陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟 熊瑞张佳钰闫明伟孙广超刘开琪 Numerical simulation of the fouling and cleaning of a ceramic membrane XIONG Rui.ZHANG Jia-yu.YAN Ming-wei.SUN Guang-chao,LIU Kai-qi 引用本文： 熊瑞.张佳钰，闫明伟，孙广超，刘开琪.陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟工程科学学报，2021,43(11：1543-1551. doi10.13374j.issn2095-9389.2020.06.08.002 XIONG Rui,ZHANG Jia-yu,YAN Ming-wei,SUN Guang-chao,LIU Kai-qi.Numerical simulation of the fouling and cleaning of a ceramic membrane[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(11):1543-1551.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.08.002 在线阅读View online::htps:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.06.08.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 High-resolution fused deposition 3D printing based on electric-field-driven jet 工程科学学报.2019.41（⑤：652htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.012 镁锂合金表面含碳陶瓷层的摩擦性能 Friction properties of C-containing ceramic coatings on an Mg-Li alloy 工程科学学报.2018.40(5：605htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.011 A位参杂Ru对sPS制备LaCO,陶瓷导电性的影响及其作为熔盐中惰性阳极的可行性 Influence of Ru doping on the conductivity of LaCrO ceramic prepared by SPS and the feasibility of the doped ceramic for an inert anode of molten salt electrolysis 工程科学学报.2020,42(10：1335 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.25.005 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报.2019.41(1)：12 https:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.01.002 尾矿浆沉积室内模拟试验 Indoor scale-down test of tailings 工程科学学报.2017,3910：1485htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2017.10.004 不同镁含量钢渣陶瓷的致密化机制 Densification mechanism of slag ceramics with different magnesium contents 工程科学学报.2018,40(10：1237htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.10.011

陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟 熊瑞 张佳钰 闫明伟 孙广超 刘开琪 Numerical simulation of the fouling and cleaning of a ceramic membrane XIONG Rui, ZHANG Jia-yu, YAN Ming-wei, SUN Guang-chao, LIU Kai-qi 引用本文: 熊瑞, 张佳钰, 闫明伟, 孙广超, 刘开琪. 陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟[J]. 工程科学学报, 2021, 43(11): 1543-1551. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.08.002 XIONG Rui, ZHANG Jia-yu, YAN Ming-wei, SUN Guang-chao, LIU Kai-qi. Numerical simulation of the fouling and cleaning of a ceramic membrane[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(11): 1543-1551. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.08.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.08.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印 High-resolution fused deposition 3D printing based on electric-field-driven jet 工程科学学报. 