（环境工程专业论文）电除尘器逃逸粉尘冲击粘附再捕集技术研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着火电厂粉尘排放标准日益严格，现有电除尘器的运行效率将越来越难以满 足排放要求。影响电除尘器除尘效率进一步提高的主要因素之一是对细微粉尘的收 集。 本文针对电除尘器逃逸粉尘的特点，提出了以冲击粘附方式进行捕集的概念。 从粉尘粘附机理上进行了分析，对冲击粘附装置内的二维流场进行了模拟，并进行了 现场收尘实验，测试除尘效率，验证了以其作为电除尘器的辅助除尘工具，提高除 尘效率的可行性。 关键词：除尘，粘附，微细粉尘 a b s t r a c t t h ee m i s s i o ns t a n d a r do fp a r t i c l e si np o w e rp l a n t si si n c r e a s i n g l ys t r i c t ，s ot h e c o n c e n t r a t i o no ff l ya s he s c a p e df r o me s pc o u l dn o tm e e tt h ed e m a n do fe m i s s i o n s t a n d a r d 。t h ef i n ef l ya s hc a nn o tb ed i s p o s e de f f e c t i v e l y ，i ti so r t eo ft h em a i nf a c t o r s t h a ti n f l u e n c e dt h ee f f i c i e n c yi m p r o v e m e n to fe s p i nt h i sp a p e r , b a s i n go i lt h ec h a r a c t e r i s t i co ff l ya s he s c a p e df r o me s p , t h e i m p a c t i v ea d h e s i o ns e ti sp u tf o r w a r dt oc o n c e n t r a t ei t t h em e c h a n i s mo fa d h e s i o n ，t h e 2 - d i m o n s i o nf l o wf i e l do ft h ei m p a c t o rh a v eb e e na n a l y z e da n ds o m ee x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n et ot e s tt h ee f f i c i e n c y t h e s es h o wt h a tt h es e ta sa na s s i s t a n ti m p l e m e n ti sa f e a s i b l ew a yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y z h a n gt i a n m i n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y u a ny o n g t a o k e yw or d s ：d u s tp r e c i p i t a t i o n ，a d h e s i o n ，f i n ep a r t i c l e 华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着火电厂粉尘排放标准日益严格，现有电除尘器的运行效率将越来越难以满 足排放要求。影响电除尘器除尘效率进一步提高的主要因素之一是对细微粉尘的收 集。 本文针对电除尘器逃逸粉尘的特点，提出了以冲击粘附方式进行捕集的概念。 从粉尘粘附机理上进行了分析，对冲击粘附装置内的二维流场进行了模拟，并进行了 现场收尘实验，测试除尘效率，验证了以其作为电除尘器的辅助除尘工具，提高除 尘效率的可行性。 