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1、 第58卷 第4期 化 工 学 报 Vol1 58 No142007年4月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China) April 2007VRHi李永旺, 赵长遂, 吴 新, 鲁端峰, 韩 松(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室, 江苏南京210096)K1: 提出了燃煤可吸入颗粒物在均匀磁场中的二元碰撞聚并模型, 应用该模型计算了大同烟煤飞灰粒子的聚并系数, 在此基础上通过求解聚并动力学方程计算了粒子的聚并脱除效率, 并与实验结果进行了对比。数值模拟结果表明, 燃煤可吸入颗粒物聚并系数随粒径的增大而增大, 粒径差异越大
2、, 重力对聚并的加强作用越大;粒径越大, 布朗力对聚并的影响越弱; 同聚并系数对外磁场强度的变化规律一样, 粒子的聚并脱除效率随外磁场的增强而增大, 在粒子饱和磁化后, 聚并脱除效率达到最大值; 延长粒子在磁场中的停留时间以及增大其质量浓度, 都可以提高粒子的聚并脱除效率, 在质量浓度和停留时间分别为40g# m- 3和112 s时, 粒子聚并脱除效率可达44%; 数值模拟结果与实验结果相一致。1oM: 磁聚并; 燃煤; 可吸入颗粒物; 聚并系数; 脱除效率ms|: X 513 DSM: AcI|: 0438- 1157 (2007) 04- 0987- 07Aggregationmechan
3、ismofPM10 fromcoalcombustioninuniformmagneticfieldLIYongwang, ZHAOChangsui, WUXin, LUDuanfeng, HANSong(Key Laboratory of Clean Coal Power Generationand CombustionTechnology of Ministry ofEducation, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)Abstract: A binarycollision-aggregation modelof i
4、nhalableparticles PM10 from coalcombustion inuniformmagneticfieldwas developed for evaluating aggregation coefficient between two particles1Theremovalrateof fly ash particles from the boiler firing Datong bituminous coal was simulated by solving the generaldynamicequation with the obtained aggregati
5、on coefficient1A comparison between numerical simulationresultsand experimental data was made1The simulation results indicated that the aggregation coefficientincreased with particlesize1Thebigger thesizedifferencebetween twoparticles, thestronger theaction ofgravity on aggregation, whilethebigger t
6、he particle size, theweaker the action of Brownian force1Withan increase in magnetic flux density, the particle removal rate increased at first, then approached itsmaximum, which was similar with the relationship between aggregation coefficient and magnetic fluxdensity1With increasing particlereside
7、ncetime in themagneticfield or increasing mass concentration, theremoval rateincreased, and reached 44% whilemass concentration and residencetimewas respectively 40g# m- 3 and 112 s1Numericalsimulation results werein good agreement with theexperimentaldata.Keywords: magneticaggregation; coalcombusti
8、on; inhalableparticle; aggregation coefficient; removalrate2006- 05- 11收到初稿, 2006- 07- 18收到修改稿。: 赵长遂。BT: 李永旺 (1979- ), 男, 博士研究生。: 国 家 重 点 基 础 研究 发 展 计 划 项 目(2002CB211600); 江苏省高等学校研究生创新计划项目; 东南大学优秀博士学位论文基金项目。Receiveddate: 2006- 05- 11.Corresponding author: Prof. ZHAO Changsui. E - mail:cszhaoseu1 edu
