黑液碱回收系统计算流体力学模拟研究最新进展

王益伟 徐永建 郭康康 岳小鹏

（陕西科技大学轻工科学与工程学院，轻化工程国家级实验教学示范中心，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，中国轻工业纸基功能材料重点实验室，陕西西安，710021）

碱法制浆黑液含有大量无机物和有机物，通常在浓缩后被送入碱回收炉中燃烧，以回收热能和化学品[1-3]。黑液处理技术及黑液综合利用一直是制浆造纸工程技术人员关注的研究热点和难点[4]。黑液碱回收系统包括黑液蒸发浓缩、燃烧、苛化及白泥煅烧等工段，目前碱回收技术仍然是工业化处理黑液以回收化学品和热能的成熟技术[5-6]。研究表明[7]，提高入炉黑液固含量，实现高固含量黑液输送和燃烧已成为碱回收技术的发展方向。贵州赤天化纸业有限公司的碱回收系统采用了黑液高温钝化技术，显著降低了黑液黏度，改善了黑液流动性，实现了提高黑液固含量的工艺目标，进一步改善了碱回收炉的工况及黑液燃烧稳定性[8]。高固含量黑液有利于黑液燃烧，但对黑液管道输送和喷嘴雾化产生的影响尚未获得准确评估[9-10]。因此，通过计算流体力学（CFD）技术可以模拟研究高固含量黑液的流变学性质及管道输送和雾化燃烧等过程。

黑液是一种特殊的有机物/无机物混合流体，高固含量黑液呈现出高黏度、非牛顿流体的流变学特征[11]。CFD技术是一种重要的模拟研究工具，国外研究人员对黑液碱回收炉的数值模型进行研究，如加拿大的过程仿真公司（PSL）根据碱回收炉模拟研究结果完善并研发了适用于碱回收炉的模型，可以预测黑液燃烧污染物的排放[12-13]。国内关于黑液模拟的研究较少，武汉武锅能源工程有限公司与哈尔滨工业大学联合开发了基于Fluet软件平台的用户定义函数（UDF）程序以构建黑液燃烧模型，推动了国内碱回收炉的数值模拟研究[14]。本文对应用CFD数学模型模拟高固含量黑液流动特性及其雾化燃烧等过程的研究进行了综述，旨在为实现高固含量黑液碱回收提供理论参考，对于推动黑液碱回收的理论研究和推动适合我国国情的非木材纸浆黑液碱回收技术的实践具有重要意义。

1 碱回收炉数值计算模型

1.1 黑液雾化模型

黑液的雾化性能是评价碱回收炉黑液燃烧效果的关键。Fluent软件自带雾化模型，包括平口喷嘴雾化模型、压力旋流雾化模型和气泡雾化模型等。其中，压力旋流雾化模型的原理是流体经过喷嘴内部的旋流片加速后进入中心旋流室，然后沿壁面流转，在流体中心形成空气柱，以不稳定的薄膜状喷出，进而破碎成液滴形态[15]。此外，Fluent软件支持构建雾化喷嘴的几何模型，用于研究黑液的雾化性能，其与黑液的物理性质（如黑液黏度、密度和表面张力[16]）密切相关。通过研究黑液液膜厚度、破碎距离、雾化锥角、粒径分布等参数可以评价碱回收炉黑液的雾化性能。众多研究者采用不同的数学模型，以不同角度分析了不同黑液的雾化性能，但研究过程存在尚未考虑的实际条件，如黑液流动过程的热传递和黑液（非牛顿流体）黏度的变化对雾化参数的影响，笔者对比、归纳了与此相关的研究，结果如表1所示。

由表1可知，碱回收炉常用溅板式喷嘴喷射黑液，其模型简单且雾化效果好，应用最为广泛。基于实际工况条件，通常需研究黑液物理性质（如黑液固含量）、黑液的喷射压力及黑液喷嘴的尺寸对黑液雾化参数的影响，以此探究适用于碱回收炉燃烧的最佳黑液液滴尺寸，以提高碱回收炉运行效率。

表1 碱回收黑液雾化模型的研究现状Table 1 Research status of black liquor atomization model for alkali recovery