2019, 41(5): 652 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.012 镁锂合金表面含碳陶瓷层的摩擦性能 Friction properties of C-containing ceramic coatings on an Mg-Li alloy 工程科学学报. 2018, 40(5): 605 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.011 A位掺杂Ru对SPS制备LaCrO3陶瓷导电性的影响及其作为熔盐中惰性阳极的可行性 Influence of Ru doping on the conductivity of LaCrO3 ceramic prepared by SPS and the feasibility of the doped ceramic for an inert anode of molten salt electrolysis 工程科学学报. 2020, 42(10): 1335 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.25.005 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(1): 12 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.002 尾矿浆沉积室内模拟试验 Indoor scale-down test of tailings 工程科学学报. 2017, 39(10): 1485 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.004 不同镁含量钢渣陶瓷的致密化机制 Densification mechanism of slag ceramics with different magnesium contents 工程科学学报. 2018, 40(10): 1237 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.011

工程科学学报.第43卷，第11期：1543-1551.2021年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.11:1543-1551,November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.08.002;http://cje.ustb.edu.cn 陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟 熊瑞2)，张佳钰2)，闫明伟2)，孙广超，2)，刘开琪12)区 1)中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京1001902)中国科学院过程工程研究所南京绿色制造产业创新研究 院，南京211135 ☒通信作者，E-mail:kgliu@ipe.ac.cn 摘要陶瓷膜是过滤高温含尘烟气最有效的材料之一，其过滤性能和再生性能与尘粒在陶瓷膜孔道内的沉积和脱附机制 相关.本文建立了不同孔隙率的陶瓷膜物理模型，然后结合连续性方程、动量方程和能量方程，设定边界条件以及沉积条件， 模拟了陶瓷膜过滤和脉冲反吹时，高温烟气的流动以及尘粒的沉积与脱附过程.结果表明，过滤速度较低和陶瓷膜孔隙率较 高时，尘粒易于沉积在陶瓷膜孔道内：脉冲反吹时，增加反吹压力，延长反吹时间，尘粒易于从陶瓷膜孔道脱附.采用厚度为 20mm.长度为1.5m.孔隙率为40%的陶瓷膜管过滤温度为1000℃.流速为1mmin,压力为0.1MPa的含尘烟气时，反吹气 压力应不低于0.3MPa.反吹时间不短于0.02s.尘粒脱附时间在13s.脉冲反吹时间间隔应高于452s 关键词陶瓷膜；过滤：反吹；沉积；脱附 分类号TQ174.9 Numerical simulation of the fouling and cleaning of a ceramic membrane XIONG Ru2),ZHANG Jia-yu2),YAN Ming-wei2)SUN Guang-chao2)LIU Kai-gi2 1)State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China 2)Nanjing IPE Institute of Green Manufacturing Industry,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 211135,China Corresponding author,E-mail:kqliu@ipe.ac.cn ABSTRACT The main sources of fine particulate matter in the air are automobile exhaust and dust-containing hot flue gas emitted from combustion in the process of industrial manufacturing and municipal solid waste incineration,both of which are hard to clean at high temperatures.Ceramic membranes maintain high strength at high temperatures and an acid or alkaline atmosphere,and have a micron-scale and tortuous pores that block dust particles.The ceramic membrane is one of the most effective materials for successful hot flue gas cleaning as used