賈中堅,刁永發(fā),張儷安,周發(fā)山,沈恒根

駐極體磁纖維捕集荷電Fe基細顆粒數(shù)值模擬

賈中堅,刁永發(fā)*,張儷安,周發(fā)山,沈恒根

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620)

為了進一步實現(xiàn)超低排放,針對鋼鐵冶金以及鑄造行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的Fe基細顆粒,提出駐極體磁纖維提高對微細顆粒捕集的方法.本文基于計算流體力學(xué)-離散相模型(CFD-DPM)分別研究了纖維荷電量、顆粒預(yù)荷電電場強度、纖維磁感應(yīng)強度以及顆粒磁化率對駐極體磁纖維捕集性能的影響.結(jié)果表明:在駐極體磁纖維周圍顆粒所受到的磁場力相對于庫侖力受距離影響更加明顯,磁場力只在纖維附近極短距離內(nèi)作用明顯.捕集效率與纖維荷電量以及預(yù)荷電電場強度呈線性關(guān)系,對于0.5 μm顆粒,捕集效率隨纖維荷電量以及預(yù)荷電電場強度的增長速率低于2.5 μm的顆粒.當(dāng)顆粒粒徑為0.5~1.0 μm時,增大駐極體磁纖維的磁感應(yīng)強度以及提高顆粒磁化率對于捕集效率的提高作用較小.當(dāng)顆粒粒徑為1.5~2.5 μm時,增大駐極體磁纖維的磁感應(yīng)強度以及提高顆粒磁化率能夠明顯提高纖維的捕集效率.

磁纖維；庫侖力；Fe基細顆粒；駐極體；磁場力

隨著我國工業(yè)化進程的發(fā)展,大氣顆粒物帶來的環(huán)境污染以及人體健康問題日益嚴重[1-2].鋼鐵冶金、鑄造等行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含F(xiàn)e基顆粒[3-8].纖維過濾技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵、空氣凈化以及建筑通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域,但存在穿透粒徑,對于0.1~1.0μm的細顆粒捕集效率較低[9].

針對Fe基細顆粒,有學(xué)者提出通過增設(shè)磁場實現(xiàn)顆粒的高效脫除,主要包括磁團聚和磁分離技術(shù).關(guān)于磁團聚方面, Li等[10]研究了勻強磁場中磁通密度、停留時間、顆粒濃度以及氣體流速對不同種類粉塵團聚效果的影響,發(fā)現(xiàn)粉塵特性對團聚效果影響明顯. Zhao等[11]研究結(jié)果表明通過在燃煤飛灰中添加磁性粒子能夠提高飛灰的團聚效果,但并未考慮磁性粒子的粒徑對團聚效果的影響.也有學(xué)者對磁分離技術(shù)進行研究,魯端峰等[12]發(fā)現(xiàn)增大磁場強度以及提高聚磁介質(zhì)的填充率能夠提高顆粒的脫除效率. Huang等[13]對磁化的金屬網(wǎng)進行研究數(shù)值模擬,得到了最佳的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行參數(shù),但利用磁場捕集顆粒的效果有限. Zhao等[14]實驗研究了磁場強度、風(fēng)速對磁團聚效果的影響,發(fā)現(xiàn)磁團聚和機械過濾方式共同作用能夠明顯提高脫除效率.磁纖維是通過共沉淀法將納米磁性粒子負載到傳統(tǒng)纖維上,實現(xiàn)對顆粒物的高效控制[15],其主要應(yīng)用于除塵凈化、廢水治理等領(lǐng)域[16-18].張儷安等[19-20]研究了高梯度磁場中運行參數(shù)以及顆粒特性對磁纖維捕集效率的影響.但是磁纖維中磁場力對顆粒捕集強化效果對于顆粒磁性要求較高,對于低磁化率的顆粒捕集效率較低.