关键词：除尘，粘附，微细粉尘 a b s t r a c t t h ee m i s s i o ns t a n d a r do fp a r t i c l e si np o w e rp l a n t si si n c r e a s i n g l ys t r i c t ，s ot h e c o n c e n t r a t i o no ff l ya s he s c a p e df r o me s pc o u l dn o tm e e tt h ed e m a n do fe m i s s i o n s t a n d a r d 。t h ef i n ef l ya s hc a nn o tb ed i s p o s e de f f e c t i v e l y ，i ti so r t eo ft h em a i nf a c t o r s t h a ti n f l u e n c e dt h ee f f i c i e n c yi m p r o v e m e n to fe s p i nt h i sp a p e r , b a s i n go i lt h ec h a r a c t e r i s t i co ff l ya s he s c a p e df r o me s p , t h e i m p a c t i v ea d h e s i o ns e ti sp u tf o r w a r dt oc o n c e n t r a t ei t t h em e c h a n i s mo fa d h e s i o n ，t h e 2 - d i m o n s i o nf l o wf i e l do ft h ei m p a c t o rh a v eb e e na n a l y z e da n ds o m ee x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n et ot e s tt h ee f f i c i e n c y t h e s es h o wt h a tt h es e ta sa na s s i s t a n ti m p l e m e n ti sa f e a s i b l ew a yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y z h a n gt i a n m i n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y u a ny o n g t a o k e yw or d s ：d u s tp r e c i p i t a t i o n ，a d h e s i o n ，f i n ep a r t i c l e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电除尘器逃逸粉尘冲击粘附再捕集技 术研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：猛邀 e l 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： e l期：塑墅：玉! 鸯日 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 随着我国电力工业的高速发展，大幅度提高治理煤烟污染力度以适应经济、社 会和环境协调发展的要求、早日全面赶上发达国家水平是一项历史性任务。新修订 的火电厂污染物排放标准将燃煤电厂粉尘排放浓度降低到5 0 m g n m 3 ，大大低 于以前的2 0 0m g n m 3 【1 1 。因此，电除尘器正面临着严峻的挑战。 电除尘器在我国环境保护事业中起着重要作用。电除尘技术就其除尘机理来讲 在各种除尘技术中是最优秀的，但是尚未得到充分发挥，还有很大的潜力可挖。据 报道，在目前设计除尘效率达到9 9 9 的基础上，通过对电除尘器的结构改造和运 行参数的调整，可以使其排放浓度再降低6 0 8 0 ，对大部分煤种，电除尘器完全 可以满足新的排放标准。此外，电除尘器在设计、制造以及运行管理的经验和便利 性等方面，具有其它除尘技术无法可比的独特的优势。 