堿回收鍋爐數值仿真技術研究進展

王大偉 唐華 欒小娟

摘 要：數值仿真技術作為重要的研究工具，在黑液堿回收鍋爐上的研究應用已有30余年的歷史，對推動堿回收鍋爐技術發展起到了積極的作用。本文較為系統的梳理了黑液堿回收鍋爐數值仿真技術的研究發展歷程，并對國內外具有代表性的模型進行了介紹。目前北歐和北美在堿回收鍋爐數值研究領域處于領先地位置，但我國也在開始積極研究并開發黑液燃燒模型，以應用于指導生產實踐。

關鍵詞：黑液；堿回收鍋爐；數值仿真；模型

中圖分類號：TS733.9

文獻標識碼：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，對指導工業生產起到了重要作用，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、爐內的流場狀態、煙氣組分和機械攜帶分布規律等，因此基于理論研究和實驗研究的數值仿真技術受到重視和發展。通過將實驗研究成果形成共性的模塊，拓展應用范圍，黑液燃燒和堿回收鍋爐領域的科研工作者在充分總結實驗研究和實踐經驗的基礎上，開發了眾多的數值仿真技術模型，對堿回收鍋爐技術的發展和提高提供了重要的工具和手段。

數值仿真技術以其低成本、高效率的優點而成為當今工程技術發展必不可少的工具，而數值仿真的核心在于內部模型是否能夠合理地描述對應的物理化學現象。國外較早地開展了黑液燃燒方面的數值仿真研究，如美國造紙工業協會（IPC）、加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）和芬蘭赫爾辛基理工大學（TKK）等科研機構，經過近30年的發展，已經開發了多個描述黑液在堿回收鍋爐中燃燒過程的數值模型，并實現了商業化應用。國外的研究成果多為商業所有，具有商業保密性，其研究成果與經驗無從借鑒，國內對黑液的數值仿真研究時間不長，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大學聯合開發的一種UDF黑液燃燒模型是比較有代表性的研究成果。

1 黑液噴射流體計算模型

Levesque D等人[2]研究表明黑液噴射模型可以很好地預測黑液的噴射特性，有利于改進噴槍設計、提高堿回收鍋爐運行操作水平，包括提高連續運行周期、芒硝還原率和減少受熱面管子腐蝕，降低運行負荷。Sarchami A[3]提出了用于預測黑液噴射液滴尺寸的數學模型，通過輸入黑液參數與噴嘴規格數據，預測噴射液滴的尺寸和速度，該模型預測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，為了泵送高濃黑液，需要將黑液加熱到130～140℃，并保持12～20℃的過熱溫度，當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則，圖3中給出了液體流動中的壓力和速度變化，在噴嘴末端壓力降到環境壓力時，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[4-5]。Blinkov V N等人[6]的Nozzle Flow計算流體模型由質量、動量、能量、蒸汽質量、氣泡數量密度5個方程構成，該模型可用于閃蒸和非閃蒸兩種黑液噴射場合，并考慮了非牛頓流體的影響。Virtamen R[7]在Nozzle Flow模型基礎上創立了液壓阻力模型，該模型考慮了飛濺板壓力下降對黑液噴射的影響，Virtanen通過實驗方法對噴射模型進行了驗證，具有較高的可信度。

Jrvinen M P等人[8]改進了Nozzle Flow模型，展示了發生在噴嘴管內部復雜過程的信息，給出了壓力、速度、空隙率、氣泡數密度、氣泡尺寸和流體所有物理性質的參數，該模型可為堿回收鍋爐模擬提供可靠的噴射液滴初始數據，為堿回收鍋爐的工業運行提供重要參數，如噴嘴內氣泡數量在109個/m3時噴射效果比較好。

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，流體經過旋流噴頭被加速后，進入中心旋流室，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，然后液體以不穩定的薄膜狀態從噴口噴出，破碎成絲狀物及液滴。在氣體透平、燃油爐、直接噴射點火式汽車內燃機的液體燃料燃燒中，壓力-旋流霧化噴嘴使用很廣泛。液體從內部流體到完全霧化的過程可分為3個步驟：液膜形成、液膜破碎及液滴形成。

