工程科学学报.第42卷.第2期：154-162.2020年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.2:154-162,February 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.004;http://cje.ustb.edu.cn 磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中 PM25性能影响 张俪安，刁永发四，庄加玮，周发山，沈恒根 东华大学环境科学与工程学院，上海201620 通信作者，E-mail:diaoyongfa@dhu.edu.cn 摘要目前钢铁行业已成为大气污染防治的重点，为解决现有钢铁行业对于PM2:细颗粒难以捕集的雄题，实现粉尘的超 低排放.基于CFD-DPM(computational fluid dynamics-.discrete phase model)方法对磁性纤维产生的磁场以及高梯度磁场等不同 磁场形式下单纤维对钢铁行业捕集PM2性能的影响进行研究，通过X射线衍射图谱分析可知钢铁行业生产过程产生的粉 尘因含有F©3O4以及单质Fe而具有磁特性，进而提出了利用磁场来增强单纤维捕集PM2s性能的方法.计算结果表明，在运 动轨迹方面，磁性纤维产生的磁场会在纤维周围形成引力区，高梯度磁场会在纤维周围形成2个引力区和2个斥力区：在捕 集性能方面，当粉尘粒径d,为0.5~1.0um,入口风速v≤0.2ms时，高梯度磁场下磁性纤维的捕集能力要强于单一磁性纤维 的捕集能力，若磁场强度H=0.5T,磁感应强度B=0.01T,1=0.1ms,高梯度磁场可以使单纤维的捕集效率提高为传统单纤维 捕集的28.32倍，若B=0.01T,1=0.1ms.磁性纤维产生的磁场可以使捕集效率提高为传统单纤维捕集的4.037倍：在磁性纤 维产生的磁场中，当磁感应强度B≥0.03T时，磁性单纤维对PM2、的捕集效率随着入口风速的增加而减小，后趋于稳定，当 B<0.03T时，捕集效率随入口风速逐渐减小；捕集效率随粉尘粒径的增加而增大.而对于高梯度磁场，单纤维对PM25捕集效 率同样随着入口风速的增加而减小.当>0.4ms时，捕集效率为0.B越大.捕集效率下降越快：捕集效率随着粉尘粒径增大 呈现先增加后减小的趋势. 关键词磁性纤维；高梯度磁场：PM25;铁磁性；捕集性能 分类号TF701.3 Performance of single fiber collection PM25 under different magnetic field forms in the iron and steel industry ZHANG Li-an,DIAO Yong-fa,ZHUANG Jia-wei.ZHOU Fa-shan,SHEN Heng-gen School of Environmental Science and Engineering College,Dong Hua University,Shanghai 201620,China Corresponding author,E-mail:diaoyongfa@dhu.edu.cn ABSTRACT At present,the steel industry has become the focus of air pollution prevention and control.To solve the difficulty in collecting PM2s fine particles and achieving ultra-low emission of dust,based on the method of computational fluid dynamics-discrete phase model (CFD-DPM),the influence of different magnetic field forms,such as magnetic field generated by magnetic fiber and high- gradient magnetic field,on the performance of PM2s collection in the iron and steel industry was studied.Through X-ray diffraction (XRD)analysis,it was found out that the dust produced in the iron and steel industry production process has magnetic characteristics due to the presence of FeO and elemental Fe,furthermore,the method of using magnetic field to enhance the PM2s collection performance of single fiber was proposed.The results show that the magnetic field generated by the magnetic fiber will form a gravitational region 收稿日期：2019-02-24 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFC0705300):中央高校基本科研业务费重点资助项目(2232017A-09)
磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中 PM2.5 性能影响 张俪安，刁永发苣，庄加玮，周发山，沈恒根 东华大学环境科学与工程学院，上海 201620 苣通信作者，E-mail: diaoyongfa@dhu.edu.cn 摘 要 目前钢铁行业已成为大气污染防治的重点，为解决现有钢铁行业对于 PM2.5 细颗粒难以捕集的难题，实现粉尘的超 低排放. 基于 CFD-DPM（computational fluid dynamics-discrete phase model）方法对磁性纤维产生的磁场以及高梯度磁场等不同 磁场形式下单纤维对钢铁行业捕集 PM2.5 性能的影响进行研究，通过 X 射线衍射图谱分析可知钢铁行业生产过程产生的粉 尘因含有 Fe3O4 以及单质 Fe 而具有磁特性，进而提出了利用磁场来增强单纤维捕集 PM2.5 性能的方法. 计算结果表明，在运 动轨迹方面，磁性纤维产生的磁场会在纤维周围形成引力区，高梯度磁场会在纤维周围形成 2 个引力区和 2 个斥力区；在捕 集性能方面，当粉尘粒径 dp 为 0.5～1.0 μm，入口风速 v≤0.2 m·s−1 时，高梯度磁场下磁性纤维的捕集能力要强于单一磁性纤维 的捕集能力，若磁场强度 H=0.5 T，磁感应强度 B=0.01 T，v=0.1 m·s−1，高梯度磁场可以使单纤维的捕集效率提高为传统单纤维 捕集的 28.32 倍，若 B=0.01 T，v=0.1 m·s−1，磁性纤维产生的磁场可以使捕集效率提高为传统单纤维捕集的 4.037 倍；在磁性纤 维产生的磁场中，当磁感应强度 B≥0.03 T 时，磁性单纤维对 PM2.5 的捕集效率随着入口风速的增加而减小，后趋于稳定，当 B<0.03 T 时，捕集效率随入口风速逐渐减小；捕集效率随粉尘粒径的增加而增大. 而对于高梯度磁场，单纤维对 PM2.5 捕集效 率同样随着入口风速的增加而减小，当 v>0.4 m·s−1 时，捕集效率为 0，B 越大，捕集效率下降越快；捕集效率随着粉尘粒径增大 呈现先增加后减小的趋势. 关键词 磁性纤维；高梯度磁场；PM2.5；铁磁性；捕集性能 分类号 TF701.3 Performance of single fiber collection PM2.5 under different magnetic field forms in the iron and steel industry ZHANG Li-an，DIAO Yong-fa苣 ，ZHUANG Jia-wei，ZHOU Fa-shan，SHEN Heng-gen School of Environmental Science and Engineering College, Dong Hua University, Shanghai 201620, China 苣 Corresponding author, E-mail: diaoyongfa@dhu.edu.cn ABSTRACT At present, the steel industry has become the focus of air pollution prevention and control. To solve the difficulty in collecting PM2.5 fine particles and achieving ultra-low emission of dust, based on the method of computational fluid dynamics-discrete phase model (CFD-DPM), the influence of different magnetic field forms, such as magnetic field generated by magnetic fiber and highgradient magnetic field, on the performance of PM2.5 collection in the iron and steel industry was studied. Through X-ray diffraction (XRD) analysis, it was found out that the dust produced in the iron and steel industry production process has magnetic characteristics due to the presence of Fe3O4 and elemental Fe, furthermore, the method of using magnetic field to enhance the PM2.5 collection performance of single fiber was proposed. The results show that the magnetic field generated by the magnetic fiber will form a gravitational region 收稿日期: 2019−02−24 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2018YFC0705300）；中央高校基本科研业务费重点资助项目（2232017A-09） 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期：154−162，2020 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 2: 154−162, February 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.004; http://cje.ustb.edu.cn
