1、4 过滤式除尘器过滤可定义为借助于多孔介质将气溶胶粒子从气流中分离的过程。用纤维层(滤布、滤纸、金属绒、袋式除尘器等)、颗粒层( 矿渣、石英砂、活性炭粒等 )或液滴对气体进行净化都属于同样的过滤机理。过滤方法对微细粒子有较高的捕集效率，所以，其应用非常广泛，它是目前烟尘净化的主要方法之一。4.1 过滤机理气体中的粒子往往比过滤层中的空隙要小得多，因此通过筛滤效应收集粒子的作用是有限的。尘粒之所以能从气流中分离出来，主要是拦截、惯性碰撞和扩散效应。其次还有静电力、重力和热泳力作用等。如图 4.1 所示，分析过滤机理时，需知道绕捕集体流动的介质的流场。通常按两种情况考虑：黏性流和势流。在我们经常遇
2、到的过滤过程，黏性流假设往往更接近实际。图 4.1 经典过滤机理4.1.1 拦截效应拦截机理认为：粒子有大小而无质量，因此，不同大小的粒子都跟着气流的流线而流动，如图 4.2 所示如果在某一流线上的粒子中心点正好使 能接触到捕集体(又称“靶”/2pd)，则该粒子被拦截。这根流线就是该粒子的运动轨迹，在此流线以下范围为 b 大小同为的所有粒子均被拦截。于是，这根流线是离捕集体最远处能被拦截粒子的运动轨迹，即pd极限轨迹。图 4.2 拦截效应设纤维为直径 Dc=2 的圆柱体，对于绕静止圆柱体的势流，其流函数由式(1.50)给a201sinavr当 时， ，代人流线方程，有22pdra* 2001s
3、in1/ppdavrvd MERGEFORMAT (4.1)当 时，有 ，代人上式后，两端同除以纤维半径 ，立即得到拦截效rsirba率* MERGEFORMAT 112/pRpdRaa(4.2)式中 R拦截参数， 。/pcD式（4.2）应满足 于是有01,R* MERGEFORMAT (4.3)10,R解不等式，有* MERGEFORMAT (4.4)5150,22pcRdD或在实际问题的分析中， ，所以基本上总能满足式（4.4）的条件。故在下面的pcdD:效率分析中，不再讨论粒子大小的适用范围。对于绕静止圆柱体的黏性流，由式（1.53） ，用上述同样的推倒方法得到拦截效率* MERGEFO
4、RMAT (4.5)21ln1R RLa式中， 为绕直径 圆柱体流动的雷诺数，2.0lne,DLac 0ecDv如果捕集为直径 的球体，其效率为c* MERGEFORMAT (4.6)2Rba对于绕静止球体的势流，由流函数表达式（1.56） ，得出球体对粒子的拦截效率* MERGEFORMAT (4.7)21RR对于绕静止球体的黏性流，由流函数表达式（1.58） ，得出球体对粒子的拦截效率* MERGEFORMAT (4.8)23121R在此，有两点需要说明：（1）应用拦截效率计算式时，当过滤速度很大时，才能用势流假设，但在实际应用中，通常过滤速度很低，如纤维过滤速度 0.3 时，对势流，He
5、rne 给出下式tk* MERGEFORMAT (4.12)20.5tkIS当 1.213 时，对黏性流，Nielsen 和 Hill 给出对球体的惯性碰撞效率经验式tkS* MERGEFORMAT (4.13)41I式中，参数 由下式计算4* MERGEFORMAT (4.14)0.9540.253tkS4.1.3 扩散效应当气溶胶粒子很小( 1 )，这些粒子在随气流运动时就不再沿流线绕流捕集体，pdm此时，扩散效应将起作用。粒子向捕集体的扩散过程十分复杂，其扩散效率通常是捕集体绕流雷诺数 和粒子ReD贝克莱特(Peclet) 数 Pe 的函数。贝克莱特数 Pe 定义为* MERGEFORM