1.2 黑液燃烧模型

黑液燃烧过程分为4个阶段：干燥、热解、焦炭燃烧和无机残渣反应[24]。黑液经碱回收炉配置的多个喷嘴雾化后形成液滴喷入炉膛，产生的小液滴可以迅速被干燥、充分燃烧，大液滴干燥后因来不及充分燃烧而降落在熔融物垫层上。据文献报道[25]，液滴干燥和热解过程中发生的膨胀、对流传热、热辐射和内部传热，以及焦炭燃烧阶段的碳氧化和水汽化等均会影响黑液在碱回收炉膛内的运动轨迹和燃烧行为。因此，除黑液雾化参数（液滴尺寸、雾化锥角、喷射角度等）外，探究黑液液滴形状（球形和非球形）、干燥与热解过程中的液滴膨胀、气体与液滴间相互作用以及传热和传质等影响碱回收炉黑液的飞行轨迹和燃烧行为的因素，有利于提高碱回收炉运行效率。

通常，碱回收炉黑液燃烧模型包括等温模型和非等温模型，等温模型易构建且便于计算，常用于研究黑液燃烧的各个阶段，但此模型忽略了燃烧过程中黑液颗粒内部的温度梯度；非等温模型改善了等温模型存在的缺陷，考虑了燃烧过程中黑液颗粒内部温度的变化，可以精准预测黑液液滴在碱回收炉内的飞行轨迹和燃烧行为，但非等温模型结构复杂、计算耗时。因此，等温模型仍是研究碱回收炉黑液燃烧最常用的模拟方法，对于非等温模型还需简化模型、开发适用于实际碱回收炉黑液燃烧的子模型。笔者对相关研究进行了总结和归纳，结果如表2所示。

表2 碱回收炉黑液燃烧模型研究进展Table 2 Research progress of black liquor combustion model in alkali recovery furnace

2 黑液雾化数值模拟研究进展

黑液雾化是为了增加黑液液滴的蒸发表面积，加强黑液液滴与助燃空气的混合，保证黑液液滴在炉膛内部能够迅速、完全干燥并炭化。由于入炉黑液固含量高、黏度大，需要直径大的喷嘴进行雾化，但是这样产生的压力较低，黑液液滴平均粒径较大，导致黑液雾化液滴含有大量非球形液滴[40]。溅板式喷嘴通常用于碱回收炉喷射黑液，利用液体喷射撞击固体表面形成液膜，并在液膜变薄后径向扩散，在周围介质、湍流条件下形成细小液滴[41]以提高黑液雾化效率。溅板式喷嘴的3D模型如图1（a）所示。由图1（a）可知，黑液通过喷枪喷口以一定喷射角度喷射在溅板上碎裂散入碱回收炉，随后被雾化。图1（b）为黑液的雾化过程[20]。碱回收炉的实际工作温度高达1000℃，对碱回收炉内黑液雾化形成的液滴尺寸不能直接进行测量，因此，通常通过数值模拟的方法为实际工业碱回收系统运行提供理论指导。

图1 （a）溅板式喷嘴3D模型[20]；（b）黑液雾化过程[20]Fig.1(a)3D model of splash nozzle[20];(b)black liquor atom⁃ization process[20]

Foust等人[18]建立了溅板式喷嘴三维模型，采用流体体积分数VOF模型预测黑液（固含量为35%、50%）从液膜破碎到形成液滴的雾化特性；结果表明，无外壳的喷嘴比有外壳的喷嘴形成的雾化锥角更大，黑液液滴分散性更好，提高了黑液的雾化效率。数值模拟结果表明，喷嘴的几何形状会影响黑液的雾化特性，但需对更细的网格进行计算，确保实验结果的准确性。Levesque等人[16]开发了用于预测黑液雾化特性的计算机代码BLSpray，研究了3种不同直径喷嘴、喷射角度和喷射速度对黑液雾化特性的影响；总结了黑液黏度、表面张力、密度及喷射速度对黑液液滴尺寸的影响；提出了对BLSpray模型进行二次开发以精确预测黑液液滴尺寸、改善管道腐蚀并提高负载运行能力的思路，有助于改善碱回收炉黑液燃烧行为。Sarchami等人[42]提出采用离散液滴代替连续液滴的溅板式喷嘴雾化模型，采用拉格朗日喷射雾化程序模拟喷雾动力学和液滴尺寸分布，研究了黑液雾化形成的液膜厚度和液滴尺寸分布，分析了溅板式喷嘴中心线和边缘的液滴尺寸；结果表明，液滴尺寸在喷嘴中心线处最大，中心线与边缘处液滴尺寸最小，边缘处液滴尺寸可低至中心线液滴尺寸的一半。Kankkunen等人[43]研究了高固含量木浆黑液（固含量为75%）的雾化过程，分析了黑液喷射温度、质量流量和闪蒸现象对黑液液滴形成的影响；结果表明，升高温度可增大黑液喷射速度，而质量流量对黑液喷射速度没有影响；但低质量流量条件下易发生闪蒸，进而影响黑液液滴尺寸与形状，喷嘴管内闪蒸导致高固含量黑液在雾化过程中产生大量非球形液滴；研究还发现，液滴直径小于2 mm的黑液液滴占比小于3.7%，液滴直径大于6 mm的黑液液滴占比为2%~76%，表明闪蒸会导致黑液液滴直径增大。