in the integrated gasification combined cycle.Its filtration and regeneration performance are related to the deposition and desorption mechanism of dust particles in the channel of the membrane.In this study,a physical model of ceramic membranes of various porosities was established.Boundary and deposition conditions were then set up by combining continuity, momentum,and energy equations to simulate the flow of hot flue gas and the deposition and desorption process of dust particles during ceramic membrane filtration and pulse back-blowing.The results show that when the filtration velocity is low and porosity of the ceramic membrane is high,it is easy for dust particles to deposit in the membrane channel.Increasing back-blowing pressure prolongs back-blowing time during pulse back-blowing so that dust particles easily desorb from the channel of the ceramic membrane.When a ceramic membrane tube with a thickness of 20 mm,a length of 1.5 m,and a porosity of 40%is used to filtrate flue gas with a filtration temperature of 1000C,a flow rate of 1 m-min,and a pressure of 0.1 MPa,the blowback pressure should not be <0.3 MPa,blowback time should be longer than 0.02 s,and pulse blowback time interval should be more than 452 s. KEY WORDS ceramic membrane;filtration;pulse-jet back blowing;deposition;desorption 收稿日期：2020-06-08 基金项目：多相复杂系统国家重点实验室自主研究课题资助项目(MPCS-2021-C01)

陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟 熊    瑞1,2)，张佳钰1,2)，闫明伟1,2)，孙广超1,2)，刘开琪1,2) 苣 1) 中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室, 北京 100190    2) 中国科学院过程工程研究所南京绿色制造产业创新研究 院, 南京 211135 苣通信作者， E-mail: kqliu@ipe.ac.cn 摘    要    陶瓷膜是过滤高温含尘烟气最有效的材料之一，其过滤性能和再生性能与尘粒在陶瓷膜孔道内的沉积和脱附机制 相关. 本文建立了不同孔隙率的陶瓷膜物理模型，然后结合连续性方程、动量方程和能量方程，设定边界条件以及沉积条件， 模拟了陶瓷膜过滤和脉冲反吹时，高温烟气的流动以及尘粒的沉积与脱附过程. 结果表明，过滤速度较低和陶瓷膜孔隙率较 高时，尘粒易于沉积在陶瓷膜孔道内；脉冲反吹时，增加反吹压力，延长反吹时间，尘粒易于从陶瓷膜孔道脱附. 采用厚度为 20 mm，长度为 1.5 m，孔隙率为 40% 的陶瓷膜管过滤温度为 1000 ℃，流速为 1 m·min−1，压力为 0.1 MPa 的含尘烟气时，反吹气 压力应不低于 0.3 MPa，反吹时间不短于 0.02 s，尘粒脱附时间在 13 s，脉冲反吹时间间隔应高于 452 s. 关键词    陶瓷膜；过滤；反吹；沉积；脱附 分类号    TQ174.9 Numerical simulation of the fouling and cleaning of a ceramic membrane XIONG Rui1,2) ，ZHANG Jia-yu1,2) ，YAN Ming-wei1,2) ，SUN Guang-chao1,2) ，LIU Kai-qi1,2) 苣 1) State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China 2) Nanjing IPE Institute of Green Manufacturing Industry, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 211135, China 苣 Corresponding author, E-mail: kqliu@ipe.ac.cn ABSTRACT    The main sources of fine particulate matter in the air are automobile exhaust and dust-containing hot flue gas emitted from combustion in the process of industrial manufacturing and municipal solid waste incineration, both of which are hard to clean at high  temperatures.  