驻极体磁纤维捕集荷电Fe基细颗粒数值模拟

贾中坚,刁永发,张俪安,周发山,沈恒根

驻极体磁纤维捕集荷电Fe基细颗粒数值模拟

贾中坚,刁永发*,张俪安,周发山,沈恒根

(东华大学环境科学与工程学院,上海 201620)

为了进一步实现超低排放,针对钢铁冶金以及铸造行业生产过程中产生的Fe基细颗粒,提出驻极体磁纤维提高对微细颗粒捕集的方法.本文基于计算流体力学-离散相模型(CFD-DPM)分别研究了纤维荷电量、颗粒预荷电电场强度、纤维磁感应强度以及颗粒磁化率对驻极体磁纤维捕集性能的影响.结果表明:在驻极体磁纤维周围颗粒所受到的磁场力相对于库仑力受距离影响更加明显,磁场力只在纤维附近极短距离内作用明显.捕集效率与纤维荷电量以及预荷电电场强度呈线性关系,对于0.5 μm颗粒,捕集效率随纤维荷电量以及预荷电电场强度的增长速率低于2.5 μm的颗粒.当颗粒粒径为0.5~1.0 μm时,增大驻极体磁纤维的磁感应强度以及提高颗粒磁化率对于捕集效率的提高作用较小.当颗粒粒径为1.5~2.5 μm时,增大驻极体磁纤维的磁感应强度以及提高颗粒磁化率能够明显提高纤维的捕集效率.

磁纤维；库仑力；Fe基细颗粒；驻极体；磁场力

随着我国工业化进程的发展,大气颗粒物带来的环境污染以及人体健康问题日益严重[1-2].钢铁冶金、铸造等行业生产过程中产生大量含Fe基颗粒[3-8].纤维过滤技术已广泛应用于工业除尘、空气净化以及建筑通风空调领域,但存在穿透粒径,对于0.1~1.0μm的细颗粒捕集效率较低[9].

针对Fe基细颗粒,有学者提出通过增设磁场实现颗粒的高效脱除,主要包括磁团聚和磁分离技术.关于磁团聚方面, Li等[10]研究了匀强磁场中磁通密度、停留时间、颗粒浓度以及气体流速对不同种类粉尘团聚效果的影响,发现粉尘特性对团聚效果影响明显. Zhao等[11]研究结果表明通过在燃煤飞灰中添加磁性粒子能够提高飞灰的团聚效果,但并未考虑磁性粒子的粒径对团聚效果的影响.也有学者对磁分离技术进行研究,鲁端峰等[12]发现增大磁场强度以及提高聚磁介质的填充率能够提高颗粒的脱除效率. Huang等[13]对磁化的金属网进行研究数值模拟,得到了最佳的滤网结构和运行参数,但利用磁场捕集颗粒的效果有限. Zhao等[14]实验研究了磁场强度、风速对磁团聚效果的影响,发现磁团聚和机械过滤方式共同作用能够明显提高脱除效率.磁纤维是通过共沉淀法将纳米磁性粒子负载到传统纤维上,实现对颗粒物的高效控制[15],其主要应用于除尘净化、废水治理等领域[16-18].张俪安等[19-20]研究了高梯度磁场中运行参数以及颗粒特性对磁纤维捕集效率的影响.但是磁纤维中磁场力对颗粒捕集强化效果对于颗粒磁性要求较高,对于低磁化率的颗粒捕集效率较低.

磁纤维能够提高对Fe基细颗粒的捕集效率,但存在低磁化率颗粒,磁场增强作用并不明显的问题.电场作用能够增强纤维对微细颗粒物的捕集效率,而驻极体纤维是通过静电纺丝、摩擦放电、电晕放电等方式使得传统纤维带电[21],常应用于空气净化以及个人防护领域[22-23],由于电场力的作用提高了传统纤维的捕集效率.对于中性颗粒,由于驻极体纤维周围电场使得颗粒产生感应电荷在电泳力作用下向纤维周围运动,但电泳力较小,对于捕集效率的提高有限.通过对颗粒进行荷电能够明显提高驻极体纤维的捕集效率,唐敏等[24]实验研究了驻极体滤料对荷电颗粒的过滤效率,发现带电强度较高的驻极体过滤材料,最易穿透粒径在15~30nm之间.文献[25-26]研究了电场作用下不同滤料对荷电颗粒的过滤性能,但并未考虑空气环境对过滤性能的影响.由于颗粒和纤维材质本身特性直接影响荷电量,而空气湿度的增加将导致纤维和颗粒电荷量衰减[27],因此驻极体纤维长期使用则捕集效率下降.驻极体磁纤维由于考虑了磁场对微细颗粒物的作用,避免了长期使用电荷量衰减从而导致捕集效率下降的问题[28].驻极体磁纤维滤料虽然一定程度上增加了颗粒与纤维间的作用力,在工业应用中增大清灰难度,但静电力作用会使得粉尘形成稀松滤饼层,降低过滤阻力[29-31].该种纤维适用于相对湿度较低的工业环境中,此外在空气净化以及个体防护领域也有较为广泛的应用前景[28].