6、AT (4.15)0pvdPeD式中，常数 D 为扩散系数， m2s。对于 1 粒子的布朗扩散，由斯托克斯一爱因斯pm坦公式给出* MERGEFORMAT (4.16)/3BpkTCud式中 库宁汉修正系数；Cu玻耳兹曼常数， =1.3810-23JK 。BkB当 (分子平均自由程)时，兰格米尔(Langmuir)给出pd* MERGEFORMAT (4.17)1/22483pkTRDdPm式中 T绝对温度，K ；R气体常数，J (kgK)。m气体摩尔质量，虹；p气体压力，Pa。对圆柱体的扩散效率，根据雷诺数 和贝克莱特数 Pe 分 3 种情况：ReD(1) 1，Pe leD:在小 Pe 的黏
7、性流中，Stechkina 导出扩散效率 D* MERGEFORMAT (4.18)21.50lnDPee(2) 1，Pe lReD:纤维过滤器常处于这一范围。Langmuir 给出* MERGEFORMAT (4.19)112lnDxLa式中， 1/31.308,.0lReDxLaPe这里顺便给出 Stechkina 考虑其他圆柱体存在并有孔隙率 影响时扩散效率的理论解轴。* MERGEFORMAT (4.20)1/32/1.9.64DskePe式中， 。1ln24sk(2) 1，Pe lReD:这属于势流范围，在烟尘净化中较少遇到这种情况。Stairmend 给出* MERGEFORMAT
8、 (4.21)8DPe对球体的扩散效率，在 1，Pe1 的黏性流中，Crawford 给出ReD* MERGEFORMAT (4.22)1/62/34.8ReD当考虑周围有其他球体存在时，Pfeffer 给出* MERGEFORMAT (4.23)1/32/sAP其中* 5 1/35621, ,sAMERGEFORMAT (4.24)式中 床层孔隙卒。式(4.23)适用于雷诺数 较大的颗粒层除尘器的扩散效率估算，结果略偏大。而式ReD(4.22)则适用于雷诺数 较小( 过滤速度小)的颗粒层除尘器的扩散效率估算。粒子间的相互扩散和粒子向捕集体的扩散行为是极为复杂的物理现象，直到现在仍是气溶胶科学
9、的重要研究内容之一。特别是表面有相互作用力存在时，其扩散机理更加复杂。这里将不做进一步讨论。但有一点必须明确：当如 1 时，可忽略扩散效应。pdm4.1.4 重力沉降作用重力沉降效率的推导和其他几种捕集机理相比甚为简单，若重力机降方向与气流方向一致，无论对圆柱体还是球体，显然有* MERGEFORMAT (4.25)01Ggv式中，G 称为重力参数， 。0若是水平流，则* MERGEFORMAT (4.26)21G若是上升流，则* MERGEFORMAT (4.27)0Ggv在上升流中，重力起负作用。除非粒子很大，在大多数情况下，重力沉降效率很小，故分析中常忽略重力沉降作用。4.1.5 静电力
10、作用气溶胶粒子和捕集体通常带有电荷，这会影响粒子的沉积。粒子和捕集体的自然带电量是很少的，此时静电力可以忽略不计。但如果有意识地人为给粒子和捕集体荷电，以增强净化效果时，静电力作用将非常明显。粒子和捕集体间的静电力主要有 4 种：库仑力、象力(感应力) 、空间电荷力和外加电场力。对于粒子在圆柱体上的电力沉降，Pich 做过较系统的理论分析 40。表 4.1 列出了主要的静电捕集效率的理论结果。表 4.1 不同电力作用下静电捕集效率的理论结果带电情况 静电捕集效率 E式中参数粒子带电 q圆柱体带电 Q(库仑力)21arcosRCxKx1043CpcuQqKdDv/Rx势流：2arcos1Rxxx
11、R2013pcCuQDv粒子中性圆柱体带电 Q(感应力) 黏性流：2arcos1RxxxR20143pcCuHv势流：124RK1x/316粒子带电 q圆柱体带电中性(感应力) 黏性流：12R1x1/KH12RKX1203pcpCuqdDv/31.9H势流：01E1EK1/2EE外加电场力 41黏性流：E0G121pGK0CuEqBv1/3pd注： 拦截效率； 、 、 无量纲参数，即某种电力与斯托克斯阻力之比；RCKIE粉尘介电常数； 通虑材料的介电常数；pc其他符号意义同前。对于球形捕集体上的电力沉降，Nielsen 和 Hill 提出一种“ 粒子流函数”的简化方法 41。当只有库仑力时，静