目前电除尘技术研究正处于一个更深层次的研究阶段，一方面受布袋除尘器等 替代品的冲击，电除尘器生存空间很严峻：另一方面电除尘器及相关配套产品的生 产企业，在多年的实践中，都遇到了各种新问题，发现有很多用已知的理论解释不 通的现象，而且现行电除尘器技术和其他新技术的结合应用，远未达到最优的结果， 这都是需要重点研究的。 对于在新标准实施期间内仍需运行的部分现有机组将面临电除尘器改造的问 题，而对电除尘器逃逸粉尘以基于冲击粘附的再捕集就是一种方案。 除尘行业曾经用过的冲击惯性分离器是依靠撞击横向布置在气体通道上的分 离器来分离固体【2 】。冲击惯性除尘中固体颗粒从气流中分离主要是利用碰撞消失动 能和在转弯时自身具有较气流更大的惯性力来完成【3 7 】。而基于冲击粘附的的除尘 与其有着本质是的不同。冲击粘附的收尘并不是依靠粉尘在气流转向时的动能消 失，而是粉尘在撞击到捕集元件上后发生粉尘与捕集元件之间的粘附、粉尘与粉尘 之间的粘附。冲击式惯性除尘的目的是通过降低惯性力来拦截颗粒，使颗粒直接沉 降分离。而冲击粘附除尘则是利用颗粒在较高流速的碰撞下发生相互粘附，形成粉 尘层，而后进行撞击元件上的清灰。 1 2 国内外研究现状【8 1 8 l 关于撞击粘附的机理，a d z i m o n 曾经进行过研究【8 1 。根据他在( ( a d h e s i o no f 华北电力人学硕士学位论文 d u s ta n dp o w d e r ) ) 书中的阐述，粒子和气流中障碍物的粘附特性可以用沉降系数来 表明。其数值取决于灰尘的粒度分布和障碍物的尺寸，围绕障碍物的流动状况，障 碍物表面的弹性和粒子从表面弹回的可能性以及粘附力。如果粒子与表面的粘附力 大于分离力，气流中的灰尘粒子就可能粘附。在相同的流动条件下，沉降系数随颗 粒粒径的减小而变大。 特凯罗夫曾经作过一些粘附方面的实验。他试验了黄土粒子粘附于玻璃表面的 情况。在气流低速( 直到4 米秒) 的情况下，所有粒度的粒子均粘附于玻璃平面上。 增加气流速度后，大粒子的粘附即减少，而直径小于1 微米的粒子，即使在比较大 的气流速度( 直到1 5 米秒) 也完全粘附。 对于一定粒度的粒子，有一个临界速度，超过该速度，粒子将从表面弹回，不 可能粘附。这个速度取决于粒子和表面的弹性，并与粒子粒度成反比。在气流速度 较大的情况下，大颗粒碰撞的弹力较大，不易粘附，而气流速度大对于细颗粒是有 利的。如果消除了粒子弹回的可能性，沉降系数就会增加。 国外的对冲击粘附研究主要集中在级联式冲击采样器上。c r a i gd u n b a r , a b d o k a t a y a 9 】等人对级联式冲击采样器的研究表明：影响级联式冲击采样器的收集效率 的主要因素为颗粒的反弹，通过在冲击板上涂上一薄层油脂等可以减小反弹力。 p h i l i pd e m o k r i t o u ，s e u n gj o ol e e 【l0 】等人曾经实验过使用聚亚安酯泡沫撞击板， 结果即使表面不涂油脂等胶粘性物质，颗粒反弹和粉尘被气流重新带走现象也不明 显。 冲击采样器主要就是要解决颗粒反弹，撞击板过载，粉尘被气流冲刷夹带等问 题1 1 1 - 1 8 】。 根据目前国内外的研究现状，冲击粘附的应用还仅限于在采样器方面的应用， 还没作为一种除尘设备来研究。而在采样器上的研究成果并不能简单的直接用于除 尘设备上。因此，在此基础上发展基于冲击粘附理论的除尘技术是很有必要的。 1 3 本课题主要研究内容 本课题主要是针对火电厂除尘器尾部逃逸的超细粉尘。期望在一个高流速的条 件下，借助冲击粘附机理对超细粉尘进行捕集，进一步降低排放的烟尘浓度，以达 到国家排放标准。 主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 对粉尘的冲击粘附机理进行研究。 ( 2 ) 研究设计冲击粘附装置简易物理模型。 2 华北电力人学硕十学位论文 型。 ( 3 ) 利用f l u e n t 软件，建立管栅式冲击粘附装置的二维气固两相流的流场模 ( 4 ) 利用上述模型对管栅式冲击粘附装置进行结构优化设计。 ( 5 ) 设计、制作管栅式冲击粘附试验装置，并在实验室条件下进行实验，以 进一步改进优化装置参数。 ( 6 ) 在燃煤电厂烟道内实际工况条件下进行现场实验。 