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/p Kn d λ=（2.1）式中 λ——气体分子平均自由程，m ；p d ——粒径，m 。

按Kn 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λ=（2.2）式中 M ——气体分子的摩尔质量，kg ；R ——气体常数，()/J kg K ； T ——绝对温度，K ；μ——动力黏度，Pa s ； ρ——气体密度，kg/m 3。

表2.2 根据不同粒径范围定义的气溶胶力学分类方法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p ρ。

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b ρ，若空隙率为ε，则真密度和堆积密度存在如下关系()1b p ρερ=-（2.3）ρ——粒子真密度，kg／m3；式中pρ——粒子堆积密度，kg／m3。

b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)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20 min，测出此时间的润湿高度L20(mm)，于是润湿速度20ν为202020L ν=（2.4）按20ν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240~590/p H kg mm =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：()()1.5 2.321.040.448cos 1p E kMd v φθ=-+（2.5）式中 E ——磨损率，μm/100h ；k —— 系数，对于235钢（A3钢），k ＝1.5； p d ——粒径，mm ； v ——入射速度，m/s ； φ——球形度；M ——向被磨损材料冲击的粒子通量，kg/(m 2•s)。

若已知含尘质量浓度c(kg/m 3),M 可由下式计算=(2.6)M vcθsin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表2.6 工业粉尘的比电阻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）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，为较精确地进行烟尘浓度测定，测试系统的标定是重要的。

2.2 气溶胶粒子的粒径分布2.2.1 粒径的表示方法工业过程中产生的固体颗粒物通常是非球形的。

对于不规则粒子的形状可概括为三大类：块状、板状、针状。

实际中，大多数粒子属于第一类。

对于不规则粒子，为评价其对球形的偏离程度，采用球形度φ的概念。

球形度的定义为同样体积的球形粒子表面积与粒子实际表面积之比。

φ值永远小于1。

不规则粒子的大小可用等效径，又称当量径表示。

表2.8列出了一些主要等效径的表示方法。

表2.8 不规则形状粒子的等效直径等效直径 定义数学表达式长度径直径在一给定方向上测量d l =平均径 在多个方向上测量后取平均112nii d d ==∑投影－周长径 有与粒子同样周长的圆的直径 /d P π= 投影－面积径有与粒子同样投影面积的圆的直径4/p d A π=表面积径 有与粒子同样表面积的圆的直径/s d A π=体积径与粒子同体积的球的直径36/d V π=斯托克斯径 与粒子同密度和同沉降速度的球的直径()18p a d gμνρρ=-注：P －粒子的投影周长；p A －粒子的投影面积；s A －粒子的表面积；V－粒子的体积；－粒子的沉降速度；p ρ－粒子的密度；a ρ－空气的密度；μ－空气的动力学黏度；g －重力加速度。

2.2.2 粒径分布气溶胶粒子是由各种不同粒径的颗粒组成的集合体，显然，单纯用“平均”粒往来表征这一集合体是不够的。

粒径分布又称分散度，是指在不同粒径范围内颗粒所含数量或质量分数。

通常使用的是质量累积分布。

掌握粒径分布对选择净化设备、评价净化性能、粒子群的扩散与凝聚行为，以及对环境造成的污染影响等方面具有重要的意义。

粒径分布的表示方法有表格法、图形法和函数法。

下面以测定数据的整理过程说明粒径分布的表示方法和相应的定义。

2.2.2.1 频率分布表2.9列出了粒径p d 在0～30m μ范围内粒子数量的实测值。

据此，可作直方图2.4。

数量频率分布f 和质量频率分布g 分别定义为：ii in f n =∑ （2.7）图2.4 粒子分布直方图33i pi i i pi n d g n d =∑ （2.8）式中 i n ——第i 区间里观测到的粒子数目； pi d ——第i 区间里粉尘粒径。