非木材原料，尤其是竹材（我国造纸原料的补充），其高硅含量会导致黑液黏度增大，给碱回收系统造成一系列困扰。刘宇阳[15]采用VOF模型仿真模拟了木浆黑液（固含量为61%）通过压力旋流雾化喷嘴的雾化过程，研究了黑液的物理性质（黑液黏度、密度和表面张力）对黑液雾化液滴尺寸和碱回收炉黑液液滴分布的影响；层流模型模拟结果表明，黑液黏度和表面张力与雾化液滴尺寸呈正比，而黑液密度与雾化液滴尺寸呈反比；熔融物垫层上明显出现了直径大于4.8 mm的大液滴，且小液滴（直径1.5~2.0 mm）均匀分布在熔融物垫层中心；因此可知，与湍流模型模拟黑液雾化效果相比，层流模型的雾化效果更好。Xu等人[20]模拟了高固含量竹浆黑液（固含量为70%、80%）在一定入口压力下通过不同直径溅板式喷嘴的流动特性与雾化过程；结果表明，黑液液膜厚度由喷嘴直径决定，与黑液固含量和喷射压力无关；相较于大直径喷嘴，采用小直径喷嘴时，黑液液膜破碎距离更小，雾化效果更好；当黑液固含量增至80%时，在130 kPa下的雾化锥角仅为11°，雾化效果不明显。因此，高固含量竹浆黑液雾化需采用小直径喷嘴和较高压力（160 kPa或170 kPa）条件，可保证降低黑液液膜破碎距离和增大雾化锥角，以达到更好的雾化效果。

虽然众多研究者针对碱回收炉黑液雾化模拟研究提出了建议，但目前实际生产中，碱回收系统黑液入炉固含量通常大于78%，甚至大于80%，为提高高固含量黑液的雾化性能，还需进一步模拟研究高固含量黑液的雾化性能及其影响因素，以及高固含量黑液对碱回收系统运行产生的影响。

3 黑液燃烧数值模拟研究进展

对黑液燃烧阶段进行数值模拟研究，可进一步指导黑液碱回收的实际过程，众多研究学者和工厂实践人员对此做了大量研究。贵州赤天化纸业有限公司开发了一种由黑液喷枪枪管、枪头和溅板组成的碱回收炉黑液燃烧专用喷枪，其枪头与溅板呈38°夹角，且在枪头前端设有二次喷口，以防止黑液大量飞散及溅射在炉壁上，有利于在炉底形成良好垫层[44]。在碱回收炉改造应用中，采用CFD模拟可更好地优化碱回收炉燃烧空气系统，PSL过程仿真公司通过碱回收炉计算和模拟研究炉内燃烧并取得了一定成果，有利于改善新碱回收炉的设计，并使其达到最佳性能[45-46]。Merriam等人[26]开发了碱回收炉黑液燃烧模型，研究了黑液单液滴的飞行轨迹和干燥燃烧行为；结果表明，黑液雾化参数、液滴形状、液滴膨胀等对黑液燃烧过程具有显著影响。Horton等人[47]采用两种直径的喷嘴，基于CFD流场模型预测碱回收炉流场分布，采用黑液燃烧模型预测黑液的3个燃烧阶段和黑液在炉膛边界的分布；模拟研究结果表明，炉膛中心气体速度最高，随后向上流动的速度减小；与小直径喷嘴相比，采用大直径喷嘴雾化产生的黑液大液滴来不及燃烧而击中熔融物垫层的现象更明显，且大液滴黑液燃烧活性较高，因而产生了大量烟气导致温度升高。Järvinen等人[36-37]提出了适用于CFD模型的黑液单液滴干燥燃烧模型，其涵盖了非等温液滴干燥与燃烧阶段重叠的可能性，并探究了膨胀行为引起的干燥后液滴颗粒内部结构变化对脱挥发分和炭汽化的作用；结果表明，完全脱挥发分与干燥后的焦炭转化率取决于颗粒的膨胀，颗粒膨胀体积越大，颗粒结构越均匀，焦炭转化率越大。