华北电力人学硕士学位论文 2 1粘附概论 第二章冲击粘附理论 粒子附着在固体表面上，或者粒子彼此相互附着的现象，称为粘附。后者亦称 为自粘。附着的强度，也就是克服附着现象所需要的力( 垂直作用于粒子重心) ， 称为粘附力。 粒子的粘附是和许多重要的实际问题密切相关的。就除尘而言，许多除尘器的 捕集机制，都依赖于在旌加捕集力以后，粒子对表面的粘附。 粘附力和周围介质的性质有关。在液体介质中，粒子的粘附要比在空气中弱得 多。例如j 粘附于钢表面的直径4 0 ，一- 6 0 微米的玻璃粒子，在空气中用2 1 0 j 达因 的力可以使9 0 的粒子分离，而在水中只要用8 1 0 4 达因的力。 如果周围空气中存在水或其它液体的蒸气，蒸气可能在相邻物体之间冷凝。倘 若相互接触的物体之间，水或其它液体的厚度超过这些物体被润湿时所形成的弯液 面高度，则可认为粘附是液体型的。 粘附的型式和粒子数也有关系。如果只有几个粒子，则它们常常不相互接触， 而各自和表面粘附。如果有许多粒子，则它们形成包含一排或几排相互接触的，亦 即由自粘作用连接起来的粒子层。 可恶弋忘卞 图2 1粒子受分离力的情况 在单个粒子和表面粘附的情况下，分离力f d 作用在每个粒子上，如果分离力 f d 粒子与表面粘附力f 。，则粘附的粒子将与表面分离。在由自粘作用连接起来的 粒子层粘附于表面的情况下，力作用在形成粒子层的所有粒子上。该层的强度，不 仅取决于其对表面的粘附，而且取决于粒子相互的自粘。如果f 。 f c ，则将出现自粘的分离；如果f a f c ，则可 4 华北电力大学硕士学位论文 能有混合的粘附自粘分离。 粘附粉尘的剥离，和作用于粒子的力的大小与方向均有关系。如果力是垂直施 加于粘附粉尘表面，则要粒子分离，必须f d f 。；而就切向力而言，起作用的则是 力矩，即m d = f d r ( m d 为分离力矩；r 为粒子半径) 。在此情况下，分离过程的第一 阶段将为粒子的滚动或滑动。 粘附是由各种性质不同的力引起的。在某些条件下，一种力所起的作用可能超 过其它的力。 在气态介质中产生粘附的力有： 1 范德华力。即分子间的吸力。它是在粒子和某个表面直接接触之前出现的。 随着分子之间的距离加大，吸力迅速下降。在几个分子直径的距离以内，这种力有 显著影响。它的大小还取决于行将接触的物体的特性和粒子粒度，以及实际的接触 面积。改变这些因素中的一种，就可以改变分子力，从而改变粘附力。 2 静电力。一些实验已经证明静电荷能使粒子粘附的强度显著增加。但如果 相邻表面之间的间隙内是潮湿的，静电力的作用就大大减小，甚至没有静电力。 3 毛细力。在粒子和物体表面之间的空隙内存在弯液面时出现的力。据实验， 当空气相对湿度超过6 5 时，开始出现毛细冷凝现象；这时，粘附力上升。液体的 表面张力越大，粒子的粒度越粗，相互接触的表面可湿性越好，则产生粒子粘附的 毛细力越大。毛细力和电力实际上是不能同时作用的。 这三种力都和产生粘附的两种物体的物理、化学性质有关。 关于影响粘附的因素，还有以下关系： 1 粘附力取决于粒子和物体表面的接触面积，接触面积越大，则粘附越强。 与此有关的是： ( 1 ) 粒子形状：不同形状的粒子和物体表面接触的面积不一样，因而粒子的粘 附也不一样。就相同体积的粒子来比较，片状粒子( 即长度和宽度远大于其厚度的 粒子) 的粘附力大于立方形粒子，而针形粒子则比上述两者的粘附力都大。 ( 2 ) 表面粗糙度：根据实验结果，西蒙把表面粗糙度对粒子粘附的影响分为三 种情况。第一种情况，相邻的表面都是理想地光滑，例如玻璃粒子粘附于极度光滑 的金属表面。第二种情况是表面呈现微量粗糙，即凸出的部分的高度比粒子尺寸小 得多。这时，粒子与表面的真实接触面积是比较小的，因而粘附力下降。第三种情 况，表面凸出部分的高度和粒子尺寸差不多，也就是表面呈现巨量粗糙，这时粒子 处在沟槽里，导致实际的接触面积增加，粘附力随之增大。 2 关于粒子粒度和粘附的关系是：如果只有分子间的作用力，或者粘附力主 要是毛细力，则很光滑的球形粒子和物体表面的粘附强度是与粒子粒度成正比的。 s 华北电力人学硕士学位论文 但如果粒子不是球形，粒子和表面也不是理想地光滑，就可能出现不同的情况。有 许多实验研究的结果表明，粘附力和粒子粒度是反比关系。 3 粒子粘附的表面如受污染，则可能出现这几种情况：如果是被不溶性亚微 米粒子污染，由于减少了接触面积，会使粒子的粘附减弱；如果是被可溶性物质污 染，能改变界面的亲水性质；如果是被油类粘滞物质污染，则将大大提高粘附力。 