12、电收集效率为* MERGEFORMAT (4.28)4ECK当粒子和捕集体(无论是圆柱体还是球体 )带异性电荷时， Kc 为负， 0。EC只有外加电场力作用时，静电收集效率为* MERGEFORMAT (4.29)121cEXK式中， 、 为无量纲参数，其定义是某种电力与斯托克斯阻力CKE（ ）之比。如表 4.2 所示。对于球形捕集体，为求感应电荷力的收集效率，03/pdvu可将式(4.28)中的 用 ，或用 代替，即可得感应电荷力的收集效率。 和CIQiqKIQK的计算式见表 4.2。iqK表 4.2 粒子与球形捕集体间的电力带电情况 力 式中参数粒子带电 q圆柱体带电 Q(库仑力)214a
13、Qqr 2203cCapuQqKdDv粒子中性圆柱体带电(感应力)3516pad25086cIQap粒子带电 q圆柱体带电中性(感应力) 2324cpaqr203ciqapCuKdDv外加电场力 41 0331sin1coscqErr 0Ep备注1/,2,2pca一粒子与圆柱体之间的距离； 圆柱rcD体直径； 库宁汉修正系数； 远处来Cu0v流速度； 平均场强； 真空介电常数；0Ep球体相对介电常数c前面讨论的都是单一电力的收集效率。不同电力同时作用的效率推导较复杂，且多种电力联合作用的效率不一定高于单一电力的收集效率。理论研究表明，对于大多数具有重要物理意义的情况，得到的结果是惊人的：效率与
14、流场无关。 上面较系统地讨论了各种过滤机理的捕集效率。为对各机理捕集作用的大小有一个宏观的认识，现将效率随粒径的变化关系定性地绘于图 4.5 中。(设静电作用时，粒子和捕集体均带电)。从图中看出，粒径在 0.5 微米左右，综合过滤效率最低。粒径在 0.011.0 微米之间的颗粒物称为亚微米粒子，关于亚微米粒子收集是气溶胶科学领域的一个重要研究方向。 众多的研究者对孤立捕集体对粒子的拦截、惯性碰撞、扩散、静电力、重力等各效应同时作用时的捕集机理，进行过大量的理论研究和试验，建立了许多繁难的数理模型 42。但到目前为止，还没有得到较普遍认可的令人满意的理论结果。许多研究者认为各效应同时作用时可直接
15、用叠加原理，但理论研究发现这种简单的叠加是不合理的，而且误差很大(有的计算结果会大到难以置信的程度，如效率接近 1，甚至高于 1)。于是，近似地把各效应同时作用下的综合效率用串联模式来处理较符合实际 43。图 4.5 各机理的捕集效率随粒径的变化关系EDIRs 11（4.30） 式中 拦截效率； 静电捕尘效率。RE惯性碰撞效率； 扩散效率；I D显然，这种处理方法从理论上讲也是不严格的，但所得结果不会导致太大的偏差。4.2 过滤层的收集效率上节描述了孤立捕集体对粒子的收集机理，但在实际应用中，无论是纤维层过滤还是颗粒层过滤，过滤层都是以很多捕集体的集合形式而存在。因此，过滤层的收集效率是多个孤立捕尘体的群体贡献。纤维层过滤是目前主要的烟尘净化方法之一。近几年来在世界范围内，纤维过滤器(如袋式除尘器)的应用，无论在数量上还是在投入上都比基他除尘设备具有更快的增长速度。特别是覆膜技术（在虑料表面覆一层多微孔、极光滑的 EPTFE 薄膜，即膨体聚四氟乙烯薄膜) 的应用与推广，使纤维层过滤效率更高、清灰效率更好。甚至可净化有一定黏性的烟尘。从而，进一步促进了纤维过滤技术的发展。纤维层过滤分两种过滤方式：内部过滤和表面过滤。内部过滤又称深层过滤，首先是含尘气体通过洁净滤料，这时，起过滤作用的主要是纤维，因而符合纤维过滤的机理；然