Ceramic  membranes  maintain  high  strength  at  high  temperatures  and  an  acid  or  alkaline  atmosphere,  and  have  a micron-scale and tortuous pores that block dust particles. The ceramic membrane is one of the most effective materials for successful hot flue  gas  cleaning  as  used  in  the  integrated  gasification  combined  cycle.  Its  filtration  and  regeneration  performance  are  related  to  the deposition  and  desorption  mechanism  of  dust  particles  in  the  channel  of  the  membrane.  In  this  study,  a  physical  model  of  ceramic membranes  of  various  porosities  was  established.  Boundary  and  deposition  conditions  were  then  set  up  by  combining  continuity, momentum, and energy equations to simulate the flow of hot flue gas and the deposition and desorption process of dust particles during ceramic  membrane  filtration  and  pulse  back-blowing.  The  results  show  that  when  the  filtration  velocity  is  low  and  porosity  of  the ceramic membrane is high, it is easy for dust particles to deposit in the membrane channel. Increasing back-blowing pressure prolongs back-blowing time during pulse back-blowing so that dust particles easily desorb from the channel of the ceramic membrane. When a ceramic membrane tube with a thickness of 20 mm, a length of 1.5 m, and a porosity of 40% is used to filtrate flue gas with a filtration temperature of 1000 °C, a flow rate of 1 m·min−1, and a pressure of 0.1 MPa, the blowback pressure should not be <0.3 MPa, blowback time should be longer than 0.02 s, and pulse blowback time interval should be more than 452 s. KEY WORDS    ceramic membrane；filtration；pulse-jet back blowing；deposition；desorption 收稿日期: 2020−06−08 基金项目: 多相复杂系统国家重点实验室自主研究课题资助项目（MPCS-2021-C-01） 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期：1543−1551，2021 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 11: 1543−1551, November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.08.002; http://cje.ustb.edu.cn

1544 工程科学学报，第43卷，第11期 据世界卫生组织(WHO)统计，全世界92%的 过滤层.此时，陶瓷膜孔道内尘粒沉积是过滤压降 人口正在呼吸受污染的空气四.来自工业制造和 升高的主要因素 废物焚烧的高温含尘烟气不仅会增加肺部疾病发 Dust cake Membrane Support 生概率，过高的磁铁矿微粒水平还会影响人的大 脑P-)陶瓷膜具备耐高温、耐腐蚀、抗热震等特 性，是过滤高温烟气最有效的材料之一，已成功 用于整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)等领 Flue gas 域6陶瓷膜由多孔的支撑体层和膜层构成.当 过滤高温烟气时，大部分尘粒会在陶瓷膜外形成 灰饼层，少部分尘粒会进入到陶瓷膜内.沉积在陶 瓷膜孔隙内的尘粒会堵塞气体流道，导致运行阻 力升高，过滤效率降低，进而影响陶瓷膜的使用 ◆120um← ·Dust particles 寿命10-1) 图1工作中的陶瓷膜示意图 对陶瓷膜脉冲反吹，可实现膜外表面灰饼层 Fig.1 Ceramic membrane in work 的部分脱除，以及膜孔隙内沉积的烟尘粒子在线 陶瓷膜的膜层由约10um的陶瓷颗粒烧结而 清洗，是降低运行阻力、提升过滤性能最便捷的方 成，各颗粒间由三维颈部连接.