磁纖維能夠提高對Fe基細顆粒的捕集效率,但存在低磁化率顆粒,磁場增強作用并不明顯的問題.電場作用能夠增強纖維對微細顆粒物的捕集效率,而駐極體纖維是通過靜電紡絲、摩擦放電、電暈放電等方式使得傳統(tǒng)纖維帶電[21],常應(yīng)用于空氣凈化以及個人防護領(lǐng)域[22-23],由于電場力的作用提高了傳統(tǒng)纖維的捕集效率.對于中性顆粒,由于駐極體纖維周圍電場使得顆粒產(chǎn)生感應(yīng)電荷在電泳力作用下向纖維周圍運動,但電泳力較小,對于捕集效率的提高有限.通過對顆粒進行荷電能夠明顯提高駐極體纖維的捕集效率,唐敏等[24]實驗研究了駐極體濾料對荷電顆粒的過濾效率,發(fā)現(xiàn)帶電強度較高的駐極體過濾材料,最易穿透粒徑在15~30nm之間.文獻[25-26]研究了電場作用下不同濾料對荷電顆粒的過濾性能,但并未考慮空氣環(huán)境對過濾性能的影響.由于顆粒和纖維材質(zhì)本身特性直接影響荷電量,而空氣濕度的增加將導(dǎo)致纖維和顆粒電荷量衰減[27],因此駐極體纖維長期使用則捕集效率下降.駐極體磁纖維由于考慮了磁場對微細顆粒物的作用,避免了長期使用電荷量衰減從而導(dǎo)致捕集效率下降的問題[28].駐極體磁纖維濾料雖然一定程度上增加了顆粒與纖維間的作用力,在工業(yè)應(yīng)用中增大清灰難度,但靜電力作用會使得粉塵形成稀松濾餅層,降低過濾阻力[29-31].該種纖維適用于相對濕度較低的工業(yè)環(huán)境中,此外在空氣凈化以及個體防護領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用前景[28].

為了進一步提高對Fe基細顆粒的捕集,一方面提出通過采用電暈荷電方式對磁纖維進行荷電處理,制成駐極體磁纖維,另一方面通過預(yù)荷電電場對顆粒進行荷電.目前,關(guān)于駐極體磁纖維對荷電Fe基細顆粒捕集機理的報道較少.本文基于計算流體力學(xué)-離散相模型(CFD-DPM)通過在傳統(tǒng)纖維模型上利用用戶自定義函數(shù)(UDF)添加顆粒所受到的磁場作用力和庫侖力,研究駐極體磁纖維以及顆粒特性對捕集性能的影響,為進一步了解駐極體磁纖維捕集性能提供理論參考.

1 計算模型

1.1 物理模型建立

纖維作為組成濾料的基本單元, Kuwabara單纖維過濾模型常用于分析纖維過濾介質(zhì)表面塵粒捕集問題[32].為了簡化,本文假設(shè)顆粒從進口面隨氣流均勻釋放,單纖維簡化為圓柱體,顆粒經(jīng)過纖維表面被捕集(圖1).根據(jù)Kuwabara單纖維過濾模型可知,規(guī)定以纖維中心為圓心,中心到上下邊界的距離為半徑的圓形區(qū)域為控制面,單纖維填充率定義為纖維面積/控制面的面積.本文中纖維直徑為20mm,計算區(qū)域長200mm,高100mm,經(jīng)計算得出纖維填充率為4.0%.

圖1 計算區(qū)域與邊界條件

本文邊界條件設(shè)置如下:進口設(shè)置“Velocity inlet”,出口設(shè)置“Pressure outlet”,上下邊界條件設(shè)置為:“Symmetry”,對于微米級纖維直徑忽略滑移效應(yīng),纖維表面設(shè)置為無滑移固體壁面邊界條件.纖維長度遠遠大于直徑,可假設(shè)纖維為無限長,忽略長度方面的影響,該模型可以簡化為二維模型.荷電Fe基顆粒在駐極體磁纖維周圍主要受到磁場力和電場力的作用,如圖2所示.

