粒徑小于1.4 mm的顆粒降落在熔融物墊層前可以完成燃燒過程，粒徑小于2.2 mm的顆粒在落到熔融物墊層前可完全干燥，粒徑大于2.2 mm的顆粒熱解過程發(fā)生在熔融物墊層表面，導致熔融物墊層表面的氣體可燃物濃度較高，這表明黑液霧化后液滴粒徑控制在0.5~2.2 mm間，可保證其充分燃燒。

綜上可知，國內(nèi)外研究人員在堿回收系統(tǒng)黑液燃燒模擬研究方面已做了一些初步工作，堿回收系統(tǒng)黑液燃燒通常與燃燒各個階段相關(guān)，尤其是干燥和熱解過程液滴的膨脹行為對其運動軌跡和燃燒階段黑液顆粒內(nèi)部溫度梯度的影響。因此，進一步完善黑液單顆粒燃燒與運動軌跡模型和非等溫模型的研究，為模擬研究堿回收爐黑液燃燒提供了一種可靠的預(yù)測方法，并為解決高固含量黑液在堿回收系統(tǒng)中產(chǎn)生的新問題提供詳細數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

4 總結(jié)與展望

本文歸納了多個基于計算流體力學（CFD）所開發(fā)的堿回收系統(tǒng)黑液霧化與燃燒的數(shù)值計算模型，并綜述了堿回收爐黑液霧化和燃燒模擬技術(shù)研究進展，這對我國黑液堿回收系統(tǒng)的實踐應(yīng)用產(chǎn)生了積極指導作用。目前，我國在黑液數(shù)值模擬研究領(lǐng)域取得了長足進展，但缺乏對非木漿制漿黑液的模擬研究。而竹漿是我國目前產(chǎn)量最大的非木漿種之一，堿回收系統(tǒng)竹漿黑液入爐固含量通常大于78%，甚至大于80%。因此，對竹漿黑液的模擬研究更為迫切，特別是高固含量條件下的竹漿黑液霧化和燃燒的模擬研究。在竹漿黑液的模擬研究過程中，需考慮高固含量下黑液的非牛頓流體特性，同時結(jié)合黑液燃燒階段的膨脹性及非等溫性，進一步開發(fā)黑液燃燒階段的簡化模型或用戶定義函數(shù)（UDF）程序，研究管道中黑液的流動特性及黑液的霧化和燃燒等。因此，后續(xù)需要提出新的思路繼續(xù)深入研究，優(yōu)化模型并針對不同模型與實驗結(jié)果進行對比驗證，揭示高固含量竹漿黑液的特性及燃燒規(guī)律，為改善竹漿黑液流動性及霧化性提供詳細的理論數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)堿回收系統(tǒng)高固含量竹漿黑液燃燒奠定理論基礎(chǔ)。筆者期望本文已綜述的方法對我國研究人員進行非木漿黑液堿回收模擬研究能夠提供一定參考。