考虑到建模的复杂 式4实验研究表明，使用不同反吹设备或采用 性，模拟收敛的难度以及微小颈部对流动的有限 反吹操作参数清洗陶瓷膜时，临时形成的灰饼层 影响，本文建立的模型忽略了三维颈部，结构与郎 会被破坏，不过，陶瓷膜过滤压降随着运行时间的 莹等四提到的类似.陶瓷颗粒简化为圆形，直径 增加而升高6受实验手段的限制，陶瓷膜孔道 10m.适用于高温气体过滤的陶瓷膜孔隙率在 内含尘烟气的输运机制只能通过模拟研究获得 40%到50%之间.考虑到陶瓷颗粒立方最密堆 Li等采用拉格朗日法跟踪胶体粒子模拟了粒子 积、六方最密堆积、立方体心堆积和简单立方堆 的沉积.Boccardo等2o模拟了清洁床过滤时颗粒 积的比例变化，本文建立了孔隙率为40%、45%和 沉积的过程.颜翠平研究了脉冲喷射清洗过程 50%的三个模型.为了实现高效、低阻过滤，陶瓷 中褶皱织物筒的沉积和清洗过程.但是，很少有人 膜层的厚度一般在100m至150um之间，本文陶 模拟脉冲反吹时陶瓷膜孔隙内烟尘粒子的沉积与 瓷膜层厚度采用120um.三个模型的孔径分布在 脱附.究其原因主要有两点，其一，多孔陶瓷膜内 0~10m之间，如图2所示.图中N表示为陶瓷膜 部孔道结构复杂，从而造成陶瓷膜内烟气流动轨 的孔隙数量.为避免模拟误差，流体区域的入口和 迹复杂多变；其二，脉冲反吹时引入的高压气体会 出口分别设置了20um缓冲区域 冲击原有流场、压力场以及烟尘运动路径，因此很 难捕捉到尘粒在陶瓷膜内的沉积与脱附状态 0.6 Pore porosities 本工作分析了在过滤和脉冲反吹两种工况下， 0.5 一40% 尘粒在陶瓷膜孔道内沉积和脱附机制，旨在了解 。-45% 0.4 -50% 烟尘粒子在陶瓷膜孔隙内的流动与沉积特性，以 及脉冲反吹再生的最佳工艺参数，为理解陶瓷膜 0.3 的性能衰减机制及应用提供理论依据 0.2 1建模及数值方法 0.1 1.1物理模型 0 4 681012141618.20 工作中的陶瓷膜结构示意图，如图1所示.陶 Pore diameter/um 瓷膜层附着在支撑体层表面，是有效过滤层.支撑 图2不同孔隙率下的孔隙直径分布图 体层为过滤元件提供强度.灰饼层在陶瓷膜工作 Fig.2 Pore diameter distribution with porosities of 40%,45%,and 50% 时形成，由含尘烟气中的尘粒在陶瓷膜表面附着、 1.2 数学模型 堆积而成，是主要过滤层.在过滤初期或灰饼层被 1.2.1控制方程 高压反吹气体破坏时，陶瓷膜层短暂地成为主要 含尘烟气在陶瓷膜内流动满足流体的连续性

据世界卫生组织 (WHO) 统计，全世界 92% 的 人口正在呼吸受污染的空气[1] . 来自工业制造和 废物焚烧的高温含尘烟气不仅会增加肺部疾病发 生概率，过高的磁铁矿微粒水平还会影响人的大 脑[2−3] . 陶瓷膜具备耐高温、耐腐蚀、抗热震等特 性[4−5] ，是过滤高温烟气最有效的材料之一，已成功 用于整体煤气化联合循环发电系统 (IGCC) 等领 域[6−9] . 陶瓷膜由多孔的支撑体层和膜层构成. 当 过滤高温烟气时，大部分尘粒会在陶瓷膜外形成 灰饼层，少部分尘粒会进入到陶瓷膜内. 沉积在陶 瓷膜孔隙内的尘粒会堵塞气体流道，导致运行阻 力升高，过滤效率降低，进而影响陶瓷膜的使用 寿命[10−13] . 对陶瓷膜脉冲反吹，可实现膜外表面灰饼层 的部分脱除，以及膜孔隙内沉积的烟尘粒子在线 清洗，是降低运行阻力、提升过滤性能最便捷的方 式[14−15] . 实验研究表明，使用不同反吹设备或采用 反吹操作参数清洗陶瓷膜时，临时形成的灰饼层 会被破坏，不过，陶瓷膜过滤压降随着运行时间的 增加而升高[16−18] . 受实验手段的限制，陶瓷膜孔道 内含尘烟气的输运机制只能通过模拟研究获得. Li 等[19] 采用拉格朗日法跟踪胶体粒子模拟了粒子 的沉积. Boccardo 等[20] 模拟了清洁床过滤时颗粒 沉积的过程. 颜翠平[21] 研究了脉冲喷射清洗过程 中褶皱织物筒的沉积和清洗过程. 但是，很少有人 模拟脉冲反吹时陶瓷膜孔隙内烟尘粒子的沉积与 脱附. 究其原因主要有两点，其一，多孔陶瓷膜内 部孔道结构复杂，从而造成陶瓷膜内烟气流动轨 迹复杂多变；其二，脉冲反吹时引入的高压气体会 冲击原有流场、压力场以及烟尘运动路径，因此很 难捕捉到尘粒在陶瓷膜内的沉积与脱附状态. 本工作分析了在过滤和脉冲反吹两种工况下， 尘粒在陶瓷膜孔道内沉积和脱附机制，旨在了解 烟尘粒子在陶瓷膜孔隙内的流动与沉积特性，以 及脉冲反吹再生的最佳工艺参数，为理解陶瓷膜 的性能衰减机制及应用提供理论依据. 1    建模及数值方法 1.1    物理模型 工作中的陶瓷膜结构示意图，如图 1 所示. 陶 瓷膜层附着在支撑体层表面，是有效过滤层. 支撑 体层为过滤元件提供强度. 灰饼层在陶瓷膜工作 时形成，由含尘烟气中的尘粒在陶瓷膜表面附着、 堆积而成，是主要过滤层. 在过滤初期或灰饼层被 高压反吹气体破坏时，陶瓷膜层短暂地成为主要 过滤层. 此时，陶瓷膜孔道内尘粒沉积是过滤压降 升高的主要因素. Flue gas Dust cake Membrane Support 120 μm Dust particles 图 1    工作中的陶瓷膜示意图 Fig.1    Ceramic membrane in work 陶瓷膜的膜层由约 10 μm 的陶瓷颗粒烧结而 成，各颗粒间由三维颈部连接. 考虑到建模的复杂 性，模拟收敛的难度以及微小颈部对流动的有限 影响，本文建立的模型忽略了三维颈部，结构与郎 莹等[22] 提到的类似. 陶瓷颗粒简化为圆形，直径 10 μm. 适用于高温气体过滤的陶瓷膜孔隙率在 40% 到 50% 之间. 考虑到陶瓷颗粒立方最密堆 积、六方最密堆积、立方体心堆积和简单立方堆 积的比例变化，本文建立了孔隙率为 40%、45% 和 50% 的三个模型. 为了实现高效、低阻过滤，陶瓷 膜层的厚度一般在 100 μm 至 150 μm 之间，本文陶 瓷膜层厚度采用 120 μm. 三个模型的孔径分布在 0～10 μm 之间，如图 2 所示. 图中 N 表示为陶瓷膜 的孔隙数量. 为避免模拟误差，流体区域的入口和 出口分别设置了 20 μm 缓冲区域. 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 8 10 Pore diameter/μm Pore porosities 40% 45% 50% dN/N 12 14 16 18 20 图 2    不同孔隙率下的孔隙直径分布图 Fig.2    Pore diameter distribution with porosities of 40%, 45%, and 50% 1.2    数学模型 1.2.1    控制方程 含尘烟气在陶瓷膜内流动满足流体的连续性 · 1544 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期