西蒙曾经研究过油层厚度对粘附力的影响，发现粘附数随着油层厚度变化的情 况不是固定不变的。开始时，油量稍有增加，粘附数即有相当大的上升；其后，油 层虽然继续增厚，粘附数却保持不变；最后。随着油量的继续增多，粘附数反而下 降。 粒子和有油的表面粘附，不仅取决于油层厚度，而且取决于油的粘度。此外， 粒子粘附于覆盖有粘滞材料的固体表面，还和粉尘粒子与固体表面接触时的动能有 关。 4 粘附力随着接触时间的延长而增加。但是，经过多长时间达到最大值，一 些研究者的结果不致。 当空气流过有粉尘附着的表面时，可能发生两种情况：一种是使原来附着的尘 粒脱离表面；再一种是空气携带的粒子沉降而粘附到表面。 单个粒子能否脱离粘附的表面，和粘附力、气流速度以及空气流过表面的边界 层结构有关。而粒子层脱离表面的情况，由粒子与表面的粘附力( f 。) 和粒子相互 间的自粘力( f 。) 决定。如果f 。 f 。，就可能出现克服自粘力而粒子层顶部的一些 粒子脱离的现象( 自粘型脱离) 。如果自粘力大大超过粘附力，则可能在粉尘层和 表面之间的边界出现分离( 粘附型脱离) 。前者不仅取决于自粘力和空气速度，而 且还取决于气流作用在粘附的粒子上的时间。后者则仅取决于气流速度和粘附力。 使粘附的粒子脱离所需要的气流速度和粒子粒度有关。据西蒙推导，使单个粒 子脱离的气流速度与r 3 陀成反比；造成粘附型脱离的气流速度与r 成反比；造成自粘 型脱离的气流速度与r u 2 成反比。因此，如果粘附粒子的粒度减小，则相应于使单 个粒子脱离的气流速度增加较多，而相应于造成自粘型脱离的气流速度增加较小。 如果气流中本身带有固体粒子，则除了以一定速度运动的气流外，还有空气携 带的粒子和粘附粒子碰撞的作用而使粉尘脱离粘附表面。这两种力加在一起就使分 离力增大，因而可以在较慢的气流速度下发生分离。气流携带的粒子越多，发生分 离所需的速度越小。另外，悬浮在空气中的颗粒越大，粘附的粒子也越容易分离。 粒子和气流中障碍物粘附的特性可以用沉降系数来表示。其数值取决于粉尘的 粒度分布和障碍物的尺寸，围绕障碍物的流动状况，障碍物表面的弹性和粘附力。 如前所述，气流中粉尘粒子粘附的条件是f a f d 。分离力f d 包括包括由相互接 6 华北电力人学硕十学位论文 触的物体的弹性决定的力f e 和起剥离作用的粘附层每单位面积截面上气流的压力 f f 。因此，粒子粘附的条件是f 。+ f f f 。 根据西蒙发表的公式，f e 和粒子半径r 2 成正比，而f 。则和r 成反比，因此，f a f 。 和，成反比。 在相同的流动条件下，沉降系数是和f a f 。的比值成正比的。因为这个比值随粒 子粒度的减小而增加，所以，当r 减小时，沉降系数变大。这一点已为特凯罗夫的 实验所证实【1 9 1 。 2 2 含尘气流中颗粒粘附与速度的关系 2 2 1气流中颗粒粘性与相互作用之间的关系 不同粒径颗粒对固定在气流中的表面的粘附将由颗粒大小，速度和粉尘移动的 特殊特征等决定。当粘性力增大至不能从表面移除颗粒时气流中的颗粒就可能发生 粘附，但是决定粘附的初始条件是颗粒到表面的途径和颗粒与表面接触的时间。 在颗粒与表面接触的过程中决定粘附的一个重要因素是速度，也就是，颗粒速 度是多少时发生粘附。对于一个固定的物体，这个速度是绝对的。对于一个移动的 物体，物体的速度必须跟含尘气流的速度相比较，也就是，我们必须着重关注相对 接触速度。 颗粒与表面接触的相对速度的变化范围很大。举个例子，假如颗粒是自由沉降， 这个速度将不大于l m s 。在地面运输设备的运动中，比如汽车，颗粒与表面接触的 相对速度可以达到几十米每秒。在颗粒的气力输送过程中，颗粒的相对速度可能大 到几百米每秒。 我们研究了在不同相对速度情况下气流中颗粒的粘附。在图2 2 显示了球形玻 璃颗粒( 直径小于3 0 u m ) 以一定速度靠近平板的粘附情况。当速度从l m s 增加到 一个特定的值时( 对每个表面一定) ，颗粒粘附的数量开始减少。然后，随着速度 继续增加，在相当宽的速度范围内，这个数值基本保持不变，然后开始上升。颗粒 粘附数和气流速度的关系有两方面：气流速度可以划分为区域l 到区域2 、区域2 到区域3 。我们把区域间的转折点称为临界点，和相应的速度为第一临界速度v i 和 第二临界速度v 2 。 