张俪安等：磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中PM25性能影响 ·155· around the fiber,and the high-gradient magnetic field will form two gravitational regions and two repulsive regions around the fiber.In terms of the collection ability,when particle diameter d between 0.5 and 1.0 um,inlet velocity v2 m-s,the collection ability of magnetic fiber under the high-gradient magnetic field is stronger than that of the single magnetic fiber.If magnetic field intensity /=0.5 T,magnetic induction intensity B=0.01 T,and v=0.1 m-s,the high-gradient magnetic field can improve the single fiber collection efficiency by 28.32 times as much as the original;if B=0.01 T,v=0.1 ms,the magnetic field generated by the magnetic fiber can improve the single fiber collection efficiency by 4.037 times as much as the original.In terms of the collection law,in the magnetic field generated by the magnetic fiber,when the magnetic flux density B20.03 T,the collection efficiency of magnetic single fiber on PM2s decreases with the increase of inlet velocity speed and then tends to be stable.When B<0.03 T,the collection efficiency decreases with the inlet velocity speed.The collection efficiency increases with the increase of dust particle size.For the high-gradient magnetic field, the single fiber collection efficiency of PM2s particles also decreases with the increase of inlet velocity speed.When v.4 ms,the collection efficiency is 0.The larger B is,the faster the collection efficiency decreases.The collection efficiency increases first and then decreases with a increase in dust particle size. KEY WORDS magnetic fiber;high-gradient magnetic field;PM2s;ferromagnetism;collection performance 当前我国正处于工业发展的快速阶段，在发 方向会形成一些碎片链，这些链状团簇不断拉长 展的同时存在着产能过剩、重复建设严重、产业 对齐，最终接近稳定状态.Zhao等uo研究表明当 环保压力加大等深层次的矛盾及问题.尤其是钢 颗粒受磁场影响在流体中运动时，大颗粒易受磁 铁等有色金属冶炼行业，属于典型的重污染行业， 场影响，小颗粒易受流场影响.与此同时，高梯度 在烧结、炼铁、炼钢、轧钢等各个过程中都会产生 磁分离技术同样是一种回收弱磁性微粒的有效方 大量的粉尘四.现今，解决钢铁行业粉尘排放主要 法，而高梯度磁场的形成则是在均匀的背景磁场 以传统的袋式除尘器为主，其对粗颗粒收集效率 中填充饱和聚磁介质以产生高磁场梯度磁场 高达99.9%以上，但在PM25范围内存在穿透窗 Bak等]对影响高梯度磁场性能的参数进行了分 口，纤维难以捕集)，而PM25作为空气质量中最重 析研究.结果表明，在流体中作用于颗粒的磁场力 要的指标之一，高PM25指数的环境对人类健康的 与磁通密度和磁场梯度成正比.Zheng等研究 危害极为严重) 了高梯度磁场中特殊形状横截面矩阵的磁特性以 国内外有关纤维捕集细颗粒性能的研究，顾 及颗粒的被捕集情况.结果表明，高梯度磁场中椭 丛汇等经实验研究对比发现，同一时刻“Y”型截 圆形横截面矩阵表现出比圆形横截面矩阵更好的 面单纤维比圆形截面单纤维对颗粒截留率要高 磁特性，且捕集颗粒能力提高.通过上述研究发 Bao等研究表明，较高的纤维线密度，较低的弹 现，外磁场的形式以及参数对颗粒的行为有着重 性模量都可以增加纤维的捕集能力.Yang等通 要的影响 过考虑第一次碰撞的能量损失、线性阻尼和滚动 然而，利用磁场来增强纤维捕集钢铁行业生 摩擦阻力，较好的预测了单纤维捕集效率随斯托 产过程产生的铁磁性细粉尘的研究，其相关研究 克斯数的变化规律.Hosseini与Tafreshil通过数 文献鲜见报道.且上述研究中忽略了颗粒在磁场 值模拟确定单纤维捕集效率和颗粒沉积位点以及 力作用下被捕集过程的运动规律.