2 單液滴燃燒數值仿真技術研究

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值仿真計算模型——FLUENT/RFM模型。Walsh A R結合他人黑液燃燒模型研究，提出了一種可以預測單個液滴運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分析出時間的影響，Walsh三維模型結合顆粒燃燒和軌跡分析來預測噴射入爐膛內的黑液狀態和位置。Sumnicht D W結合實驗研究成果，將墊層表面的活性層反應簡化，認為墊層表面的活性物質和上部氣體進行質量和能量的交換，從而建立起質量和能量平衡方程來分析墊層反應和爐膛下部反應，預測墊層表面的溫度、焦炭燃燒速率以及芒硝還原率。Jones A K發展了堿回收鍋爐三維計算模型，全參數化模擬爐膛內的黑液燃燒狀況，對爐內空氣動力場、煙氣流場、溫度場、機械攜帶、液滴燃燒和墊層反應進行全面模擬分析。通過FLUENT/RFM模型計算結果表明爐膛中心形成了“溝流”，增加了機械攜帶，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值仿真研究史上具有重要意義，對改進堿回收鍋爐設計和提高工業化應用水平起到了重要作用。但該模型對液滴燃燒相互間的傳質傳熱過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、揮發分燃燒和焦炭燃燒3個模塊，結合在一起可以全面模擬液滴的燃燒全過程。模型中干燥和揮發分燃燒均定義為傳熱控制過程；干燥模型使用單熱阻模型來計算表面沸點溫度，沸點溫度定義為液滴固形物含量的函數；當液滴固形物含量達到95%時，認為干燥結束揮發分燃燒開始；將焦炭燃燒定義為傳質控制過程，焦炭與硫酸鹽、氧、水蒸氣和二氧化碳進行反應。

Blasiak W等人[15]提出了一種爐內黑液燃燒和流動過程的三維穩態計算模型，包含通用CFD代碼，描述氣體流動、傳熱和氣相反應；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個連續階段，其計算方式遵循拉格朗日-歐拉準則，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系通過氣相方程的源項建立；墊層燃燒通過它們的界面條件與氣相耦合；整體質量守恒取決于液滴落在墊層表面的狀態。該模型可以間接提供堿回收鍋爐腐蝕、機械攜帶的傾向性，并可為堿回收鍋爐設計和操作提供重要參考信息，但缺少對NO和煙塵形成機理的研究。

Wessel R A等人[16]使用堿回收鍋爐商用三維數學計算模型，來描述黑液液滴燃燒反應、受熱面的積灰和墊層反應（Na2S還原反應和焦炭氣化反應），并預測堿回收鍋爐內化學組分分布、溫度場、焦炭燃燒速率、墊層還原反應、芒硝還原率、焦炭氣化速率和機械攜帶，但沒有給出模型的細節。

焦炭燃燒等溫模型不考慮干燥和熱解的影響，認為黑液焦炭燃燒過程中顆粒表面會形成氣相層（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發生反應生成H2和CO，C、O2和Na2SO4的反應只占很小一部分，外層的O2與H2、CO發生氧化反應生成H2O、CO2；設定O2只有在顆粒內的C耗盡后才能到達表面，Na2S的氧化反應可以不計[17-18]。

Jrvinen M P[19]完善了單顆粒燃燒模型，增加了顆粒內部質量和熱傳遞方程，考慮了干燥、熱解和焦炭燃燒在液滴反應過程中的相互重疊和影響，對熱解過程顆粒內部碳和水的自氣化機理進行了描述；由圖5（b）可知，當對流速度太高時，熱解產生的揮發分氣體在氣流攜帶下脫離顆粒表面進行反應，顆粒表面并不能形成氣相層。Jrvinen M P[20]進一步給出了解決液滴熱量傳遞和氣相質量傳遞方法，對干燥和熱解過程中的顆粒內部、氣-碳、氣-氣反應進行了研究，研究表明形成的碳大部分被內部析出的水分氣化而消耗，熱解階段碳轉化程度和熱解速率主要受膨脹和顆粒內大空隙形成的影響；黑液液滴膨脹越大，顆粒結構越均勻，熱解結束時的碳轉化率就越高。Jrvinen M P[21]還對黑液熱解過程中的碳釋放率和膨脹關聯性進行了研究，并通過實驗對比分析了導熱率模型，認為Rosseland平均吸收系數aR近似為輻射傳熱率，其值為850 m-1時具有最佳相關性，這對應于1.2 mm的平均穿透長度，非常接近于實驗中觀察到的顆粒空隙尺寸，而對于1 mm的空隙，模型預測的有效導熱率偏小。