熊瑞等：陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟 1545· 假设.虽然陶瓷膜内流速较低，但气体流动方向和 因压力和温度梯度产生的压力梯度力和热泳力由 孔隙直径变化较快，因此将陶瓷膜内流动假设为 式(8)和式(9)计算.式中，m是尘粒的质量， 湍流.不考虑陶瓷膜颗粒表面的粗糙度变化，陶瓷 DTP是在温度T和压力P下的扩散系数 膜内孔道假定为光滑孔道.陶瓷膜和烟尘颗粒表 (8) 面不带电荷，排除静电力对模拟结果的影响.考虑 重力对流动的影响，含尘烟气为可压缩牛顿流体， DT.P OT Fthermophoretic=- (9) 不含焦油类粘附性物质.烟气的物性参数见传热 mpT dx 学书籍]连续性方程、动量方程与能量方程如公 1.2.2边界条件及沉积机制 式(1)~(3)所示. 计算分为过滤过程和反吹过程.过滤气流的 d =0 (1) 温度T1为1073K,流速u为1~3mmin,压力P1 dxi 为0.1MPa.反吹气流温度T2为293K,反吹压力 ouia (u)=-1 P2为0.1~0.5MPa.烟尘流量为0.00556kgs,烟 (2) 尘颗粒直径为0.1~Ium,直径采用rosin-rammler 分布.烟气由左侧以一定速度进入陶瓷膜，从右侧 亦pE+ a (i(pE+p)= Oxi 流出：反吹气体的出入口与过滤烟气相反 烟尘颗粒在陶瓷膜内沉积有三种机制：因陶 3) 瓷膜孔径小于尘粒直径产生的直接拦截，因尘粒 撞击陶瓷膜颗粒产生的惯性拦截和由于气体做布 其中，x,y是方向的分量，，山是流体速度的分 朗运动产生的扩散拦截.陶瓷膜拦截的尘粒数量 量，1、p、p、v和g分别是时间、流体压力、密度、 越多，陶瓷膜内沉积的尘粒浓度越高，单位时间的 运动黏度和重力加速度，kr是有效导热率，J,是 沉积率越低，陶瓷膜过滤越接近稳定状态.通过 j的扩散通量，()er是有效切应力，E是单位质量 监测每个时间步长进入陶瓷膜的烟尘颗粒质量 流体的储存能，T是温度，h是焓值 mm和离开陶瓷膜的mou,通过式(1O)得到瞬时的 烟气运动不受尘粒的影响，但烟气会影响尘 烟尘颗粒沉积率1cpos:统计某个时刻沉积在陶瓷 粒运动.尘粒运动的计算采用拉格朗日方法，单相 膜内尘粒的质量mota,除以陶瓷膜的面积A,可以 耦合烟气流场.尘粒受力情况如公式(4)所示 得到尘粒沉积浓度Cieposi,见式(I1) dlupi =FD(uip) Pp-p 陶瓷膜再生的程度可用反吹时沉积颗粒脱附 +Fp (4) dr Pe 陶瓷膜的比例表示，即脱附率Iremove.反吹时，通 其中，4是尘粒的速度，P,是尘粒的密度，F是尘 过监测每个时间步长离开陶瓷膜的质量mremove, 粒所受的附加力.F是每单位质量尘粒受到的流 除以陶瓷膜内初始沉积尘粒的质量,通过式 体阻力，通过等式(5)计算 (12)得到沉积颗粒的脱附率 FD=18u (5) IIdeposit=1-mout/min (10) PpdCe Cdeposit=motal/A (11) 其中，4是气体的黏度，d。是尘粒的直径.C是斯托 lremove=1-mremove/minitial (12) 克斯阻力定律的坎宁安校正因子，由等式(6)计算 1.3网格无关性检验 Ce=1+ 2.257+04eu4/2 (6) 为消除网格划分对模拟结果的影响，模拟了 不同网格数下不同孔隙率的陶瓷膜压降，结果如 其中，1是分子平均自由程.F是尘粒在流场的作 图3所示.采用图3中流动速度为1mmin时的 用下所受的附加力（力/单位烟尘颗粒质量），为布 压降，根据Ergun方程计算平均有效烟尘颗粒直 朗力、压力梯度力、热泳力和萨夫曼提升力的总 径，如图4所示.当模拟值与计算的理论误差在 和，见等式(7) 5%以内时，网格数与计算结果无关.因此，孔隙 Fpi=Fbrown +Fpressure +Fthermophoretic+Fsaffman (7) 率ε为40%、45%和50%的模型分别采用477641、 布朗力建模为等式中增加的高斯白噪声4 595528和556044个网格时，可以确保计算结果与 因剪切而产生的萨夫曼提升力适用于亚微米颗粒 网格无关

假设. 虽然陶瓷膜内流速较低，但气体流动方向和 孔隙直径变化较快，因此将陶瓷膜内流动假设为 湍流. 不考虑陶瓷膜颗粒表面的粗糙度变化，陶瓷 膜内孔道假定为光滑孔道. 陶瓷膜和烟尘颗粒表 面不带电荷，排除静电力对模拟结果的影响. 考虑 重力对流动的影响. 含尘烟气为可压缩牛顿流体， 不含焦油类粘附性物质. 烟气的物性参数见传热 学书籍[23] . 连续性方程、动量方程与能量方程如公 式（1）～（3）所示. ∂ui ∂xi = 0 （1） ∂ui ∂t + ∂ ∂xj ( uiuj ) = − 1 ρ ∂p ∂xi +ν ∂ 2ui ∂x 2 j +gi （2） ∂ ∂t (ρE)+ ∂ ∂xi (ui(ρE + p)) = ∂ ∂xi   keff ∂T ∂xi − ∑ j ′ hj ′ J j ′ +uj ( τi j) eff   （3） ( τi j) eff E hj ′ 其中，xi，xj 是方向的分量，ui，uj 是流体速度的分 量，t、p、ρ、ν 和 gi 分别是时间、流体压力、密度、 运动黏度和重力加速度，keff 是有效导热率，Jj'是 j'的扩散通量， 是有效切应力， 是单位质量 流体的储存能，T 是温度， 是焓值. 烟气运动不受尘粒的影响，但烟气会影响尘 粒运动. 尘粒运动的计算采用拉格朗日方法，单相 耦合烟气流场. 