不同的磁场形 三维树枝状颗粒沉积物的形成过程.通过上述研 式或者同种磁场形式在不同入口风速、粉尘粒 究发现，无论是纤维结构或者参数的变化，方法的 径、磁场强度等工况下所带来的增强效果有待研 改善只能提高单纤维对粉尘颗粒的捕集能力或增 究.为了在选择最优的磁场形式使得在同等条件 加对纤维沉积捕集的认知程度，但是不能从根本 下对PM25的捕集效果最好，因此本文基于CFD- 上解决PM25等微细颗粒物捕集效率低的难题.而 DPM方法.通过加入两种磁场形式的UDF添加磁 在传统捕集颗粒基础上利用磁场提高颗粒捕集的 场力，对其进行数值模拟.通过PM2.5被单纤维捕 研究，Huang等研究表明，在高磁场强度下低速 集过程的运动轨迹以及被捕集规律两个方向与传 运动时，纤维结构越复杂，沉降现象越明显.而在 统形式下单纤维捕集PM2s过程进行对比，探究出 低磁场强度下低速运动时，沉降现象与之相反 两种磁场形式下捕集性能的动力学行为和特征， Ke等对垂直和横向的均匀磁场中的流体-粒子 为用磁性纤维滤料控制钢铁等有色金属冶炼行业 相互作用进行了数值模拟.结果表明，颗粒沿流动 排放提供理论基础
around the fiber, and the high-gradient magnetic field will form two gravitational regions and two repulsive regions around the fiber. In terms of the collection ability, when particle diameter dp between 0.5 and 1.0 μm, inlet velocity v≤0.2 m·s−1, the collection ability of magnetic fiber under the high-gradient magnetic field is stronger than that of the single magnetic fiber. If magnetic field intensity H=0.5 T, magnetic induction intensity B=0.01 T, and v=0.1 m·s−1, the high-gradient magnetic field can improve the single fiber collection efficiency by 28.32 times as much as the original; if B=0.01 T, v=0.1 ms−1, the magnetic field generated by the magnetic fiber can improve the single fiber collection efficiency by 4.037 times as much as the original. In terms of the collection law, in the magnetic field generated by the magnetic fiber, when the magnetic flux density B≥0.03 T, the collection efficiency of magnetic single fiber on PM2.5 decreases with the increase of inlet velocity speed and then tends to be stable. When B<0.03 T, the collection efficiency decreases with the inlet velocity speed. The collection efficiency increases with the increase of dust particle size. For the high-gradient magnetic field, the single fiber collection efficiency of PM2.5 particles also decreases with the increase of inlet velocity speed. When v>0.4 ms−1, the collection efficiency is 0. The larger B is, the faster the collection efficiency decreases. The collection efficiency increases first and then decreases with a increase in dust particle size. KEY WORDS magnetic fiber；high-gradient magnetic field；PM2.5；ferromagnetism；collection performance 当前我国正处于工业发展的快速阶段，在发 展的同时存在着产能过剩、重复建设严重、产业 环保压力加大等深层次的矛盾及问题. 尤其是钢 铁等有色金属冶炼行业，属于典型的重污染行业， 在烧结、炼铁、炼钢、轧钢等各个过程中都会产生 大量的粉尘[1] . 现今，解决钢铁行业粉尘排放主要 以传统的袋式除尘器为主，其对粗颗粒收集效率 高达 99.9% 以上，但在 PM2.5 范围内存在穿透窗 口，纤维难以捕集[2] ，而 PM2.5 作为空气质量中最重 要的指标之一，高 PM2.5 指数的环境对人类健康的 危害极为严重[3] . 