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1、气溶胶力学基础将颗粒污染物从气体中分离出来的基本理论是气溶胶力学。所谓气溶胶是指气体介质中加入固态或液态粒子而形成的分散体系。以分散相处于悬浮状态的粒子。2.1气溶胶粒子的基本性质气溶胶粒子的基本性质2.1.12.1.1 粒状污染物的来源粒状污染物的来源空气污染包括两方面：室外大气污染和室内污染。空气污染物的来源如图 2.1 所示。图 2.1 空气污染源2.1.2粒状污染物的分类粒状污染物的分类方法有多种，在大气污染方面常用德林卡和哈奇德的分类方法5，见表 2.1。表 2.1 德林卡和哈奇德粒状污染物分类方法分类名称粒径生成方式粉尘1100破碎、筛分、运输、机械加工、扬尘凝结固体烟雾0.11燃
2、烧焊接、金属冶炼、熔解、蒸发、升华、凝聚固体粒子烟0.0010.3木材、纸、布、油、煤、香烟等燃烧而形成霭1100蒸汽的凝结、化学反应、液体喷雾等液体粒子雾550水蒸气的凝结不同粒径的粒子所服从德空气动力学规律是不同的，为了讨论在不同粒径范围内气溶胶粒子的空气动力学性能，在气溶胶力学研究方面，根据粒子的大小分 4 个区。其分类见表 2.26。还可以用克努森数 Kn 作为分类依据（2.1）2 /pKnd式中 气体分子平均自由程，m；粒径，m。pd按的分类方法见表 2.2。Kn由分子动力理论，气体分子平均自由程为（2.2）0.4998M RT式中 气体分子的摩尔质量，kg；M气体常数，；R/Jkg
3、 Kg绝对温度，K；T动力黏度，；Pa s g气体密度，kg/m3。表 2.2 根据不同粒径范围定义的气溶胶力学分类方法粒径范围 名称 自由分子区过渡区滑动区连续区 Kn10100.30.41.32.1.3 气溶胶粒子的基本性质2.1.3.1 粒子的密度由于颗粒表面不光滑和内部有空隙，所以颗粒表面和内部吸附着一定的空气。设法将吸附在粒子表面内部的空气排出后测得的粒子自身的密度称为颗粒的真密度。呈堆积状态p存在的粒子，将包括颗粒之间气体空间在内的粉体密度称为堆积密度，若空隙率为，b则真密度和堆积密度存在如下关系（2.3）1bp 式中 粒子真密度，kgm3；p粒子堆积密度，kgm3。b颗粒的真密度
4、用于研究粒子的运动行为等方面，堆积密度用于存仓或灰斗的容积确定等方面。某些颗粒物的真密度和堆积密度列于表 2.3 中7。表表 2 .3 常见工业颗粒物的真密度和堆积密度常见工业颗粒物的真密度和堆积密度(kgm3)名称真密度堆积密度名称真密度堆积密度滑石粉烟尘炭黑硅沙粉（0.572m）烟灰（0.756m）水泥（0.791m）氧化铜（0.942m）水泥干燥窑白云石粉尘造型用黏土烧结矿粉锅炉炭末275021501850263022003120640030002800247038004200210059071012004026070150064060090072080015002600600电炉化铁炉
5、黄铜溶解炉铅冶炼烧结炉转炉铜精炼石墨铸造沙黑墨回收石灰粉尘4500200040008000600030004000500040005000200027003100270060015008002501200约 5001000700200约 300100013011002.1.3.2 安息角和滑动角尘粒自漏斗连续落到水平板上，堆积成圆锥体。圆锥体的母体线同水平面的夹角称为粉尘的安息角。滑动角系指光滑平板倾斜时粉尘开始滑移的倾斜角。通常滑动角比安息角略大。安息角与精动角是设计除尘器灰斗(或粉料仓)锥度、粉体输送管道倾斜度的主要依据。影响粉尘安息角与滑动角的因素有：粒径、含水率、粒子形状、粒子表面光洁