7 华北电力火学硕士学位论文 图2 2 颗粒沉积数跟速度的关系 影响颗粒粘附的主要因素是颗粒的大小、速度和接触面材料的弹性特性。粘附 到表面的颗粒数取决于材料表面性质，按粉尘沉积量减少的规律排列如下：硬铝合 金，硬铝合金表面涂上油脂，夹木胶布板，钢。到达表面的颗粒越少，v 2 的值越大。 不同材料的第一，第二临界速度如下： 表2 1不同材料的第一，第二临界速度 表面材料硬铝合金硬铝合金( 表夹木胶布板钢 面涂有油脂) v 1 ，m s 2 9l83 64 3 v 2 ，m s 4 06 01 0 01 3 0 为了找出堆积颗粒数目变化的原因和确定表面材料改变时的临界速度，应该检 查跟气流速度相关的颗粒附着的机理。颗粒附着到表面的条件可以用下面的这个不 等式来表示： f i n + f a d + f f r + p f e l + f d r ( 2 1 ) ( 2 1 ) f i n 是惯性力，f 。d 是粘附力，f f r 是摩擦力，p 是颗粒重力；f 。l 是弹性力； f d r 是拖拽力。 2 2 2 第一临界速度和颗粒的反弹 当气流速度等于或是小于第一临界速度时，颗粒冲击接触区域发生的是弹性变 华北电力大学硕+ 学位论文 形。在分离这样的颗粒后，接触区域表面的形状能恢复。现在来确定它跟较低空气 流速的关系。也就是不超过第一临界速度。 颗粒的重量比起粘附力来是相当小的( 差好几个数量级) ，可以忽略。在边界处， 拖拽力急剧下降( 因此，颗粒发生分离的速度相对地要比颗粒沉积的速度大) 。在 接触之后，惯性力就消失了。然后颗粒附着的情况可以用下面公式表示( 假设f u = o ) ： f a d f c i ( 2 - 2 ) 自然，当 f 。i f a d ( 2 - 3 ) 颗粒将会发生分离。如图2 - 3 。 弹性力等于： 一p f 拥心d ，珍笔 ，e f 专卜卜一 z 二fl m p z 霾 f f n 图2 - 3 气流绕过障碍物情况 e e l = k a ，2 1 ，6 7 5 ( 2 - 4 ) 其中k 。l 是取决于物质弹性性质的常量；r 和v 是颗粒的半径和速度。 随着颗粒速度的增加，反弹力也增加，逐渐达到颗粒分离的条件，颗粒粘附的 数量开始减少。随后粘附颗粒的数量继续减少直到反弹力与粘附力发生平衡。此时 达到了第一临界速度。 在分析颗粒的粘附和反弹时，必须考虑当含尘气流冲击表面时颗粒与表面接触 的条件。已经注意到一些特定粒子，它们在粘附到表面之前，会发生旋转。在球形 玻璃颗粒( 直径为2 8 9u m ) 沉积到玻璃表面的实验中( 气流速度为 5 3 m s ，r e = 2 4 4 0 0 ) ：大约5 5 的颗粒反弹，5 的颗粒发生旋转和沿着表面移动，剩 o 华北电力人学硕士学位论文 下的颗粒粘附到表面。 f e l 的数值跟颗粒半径的平方r 2 成正比，同时粘性力跟l r 成正比。因此，f 。d f 。l 跟1 r 3 成正比，取决于气流绕过障碍物的情况和表面的弹性特性。在相同的气流条 件下，粘附数n 的数值跟f a d f 。l 成正比。因为当颗粒变小时这个比值增加，所以r 变小导致n 增大。这同样在t e k e n o v 的黄土粒子粘附到玻璃表面的实验中被证实。 在特定流速下( 低于4 m s ) ，所以粒径的粒子全部粘附到了平的玻璃表面上。当气 流速度增加，大颗粒的粘附减少。直径小于1 u m 的颗粒在相对高的流速下仍然粘附 到了表面( 高达1 5m s ) 。 因此我们可以得出：对于单分散性的颗粒有一个固定的临界速度，高于这个速 度颗粒将会从表面反弹。当速度进一步增加到几百米每秒，粉尘粒子冲击嵌入到材 料表面里，形成了强烈的附着。 在一个特定的速度区间里表面的颗粒粘附数是最小的。这个速度下限取决于颗 粒什么时候不能克服表面的弹性( 第一临界速度) ，上限则是什么时候颗粒克服了 表面的弹性力( 第二临界速度) 。这意味着在颗粒速度低于第一临界速度或是高于 第二临界速度时能得到更大的颗粒粘附数。在接触表面弹性性质已知的情况下第一 临界速度能计算出来。 相互间粘性力与表面弹性之比对粘附的影响可以通过粘附能量的理论基础来分 析。g i l l e s p i e 等分析了粉尘垂直冲击物体表面的粘附。假如动能大于粘附能，也就 是e k e a d , 颗粒会反弹。当e 。