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气溶胶动力学基础

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

2.1.1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

固体粒子

粉尘

1～100

破碎、筛分、运输、机械加工、扬尘

凝结固体烟雾

0.1～1

燃烧焊接、金属冶炼、熔解、蒸发、升华、凝聚

烟

0.001～0.3

木材、纸、布、油、煤、香烟等燃烧而形成

液体粒子

霭

1～100

蒸汽的凝结、化学反应、液体喷雾等

雾

5～50

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2.2［6］。

还可以用克努森数Kn作为分类依据

（2.1）

式中——气体分子平均自由程，m；

——粒径，m。

按的分类方法见表2.2。

由分子动力理论，气体分子平均自由程为

（2.2）

式中——气体分子的摩尔质量，kg；

——气体常数，；

——绝对温度，K；

——动力黏度，；

——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

名称

粒径范围

自由分子区

过渡区

滑动区

连续区

>10

10～0.3

<0.3

<0.1

/

<0.01

0.01～0.4

>0.4

>1.3

2.1.3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，则真密度和堆积密度存在如下关系

（2.3）

式中——粒子真密度，kg／m3；

——粒子堆积密度，kg／m3。

颗粒的真密度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2.3常见工业颗粒物的真密度和堆积密度（kg／m3）

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（0.5～72μm）

烟灰（0.7～56μm）

水泥（0.7～91μm）

氧化铜（0.9～42μm）

水泥干燥窑

白云石粉尘

造型用黏土

烧结矿粉

锅炉炭末

2750

2150

1850

2630

2200

3120

6400

3000

2800

2470

3800～4200

2100

590～710

1200

40

260

70

1500

640

600

900

720～800

1500～2600

600

电炉

化铁炉

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

4500

2000

4000～8000

6000

3000～4000

5000

4000～5000

2000

2700

3100

2700

600～1500

800

250～1200

约500

1000

700

200

约300

1000

130

1100

2.1.3.2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20min，测出此时间的润湿高度L

20（mm），于是润湿速度为

（2.4）

按作为评定粒子的润湿性的指标，可将颗粒物分为4类，见表2.4。

表2.4水对粉尘的润湿性

粉尘类型

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

润湿性

绝对憎水

憎水

中等亲水

强亲水

υ2/mm•min-1

<0.5

0.5～2.5

2.5～8.0

>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、粉尘硬度、粒径、球形度和浓度等因素有关，如图2.2所示。

Zhu[8]等人曾在的粉尘硬度范围内对7种不同塑性材料做了大量研究试验，得出磨损率的经验计算公式：

（2.5）

式中——磨损率，μm/100h；

——系数，对于235钢（A3钢），k＝1.5；

——粒径，mm；

——入射速度，m/s；

——球形度；

——向被磨损材料冲击的粒子通量，kg/（m2•s）。

若已知含尘质量浓度c（kg/m3）,M可由下式计算

（2.6）

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2.5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

5～10

硅砂

4

飘尘

3～8

水泥

5～10

白砂糖

3

氧化铝粉

6～9

淀粉

5～7

重质碳酸钙

8

硫磺粉末

3～5

玻璃球

5～8

合成树脂粉

2～8

表2.6工业粉尘的比电阻

尘源

比电阻/

Ω•cm

尘源

比电阻/

Ω•cm

细煤粉锅炉

1011（100℃）

重油锅炉

104～106

烧结炉

1010～1012

转炉

108～1011

电炉

109～1012

化铁炉

106～1012

水泥（窑、干燥机）

1011～1018

骨料干燥器

1011～1012

黑液回收锅炉

109

铜精炼

108～1011

锌精炼

约1013

铝精炼

1011～1014

垃圾焚烧

108～1010

炭

<104

2.1.3.6粒子的自燃性和爆炸性

当物料被研磨成粉料时，总表面积增加，表面能增大，从而提高了颗粒物的化学活性，特别是提高了氧化产热的能力，在一定条件下会转化为燃烧状态。

各种粉尘的自燃温度相差很大。

根据不同的自燃温度可将可燃性粉尘分为两类。

第一类粉尘的自燃温度高于环境温度，因而只能在加热时才能引起自燃。

第二类粉尘的自燃温度低于环境温度，甚至在不加热时都可能自燃。

这种粉尘造成火灾的危险性最大。

在封闭空间内可燃性悬浮粉尘的燃烧会导致化学爆炸。

引起可燃性粉尘爆炸必须具备两个条件：

一是可燃性粉尘的浓度在爆炸限内；二是存在能量足够且具有一定温度的火源。

能引起爆炸的最低浓度称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限。

可燃混合物的浓度低于爆炸下限或高于爆炸上限时，均无爆炸危险。

爆炸下限对防爆更有意义。

表2.7列出了某些尘粒爆炸浓度的下限。

表2.7某些尘粒爆炸浓度的下限（g/m3）

粉尘名称

爆炸浓度

粉尘名称

爆炸浓度

粉尘名称

爆炸浓度

铝粉末

58.0

玉栗粉

12.6

硫磺

2.3

豌豆粉

25.2

亚麻皮屑

16.7

硫矿粉

13.9

木屑

65.0

硫的磨碎粉末

10.1

页岩粉

58.0

渣饼

20.2

奶粉

7.6

烟草末

68.0

樟脑

10.1

面粉

30.2

泥炭粉

10.1

煤末

114.0

萘

2.5

棉花

25.2

松香

5.0

燕麦

30.2

茶叶末

32.8

饲料粉末

7.6

麦糠

10.1

一级硬橡胶尘末

7.6

咖啡

42.8

沥青

15.0

谷仓尘末

227.0

染料

270.0

甜菜糖

8.9

电焊尘

30.0

2.1.3.7粒子的光学性质

由于大气中气溶胶粒子对光的散射，使可见度大为降低，这也是一种空气污染现象，城市中这种污染最强烈。

粒子对光的散射是测定气溶胶粒子的浓度、大小和决定气溶胶云的光行为的主要方法之一。

概括地说，单个粒子对光的散射与其粒径、折射指数、粒子形状和入射光的波长有关。

空间中任何一点的辐射强度是由光源和汇的布置、气溶胶的空间分布、粒径分布和组成决定的。

光线射到气溶胶粒子上以后，有两个不同过程发生：

粒子接受到的能量可被粒子以相同的波长再辐射，再辐射可发生在所有方向上，但不同方向上有不同的强度，这个过程称为散射。

另一方面，辐射到粒子上面的辐射能可变为其他形式的能，如热能，化学能或不同波长的辐射，这个过程称作吸收。

在可见光范围内，光的衰减对黑烟是吸收占优势，而对水滴，散射占优势。

气溶胶粒子对光的吸收和散射机理较为复杂。

实际中，常利用光强衰减特性来测定烟尘的浓度。

图2.3所示为一种较

先进的烟尘浓度一种较为先进的烟尘浓

度测定系统[10]。

其工作原理是：

红外

光通过烟流时，光强发生变化，光敏传

感器的光电流将随之变化，通过放大器

将这个较弱的电流增强并变为计算机中

A/D卡接口所能接受的±5V范围内的

电压。

显然，计算机显示的是电压值。

图2.3红外光烟尘浓度自动测定系统（ICMS）

如果烟气的浓度变化与电压值的变化是线性相关的，其电压值就可表示浓度的大小。

因此