为了进一步提高对Fe基细颗粒的捕集,一方面提出通过采用电晕荷电方式对磁纤维进行荷电处理,制成驻极体磁纤维,另一方面通过预荷电电场对颗粒进行荷电.目前,关于驻极体磁纤维对荷电Fe基细颗粒捕集机理的报道较少.本文基于计算流体力学-离散相模型(CFD-DPM)通过在传统纤维模型上利用用户自定义函数(UDF)添加颗粒所受到的磁场作用力和库仑力,研究驻极体磁纤维以及颗粒特性对捕集性能的影响,为进一步了解驻极体磁纤维捕集性能提供理论参考.

1 计算模型

1.1 物理模型建立

纤维作为组成滤料的基本单元, Kuwabara单纤维过滤模型常用于分析纤维过滤介质表面尘粒捕集问题[32].为了简化,本文假设颗粒从进口面随气流均匀释放,单纤维简化为圆柱体,颗粒经过纤维表面被捕集(图1).根据Kuwabara单纤维过滤模型可知,规定以纤维中心为圆心,中心到上下边界的距离为半径的圆形区域为控制面,单纤维填充率定义为纤维面积/控制面的面积.本文中纤维直径为20mm,计算区域长200mm,高100mm,经计算得出纤维填充率为4.0%.

图1 计算区域与边界条件

本文边界条件设置如下:进口设置“Velocity inlet”,出口设置“Pressure outlet”,上下边界条件设置为:“Symmetry”,对于微米级纤维直径忽略滑移效应,纤维表面设置为无滑移固体壁面边界条件.纤维长度远远大于直径,可假设纤维为无限长,忽略长度方面的影响,该模型可以简化为二维模型.荷电Fe基颗粒在驻极体磁纤维周围主要受到磁场力和电场力的作用,如图2所示.

1.2 流场模型

对纤维过滤情形,滤料内部流动为低雷诺数(<1)流动[33],本文采用层流、稳态、不可压缩模型,其连续性方程和Navier-Stokes方程如下[34]:

式中:为流体速度,0.1m/s;为流体密度,1.225kg/ m3;为流体动力学黏度,1.7894×10-5Pa·s;为流体压强,Pa.

图2 颗粒在驻极体磁纤维周围所受到的力

mr、mθ为磁场力的径向与切向分量,N;Cr、Cθ为库伦力的径向与切向分量,N

1.3 颗粒运动方程

采用拉格朗日法对颗粒进行跟踪,忽略颗粒间的相互作用,颗粒视为具有相同物性参数的球形粒子,根据牛顿第二定律,单个粒子运动方程[19]如下:

式中:为粒子质量,kg;p为粒子速度,m/s;p为粒子密度,2500kg/m3;d为流体对粒子的曳力,N;b粒子所受的布朗力,N;m为磁场中粒子所受的磁力,N;C为粒子所受的库仑力,N;other为粒子受到的虚拟质量力、压力梯度力、Basset力、Magnus力、Saffman升力、洛伦兹力等作用力,N,本研究中忽略.

颗粒在磁场中所受的磁力可以分解为径向方向(mr)和切向方向(mq),表达式如下[20]:

式中:0为真空磁导率,2.256×10-6;p为颗粒磁化率;为背景磁场强度,,在本研究未考虑背景磁场因此设置为0;为纤维磁感应强度,T;为颗粒中心与磁纤维中心的距离,m;为颗粒与纤维连线与坐标轴的夹角,f为磁纤维直径,m;p为颗粒直径,m.

颗粒受到的库仑力的表达式如下[35]:

式中:为电场荷电与扩散荷电联合作用导致颗粒的电荷量,C;f为带电纤维在处产生的电场强度,V/m;为纤维电荷量,C;0为真空介电常数,8.85×10-12C/ (V⋅m);为颗粒中心与磁纤维中心的距离,m;为颗粒相对介电常数,6;为预荷电电场强度,kV/m;为气体分子平均自由程, 6.65×10-8m;p为颗粒直径,m.

1.4 模型验证

为了排除网格数量对计算结果的影响,分别选取3.3万、11.7万、18.8万数量网格对不同数下的进出口压力损失进行计算,如图3.经计算发现,3.3万、11.7万、18.8万所对应的平均压力损失分别为1.751, 1.765, 1.767Pa,当网格数为11.7万、18.8万时,两者计算结果较为接近.从以上分析可以看出当网格数为11.7万时,计算结果较为准确,可排除网格数量对计算结果的影响.