Ramesh S等人[22]提出了一種簡單實用的黑液液滴模型，可以來估算從黑液噴射位置到墊層的爐內行程時間，對液滴在爐內干燥、熱解和焦炭燃燒的各項參數進行模擬，并可為堿回收鍋爐提供安全經濟運行的液滴適宜粒徑。

3 堿回收鍋爐數值仿真技術研究

墊層的平穩燃燒有利于堿回收鍋爐穩定、高效和安全運行，墊層同時為無機物化學反應特別是Na2S還原反應提供重要環境，墊層居于爐膛的核心位置。基本上所有的黑液燃燒模型中的墊層形狀均是固定的，質能交換發生在表面很薄的活性層，這與實際的墊層區別較大，Engblom M[23]提出了動態墊層模型并發展了墊層燃燒模型，利用CFD程序的動態網格特征，當墊層形狀發生變化時，計算網格會動態計算以適應新的邊界位置。對于給定的焦炭累積速率，焦炭表觀密度的數值影響墊層體積的物理變化速率。在選定的時間步長內，可以假設碳累積速率保持恒定；時間步長內最大位置變動為0.05～0.1 m，典型的時間范圍為30 s～2 min。墊層形狀更新后，形成新的穩態模擬過程，包括氣相、液滴和墊層。在模擬計算過程中墊層四周邊界和最小允許高度均受限制的。Engblom M通過改變黑液噴射粒徑大小利用新模型對墊層形狀進行了模擬，并同兩臺運行的堿回收鍋爐內觀測到的墊層圖像進行了比較，取得了基本一致的結果。

Fletcher T H等人[24]發展了預測煤熱解（CPD）模型，通過核磁（NMR）分析和理論分析確定了化學結構參數，用來預測黑液或生物質熱解過程中揮發分和焦炭的析出數據，并用試驗數據進行了驗證，具有較高的精確度。

Cardoso M等人[25]利用商用計算軟件WinGEMS分析了黑液堿回收鍋爐的性能，將操作變量和設計參數作為模型輸入數據來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，黑液濃度從72%提高到100%，堿回收鍋爐蒸汽產量可以提高10%。WinGEMS軟件可以預測堿回收鍋爐內的溫度場，但不能準確預測燃燒氣體的分布。應用PSL模型可以較好地預測黑液液滴的膨脹指數和燃燒時間[26]。

Ferreira D J O等人[27]利用CFD軟件對堿回收鍋爐內的空氣流場進行分析，取得了較好的模擬結果。對四次風的布置方式進行了模擬研究，結果表明四次風對改善煙氣流動具有積極作用，認為四次風口采用對稱布置可以提高堿回收鍋爐的性能，延長煙氣在爐內的停留時間，從而降低了污染物排放。

Fakhrai R[28]對黑液堿回收鍋爐內模擬進行了算法和網格優化，以保持模擬的先進水平，通過數值方法求解流動物理的控制微分方程，能夠預測氣體速度，溫度分布和濃度場。Fakhrai R建立了NO模型，假定燃料型NO來自揮發分析出和焦炭燃燒的釋放，通過模擬NO形成表明，熱力型NO和快速型NO對整個NO形成具有邊際效應，燃料型NO的形成依賴于黑液中氮元素含量。

克瓦納動力公司聯合研究機構[29]開發了三維定態燃燒模型，模擬燃燒情況下液滴的軌跡、溫度的峰值等參數，提高分析燃燒工藝和預測無法測量參數的能力，優化爐膛設計。武漢特種鍋爐公司和加拿大PSL公司合作，對云南云景林紙股份有限公司2#堿回收鍋爐進行了數值仿真模擬計算，在此基礎上進行了優化改進，改造后堿回收鍋爐性能大幅提高[30]。PSL公司采用標準ε-κ雙方程湍流模型[31]來模擬爐膛三維湍流流動，采用離散射線法模擬爐內的輻射換熱，CH4、H2、CO氣相燃燒采用Magnussen模型，黑液液滴運動采用拉格朗日方法由氣固兩相的動量交換進行計算，該計算機模型得到了大量商業應用。由于商業保密，克瓦納動力公司和PSL公司均沒有給出詳細的數學模型。

