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 ·159· 的3种工况下的数值模拟计算结果，PM25在3种 合图10可知，v≤0.2ms时，高梯度磁场的捕集能 不同工况下运动轨迹以及被捕集区域截然不同 力要强于磁性纤维的捕集能力，当>0.3ms单 在两种磁场形式下，单纤维对PM25的捕集强度要 一磁性纤维的捕集能力要强于高梯度磁场中磁性 远大于传统的单纤维捕集，这是因为传统的单纤 纤维的捕集能力，由此说明高梯度磁场更适用于 维捕集机理仅依靠布朗、惯性、拦截三种机制进 低过滤风速的环境 行捕集，捕集效率低，但是当PM25经磁场磁化后 20 会受磁场力的作用向磁性纤维表面运动并被纤维 18 16 捕集，捕集效率高，为了对比两种磁场效果采用 14 B和H+B的对比方式，当场强分别为0.05T和0.5T+ 0.05T时，结合示意图5(a)可知，在高梯度磁场 10 只 .80.0s7 B-00LI 0- (H+B)中，在磁性纤维周围存在两个引力区和两个 6 斥力区叫，引力区位于与流场垂直区域，斥力区位 2 于与流场水平区域，其捕集区域集中在引力区，这 与磁选理论中的结论是一致的；而在磁性纤维产 0.5 0.6 0.70.80.9 1.0 dWμm 生的磁场中，引力区环绕纤维周围 图9不同磁场形式下PM5捕集效果对比 c Fig.9 Comparison of PM2s trapping effects under different magnetic field forms 2.3入口风速对PM25捕集性能的影响 图10(a)为不同入口风速下磁性单纤维捕集 PM25效率关系图，如图所示，当B≥0.03T时，磁性 单纤维对PM2s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，磁性单纤维 图83种工况下PM2.s的运动轨迹(1=0.1ms,d.=1.0m).(a)无 对PM2s颗粒的捕集效率随着人口风速的增加而 磁场：(b)磁性纤维产生的磁场：（©）高梯度磁场 Fig.8 PM2 s movement trajectory under three working conditions:(a) 减小.为解释这一规律，根据图11(a)运动轨迹图 no magnetic field,(b)magnetic field generated by magnetic fiber,(c) 可知，当B=0.05T时，随着入口风速的增加，流体 high-gradient magnetic fields 的携带能力增强，导致与流场垂直区域磁性纤维 2.2不同磁场形式下单纤维对PM2s捕集效率对比 表面颗粒减少，效率减小，后趋于稳定是因为随着 从机理分析，当d,<0.5um时，单纤维捕集以 风速增加对与流场水平区域磁性纤维捕集颗粒的 扩散作用为主2四，当d。>1.0μm时，单纤维捕集以 影响很小；随着磁性单纤维的磁感应强度逐渐减 惯性和拦截作用为主)，捕集效率都较高.因此对 小，当磁场力对颗粒的影响很小时，若流动占主导 于0.5~1.0m粒径段颗粒的捕集研究显得尤为重 地位，被捕集的颗粒数会持续下降 要.当=0.1ms,d,=0.5~1.0m时，两种磁场形 图10(b)为PM25在高梯度磁场分离过程中， 式下，单纤维对粉尘颗粒捕集效率对比如图9所 不同入口风速下磁性纤维对PM25效率关系图，如 示，高梯度磁场中磁性纤维的捕集能力要强于单 图所示，当H=0.5T,B=0.01~0.05T时，在高梯度 一磁性纤维的捕集能力.取其中一组数据，当H= 磁场中磁性纤维对PM25的捕集效率随入口风速 0.5T,B=0.01T时，磁性单纤维捕集效率的加权平 逐渐减小，磁性纤维磁感应强度越大，捕集效率下 均值为5.943%，而数值模拟计算得到传统未加磁 降越快.当v>0.4ms时.捕集效率为0.根据图11(b) 场单纤维捕集效率的加权平均值为0.2099%，高梯 运动轨迹图可知，由于在高梯度磁场中捕集区域 度磁场可以使单纤维的捕集效率提高为传统单纤 位于与流场垂直的磁性纤维表面，风速对于颗粒 维捕集的28.32倍；当B=0.01T时，磁性单纤维捕 的捕集影响很大，同时，气流速度越大，相应的颗 集效率的加权平均值为0.8473%，磁性纤维产生的 粒在磁场中的作用时间越短，颗粒所受的磁场作 磁场可以使单纤维的捕集效率提高为传统单纤维 用的效果就会在一定程度上减弱，使得落在引力 捕集的4.037倍.随着粉尘粒径的增加，单纤维对 区的粉尘颗粒逐渐减小，因此捕集效率减少直至 粉尘颗粒的捕集效率都随粒径呈递增趋势.当结 为0.且随着入口风速的增加，斥力区的“空腔”缩的 3 种工况下的数值模拟计算结果，PM2.5 在 3 种 不同工况下运动轨迹以及被捕集区域截然不同. 