d e k ，颗粒将附着到表面。粘附的能量能以公式计算： e a = 6 刀笞耐月- ，+ 刀笞甜乞 ( 2 5 ) 其中是单位接触面积的粘附能；h 是相邻物体的距离；r 是颗粒半径；是 接触区域半径。 g i l l e s p i e 的关于球形石英颗粒( 直径2 u r n ) 粘附到石英板的数据如下： 表2 2球形石英颗粒粘附数据 wm s o11 01 0 0 1 0 4 , u m o1 84 51 1 3 b 1 0 9 ，e r g o0 0 4 54 54 5 0 1 0 9 , e r g 6 86 86 86 8 1 0 华北电力大学硕七学位论文 方程2 3 可以用来计算相邻物体的分子之间的相互作用。但是因为h 的值不能 准确测量，所以此方程得出的是近似值。 j o r d a n 分析了垂直碰撞颗粒的附着和反弹条件。根据b r a d l e y ，直径为d ，距离 为h 的两颗石英大颗粒间的相互作用为： 能量： 对于硼酸钠( n a 2 8 4 0 7 ) 粉尘颗粒反弹的条件为： l = 一2 1 2 d e 缸= 一2 1 2 h d 易= - 4 3 4 d ，2 ( 2 l m ) t ( 1 - k 2 ) k l 其中m 为颗粒的质量，k 是颗粒垂直速度冲击前后的比值。 将式2 5 中f 。d 带入式( 2 9 ) ，假设k = 0 8 ，h = 5 1 0 一c m ， 得到了确定颗粒发生粘附的速度的关系式，以颗粒直径的形式： v 7 d 2 时，颗粒嵌入形成的截面积的是一定的，等于颗粒的投影截面积；当 h d 1 2 时，这部分的面积是变化的，当h = d 2 时取得最大值。 在第一种情况，颗粒运动处于稳定状态，受到的表面的阻力也保持常量，即 f = a z d 2 4 = c o n s t( 2 1 5 ) 其中。是表面物理性质的一个特性参数。 将式2 15 中f 带入式2 1 4 ，对速度从初始速度到0 、颗粒飞行距离从0 到h 积 分，得到颗粒嵌入深度的公式： h = 0 4 7 ( p 仄) 咖瓜 ( 2 1 6 ) 其中砟和成为颗粒和撞击表面的密度。 现在分析颗粒嵌入的第二种情况，当h 吣 2 h 时，嵌入部分的体积以参数n 表示，从o 到d 2 积分，得到 h = o 4 1 p p 咖1 仃【砟+ ( 以，1 ) 】1 7 2 ( 2 一1 8 ) 在式2 1 8 中，1 3 是一个没确定的数。从相对简单的几何考虑，n 可以从下式获 t 3 华北电力入学硕十学位论文 得： 刀= d 3 h 2 ( 3 d 一2 h ) ( 2 1 9 ) 在其他数知道的情况下从式2 1 8 和式2 1 9 可以求出h 。 平面和颗粒的密度不难测量。颗粒运动的相对速度和颗粒直径也容易测。因此 式2 1 7 和2 1 8 可以用来实际计算。 下面是一些材料( 7 级粗糙度) 的动力学硬度，以及与石蜡相比的相对硬度： 表2 3一些材料的硬度和相对硬度 材料石蜡硬铝涂漆的硬层压胶布钢 铝 板 ，o 2 41 1 21 5 52 1 44 2 k g f m m 2 中 14 6 76 4 58 91 7 5 材料的动力学绝对或相对硬度越大，发生沉降的颗粒越少，第二临界速度越高。 这些数据可以用来计算颗粒在障碍物上嵌入的深度。在相对动力硬度的o 基础上， 我们可以用方程2 1 7 来得出颗粒嵌入不透明材料的相对和绝对深度( 在颗粒质量和 速度保持不变的基础上) ： h o = h m n w = qp w p mx l 痧o ( 2 - 2 0 ) h 。= p ，x 1 4 0 ( 2 2 1 ) 其中h m 和h w 是颗粒嵌入到材料和石蜡里的各自深度。 为了根据式2 2 l 计算嵌入深度，必须知道同大小的颗粒嵌入石蜡的深度，以一 定的速度运动，和相对动力学硬度( 如表2 3 ) 。因此，计算出了嵌入深度就可以确 定那些速度超过第二临界速度的颗粒沉积的条件。 根据公式2 1 7 和2 1 8 ，对于给定的速度，大颗粒嵌入的深度比细颗粒小。这意 味着细颗粒会优先沉积，这已被实验验证。 2 3 颗粒对空气管道内表面的粘附 2 3 1 在管道转弯处的粘附 当含尘气流的气流方向改变时，由于惯性，颗粒与表面接触的机会和颗粒粘附 1 4 华北电力大学硕十学位论文 的机会就增加了。 用实验的方法测量这种情况下的粘附只能给出定性的关系。