国内外有关纤维捕集细颗粒性能的研究，顾 丛汇等[4] 经实验研究对比发现，同一时刻“Y”型截 面单纤维比圆形截面单纤维对颗粒截留率要高. Bao 等[5] 研究表明，较高的纤维线密度，较低的弹 性模量都可以增加纤维的捕集能力. Yang 等[6] 通 过考虑第一次碰撞的能量损失、线性阻尼和滚动 摩擦阻力，较好的预测了单纤维捕集效率随斯托 克斯数的变化规律. Hosseini 与 Tafreshi[7] 通过数 值模拟确定单纤维捕集效率和颗粒沉积位点以及 三维树枝状颗粒沉积物的形成过程. 通过上述研 究发现，无论是纤维结构或者参数的变化，方法的 改善只能提高单纤维对粉尘颗粒的捕集能力或增 加对纤维沉积捕集的认知程度，但是不能从根本 上解决 PM2.5 等微细颗粒物捕集效率低的难题. 而 在传统捕集颗粒基础上利用磁场提高颗粒捕集的 研究，Huang 等[8] 研究表明，在高磁场强度下低速 运动时，纤维结构越复杂，沉降现象越明显. 而在 低磁场强度下低速运动时，沉降现象与之相反. Ke 等[9] 对垂直和横向的均匀磁场中的流体–粒子 相互作用进行了数值模拟，结果表明，颗粒沿流动 方向会形成一些碎片链，这些链状团簇不断拉长， 对齐，最终接近稳定状态. Zhao 等[10] 研究表明当 颗粒受磁场影响在流体中运动时，大颗粒易受磁 场影响，小颗粒易受流场影响. 与此同时，高梯度 磁分离技术同样是一种回收弱磁性微粒的有效方 法，而高梯度磁场的形成则是在均匀的背景磁场 中填充饱和聚磁介质以产生高磁场梯度磁场. Baik 等[11] 对影响高梯度磁场性能的参数进行了分 析研究. 结果表明，在流体中作用于颗粒的磁场力 与磁通密度和磁场梯度成正比. Zheng 等[12] 研究 了高梯度磁场中特殊形状横截面矩阵的磁特性以 及颗粒的被捕集情况. 结果表明，高梯度磁场中椭 圆形横截面矩阵表现出比圆形横截面矩阵更好的 磁特性，且捕集颗粒能力提高. 通过上述研究发 现，外磁场的形式以及参数对颗粒的行为有着重 要的影响. 然而，利用磁场来增强纤维捕集钢铁行业生 产过程产生的铁磁性细粉尘的研究，其相关研究 文献鲜见报道. 且上述研究中忽略了颗粒在磁场 力作用下被捕集过程的运动规律. 不同的磁场形 式或者同种磁场形式在不同入口风速、粉尘粒 径、磁场强度等工况下所带来的增强效果有待研 究. 为了在选择最优的磁场形式使得在同等条件 下对 PM2.5 的捕集效果最好，因此本文基于 CFDDPM 方法，通过加入两种磁场形式的 UDF 添加磁 场力，对其进行数值模拟. 通过 PM2.5 被单纤维捕 集过程的运动轨迹以及被捕集规律两个方向与传 统形式下单纤维捕集 PM2.5 过程进行对比，探究出 两种磁场形式下捕集性能的动力学行为和特征， 为用磁性纤维滤料控制钢铁等有色金属冶炼行业 排放提供理论基础. 张俪安等： 磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中 PM2.5 性能影响 · 155 ·
·156 工程科学学报，第42卷，第2期 1 数值计算模型 样品第1次测试 样品第2次测试 11气固两相流模型 样品第3次测试 平均值 对于内部气-固两相流动进行数值模拟需先 4 计算气相场.可采用标准k-ε标准模型、稳态、及 不可压缩模型进行数值模拟.控制方程1如下： 7.(pey)=0 (1) V.(spvv)=-sVp+V.(sT)+psg-F (2) 0 0.01 0.1 10 1001000 式中，p为流体的密度，kgm3;ε为体积分数项；v是 d/um 流体的速度，ms;p为计算单元的压力，N;t为流 图1钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术测试结果 体黏附性应力张量；g为重力加速度，ms子；F为网 Fig.1 DLS test results of dust emission from steel works 格单元内受到的综合作用力，N 7000 颗粒的运动平衡方程表达式如下： 6000 8(Pp-P) CaC03(29.12) dVp=Fp(v-vp)+ +FM+FB+Fot (3) 5000 Pp 照4000 式中，。为颗粒运动速度，ms:FD为流体的曳 00 Fe04(35.42) Fez03(39.32) 力，N;pp为颗粒的密度，kgm3;FB为颗粒所受到 2000 Fe(44.14) 的布朗力，N;FM为通过UDF编程在高梯度磁场 1000 中以及磁性纤维产生中所受的磁场力，N.F指的 10 20 30 405060 708090 是在气固两相流中受到压力梯度力、虚拟质量 28M°) 力、Basset力、Magnus力、Saffman升力等一系列 因2钢铁厂排放粉尘的X射线衍射图谱 的作用力但是在单纤维捕集颗粒模型中，由于 Fig.2 XRD pattern of dust emission from steel works 各力在适用条件下对颗粒的影响很小，为了简化 图3(d)为P84纤维，从图中可以清晰的看出纤维 计算，均可忽略不计 呈现出圆柱形结构，为了达到更好的磁场叠加效 1.2粉尘特性 果，因此选用P84纤维为依据建立高梯度磁场下 钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术(dynamic 单纤维捕集颗粒的模型.同时，磁性纤维在水基环 light scattering,.DLS)测试结果如图1所示，粉尘中 境制备负载时，铁酸钴纳米粒子等铁氧体很容易 含有直径d,小于等于2.5um的颗粒，因此钢铁等 将水中的羟基带到样品中，表面的活性基团 有色金属行业利用现有的除尘技术无法满足日趋 一OH上的氧原子和P84纤维上的C=O构成可p 严格的环保要求.图2给出了钢铁厂排放粉尘的 π共轭，导致O=C一O的体系稳定，在共沉反应时 X射线衍射图谱，CaCO3含量高是由于转炉炼钢 更容易在纤维表面负载 中用作造渣剂的Ca0在高温下会和CO2生成 1.4边界条件 CaC03,当衍射角20-35.42°和20=44.14时分别出 图4(a)为P84纤维的电镜扫描图，根据电镜 现了FeO4和Fe的特征峰，说明钢铁厂排放的粉 扫描结果，并经过简化创建了图4(b)的单纤维结 尘含有FeO4和Fe等成分，具有一定的铁磁性，容 构模型.