1.2 流場模型

對纖維過濾情形,濾料內(nèi)部流動為低雷諾數(shù)(<1)流動[33],本文采用層流、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮模型,其連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程如下[34]:

式中:為流體速度,0.1m/s;為流體密度,1.225kg/ m3;為流體動力學(xué)黏度,1.7894×10-5Pa·s;為流體壓強,Pa.

圖2 顆粒在駐極體磁纖維周圍所受到的力

mr、mθ為磁場力的徑向與切向分量,N;Cr、Cθ為庫倫力的徑向與切向分量,N

1.3 顆粒運動方程

采用拉格朗日法對顆粒進行跟蹤,忽略顆粒間的相互作用,顆粒視為具有相同物性參數(shù)的球形粒子,根據(jù)牛頓第二定律,單個粒子運動方程[19]如下:

式中:為粒子質(zhì)量,kg;p為粒子速度,m/s;p為粒子密度,2500kg/m3;d為流體對粒子的曳力,N;b粒子所受的布朗力,N;m為磁場中粒子所受的磁力,N;C為粒子所受的庫侖力,N;other為粒子受到的虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力、Basset力、Magnus力、Saffman升力、洛倫茲力等作用力,N,本研究中忽略.

顆粒在磁場中所受的磁力可以分解為徑向方向(mr)和切向方向(mq),表達式如下[20]:

式中:0為真空磁導(dǎo)率,2.256×10-6;p為顆粒磁化率;為背景磁場強度,,在本研究未考慮背景磁場因此設(shè)置為0;為纖維磁感應(yīng)強度,T;為顆粒中心與磁纖維中心的距離,m;為顆粒與纖維連線與坐標(biāo)軸的夾角,f為磁纖維直徑,m;p為顆粒直徑,m.

顆粒受到的庫侖力的表達式如下[35]:

式中:為電場荷電與擴散荷電聯(lián)合作用導(dǎo)致顆粒的電荷量,C;f為帶電纖維在處產(chǎn)生的電場強度,V/m;為纖維電荷量,C;0為真空介電常數(shù),8.85×10-12C/ (V?m);為顆粒中心與磁纖維中心的距離,m;為顆粒相對介電常數(shù),6;為預(yù)荷電電場強度,kV/m;為氣體分子平均自由程, 6.65×10-8m;p為顆粒直徑,m.

1.4 模型驗證

為了排除網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響,分別選取3.3萬、11.7萬、18.8萬數(shù)量網(wǎng)格對不同數(shù)下的進出口壓力損失進行計算,如圖3.經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),3.3萬、11.7萬、18.8萬所對應(yīng)的平均壓力損失分別為1.751, 1.765, 1.767Pa,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為11.7萬、18.8萬時,兩者計算結(jié)果較為接近.從以上分析可以看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為11.7萬時,計算結(jié)果較為準(zhǔn)確,可排除網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響.

單纖維捕集顆粒的捕集效率()計算公式如下:

式中:in為進口處顆粒數(shù);out為出口處顆粒數(shù).

式中:0為計算捕集效率;為纖維層厚度,m;p為直接碰撞系數(shù)p=p∕f;為斯托克斯數(shù);為填充率.

為了驗證單纖維對顆粒捕集模型的準(zhǔn)確性,將計算結(jié)果與Davies經(jīng)驗公式進行對比,如圖3、圖4所示.發(fā)現(xiàn)該模擬結(jié)果壓力損失和捕集效率與Davies經(jīng)驗公式(9)(10)結(jié)果較為一致,其中壓力損失誤差在5%以內(nèi),捕集效率誤差在10%以內(nèi).為了進一步驗證磁場力公式,將模擬結(jié)果的捕集效率與楊榮清[36]的實驗結(jié)果進行比較,如圖4(b),發(fā)現(xiàn)誤差在15%以內(nèi).