单纤维捕集颗粒的捕集效率()计算公式如下:

式中:in为进口处颗粒数;out为出口处颗粒数.

式中:0为计算捕集效率;为纤维层厚度,m;p为直接碰撞系数p=p∕f;为斯托克斯数;为填充率.

为了验证单纤维对颗粒捕集模型的准确性,将计算结果与Davies经验公式进行对比,如图3、图4所示.发现该模拟结果压力损失和捕集效率与Davies经验公式(9)(10)结果较为一致,其中压力损失误差在5%以内,捕集效率误差在10%以内.为了进一步验证磁场力公式,将模拟结果的捕集效率与杨荣清[36]的实验结果进行比较,如图4(b),发现误差在15%以内.

图3 网格无关性验证

图4 模型验证

2 结果与讨论

2.1 纤维产生的作用力

从图5(a)中可以看出3种纤维的捕集效率均随着颗粒粒径的增大而增大,其中驻极体纤维高于磁纤维的捕集效率.图5(b)表示荷电Fe基细颗粒在3种纤维周围不同距离处所受到的外场力的大小,其中颗粒在驻极体纤维周围主要受到库仑力的作用,在磁纤维周围受到磁场力的作用.从中可以看出,在纤维表面附近,磁纤维产生的磁场力的大小明显高于驻极体纤维产生的库仑力的大小,随着距离的增加,两种纤维所产生的力场均减小,但磁纤维产生的力的下降速率大于驻极体纤维,在距离纤维表面0.767μm时,两者大小相等.由于颗粒所受到的磁场力相对于库仑力受距离影响更加明显,磁场力只在纤维附近极短距离内作用明显,因此磁纤维的捕集效率低于驻极体纤维,但驻极体磁纤维因为同时考虑了库仑力和磁场力,所以效率明显高于磁纤维和驻极体纤维.对于1.0μm颗粒的捕集,在驻极体纤维下捕集效率为2.23%,磁纤维捕集效率为1.49%,而驻极体磁纤维捕集效率达到3.35%.图6为荷电Fe基细颗粒在驻极体纤维、磁纤维以及驻极体磁纤维周围的运动轨迹.由于驻极体磁纤维在静电力以及磁场力的共同作用下使得更远处的细颗粒向纤维表面移动,因此相对于驻极体以及磁纤维能够捕集更多的颗粒.

图5 三种纤维捕集效率对比

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

图6 三种纤维周围颗粒运动轨迹对比

(a) 磁纤维 (b) 驻极体纤维 (c) 驻极体磁纤维

2.2 纤维与颗粒特性对捕集效率的影响

图7 颗粒预荷电电场强度对捕集效率的影响

=0.5×10-6C/m2,p=0.025,=0.02T

2.2.1 颗粒预荷电电场强度对捕集效率的影响 为了提高对Fe基细颗粒的捕集效率,通过增设预荷电电场使得颗粒荷电,颗粒在场致荷电和扩散荷电共同作用下荷电,荷电量的大小主要受外部电场强度的影响.从图7中可以看出相对于磁纤维,外界电场的设置能够大大提高颗粒荷电量,而荷电量直接影响颗粒所受到库仑力的大小,因此当增大预荷电电场强度时,能够直接提高驻极体磁纤维对荷电Fe基细颗粒的捕集效率.驻极体磁纤维与驻极体纤维两者的差异随着颗粒预荷电电场强度的增加而减小,同时随着颗粒粒径的增大而增大,当预荷电电场强度较小时,驻极体磁纤维与驻极体纤维的差异较为明显,此时磁场力能够提高对颗粒的捕集效率.从图7(b)可以看出,驻极体磁纤维捕集效率与预荷电电场强度呈线性关系,通过线性拟合发现对于0.5μm颗粒,斜率较小为0.0056,对于2.5μm颗粒,斜率较大,为0.0160.由此可见,颗粒粒径越大,受预荷电电场强度影响越明显.磁纤维对于0.5μm颗粒捕集效率为0.37%,当预荷电电场强度为500kV/m时驻极体磁纤维的捕集效率为3.34%,效率仅仅提高了2.97%;但对于2.5μm颗粒,磁纤维捕集效率为4.83%,驻极体磁纤维(=500kV/m)的捕集效率为12.63%,效率提高了7.80%.