具体边界条件设置如下：计算域入口边界 易被磁化.因此可以根据钢铁行业粉尘含有铁磁性 设为速度进口，出口边界设为压力出口：在模型计 的特性，利用铁磁性颗粒在磁场中磁化后会被磁 算中，粉尘颗粒简化为球形颗粒，颗粒的磁化率 性纤维吸引的优势来增强纤维捕集PM25的性能. Kp=0.025,a为填充率，是纤维横截面面积与假想控 1.3纤维的扫描形貌 制面的比值，根据Davies结合的实验结果，a=d,? 图3分别为PPS、FMS、PSA、P84等4种纤维 在0.6%~30%的范围内都是正确的7，当入口高 滤料的电镜扫描图像.由图可知，4种滤料中纤维 度h=5.3d时，则填充率a=0.035,因此模型的长、 分布以及结构是不同的.高梯度磁场的形成则是 宽、高分别定为240、120和80um是可行的 在均匀的背景磁场中填充饱和聚磁介质以产生 磁性纤维可直接通过纺丝或基体纤维的物 高磁场梯度磁场，而聚磁介质以圆柱形为主2. 理、化学改性制备，且纤维直径d=l5m.计算区
1 数值计算模型 1.1 气固两相流模型 对于内部气−固两相流动进行数值模拟需先 计算气相场. 可采用标准 k-ε 标准模型、稳态、及 不可压缩模型进行数值模拟. 控制方程[13] 如下： ∇ ·(ρεν) = 0 （1） ∇ ·(ερvv) = −ε∇p+∇ ·(ετ)+ρεg− F （2） ρ ε τ 式中， 为流体的密度，kg·m−3 ； 为体积分数项；v 是 流体的速度，m·s−1 ；p 为计算单元的压力，N； 为流 体黏附性应力张量；g 为重力加速度，m·s−2 ；F 为网 格单元内受到的综合作用力，N. 颗粒的运动平衡方程表达式[14] 如下： dvp dt = FD ( v−vp ) + g ( ρp −ρ ) ρp + FM + FB + Fot （3） 式中， vp 为颗粒运动速度，m·s−1 ；FD 为流体的曳 力，N；ρp 为颗粒的密度，kg·m−3 ；FB 为颗粒所受到 的布朗力，N；FM 为通过 UDF 编程在高梯度磁场 中以及磁性纤维产生中所受的磁场力，N. Fot 指的 是在气固两相流中受到压力梯度力、虚拟质量 力、Basset 力、Magnus 力、Saffman 升力等一系列 的作用力[15] . 但是在单纤维捕集颗粒模型中，由于 各力在适用条件下对颗粒的影响很小，为了简化 计算，均可忽略不计. 1.2 粉尘特性 钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术（dynamic light scattering， DLS）测试结果如图 1 所示，粉尘中 含有直径 dp 小于等于 2.5 μm 的颗粒，因此钢铁等 有色金属行业利用现有的除尘技术无法满足日趋 严格的环保要求. 图 2 给出了钢铁厂排放粉尘的 X 射线衍射图谱，CaCO3 含量高是由于转炉炼钢 中用作造渣剂 的 CaO 在高温下会 和 CO2 生 成 CaCO3，当衍射角 2θ=35.42°和 2θ=44.14°时分别出 现了 Fe3O4 和 Fe 的特征峰，说明钢铁厂排放的粉 尘含有 Fe3O4 和 Fe 等成分，具有一定的铁磁性，容 易被磁化. 因此可以根据钢铁行业粉尘含有铁磁性 的特性，利用铁磁性颗粒在磁场中磁化后会被磁 性纤维吸引的优势来增强纤维捕集 PM2.5 的性能. 1.3 纤维的扫描形貌 图 3 分别为 PPS、FMS、PSA、P84 等 4 种纤维 滤料的电镜扫描图像. 由图可知，4 种滤料中纤维 分布以及结构是不同的，高梯度磁场的形成则是 在均匀的背景磁场中填充饱和聚磁介质以产生 高磁场梯度磁场，而聚磁介质以圆柱形为主[12， 16] ， 图 3（d）为 P84 纤维，从图中可以清晰的看出纤维 呈现出圆柱形结构，为了达到更好的磁场叠加效 果，因此选用 P84 纤维为依据建立高梯度磁场下 单纤维捕集颗粒的模型. 同时，磁性纤维在水基环 境制备负载时，铁酸钴纳米粒子等铁氧体很容易 将水中的羟基带到样品中 ，表面的活性基团 ―OH 上的氧原子和 P84 纤维上的 C＝O 构成可 p- π 共轭，导致 O＝C―O 的体系稳定，在共沉反应时 更容易在纤维表面负载. 1.4 边界条件 χp 图 4（a）为 P84 纤维的电镜扫描图，根据电镜 扫描结果，并经过简化创建了图 4（b）的单纤维结 构模型. 具体边界条件设置如下：计算域入口边界 设为速度进口，出口边界设为压力出口；在模型计 算中，粉尘颗粒简化为球形颗粒，颗粒的磁化率 =0.025，α 为填充率，是纤维横截面面积与假想控 制面的比值，根据 Davies 结合的实验结果，α=dp 2 /h 2 在 0.6%～30% 的范围内都是正确的[17] ，当入口高 度 h=5.3df 时，则填充率 α=0.035，因此模型的长、 宽、高分别定为 240、120 和 80 μm 是可行的. 磁性纤维可直接通过纺丝或基体纤维的物 理、化学改性制备，且纤维直径 df=15 μm. 计算区 0.01 0.1 1 10 100 1000 0 1 2 3 4 5 6 体积加权/% dp /µm 样品第1次测试 样品第2次测试 样品第3次测试 平均值 图 1 钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术测试结果 Fig.1 DLS test results of dust emission from steel works 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Fe2O3 (39.32°) Fe (44.14°) CaCO3 (29.12°) 相对强度 2θ/(°) Fe3O4 (35.42°) 图 2 钢铁厂排放粉尘的 X 射线衍射图谱 Fig.2 XRD pattern of dust emission from steel works · 156 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期
