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 CFD￾DPM 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 ·