2.2.2 纤维荷电量对捕集效率的影响 纤维荷电量同样会影响驻极体磁性纤维的捕集效率,由图8可知,与增大颗粒预荷电电场强度相同,增大驻极体磁纤维所带的电荷量同样会增大捕集效率,这是由于纤维所携带的电荷量越大,颗粒所受到的库仑力越大,将会使得更远处的颗粒在库仑力的作用下向纤维移动导致捕集效率越高.捕集效率随纤维荷电量的变化规律与随颗粒预荷电电场强度的变化规律相似,捕集效率与纤维荷电量呈线性关系,通过线性拟合发现:2.5μm>1.5μm>0.5μm,由于粒径越大的颗粒惯性作用越强,颗粒运动轨迹不易改变,更易与纤维碰撞,而当颗粒距离纤维越近,所受到的库仑力越大,因此较大粒径的颗粒捕集效率易受纤维荷电量的影响.对于2.5μm颗粒,当驻极体磁纤维荷电量从0.5×10-6C/m2增加到2.5×10-6C/m2时,捕集效率提高了9.29%,而对于0.5μm颗粒,捕集效率提仅仅提高了2.97%.

图8 纤维荷电量对捕集效率的影响

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

2.2.3 纤维磁感应强度对捕集效率的影响 从图9中可以看出,随着颗粒粒径的增大,捕集效率逐渐增加.相对于驻极体纤维,驻极体磁纤维由于产生了磁场力,使得荷电Fe基细颗粒同时受到磁场力和库仑力的共同作用,从而使得捕集效率进一步提高.对于粒径较小的颗粒,增大磁纤维的磁感应强度对于捕集效率的提高作用较小,当颗粒粒径为0.5μm时,纤维磁感应强度从0.01T增大到0.05T时,效率从0.37%提高到1.10%.这是因为粒径较小的颗粒受到的惯性作用较小,气流的跟随性较好,而气流通过纤维周围发生绕流运动导致迎面处气流远离纤维,从而导致随气流运动的较小粒径的颗粒远离纤维,而磁场力随着与纤维距离的增加迅速下降,仅仅在颗粒到达纤维表面较近处作用明显,在远离纤维表面的位置磁场力较小,导致驻极体磁纤维相对于驻极体纤维对于粒径较小颗粒的捕集效率提升效果并不明显.

图9 纤维磁感应强度对捕集效率的影响

=100kV/m,=0.5×10-6C/m2,p=0.025

2.2.4 颗粒磁化率对捕集效率的影响 从图10中可以看出当磁场强度一定时,随着颗粒磁化率的增加,由于磁化率较高的颗粒受到的磁场力越大,从而使得捕集效率增大.当颗粒粒径较小时,磁化率的增加对于捕集效率的提高作用效果并不明显.这是因为磁化率的增大,虽然一定程度上提高了磁场力,但由于磁场力随距离的增加迅速衰减,在距离纤维表面较远处磁场力较小,而气流跟随性较好的细颗粒惯性作用较小由于气流脱离纤维造成粒径较小颗粒远离纤维,导致提高颗粒磁化率对于增强细颗粒捕集效率作用有限.当颗粒粒径较大时,由于惯性作用较强,较大粒径的颗粒相对于粒径较小的颗粒与纤维表面距离更近,更易受到磁场作用力的影响,因此增大颗粒磁化率能够明显提高纤维的捕集效率.当颗粒粒径在0.5~1.0μm时,增大颗粒磁化率,捕集效率提高较小;当颗粒粒径在1.5~2.5μm时,磁化率的增加能够明显提高捕集效率.

图10 颗粒磁化率对捕集效率的影响

=100kV/m,=0.5×10-6C/m2,=0.02T

3 结论

3.1 在驻极体磁纤维表面附近,颗粒所受到的磁场力相对于库仑力受距离影响更加明显,磁场力只在纤维附近极短距离内作用明显,由于驻极体磁纤维同时考虑了库仑力和磁场力,因此效率明显高于磁纤维和驻极体纤维.

3.2 通过提高驻极体磁纤维表面荷电量以及增强颗粒预荷电电场强度增大颗粒荷电量,都将提高纤维捕集效率.捕集效率与纤维荷电量以及预荷电磁场强度呈线性关系,对于0.5μm颗粒,捕集效率随纤维荷电量以及预荷电电场强度的增长速率低于2.5μm的颗粒.

3.3 对于0.5~1.0μm的颗粒,增大驻极体磁纤维的磁感应强度对于捕集效率的提高作用较小.随着磁感应强度的增加,对于0.5μm的颗粒,捕集效率增长速率逐渐减小,对于1.5和2.5μm的颗粒,捕集效率增长速率逐渐增大.

3.4 当颗粒粒径为0.5~1.0μm时,颗粒磁化率的增加对于捕集效率的提高作用效果并不明显,当颗粒粒径为1.5~2.5μm时,增大颗粒磁化率能够明显提高驻极体磁性纤维的捕集效率.

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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

贾中坚(1997-),男,安徽淮北人,东华大学硕士研究生,主要从事多场耦合脱除微细颗粒物研究.发表论文1篇.

2020-09-02

国家重点研发计划(2018YFC0705300);中央高校基本科研业务费重点资助项目(2232017A-09);兰州市创新人才计划项目(2019- RC-7)

* 责任作者, 教授, diaoyongfa@dhu.edu.cn