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

圖4 模型驗證

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維產(chǎn)生的作用力

從圖5(a)中可以看出3種纖維的捕集效率均隨著顆粒粒徑的增大而增大,其中駐極體纖維高于磁纖維的捕集效率.圖5(b)表示荷電Fe基細顆粒在3種纖維周圍不同距離處所受到的外場力的大小,其中顆粒在駐極體纖維周圍主要受到庫侖力的作用,在磁纖維周圍受到磁場力的作用.從中可以看出,在纖維表面附近,磁纖維產(chǎn)生的磁場力的大小明顯高于駐極體纖維產(chǎn)生的庫侖力的大小,隨著距離的增加,兩種纖維所產(chǎn)生的力場均減小,但磁纖維產(chǎn)生的力的下降速率大于駐極體纖維,在距離纖維表面0.767μm時,兩者大小相等.由于顆粒所受到的磁場力相對于庫侖力受距離影響更加明顯,磁場力只在纖維附近極短距離內(nèi)作用明顯,因此磁纖維的捕集效率低于駐極體纖維,但駐極體磁纖維因為同時考慮了庫侖力和磁場力,所以效率明顯高于磁纖維和駐極體纖維.對于1.0μm顆粒的捕集,在駐極體纖維下捕集效率為2.23%,磁纖維捕集效率為1.49%,而駐極體磁纖維捕集效率達到3.35%.圖6為荷電Fe基細顆粒在駐極體纖維、磁纖維以及駐極體磁纖維周圍的運動軌跡.由于駐極體磁纖維在靜電力以及磁場力的共同作用下使得更遠處的細顆粒向纖維表面移動,因此相對于駐極體以及磁纖維能夠捕集更多的顆粒.

圖5 三種纖維捕集效率對比

=100kV/m,=1×10-6C/m2,p=1 μm,p=0.025,=0.02T

圖6 三種纖維周圍顆粒運動軌跡對比

(a) 磁纖維 (b) 駐極體纖維 (c) 駐極體磁纖維

2.2 纖維與顆粒特性對捕集效率的影響

圖7 顆粒預(yù)荷電電場強度對捕集效率的影響

=0.5×10-6C/m2,p=0.025,=0.02T

2.2.1 顆粒預(yù)荷電電場強度對捕集效率的影響 為了提高對Fe基細顆粒的捕集效率,通過增設(shè)預(yù)荷電電場使得顆粒荷電,顆粒在場致荷電和擴散荷電共同作用下荷電,荷電量的大小主要受外部電場強度的影響.從圖7中可以看出相對于磁纖維,外界電場的設(shè)置能夠大大提高顆粒荷電量,而荷電量直接影響顆粒所受到庫侖力的大小,因此當(dāng)增大預(yù)荷電電場強度時,能夠直接提高駐極體磁纖維對荷電Fe基細顆粒的捕集效率.駐極體磁纖維與駐極體纖維兩者的差異隨著顆粒預(yù)荷電電場強度的增加而減小,同時隨著顆粒粒徑的增大而增大,當(dāng)預(yù)荷電電場強度較小時,駐極體磁纖維與駐極體纖維的差異較為明顯,此時磁場力能夠提高對顆粒的捕集效率.從圖7(b)可以看出,駐極體磁纖維捕集效率與預(yù)荷電電場強度呈線性關(guān)系,通過線性擬合發(fā)現(xiàn)對于0.5μm顆粒,斜率較小為0.0056,對于2.5μm顆粒,斜率較大,為0.0160.由此可見,顆粒粒徑越大,受預(yù)荷電電場強度影響越明顯.磁纖維對于0.5μm顆粒捕集效率為0.37%,當(dāng)預(yù)荷電電場強度為500kV/m時駐極體磁纖維的捕集效率為3.34%,效率僅僅提高了2.97%;但對于2.5μm顆粒,磁纖維捕集效率為4.83%,駐極體磁纖維(=500kV/m)的捕集效率為12.63%,效率提高了7.80%.