曾经有实验【2 0 】试图 定量评估在管道中上升气流的粘附情况。在最后，做了关于直径从9 到1 8 9 u m 的研 磨过的重铬酸钾，在垂直管道运动，结尾处有直角弯道的粘附实验。气流速度为 2 5 。1 0 m s 。颗粒在管道弯曲处的粘附应该由两个无量纲参数c 3 ，k 3 决定： c 3 = 锨c 乃= d - 3 9 p o p v l a 2 ；r c = d 2 峨；墨= s t r e o 2 r c 眦 ( 2 2 2 ) 其中是当与颗粒运动方向相反的力不符合s t o k e s 规律时出现的无量纲数；s 。 和f r 是s t o k e s 和f r o u d e 数；见和p ，是空气和颗粒的密度；u 是空气的动力粘性。 当c 3 从o 0 7 到o 4 3 ，颗粒平均直径从9 到1 6 5 u m 时，系数硒由无量纲数k 3 决定，k 3 可以由经验条件算出。 大颗粒比小颗粒更容易沉积在弯道处。在垂直的递减的气流中，重力的作用随 颗粒增大而增大，伴随着这k 3 的值也增大。对于空气中悬浮的细颗粒来说，重力对 其向管壁的运动不起明显的作用，k 3 可以忽略，也就是它不是决定性的。 2 4 气流中粉尘对障碍物的粘附 2 4 1 粉尘对圆柱形和球形表面的粘附 一定粒径的颗粒沉积在障碍物上的颗粒数n 可以由下式计算： n = 7 7 0 v s n i t ( 2 - 2 3 ) 其中r lo 是捕集系数；v 是气流速度，e m s ；s 是障碍物的迎流截面积，t i l l 2 ； 1 1 l 是气流中的粉尘量，以每c r l l 3 的颗粒数表示；t 是时间，s 。 这种情况下，r lo 是粘附的颗粒数与总的越过障碍物的横截面积的颗粒数之比。 粘附的粉尘量，捕集系数取决于含尘气流流过障碍物的情况、颗粒从表面上反 弹的可能性、保持住这些颗粒的粘附力。捕集系数小于l 。 捕集系数不仅体现含尘气流流过表面情况，而且体现颗粒对这些表面的粘附。 系数硒，跟捕集系数t lo 相比，只反映了颗粒的反弹；它不考虑流过表面的情 况。因此捕集系数更完全的反映了气流流过不同障碍物的颗粒的粘附。捕集系数的 值在_ 些情况下可以计算或者可以通过实验来确定【2 1 1 。 控制气流中障碍物上的粉尘沉积过程是解决一些实际问题的重要因素。比如， 尘土粘附到高电压绝缘上使它们的绝缘特性锐减、粉尘粘附到极板提高电除尘的效 1 5 华北电力人学硕士学位论文 率。 在圆柱和球形表面上的粉尘颗粒的沉积和粘附是不均匀的。图2 4 显示了黄土 颗粒沉积数、颗粒粒径、跟圆柱表面成不同入射角、不同气流速度的关系【2 2 】( 1 为 5 m s ，2 为1 4 2m s ，3 为6 0m s 。4 为1 6m s ) 。当角度伊从0 增加到9 0 时，沉积 颗粒的数目和最大粒径都减小了。对于角度接近0 的情况，气流速度是最小的，因 此由于空气动力拖拽而发生的颗粒分离可以忽略。当角度接近9 0 时，粘附的颗粒 会显著减少，因为倾斜的冲击使颗粒发生旋转。 图2 4 沉积在圆柱上的颗粒数、粒径与入射角、流速的关系【( 1 ) 5 0 m s ；( 2 ) 1 4 2 m s ；( 3 ) 6 0 r n s ；( 4 ) 1 6 m s ；】 半径为1 8 u m 的石蜡颗粒粘附到直径3 0 0 u m 的石英圆柱上的数目，与角度的关 系可以由下式表示： n = n 0c o s t p ( 2 - 2 4 ) 其中n o 是在缈= 0 ，也就是沿着气流流向时的粘附的颗粒数。 这个方程在被气流速度为5 8 和2 0 4 m s 、管径为8 5 m m 的实验中证实。 气流流过侧面时，分离力因为气流速度增大而增大。在障碍物的背面，因为漩 涡发生了更大的粘附，特别是细颗粒。颗粒沉积在障碍物的前面和后面的机理是不 同的，取决于颗粒大小和气流方向。比如，在垂直上升气流中无烟煤中大部分细颗 粒沉积在圆柱的背面；在下降的气流中，大部分粉尘在圆柱前面被捕集。在两种情 况下，粗颗粒( 直径2 3 8 5 u m ) 都沉积在圆柱前面；然而，上升气流中沉积的粉尘 要比下降气流要少。 气流中颗粒的粘附可以从概率的基础上来评价。这个概率跟含尘气流绕过表面 的速度有关。当速度为v a d 时取得最小粘附。对于直径为1 2 7 u m 的球形乳胶颗粒来 1 6 华北电力人学硕