尘粒受力情况如公式（4）所示. dupi dt = FD(ui −upi )+gi ρp −ρ ρp + Fpi （4） 其中，upi 是尘粒的速度，ρp 是尘粒的密度，Fpi 是尘 粒所受的附加力. FD 是每单位质量尘粒受到的流 体阻力，通过等式（5）计算. FD = 18µ ρpd 2 pCc （5） 其中，μ 是气体的黏度，dp 是尘粒的直径. Cc 是斯托 克斯阻力定律的坎宁安校正因子，由等式（6）计算. Cc = 1+ 2λ dp ( 1.257+0.4e −1.1dp/2λ ) （6） 其中，λ 是分子平均自由程. Fpi 是尘粒在流场的作 用下所受的附加力（力/单位烟尘颗粒质量），为布 朗力、压力梯度力、热泳力和萨夫曼提升力的总 和，见等式（7）. Fpi = Fbrown + Fpressure + Fthermophoretic + Fsaffman （7） 布朗力建模为等式中增加的高斯白噪声[24] . 因剪切而产生的萨夫曼提升力适用于亚微米颗粒[25] . mp DT,P 因压力和温度梯度产生的压力梯度力和热泳力由 式 （ 8）和式 （ 9）计算 . 式中 ， 是尘粒的质量 ， 是在温度 T 和压力 P 下的扩散系数. Fpressure = ρ ρp upi ∂ui ∂xi （8） Fthermophoretic = − DT,P mpT ∂T ∂x （9） 1.2.2    边界条件及沉积机制 计算分为过滤过程和反吹过程. 过滤气流的 温度 T1 为 1073 K，流速 u 为 1～3 m·min−1，压力 P1 为 0.1 MPa. 反吹气流温度 T2 为 293 K，反吹压力 P2 为 0.1～0.5 MPa. 烟尘流量为 0.00556 kg·s−1，烟 尘颗粒直径为 0.1～1 μm，直径采用 rosin-rammler 分布. 烟气由左侧以一定速度进入陶瓷膜，从右侧 流出；反吹气体的出入口与过滤烟气相反. 烟尘颗粒在陶瓷膜内沉积有三种机制：因陶 瓷膜孔径小于尘粒直径产生的直接拦截，因尘粒 撞击陶瓷膜颗粒产生的惯性拦截和由于气体做布 朗运动产生的扩散拦截. 陶瓷膜拦截的尘粒数量 越多，陶瓷膜内沉积的尘粒浓度越高，单位时间的 沉积率越低，陶瓷膜过滤越接近稳定状态. 通过 监测每个时间步长进入陶瓷膜的烟尘颗粒质量 min 和离开陶瓷膜的 mout，通过式（10）得到瞬时的 烟尘颗粒沉积率 ηdeposit. 统计某个时刻沉积在陶瓷 膜内尘粒的质量 mtotal，除以陶瓷膜的面积 A，可以 得到尘粒沉积浓度 Cdeposit，见式（11）. 陶瓷膜再生的程度可用反吹时沉积颗粒脱附 陶瓷膜的比例表示，即脱附率 ηremove. 反吹时，通 过监测每个时间步长离开陶瓷膜的质量 mremove， 除以陶瓷膜内初始沉积尘粒的质量 minitial，通过式 （12）得到沉积颗粒的脱附率. ηdeposit = 1−mout/min （10） Cdeposit = mtotal/A （11） ηremove = 1−mremove/minitial （12） 1.3    网格无关性检验 为消除网格划分对模拟结果的影响，模拟了 不同网格数下不同孔隙率的陶瓷膜压降，结果如 图 3 所示. 采用图 3 中流动速度为 1 m·min−1 时的 压降，根据 Ergun 方程计算平均有效烟尘颗粒直 径，如图 4 所示. 当模拟值与计算的理论误差在 5% 以内时，网格数与计算结果无关. 因此，孔隙 率 ε 为 40%、45% 和 50% 的模型分别采用 477641、 595528 和 556044 个网格时，可以确保计算结果与 网格无关. 熊    瑞等： 陶瓷膜孔道内尘粒沉积及脱附的模拟 · 1545 ·

1546 工程科学学报，第43卷，第11期 2500 率表示，与过滤时间、过滤速度和陶瓷膜孔隙率 Pore porosities 等因素相关.不同过滤速度下，沉积尘粒浓度与 2000 40% ·45% 沉积率随沉积时间变化曲线如图5所示.图中的 -50% 1500 小视窗是0.005~0.02s的细节图.可以看出，随着 doup aunssald 时间的延长，尘粒沉积浓度先快速增加后缓慢增 1000 加，最终达到稳态.流速越小，达到稳态所需时间 越长，沉积尘粒数越多.沉积率随过滤时间的变 500 化趋势与沉积尘粒浓度相反.尘粒的沉积机制与 受力相关.热泳力和布朗力对尘粒运动的影响可 2 3 Filtration velocity/(m-min) 以忽略.压力沿流动方向逐渐降低，压力梯度力 是尘粒沉积的阻力.当尘粒与陶瓷膜碰撞时，流 图3不同孔隙率下流速和压降的关系曲线 Fig.3 Pressure drop in different filtration velocities with porosities of 体对尘粒的曳力是尘粒脱附的推动力.故流速降 40%,45%,and50% 低时，尘粒在陶瓷膜孔道内沉积量越大.因此，陶 瓷膜在过滤时，气体流速不宜超过1mmin',实 Pore porosities 14 际陶瓷膜使用过程中推荐流速也在1mmin9 ■-40% ·45% 左右 13 -50% 过滤速度为1mmin时，孔隙率与沉积烟尘 浓度、沉积率的关系曲线如图6所示.孔隙率为 12 40%、45%、50%的陶瓷膜内烟尘沉积规律儿乎一 致，约在0.015s达到稳态过滤.沉积率变化趋势 与颗粒浓度变化趋势相反.过滤开始时，灰尘颗粒 10 大部分沉积在陶瓷膜颗粒表面，在陶瓷膜颗粒表 面形成比较厚的灰饼层后，进入膜孔隙的尘粒非 0 100200300400500600 Mesh cells number/10 常细小，如果进入膜孔隙的尘粒表面没有黏附性 图4不同孔隙率下网格数量和有效颗粒直径的关系曲线 物质，且不考虑静电力作用，这些尘粒难以沉积 Fig.4 Effective grain size in different mesh cell numbers with porosities 尘粒容易在孔隙率大的陶瓷膜孔道内沉积.这是 of40%,45%,and50% 因为在孔隙直径分布一定时，尘粒在一段孔道内沉 2结果和讨论 积的概率是一定的.但是，陶瓷膜孔隙率越大表明孔 隙数量越多，流道越长，因此沉积的尘粒数量越多 2.1 过滤性能 采用不同孔隙率的陶瓷膜过滤不同流速的烟 陶瓷膜的过滤性能可由尘粒沉积浓度和沉积 气时，稳态过滤下尘粒分布图，如图7所示.