Jerry Y[32]分析了堿回收鍋爐NOx的生成來源，認為燃料型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，未來應進行考慮。Jerry Y提出了堿回收鍋爐燃料型NOx計算模型，該模型中氮的轉化路線如圖6所示，該反應包括6個反應方程，并給出了方程中的應用系數，該模型已進行商業化應用，具有較高的參考價值。Anders B等人[33]研究了黑液液滴轉換模型和墊層特性模型，氣相反應機理可以描述為21類54個反應，并應用到CFD軟件中，揭示了NOx的形成以及各種運行工藝參數對NOx生成的影響。

武漢武鍋能源工程有限公司和哈爾濱工業大學[34]聯合開發了黑液堿回收鍋爐UDF燃燒模型，在借鑒國外公開發表的黑液燃燒數學模型的基礎上，提出了黑液顆粒內部具體成分的估算模型，利用顆粒內組分變化來判斷所處燃燒階段，給出了黑液顆粒燃燒模型，提出了針對大顆粒黑液的焦床模型。應用UDF模型對一臺300 t（絕干）/d的堿回收鍋爐進行了模擬研究，通過與PSL公司的模擬結果進行對比，得到了相似結果，證明該模型具有一定的實用價值。使用開發的黑液燃燒UDF程序對堿回收鍋爐的燃燒情況進行模擬，得到爐內速度、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動軌跡，可對堿回收鍋爐內的燃燒、機械攜帶以及可能出現的腐蝕、結渣情況做出了定性的預測。

4 結 論

本課題對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值模型的發展歷程進行較為全面的介紹，這些計算流體熱力學模型的開發和應用對指導生產實踐起到了積極的作用。當前黑液堿回收鍋爐的數值仿真技術研究著重于某一局部細節的完善，如何使數值仿真技術能更精細和完美的展現黑液在爐膛內的反應過程，以提高熱能利用效率，指導堿回收鍋爐降低污染物（NOx和SO2等），將是未來一段時間研究的重點。

參 考 文 獻

[1] Miikkulainen P， Kankkunen A， Jarvinen M P， et al. Predicting droplet size from black liquor spray characteristics[J]. TAPPI Journal， 2005， 4（5）： 11.

[2] Levesque D， Fard M P， Morrison S. BL Spray： Understanding the effects of black liquor properties and splash-plate nozzle configuration on spary characteristics[J]. Pulp & Paper Canada， 2005， 106（3）： 34.

[3] Sarchami A. Modeling of Sprays Produced by Splash Plate Nozzles[D]. Toronto： University of Toronto， 2008.

[4] Miikkulainen P， Kankkunen A， Jrvinen M， et al. The significance of velocity in black liquor spraying[J]. TAPPI Journal， 2009， 8（1）： 36.

[5] Jrvinen M P， Virtanen R M， Kankkunen A P， et al. New Design Principles of Flashing Black Liquor Guns-Modeling and Experiments[C]. International Chemical Recovery Conference. Tampere， Finland： 2014.

[6] Blinkov V N， Jones O C， Nigmatulin B I. Nucleation and flashing in nozzles-2. Comparison with experiments using a five-equation model for vapor void development[J]. International Journal of Multiphase Flow， 1993， 19（93）： 965.

[7] Virtanen R. Black liquor spray model validation with particle image velocimetry measurements[D]. Helsinki： Aalto University， 2014.

[8] Jrvinen M P， Kankkunen A P， Miikkulainen P H， et al. A One-Dimensional Flow Model of a Flashing Black Liquor Gun： Study of Vapor Generation Sub-Models[C]. The Swedish and Finnish National Committees of the International Flame Research Foundation（IFRF）， 2011.

[9] ANSYS FluENT Theory Gnide[M]. Canonsburg： ANSY， Inc. 2017： 468.

[10] Walsh A R. A computer model for in-flight black liquor combustion in a kraft recovery furnace[D]. Atlanta： The Institute of Paper Chemistry， 1989.

[11] Sumnicht D W. A computer model of kraft char bed[D]. Atlanta： The Institute of Paper Chemistry， 1989.

[12] Jones A K. A Model of the kraft recovery furnace[D]. Atlanta： The Institute of Paper Chemistry， 1989.

[13] Kulas K A. An overall model of the combustion of a single droplet of kraft black liquor[D]. Atlanta： The Institute of Paper Science and Technology， 1990.

[14] Empie H J， Frederick J W， Grace T M， et al. Black liquor combustion-validated recovery boiler modeling capability： Part 1[R]. US DOE Report. 1991.

[15] Blasiak W， Tao L， Vaclavinek J， et al. Modeling of kraft recovery boilers[J]. Energy Conversion & Management， 1997， 38（5）： 995.