6、度、粉尘黏性等。一般粉体的安息角为 35 55 ，滑动角为 40 55 。因此，除尘设备的灰斗倾斜角不应小于 55 。2.1.3.3 粒子的润湿性尘粒与液体附着的难易程度称为粉尘的润湿性。液体对固体表面的润湿程度，取决于液体分子对固体表面作用力的大小。表面张力愈小的液体，它对固体粒子就愈容易润湿。例如，酒精、煤油的表面张力小，对颗粒的润湿就比水好。根据颗粒能被水润湿的程度，一般分为亲水性粉尘和疏水性粉尘。粉体的润湿性可以用液体对试管中粒子的润湿速度来表征。通常，取润湿时间为 20 min，测出此时间的润湿高度 L20(mm)，于是润湿速度为20（2.4）20 2020L按作为评定粒子的润湿性的
7、指标，可将颗粒物分为 4 类，见表 2.4。20表表 2.4 水对粉尘的润湿性水对粉尘的润湿性粉尘类型润湿性绝对憎水憎水中等亲水强亲水2/mmmin-1 8.0颗粒物举例石蜡、沥青石墨、煤、硫玻璃微珠、石英锅炉飞灰、钙在除尘技术中，粉尘的润湿性是设计或选用除尘设备的主要依据之一。对于润湿性好的亲水性颗粒物，可考虑湿式净化。2.1.3.4 粒子的磨损性固体颗粒物的磨损性是气溶胶粒子在流动过程中对器壁或管壁的磨损性是一个较为复杂的现象。对刚性壁表现为碰撞磨损，对塑性壁表现为切削磨损。在粒子净化或输运中，经常遇到的是对 图 2.2 固体颗粒对塑性壁的磨损塑性材料的磨损，其磨损率与粉尘入射角、入射速度
8、、粉尘硬度、粒径、球形度和浓度等因素有关，如图 2.2 所示。Zhu8等人曾在的粉尘硬度范围内对 7 种不同塑性材料做了大240 590/pHkg mm量研究试验，得出磨损率的经验计算公式：（2.5）1.52.321.040.448cos1pEkMdv式中 磨损率，m/100h；E系数，对于 235 钢（A3 钢） ，k1.5；k粒径，mm；pd入射速度，m/s；v球形度；向被磨损材料冲击的粒子通量，kg/(m2s)。若已知含尘质量浓度 c(kg/m3),MM 可由下式计算(2.6)sinMvc为了减轻对材料的磨损，需要适当地选取管道中气流速度和设计壁厚，降低含尘质量浓度、增大转弯半径等。在有
9、必要的情况下，可在易磨损的部位采用耐磨材料作为内衬，如耐磨涂料、浇结料、铸铁等材料。2.1.3.5 粒子的电性气溶胶粒子通常都带有电荷，这是由于碰撞、摩擦、放射性照射、电晕放电等原因而荷电的。粒子的电性对净化设备的捕集和清灰都有很大的影响。物质都有较固定的介电率(相对介电常数)。表 2.5 列出了各种物质的介电率。粉尘的导电性与金属的导电性类似，也用电阻率表示。但粉尘层的导电不仅靠粉尘颗粒本体内的电子或离子产生的所谓体积导电，还靠颗粒表面吸附的水分和化学膜发生的所谓表面导电。对于电阻率较高的粉尘，温度较低时（100以下）主要是表面导电；温度较高时（约 200以上）主要是体积导电。因此，粉尘的电
10、阻率与测定时的条件有关，如气体温度、湿度和成分，粉尘的粒径、成分和堆积的松散度等，所以，粉尘的电阻率仅是一种可以互相比较的表观电阻率，通常称为比电阻。表 2.6 列出了工业粉尘的比电阻的范围9。表表 2.5 常见粉体的介电常数常见粉体的介电常数物质名称介电常数物质名称介电常数锌粉12滑石粉510硅砂4飘尘38水泥510白砂糖3氧化铝粉69淀粉57重质碳酸钙8硫磺粉末35玻璃球58合成树脂粉28表 2.6 工业粉尘的比电阻尘源比电阻/cm尘源比电阻/cm细煤粉锅炉1011（100）重油锅炉104106烧结炉10101012转炉1081011电炉1091012化铁炉1061012水泥（窑、干燥机）