张俪安等：磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中PM25性能影响 ·157 (a (b) 100μm 100um (c) (d) 100μm 100um 图3不同纤维滤料的电镜扫描形貌.(a)PPS;(b)FMS:(c)PSA:(d)P84 Fig.3 SEM images of different fiber filter materials:(a)PPS;(b)FMS;(c)PSA;(d)P84 (b) 磁性纤维 磁场强度H 压力出口 速度进口 15 um 80μm 120μm 240μm 对称边界 图4计算区域及边界条件设置图.(a)P84纤维电镜扫描：(b)单纤维模型计算边界条件 Fig.4 Calculation area and boundary condition setting diagram:(a)P84 fiber SEM image;(b)single fiber model used to calculate the boundary conditions 域四周的边界则根据单纤维结构特点设为对称边 的，且与压力经验公式(4)对比误差都在5%的范 界条件：纤维表面边界设为无滑移边界条件，且数 围内.选取其中一种工况进行效率计算，当速度 值计算区域的网格采用的是六面体结构化网格 =0.2ms,d,=2.5um时，单纤维捕集效率与Davies 传统单纤维捕集、磁性单纤维捕集以及高梯度磁 效率修正经验公式(6)的误差分别为8.51%、 场下磁性单纤维的捕集示意图如图5所示，图中 3.50%、1.50%,后两者的误差都在5%范围内，根 H为磁场强度，B为磁感应强度 据网格数量和误差综合考虑选取55万的网格用 1.5模型验证 于数值模型的计算 为了去除网格数量对数值模拟计算准确性的 (4) 影响，对模型进行网格独立性验证，计算不同网格 Ap=f(a)und 密度下的压力损失，数值模拟计算如图6所示，当 f(a)=64a2(1+56a） (5) 网格数为14万、55万、90万左右时，单纤维模型 结构的压力损失随入口风速的变化规律是一致 7=70(1+4.5a) (6)
域四周的边界则根据单纤维结构特点设为对称边 界条件；纤维表面边界设为无滑移边界条件，且数 值计算区域的网格采用的是六面体结构化网格. 传统单纤维捕集、磁性单纤维捕集以及高梯度磁 场下磁性单纤维的捕集示意图如图 5 所示，图中 H 为磁场强度，B 为磁感应强度. 1.5 模型验证 为了去除网格数量对数值模拟计算准确性的 影响，对模型进行网格独立性验证，计算不同网格 密度下的压力损失，数值模拟计算如图 6 所示，当 网格数为 14 万、55 万、90 万左右时，单纤维模型 结构的压力损失随入口风速的变化规律是一致 的，且与压力经验公式（4）对比误差都在 5% 的范 围内. 选取其中一种工况进行效率计算，当速度 v=0.2 m·s−1 ，dp=2.5 μm 时，单纤维捕集效率与 Davies 效 率 修 正 经 验 公 式 （ 6） 的 误 差 分 别 为 8.51%、 3.50%、1.50%，后两者的误差都在 5% 范围内，根 据网格数量和误差综合考虑选取 55 万的网格用 于数值模型的计算. ∆p = f (α) µvd d 2 f （4） f (α) = 64α 3 2 ( 1+56α 3 ) （5） η = η0 (1+4.5α) （6） 100 µm (b) 100 µm (a) (c) 100 µm (d) 100 µm 图 3 不同纤维滤料的电镜扫描形貌. （a） PPS；（b） FMS；（c） PSA；（d） P84 Fig.3 SEM images of different fiber filter materials: (a) PPS; (b) FMS; (c) PSA; (d) P84 对称边界 磁场强度H 磁性纤维 压力出口 速度进口 15 µm df (a) (b) 120 µm 240 µm 80 µm h 100 µm 100 µm 6.0 mm Scios WD 6.0 mm HFW 207 µm det ETD mag 1000× HV 5.00 KV 12/5/2018 2:27:01 PM 图 4 计算区域及边界条件设置图. （a） P84 纤维电镜扫描；（b） 单纤维模型计算边界条件 Fig.4 Calculation area and boundary condition setting diagram: (a) P84 fiber SEM image; (b) single fiber model used to calculate the boundary conditions 张俪安等： 磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中 PM2.5 性能影响 · 157 ·