在两种磁场形式下，单纤维对 PM2.5 的捕集强度要 远大于传统的单纤维捕集，这是因为传统的单纤 维捕集机理仅依靠布朗、惯性、拦截三种机制进 行捕集，捕集效率低，但是当 PM2.5 经磁场磁化后 会受磁场力的作用向磁性纤维表面运动并被纤维 捕集，捕集效率高，为了对比两种磁场效果采用 B 和 H+B 的对比方式，当场强分别为 0.05 T 和 0.5 T+ 0.05 T 时，结合示意图 5（ a）可知，在高梯度磁场 （H+B）中，在磁性纤维周围存在两个引力区和两个 斥力区[21] ，引力区位于与流场垂直区域，斥力区位 于与流场水平区域，其捕集区域集中在引力区，这 与磁选理论中的结论是一致的；而在磁性纤维产 生的磁场中，引力区环绕纤维周围. 2.2    不同磁场形式下单纤维对 PM2.5 捕集效率对比 从机理分析，当 dp<0.5 μm 时，单纤维捕集以 扩散作用为主[22] ，当 dp>1.0 μm 时，单纤维捕集以 惯性和拦截作用为主[23] ，捕集效率都较高. 因此对 于 0.5～1.0 μm 粒径段颗粒的捕集研究显得尤为重 要. 当 v=0.1 m·s−1 ，dp=0.5～1.0 μm 时，两种磁场形 式下，单纤维对粉尘颗粒捕集效率对比如图 9 所 示，高梯度磁场中磁性纤维的捕集能力要强于单 一磁性纤维的捕集能力. 取其中一组数据，当 H= 0.5 T，B=0.01 T 时，磁性单纤维捕集效率的加权平 均值为 5.943%，而数值模拟计算得到传统未加磁 场单纤维捕集效率的加权平均值为 0.2099%，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；当 B=0.01 T 时，磁性单纤维捕 集效率的加权平均值为 0.8473%，磁性纤维产生的 磁场可以使单纤维的捕集效率提高为传统单纤维 捕集的 4.037 倍. 随着粉尘粒径的增加，单纤维对 粉尘颗粒的捕集效率都随粒径呈递增趋势. 当结 合图 10 可知，v≤0.2 m·s−1 时，高梯度磁场的捕集能 力要强于磁性纤维的捕集能力，当 v>0.3 m·s−1 单 一磁性纤维的捕集能力要强于高梯度磁场中磁性 纤维的捕集能力，由此说明高梯度磁场更适用于 低过滤风速的环境. 2.3    入口风速对 PM2.5 捕集性能的影响 图 10（a）为不同入口风速下磁性单纤维捕集 PM2.5 效率关系图，如图所示，当 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，磁性单纤维 对 PM2.5 颗粒的捕集效率随着入口风速的增加而 减小. 为解释这一规律，根据图 11（a）运动轨迹图 可知，当 B=0.05 T 时，随着入口风速的增加，流体 的携带能力增强，导致与流场垂直区域磁性纤维 表面颗粒减少，效率减小，后趋于稳定是因为随着 风速增加对与流场水平区域磁性纤维捕集颗粒的 影响很小；随着磁性单纤维的磁感应强度逐渐减 小，当磁场力对颗粒的影响很小时，若流动占主导 地位，被捕集的颗粒数会持续下降. 图 10（b）为 PM2.5 在高梯度磁场分离过程中， 不同入口风速下磁性纤维对 PM2.5 效率关系图，如 图所示，当 H=0.5 T，B=0.01～0.05 T 时，在高梯度 磁场中磁性纤维对 PM2.5 的捕集效率随入口风速 逐渐减小，磁性纤维磁感应强度越大，捕集效率下 降越快，当v>0.4 m·s−1 时，捕集效率为0. 根据图11（b） 运动轨迹图可知，由于在高梯度磁场中捕集区域 位于与流场垂直的磁性纤维表面，风速对于颗粒 的捕集影响很大，同时，气流速度越大，相应的颗 粒在磁场中的作用时间越短，颗粒所受的磁场作 用的效果就会在一定程度上减弱，使得落在引力 区的粉尘颗粒逐渐减小，因此捕集效率减少直至 为 0. 且随着入口风速的增加，斥力区的“空腔”缩 v v v (a) (b) (c) 图 8 3 种工况下 PM2.5 的运动轨迹（v=0.1 m·s−1 ， dp=1.0 μm）. （a） 无 磁场；（b） 磁性纤维产生的磁场；（c） 高梯度磁场 Fig.8 PM2.5 movement trajectory under three working conditions: (a) no magnetic field; (b) magnetic field generated by magnetic fiber; (c) high-gradient magnetic fields 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 η/% dp /µm H=0.5 T, B=0.05 T H=0.5 T, B=0.03 T H=0.5 T, B=0.01 T B=0.05 T B=0.01 T 图 9 不同磁场形式下 PM2.5 捕集效果对比 Fig.9 Comparison of PM2.5 trapping effects under different magnetic field forms 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 · 159 ·