[16] Wessel R A， Parker K L， Verrill C L. Three-dimensional kraft recovery furnace model： implementation and results of improved black liquor combustion models[J]. TAPPI Journal， 1997， 80（10）： 207.

[17] Wag K J， Frederick W J， Reis V V， et al. Release of inorganic emissions during black liquor char combustion： a predictive model[C]. TAPPI Engineering Conference. Atlanta： TAPPI Press， 1995.

[18] Wag K I， Reis V V， Frederick W J， et al. Mathematical model for the release of inorganic emissions during black liquor char combustion[J]. TAPPI Journal， 1997， 80（5）： 135.

[19] Jrvinen M P. Numerical modeling of the drying， devolatilization and char conversion processes of black liquor droplets[D]. Helsinki： University of Technology， 2002.

[20] Jrvinen M P， Zevenhoven R， Vakkilainen E， et al. Black liquor devolatilization and swelling-a detailed droplet model and experimental validation[J]. Biomass & Bioenergy， 2003， 24（6）： 495.

[21] Jrvinen M P， Zevenhoven R， Vakkilainen E K， et al. Effective thermal conductivity and internal thermal radiation in burning black liquor particles[J]. Combustion Science and Technology， 2003， 175（5）： 873.

[22] Ramesh S， Mahalingam H， Rao N J. Mathematical Modeling of Drying of Black Liquor Droplets in Recovery Boilers[J]. International Journal of Chemical Engineering & Applications， 2014， 5（1）： 1.

[23] Engblom M. Modeling and field observations of char bed processes in black liquor recovery boilers[D]. HelsinRi： bo Akademi University， 2010.

[24] Fletcher T H， Pond H R， Webster J， et al. Prediction of Tar and Light Gas during Pyrolysis of Black Liquor and Biomass[J]. Energy & Fuels， 2012， 26（6）： 3381.

[25] Cardoso M， Costa G A A， Oliveira E D D， et al. Simulation of eucalyptus kraft black liquor combustion in industrial Recovery Boilers[J]. Latin American Applied Research， 2012， 42： 197.

[26] Shen D， Hu J， Zhang H， et al. Estimation of Thermal Instability of Two Lignins from Black Liquor by Thermogravimetric-Fourier Transform Infrared Spectroscopy[J]. Journal of Bioprocess Engineering and Biorefinery， 2012， 1（2）： 176.

[27] Ferreira D J O， Cardoso M， Park S W. Gas flow analysis in a Kraft recovery boiler[J]. Fuel Processing Technology， 2010， 91（7）： 789.

[28] Fakhrai R. Black Liquor Combustion in Kraft Recovery Boilers-Numerical Modelling[D]. Stockholm： Royal Institute of Technology， 2002.

[29] Kari Haaga， Jouko Putkonen. Modern Alkali Recovery Boiler Technology for Large-scale Pulp Mills[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2004， 19（z1）： 267.

Kari Haaga， Jouko Putkonen. 應用于大型漿廠的現代堿回收爐技術[J]. 中國造紙學報， 2004， 19（z1）： 267.

[30] Wang Dawei， Tang Hua. Discussion on Optimization and Improvement of Recovery Boiler of Yunjing Forestry & Pulp Co.， Ltd. [J]. Paper and Paper Making， 2010， 29（1）： 11.

王大偉， 唐 華. 云景林紙堿回收鍋爐的優化改進[J]. 紙和造紙， 2010， 29（1）： 11.

[31] YUAN jian-wei. Computer Modeling of Recovery Boilers and New Designs of Combustion Air System[J]. China Pulp & Paper， 2009， 28（8）： 39.

袁建偉. 堿回收鍋爐的計算機模擬及在燃燒系統設計上的應用[J]. 中國造紙， 2009， 28（8）： 39.

[32] Jerry Y. Prediction of NOx Emissions in Recovery Boilers—An Introduction to NOx Module[R]. Process Simulations Ltd.， Canada， 1999.

[33] Anders B， Markus E， Mikko H. Nitrogen oxide emission formation in a black liquor boiler[J]. Tappi Journal， 2008， 7（11）： 28.

[34] Zhang Jianxin. Modeling and Numerical Simulation of Black Liquor Combustion[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2015.

張建新. 黑液燃燒過程建模及數值模擬[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2015.

CPP

（責任編輯：常 青）