2.2.2 纖維荷電量對捕集效率的影響 纖維荷電量同樣會影響駐極體磁性纖維的捕集效率,由圖8可知,與增大顆粒預(yù)荷電電場強度相同,增大駐極體磁纖維所帶的電荷量同樣會增大捕集效率,這是由于纖維所攜帶的電荷量越大,顆粒所受到的庫侖力越大,將會使得更遠處的顆粒在庫侖力的作用下向纖維移動導(dǎo)致捕集效率越高.捕集效率隨纖維荷電量的變化規(guī)律與隨顆粒預(yù)荷電電場強度的變化規(guī)律相似,捕集效率與纖維荷電量呈線性關(guān)系,通過線性擬合發(fā)現(xiàn):2.5μm>1.5μm>0.5μm,由于粒徑越大的顆粒慣性作用越強,顆粒運動軌跡不易改變,更易與纖維碰撞,而當(dāng)顆粒距離纖維越近,所受到的庫侖力越大,因此較大粒徑的顆粒捕集效率易受纖維荷電量的影響.對于2.5μm顆粒,當(dāng)駐極體磁纖維荷電量從0.5×10-6C/m2增加到2.5×10-6C/m2時,捕集效率提高了9.29%,而對于0.5μm顆粒,捕集效率提僅僅提高了2.97%.

圖8 纖維荷電量對捕集效率的影響

=100kV/m,p=0.025,=0.02T

2.2.3 纖維磁感應(yīng)強度對捕集效率的影響 從圖9中可以看出,隨著顆粒粒徑的增大,捕集效率逐漸增加.相對于駐極體纖維,駐極體磁纖維由于產(chǎn)生了磁場力,使得荷電Fe基細顆粒同時受到磁場力和庫侖力的共同作用,從而使得捕集效率進一步提高.對于粒徑較小的顆粒,增大磁纖維的磁感應(yīng)強度對于捕集效率的提高作用較小,當(dāng)顆粒粒徑為0.5μm時,纖維磁感應(yīng)強度從0.01T增大到0.05T時,效率從0.37%提高到1.10%.這是因為粒徑較小的顆粒受到的慣性作用較小,氣流的跟隨性較好,而氣流通過纖維周圍發(fā)生繞流運動導(dǎo)致迎面處氣流遠離纖維,從而導(dǎo)致隨氣流運動的較小粒徑的顆粒遠離纖維,而磁場力隨著與纖維距離的增加迅速下降,僅僅在顆粒到達纖維表面較近處作用明顯,在遠離纖維表面的位置磁場力較小,導(dǎo)致駐極體磁纖維相對于駐極體纖維對于粒徑較小顆粒的捕集效率提升效果并不明顯.

圖9 纖維磁感應(yīng)強度對捕集效率的影響

=100kV/m,=0.5×10-6C/m2,p=0.025

2.2.4 顆粒磁化率對捕集效率的影響 從圖10中可以看出當(dāng)磁場強度一定時,隨著顆粒磁化率的增加,由于磁化率較高的顆粒受到的磁場力越大,從而使得捕集效率增大.當(dāng)顆粒粒徑較小時,磁化率的增加對于捕集效率的提高作用效果并不明顯.這是因為磁化率的增大,雖然一定程度上提高了磁場力,但由于磁場力隨距離的增加迅速衰減,在距離纖維表面較遠處磁場力較小,而氣流跟隨性較好的細顆粒慣性作用較小由于氣流脫離纖維造成粒徑較小顆粒遠離纖維,導(dǎo)致提高顆粒磁化率對于增強細顆粒捕集效率作用有限.當(dāng)顆粒粒徑較大時,由于慣性作用較強,較大粒徑的顆粒相對于粒徑較小的顆粒與纖維表面距離更近,更易受到磁場作用力的影響,因此增大顆粒磁化率能夠明顯提高纖維的捕集效率.當(dāng)顆粒粒徑在0.5~1.0μm時,增大顆粒磁化率,捕集效率提高較小;當(dāng)顆粒粒徑在1.5~2.5μm時,磁化率的增加能夠明顯提高捕集效率.