·158 工程科学学报，第42卷，第2期 (a) 与流场垂直区域 (b) 与流场水平区域 普通纤维 (c) (d) 磁性纤维 磁性纤维 图5不同形式磁场示意图.(a)粉尘颗粒被纤维捕集区域示意图：(b)无磁场：(c)磁性纤维产生的磁场：(d)高梯度磁场 Fig.5 Schematics of different magnetic fields:(a)area where PMs dust particles are collected by fibers.(b)no magnetic field;(c)magnetic field generated by magnetic fiber,(d)high-gradient magnetic fields 2.5 是可以结合磁选领域中的宏观模型来间接验证模 ■一Davies经验公式 ●一940754网格数 拟的正确性.数值模拟结果与河南理工大学的王 2.0F ▲一551300网格数 发辉与铁占续和东南大学的杨荣清例在磁选 T-148272网格数 1.5 领域中模拟金属磁介质捕集颗粒的运动轨迹进行 ed/d 1.0 了对比，运动轨迹相同；此外与熊大和2研究高梯 度磁选中垂直磁场和水平磁场对捕集影响的实验 0.5F 结果进行对比，通过颗粒的堆积分布发现数值模 拟的颗粒物分布和实际情况一致，因此说明采用 00 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 v/m-s) 的数学模型和模拟方法是正确的 14r 图6网格独立性检验 R 一Davies修正公式 Fig.6 Mesh independence test ●一Davies经验公式 10 ▲一500颗粒数 0=0.16R,+(0.25+0.4Rp)S1-0.0263R,·S2(7) -200颗粒数 式中：△p为压力降，Pa;o为计算捕集效率，%； Rp为直接碰撞系数；S为斯托克斯数；n为计算修 正后的捕集效率，%：d为单纤维厚度，m. 为了验证单纤维结构捕集粉尘颗粒数值模拟 的准确性，图7为不同S下，数值模拟值与经验公 0.0 0.4 0.8 1.21.62.0 St 式对比图.结果表明，数值模拟计算结果与 困7数值模拟值与经验公式对比 Davies修正经验公式(6)吻合度较高，适合颗粒物 Fig.7 Comparison between numerical simulation values and empirical 捕集效率的计算.过滤效率的误差主要来源于 formula Davies效率经验公式考虑了颗粒的拦截和惯性效 2试验结果 应，而当粒径在0.5~1.0um时，忽略了颗粒碰撞后 受范德华力的团聚情况，因此与经验公式有一定 2.1不同磁场形式下单纤维对PM25运动轨迹的 差距，而对于而对于Fluent用户自定义函数UDF 影响 正确性的验证，虽然在纤维微观领域很少研究，但 图8为=0.1ms,d。=1.0μm时，在图5所示
η0 = 0.16[ Rp + ( 0.25+0.4Rp ) St] −0.0263Rp · St2 （7） η0 η 式中 ： Δp 为压力降 ， Pa； 为计算捕集效率 ， %； RP 为直接碰撞系数；St 为斯托克斯数； 为计算修 正后的捕集效率，%；d 为单纤维厚度，μm. 为了验证单纤维结构捕集粉尘颗粒数值模拟 的准确性，图 7 为不同 St 下，数值模拟值与经验公 式 对 比 图 . 结 果 表 明 ， 数 值 模 拟 计 算 结 果 与 Davies 修正经验公式（6）吻合度较高，适合颗粒物 捕集效率的计算. 过滤效率的误差主要来源于 Davies 效率经验公式考虑了颗粒的拦截和惯性效 应，而当粒径在 0.5～1.0 μm 时，忽略了颗粒碰撞后 受范德华力的团聚情况，因此与经验公式有一定 差距，而对于而对于 Fluent 用户自定义函数 UDF 正确性的验证，虽然在纤维微观领域很少研究，但 是可以结合磁选领域中的宏观模型来间接验证模 拟的正确性. 数值模拟结果与河南理工大学的王 发辉与铁占续[18] 和东南大学的杨荣清[19] 在磁选 领域中模拟金属磁介质捕集颗粒的运动轨迹进行 了对比，运动轨迹相同；此外与熊大和[20] 研究高梯 度磁选中垂直磁场和水平磁场对捕集影响的实验 结果进行对比，通过颗粒的堆积分布发现数值模 拟的颗粒物分布和实际情况一致，因此说明采用 的数学模型和模拟方法是正确的. 2 试验结果 2.1 不同磁场形式下单纤维对 PM2.5 运动轨迹的 影响 图 8 为 v=0.1 m·s−1 ，dp=1.0 μm 时，在图 5 所示 (a) (b) (c) (d) 与流场垂直区域 与流场水平区域 v X Z v X Z 普通纤维 X Z B 磁性纤维 X Z H B 磁性纤维 图 5 不同形式磁场示意图. （a） 粉尘颗粒被纤维捕集区域示意图；（b） 无磁场；（c） 磁性纤维产生的磁场；（d） 高梯度磁场 Fig.5 Schematics of different magnetic fields: (a) area where PM2.5 dust particles are collected by fibers; (b) no magnetic field; (c) magnetic field generated by magnetic fiber; (d) high-gradient magnetic fields 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 ∆p/Pa v/(m⋅s −1) Davies 经验公式 940754 网格数 551300 网格数 148272 网格数 图 6 网格独立性检验 Fig.6 Mesh independence test 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 0 2 4 6 8 10 12 14 η/% St Davies 修正公式 Davies 经验公式 500 颗粒数 200 颗粒数 图 7 数值模拟值与经验公式对比 Fig.7 Comparison between numerical simulation values and empirical formula · 158 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期