9、1 cnFoundationitem: supportedby the NationalBasicResearch Pro-gram of China (2002CB211600).引 言大气可吸入颗粒物 (空气动力学直径小于10Lm, 通常用PM10表示) 易于富集有毒重金属、有机污染物、细菌与病毒等, 在人体内沉积后具有致癌、致畸和致突变的作用, 危害程度远高于粗粒子1, 日益引起世界各国的高度重视。PM10主要来源之一是电站燃煤锅炉的排放物2, 其体积小、质量轻、数量多, 常规除尘方法难以奏效。由于燃煤PM10中通常含有一定量的铁磁性物质, 具有较高的磁化率3, 磁化后形成磁偶极子, 在
10、偶极子力和外磁场等作用下碰撞聚并, 从而使粒子长大, 便于常规除尘装置的脱除。利用燃煤PM10的上述特性, 研究其在磁场中的聚并脱除机理, 以期实现燃煤PM10在磁场中的高效脱除, 已被列为国家重点基础研究发展计划项目的相关研究内容之一。用外加磁场脱除颗粒物最早应用于磁旋风除尘器, Svoboda等4对此除尘机理作了初步的理论分析, 认为外磁场对粒子的作用可有效提高颗粒物的分离效率。目前, 采用外加磁场脱除细微颗粒物的研究主要集中于液体中弱磁性粒子的磁分离方面。Tsouris等5在布朗扩散模型的基础上对液体中顺磁性粒子在均匀磁场中的聚并进行了实验研究, 结果表明粒子的粒径和磁化系数是影响粒子聚
11、并脱除的主要因素。Yiacoumi等6对磁种絮凝净化污水进行了理论分析, 在忽略粒子惯性力的条件下提出了颗粒聚并系数的计算方法。在气溶胶粒子脱除方面, Ying等7应用高梯度磁过滤器对焊接气溶胶粒子进行了脱除研究, 研究表明气溶胶粒子间的聚并可促进粒子在过滤器中的脱除。此外, Prakash等8在布朗扩散的基础上, 提出了粒子在磁偶极子力作用下聚并系数的计算解析表达式。聚并系数是单位时间内粒子间的有效碰撞体积9, 由Smoluchowski10提出, 用于分析气溶胶粒子在布朗力、库仑力等作用下碰撞聚并后粒径分布的变化。当前, 关于聚并系数的理论研究大多是在布朗扩散理论基础上展开的, 不适用于粒
12、子在磁力、气体曳力、布朗力、重力等共同作用下的碰撞聚并。为此, 本文对均匀磁场中燃煤PM10所受的磁偶极子力、气体曳力、布朗力、van der Waals力进行了分析, 在此基础上提出了粒子在均匀磁场中的二元碰撞聚并模型, 应用该模型计算了大同烟煤飞灰粒子在均匀磁场中的聚并系数, 通过求解粒子聚并动力学方程计算了飞灰粒子的聚并脱除效率, 并与实验结果进行了比较。1 粒子受力分析111 H0磁场中燃煤PM10被均匀磁化后形成磁偶极子,如图1所示, 磁偶极子i和磁偶极子j 的偶极矩分别为mmi、mmj, 它们之间的夹角为| 0时, 磁偶极子力表现为引力,3cos2H- 1气溶胶粒子在随流运动过程中
13、发生分子滑动,在气体介质中所受的曳力可以用修正的斯托克斯公式表示11FD = 3PLdCc(uf - vp) (5)Cc = 1+ 21514+ 01 80exp(- 0155d/K)d/K#988# 化 工 学 报 第58卷 式中 d为粒子几何直径; L为气体介质动力黏度; u 为气体速度; vp 为粒子速度; Cc 为Cunningham修正系数; K为气体分子平均自由程。113 布朗力是由于粒子周围气体分子的热运动造成的波动力, 布朗力对颗粒的加速作用可通过均值为0、方差为1的Gaussian随机序列G来模拟12FB = G 6PdLkT$t (6)式中 k为玻耳兹曼常数; T 为气体介
14、质的温度;$t为布朗力计算时间步长。114 vanderWaals两个表面距离为 h 的球形粒子间 van derWaals力可表达为13Fvw = - A(16V)33(di + dj) 2s(1+ V)2(s2- 4)2s2(1+ V)2 - 4(1- V)2 2 (7)式中 A为Hamaker常数, s与V 分别为s = 2(2h+ di + dj)di + d j, V = didj对于燃煤 PM10, Hamaker 常数可取 014 10- 20J13。图2为粒子间van der Waals力与磁偶极子径向力的比较。由图可知, van der Waals力只有在粒子表面距离较小时才
15、发挥作用, 而这个量级的距离对粒子聚并系数计算的影响可忽略不计,因而, van der Waals力可以作为粒子碰撞后发生聚并的附着力, 即在粒子分开时, 忽略van derWaals力, 粒子碰撞后, 在van der Waals力和磁偶极子力共同作用下聚并在一起。图2 粒子间vander Waals力和磁偶极子径向力比较Fig1 2 Comparison of vander Waals forceand magnetic dipoleforce2 三维二元碰撞聚并模型211 0Z磁场中, 被磁化的燃煤PM10在磁偶极子力、气体曳力、布朗力和重力作用下作曲线运动, 两个相互作用粒子在三维空间
16、的运动方程可表示为md2xdt2 = FDx + Fmx + FBxmd2ydt2 = FDy + Fmy + FBy - mgmd2zdt2 = FDz + Fmz + FBz(8)式中 m为粒子质量; FDx、FDy、FDz为粒子所受气体曳力在3个坐标轴方向的分量; Fmx、Fmy、Fmz为粒子间磁偶极子力在3个坐标轴方向的分量;FBx、FBy、FBz为粒子所受布朗力在3个坐标轴方向的分量。212 i9ZE核粒子i和尘粒子j 在磁偶极子力、气体曳力、布朗力和重力作用下作曲线运动 (核粒子与尘粒子只具有相对意义), 在考虑两个粒子相对运动的情况下, 将坐标原点定于核粒子i中心, 尘粒子j 从空间不同初