圖10 顆粒磁化率對捕集效率的影響

=100kV/m,=0.5×10-6C/m2,=0.02T

3 結(jié)論

3.1 在駐極體磁纖維表面附近,顆粒所受到的磁場力相對于庫侖力受距離影響更加明顯,磁場力只在纖維附近極短距離內(nèi)作用明顯,由于駐極體磁纖維同時考慮了庫侖力和磁場力,因此效率明顯高于磁纖維和駐極體纖維.

3.2 通過提高駐極體磁纖維表面荷電量以及增強顆粒預(yù)荷電電場強度增大顆粒荷電量,都將提高纖維捕集效率.捕集效率與纖維荷電量以及預(yù)荷電磁場強度呈線性關(guān)系,對于0.5μm顆粒,捕集效率隨纖維荷電量以及預(yù)荷電電場強度的增長速率低于2.5μm的顆粒.

3.3 對于0.5~1.0μm的顆粒,增大駐極體磁纖維的磁感應(yīng)強度對于捕集效率的提高作用較小.隨著磁感應(yīng)強度的增加,對于0.5μm的顆粒,捕集效率增長速率逐漸減小,對于1.5和2.5μm的顆粒,捕集效率增長速率逐漸增大.

3.4 當(dāng)顆粒粒徑為0.5~1.0μm時,顆粒磁化率的增加對于捕集效率的提高作用效果并不明顯,當(dāng)顆粒粒徑為1.5~2.5μm時,增大顆粒磁化率能夠明顯提高駐極體磁性纖維的捕集效率.

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Numerical simulation of electret magnetic fiber in trapping charged Fe based fine particles.

JIA Zhong-jian, DIAO Yong-fa*,ZHANG Li-an, ZHOU Fa-shan, SHEN Heng-gen

(School of Environmental Science and Engineering College, Donghua University, Shanghai 201620, China)., 2021,41(4)：1540~1547

In order to achieve ultra-low emission of Fe based fine particles in the production process of ferrous metallurgy and casting industry, this study proposed a method to improve sub-particle capturing by electret magnetic fibers. Based on CFD-DPM (Discrete Phase Model), the influence of charge distribution on fibers, particle pre-charge electric field intensity, fiber magnetic flux density and particle magnetic susceptibility on electret magnetic fiber capturing property was investigated. The results showed that: around the electret magnetic fiber, the magnetic force was more significantly affected by the distance than did the Coulomb force. The effect of magnetic force was limited within an extremely short distance around the fiber, and there was a linear relationship between the capturing efficiency and charge distribution on fibers and pre-charge electric field intensity. As for 0.5μm particle, the growth rate at which fiber carrying capacity and pre-charge electric field intensity increased the capturing efficiency was lower than that of 2.5μm article. When the particle size was between 0.5 and 1.0μm, enhancing the magnetic flux intensity of electret magnetic fiber and improving particle magnetic susceptibility were less effective in improving the capturing efficiency. When the particle size was between 1.5 and 2.5μm, enhancing the magnetic flux intensity of electret magnetic fiber and improving particle magnetic susceptibility could significantly improve the fiber capturing efficiency.

magnetic fiber；Coulomb force；Fe based fine particle；electret；magnetic force

X513

A

1000-6923(2021)04-1540-08

賈中堅(1997-),男,安徽淮北人,東華大學(xué)碩士研究生,主要從事多場耦合脫除微細顆粒物研究.發(fā)表論文1篇.

2020-09-02

國家重點研發(fā)計劃(2018YFC0705300);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費重點資助項目(2232017A-09);蘭州市創(chuàng)新人才計劃項目(2019- RC-7)

* 責(zé)任作者, 教授, diaoyongfa@dhu.edu.cn