11、10111018骨料干燥器10111012黑液回收锅炉109铜精炼1081011锌精炼约 1013铝精炼10111014垃圾焚烧1081010炭)时，实验表明 Deriaguir 的热速计算式pd更接近实际5。(2.55)3.21312212ktmkt T ktmCC KnC Kn CC KngradTvTCC KnC Kn 式中 T绝对温度，K；气体与粒子的传热系数比;kC热滑动系数，=3.32；tCtC运动滑动系数，=1.13；mCmC其他符号物理意义同前。2.52.5 气溶胶粒子的扩散气溶胶粒子的扩散气溶胶粒子的扩散是由于气体分子的随机热运动，碰撞粒子并使其内系统的一部分输到另一部分的过
12、程。在这一过程中，粒子没有特定的运动方向。随机运动的结果使粒子总是由较高浓度的区域向较低浓度的区域扩散。本节根据扩散理论所建立的浓度分布规律数学模型对通风工程、空气净化和空气质量评价等方面都具有十分重要的实用价值，其中吸收壁扩散模型对于粒子输运与沉降过程的研究，以及用多孔填料吸收污染物的净化机理研究均具有重要指导意义。另外，本节的一些推导方法对建立有外力作用下气溶胶粒子的浓度分布表达式提供了有用的参考。2.5.12.5.1 扩散的基本定律扩散的基本定律在各向同性的物质中，单位时间内通过单位面积的扩散物质的量(又称通量)与浓度梯度成正比，即（2.56）cFDx 式中 F通量，kgm2s；D 一一
13、扩散系数，m2s；C质量浓度，kgm3。式(2.56)称费克(Fick)第一扩散定律。对于布朗扩散，其扩散系数 D 由斯托克斯一爱因斯坦公式给出（2.57）/3BpDk TCud式中 玻耳兹曼常数，=1.3810-23 JK；BkkT绝对温度，K；其他符号意义同前。对于各向同性的介质，应用费克第一扩散定律和质量守恒定律可导出人们所熟悉的扩散方程式，即费克第二扩散定律（2.58）222222ccccDtxyz当在 z 方向上有速度为 u 的介质运动时，流动项通常远大于在该方向上的扩散项，有（2.59） 2222uccccDtyzx对于柱坐标，上式为（2.60） 221uccccDtrrrx2.5
14、.22.5.2 在静止介质中气溶胶粒子的扩散在静止介质中气溶胶粒子的扩散关于分子扩散引起的气溶胶粒子在“壁”上的沉降问题具有很大的实际意义。这里所说的“壁”是指气溶胶粒子所接触的固体或液体表面。可以认为：只要粒子与“壁”接触，粒子就粘在上面。(在大多数情况下，以粒子的浓度表示更方便一些)这时和“壁”相碰撞的粒子在瞬间离开了气体空问，于是沿着壁面的粒子浓度等于零。所以我们可以应用扩散理论来解决很多实际问题。2.5.2.1 平面源图 2.13 平面源浓度变化曲线在 x0 处存在一平面源的扩散物质，如图 2.13 所示。这是一维扩散问题。设扩散系数 D 为常数，式(2.58)简化为（2.61）22c
15、cDtx该方程的解为（2.62）2/41/2xDtAcet该式对 x0 是对称的，为得到特解，需确定待定系数 A。对 t0，当时，浓度趋x 于零。在单位截面无限长方体中扩散物质的总量 M 为221/2/41/2/4 1/21/222 4txDxDtAxMcdxedxADedA DtDt 于是，式(2.62)可写成（2.63）2/41/22xDtMce Dt如果在 x0 处有一不渗透边界(“反射壁”)，所有的扩散发生在 x 的正方向，这时（2.64）2/41/2xDtMce Dt2.5.2.2 对垂直“吸收壁”的扩散在垂直壁 x0 处与含有静止起溶胶的很大空间相连，此处初始浓度时均匀的，如图2.14 所示。图 2.14 “吸收壁”面附近气溶胶的浓度分布这仍是一维问题，即服从式（2.61） 。其初始边界条件为（2.65）00,0,;0,0,0txcc xtc满足边界条件的解是（2.66）22/400 00022 44xxDtccxc