对比 a (b) 0.30 100 Filtrvation velocities -1 m:min-! -3mmin-l ◆2 m'min- 0.25 80 0.35 0.20 0.0 Filtrvation 60 velocities 0 0.15 ■-1m-mn- ◆2mmin 40 0 20 0.10 0.15 -3mmin 20 0 15 0.05 0 0 Timef1rs动 0 -TA 0 0 50 100150200 250 300 0 50 100150200250 300 Time/(10s) Time/(10 s) 因5不同过滤速度下尘粒沉积浓度和沉积率随时间变化曲线.(a)尘粒沉积浓度：(b)沉积率 Fig.5 Concentration of deposition dust particles and deposition rate at differrent times with filtration velocities of 1 m'min,2 mmin,and 3 mmin: (a)concentration of deposition dust particles,(b)deposition rate

2500 2000 1500 1000 500 0 1 3 2 4 Filtration velocity/(m·min−1) Pore porosities 40% 45% 50% Pressure drop/Pa 图 3    不同孔隙率下流速和压降的关系曲线 Fig.3    Pressure drop in different filtration velocities with porosities of 40%, 45%, and 50% 14 13 12 11 10 0 300 100 200 600 400 500 Mesh cells number/103 Pore porosities 40% 45% 50% Effective grain size/μm 图 4    不同孔隙率下网格数量和有效颗粒直径的关系曲线 Fig.4    Effective grain size in different mesh cell numbers with porosities of 40%, 45%, and 50% 2    结果和讨论 2.1    过滤性能 陶瓷膜的过滤性能可由尘粒沉积浓度和沉积 率表示，与过滤时间、过滤速度和陶瓷膜孔隙率 等因素相关. 不同过滤速度下，沉积尘粒浓度与 沉积率随沉积时间变化曲线如图 5 所示. 图中的 小视窗是 0.005～0.02 s 的细节图. 可以看出，随着 时间的延长，尘粒沉积浓度先快速增加后缓慢增 加，最终达到稳态. 流速越小，达到稳态所需时间 越长，沉积尘粒数越多. 沉积率随过滤时间的变 化趋势与沉积尘粒浓度相反. 尘粒的沉积机制与 受力相关. 热泳力和布朗力对尘粒运动的影响可 以忽略. 压力沿流动方向逐渐降低，压力梯度力 是尘粒沉积的阻力. 当尘粒与陶瓷膜碰撞时，流 体对尘粒的曳力是尘粒脱附的推动力. 故流速降 低时，尘粒在陶瓷膜孔道内沉积量越大. 因此，陶 瓷膜在过滤时，气体流速不宜超过 1 m·min−1，实 际陶瓷膜使用过程中推荐流速也在 1 m·min−1[9] 左右. 过滤速度为 1 m·min−1 时，孔隙率与沉积烟尘 浓度、沉积率的关系曲线如图 6 所示. 孔隙率为 40%、45%、50% 的陶瓷膜内烟尘沉积规律几乎一 致，约在 0.015 s 达到稳态过滤. 沉积率变化趋势 与颗粒浓度变化趋势相反. 过滤开始时，灰尘颗粒 大部分沉积在陶瓷膜颗粒表面，在陶瓷膜颗粒表 面形成比较厚的灰饼层后，进入膜孔隙的尘粒非 常细小，如果进入膜孔隙的尘粒表面没有黏附性 物质，且不考虑静电力作用，这些尘粒难以沉积. 尘粒容易在孔隙率大的陶瓷膜孔道内沉积. 这是 因为在孔隙直径分布一定时，尘粒在一段孔道内沉 积的概率是一定的. 但是，陶瓷膜孔隙率越大表明孔 隙数量越多，流道越长，因此沉积的尘粒数量越多. 采用不同孔隙率的陶瓷膜过滤不同流速的烟 气时，稳态过滤下尘粒分布图，如图 7 所示. 对比 0.30 (a) 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 0 150 50 100 5 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 10 15 20 200 250 300 Time/(10−3 s) Time/(10−3 s) Filtrvation velocities 1 m·min−1 2 m·min−1 3 m·min−1 Concentration of deposition dust particles/(mg·m−2 ) Concentration of deposition dust particles/(mg·m−2 ) (b) 100 80 60 40 20 0 0 150 50 100 5 0 20 40 60 80 100 10 15 20 200 250 300 Time/(10−3 s) Time/(10−3 s) Filtrvation velocities 1 m·min−1 2 m·min−1 3 m·min−1 Deposition rate/ % Deposition rate/% 图 5    不同过滤速度下尘粒沉积浓度和沉积率随时间变化曲线. （a）尘粒沉积浓度；（b）沉积率 Fig.5    Concentration of deposition dust particles and deposition rate at differrent times with filtration velocities of 1 m·min−1, 2 m·min−1, and 3 m·min−1: (a) concentration of deposition dust particles; (b) deposition rate · 1546 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期