在高温条件下，辐射是碱回收炉中非常重要的传热机制。Ferreira等人[48]采用两种辐射模型模拟碱回收炉黑液燃烧与颗粒飞行轨迹；结果表明，无辐射模型中，靠近炉膛壁面的黑液颗粒呈上升趋势，而辐射模型研究中出现了黑液颗粒流动窜流现象。因此，即使在高温燃烧模拟中没有离散相，也需考虑辐射的影响。Cardoso等人[49]基于WinGEMS模拟器研究了桉木制浆黑液燃烧对碱回收炉回收性能的影响；结果表明，当黑液固含量从72%提升至99.9%（假设条件）时，蒸汽产量增加了10%；蒸汽产量增加的原因可能是由进炉前黑液的浓缩所致，且碱回收炉温度明显提高，主要分布在燃烧的炉膛，因此促进了黑液燃烧的稳定性，增加了蒸汽产量。该实验进一步对比燃烧参数与碱回收炉测量值，可知碱回收炉温度与实际温度一致；不足之处在于WinGEMS模型没有考虑锅炉中的硫与钠盐的化学反应，因此燃烧产生的烟气分布不均；WinGEMS模型虽然准确预测了碱回收炉中的温度分布，但若要预测炉内燃烧气体的分布，还需进一步改进模型。

纪晓瑜[50]通过Fluent软件对草浆黑液在流化床中的燃烧过程进行了数值模拟，发现黑液液滴进入炉膛后，在炉膛中下部出现范围较小的高温区，此处由于固定碳和挥发分剧烈燃烧可能产生烧结现象，而炉膛中上部的温度随炉膛高度增加而下降，且在炉膛底部没有发生燃烧，因此在炉膛中下部布置埋管可有效抑制烧结现象。张建新[51]针对一台处理量为300 t/d（绝干）的碱回收炉，利用UDF程序编入Fluent以模拟碱回收炉燃烧情况；结果表明，黑液雾化后液滴在重力作用下向下运动，粒径小于0.5 mm的颗粒进入炉膛上部，这一部分颗粒可能在飘向烟气管道时造成堵塞，粒径小于1.4 mm的颗粒降落在熔融物垫层前可以完成燃烧过程，粒径小于2.2 mm的颗粒在落到熔融物垫层前可完全干燥，粒径大于2.2 mm的颗粒热解过程发生在熔融物垫层表面，导致熔融物垫层表面的气体可燃物浓度较高，这表明黑液雾化后液滴粒径控制在0.5~2.2 mm间，可保证其充分燃烧。

综上可知，国内外研究人员在碱回收系统黑液燃烧模拟研究方面已做了一些初步工作，碱回收系统黑液燃烧通常与燃烧各个阶段相关，尤其是干燥和热解过程液滴的膨胀行为对其运动轨迹和燃烧阶段黑液颗粒内部温度梯度的影响。因此，进一步完善黑液单颗粒燃烧与运动轨迹模型和非等温模型的研究，为模拟研究碱回收炉黑液燃烧提供了一种可靠的预测方法，并为解决高固含量黑液在碱回收系统中产生的新问题提供详细数据和理论基础。

4 总结与展望

本文归纳了多个基于计算流体力学（CFD）所开发的碱回收系统黑液雾化与燃烧的数值计算模型，并综述了碱回收炉黑液雾化和燃烧模拟技术研究进展，这对我国黑液碱回收系统的实践应用产生了积极指导作用。目前，我国在黑液数值模拟研究领域取得了长足进展，但缺乏对非木浆制浆黑液的模拟研究。而竹浆是我国目前产量最大的非木浆种之一，碱回收系统竹浆黑液入炉固含量通常大于78%，甚至大于80%。因此，对竹浆黑液的模拟研究更为迫切，特别是高固含量条件下的竹浆黑液雾化和燃烧的模拟研究。在竹浆黑液的模拟研究过程中，需考虑高固含量下黑液的非牛顿流体特性，同时结合黑液燃烧阶段的膨胀性及非等温性，进一步开发黑液燃烧阶段的简化模型或用户定义函数（UDF）程序，研究管道中黑液的流动特性及黑液的雾化和燃烧等。因此，后续需要提出新的思路继续深入研究，优化模型并针对不同模型与实验结果进行对比验证，揭示高固含量竹浆黑液的特性及燃烧规律，为改善竹浆黑液流动性及雾化性提供详细的理论数据，为实现碱回收系统高固含量竹浆黑液燃烧奠定理论基础。笔者期望本文已综述的方法对我国研究人员进行非木浆黑液碱回收模拟研究能够提供一定参考。