第二节 含尘气体

一、含尘气体基本概念

气体作为运载粉尘的介质在通风除尘中占有重要地位。一般通风除尘涉及的含尘空气、工业炉窑除尘净化涉及的烟气统称为含尘气体。

1.空气

通常我们讲的空气是指含78%的氮气、21%的氧气以及1.0%的多种稀有气体和杂质组成的混合物。空气的成分不是固定的，随着高度、气压的改变，它的组成比例也会改变。

2.含尘空气

含尘空气通常指由各种机械加工过程（如破碎、筛分、贮运等）产生的常温空气和固体微粒的混合物。在工业通风除尘中，也有以N2等其他气体为载体的，统称为含尘气体。

3.含尘烟气

含尘烟气通常指由各种物理化学过程（如燃烧、焙烧、冶炼、焊接等）产生的高温气体与固体、液体微粒的混合物，烟气中含有CO、CO2、SO2、H2O、NOx等多种气体成分。

二、含尘气体理化特性

1.粉尘浓度

单位体积气体（m3）中含有粉尘的质量（mg），含尘气体粉尘浓度通常分为工况浓度和标况浓度，前者为袋式除尘器应用场合含尘气体的实际操作浓度，单位为mg/m3；后者为载体体积折算到标准工况（0℃，101.32kPa的干气体状态）时的含尘浓度，单位为mg/m3（标准）。可用下式换算：

式中　C——工况浓度（mg/m3）；

　C0——标况质量浓度［mg/m3（标准）］；

　p——烟气压力（kPa）；

　t——烟气温度（℃）。

工况浓度主要用于系统设计、设备选型；标况浓度主要用于环境标准、环境监测，其中还会增加干空气、过剩空气限定的修正。注意排放标准值是按标况浓度制定的，一般它的数值比工况浓度要大，即工况浓度低于标况浓度，工况浓度达标不一定达到排标要求，现场可近似用式（2-2）进行换算。

2.温度

含尘气体温度通常表现为气体温度和粉尘温度。对于一般工业通风除尘，两者差别不大，用气体温度即可；对于工业炉窑除尘，两者差异性有时比较大，气体温度可测，烟尘温度不易测，一般烟尘温度要大于气体温度，炉尾烟道长度越长，二者越接近。炉窑尾部短管道接袋式除尘器会造成滤袋老化或烧损，烟尘越粗蓄热能力越强对滤袋破坏力越大。

3.黑度

烟气黑度是一种凭视觉采用对比法判断烟尘排放质量浓度的指标，分为0～5级，称为格林曼烟尘质量浓度级。颜色越深，级别越大。

4.湿度

单位气体中含有水蒸汽量，即含湿程度，可有多种表示方法。

（1）绝对湿度 单位质量或单位体积湿气体中所含蒸汽的质量，用每千克（kg）气体中含有的水分量（kg）表示，单位为kg/kg；或者用在一定温度、压力下每立方米（m3）气体中的水分量（kg）表示，单位为kg/m3。在工程中，经常针对在标准状态下的干气体，故单位为kg/m3（干，标准），当针对标准状态下的湿气体时，单位为kg/m3（湿，标准）。湿空气中蒸气的含量达到该温度下所能容纳的最大值时的气体状态，称为饱和状态。

（2）相对湿度 在相同温度下，1m3湿气体中水分含量d与在饱和状态下1m3湿气体中的水分含量dH的比值，即

相对湿度还可以用湿气体的水蒸气分压力p与在饱和状态下水蒸气的分压力pH的比值表示：

（3）体积分数 在GB/T 12138—1989《袋式除尘器性能测试方法》中，采用蒸气体积分数Xw（%，体积分数）表示气体的湿度，并实现干、湿气体的体积换算：

式中　——干气体流量［m3/h（干）］；

　QN——湿气体流量（m3/h）；

　Xw——蒸汽体积分数（%）。

5.露点温度

含有一定水分的气体，随着温度的降低相对湿度增加，当降至某一温度值时，气体中的相对湿度达到100%（饱和状态），这时水分将开始冷凝出来，使水分开始冷凝的温度称为露点温度。

露点温度对通风除尘有着重要意义，当气体中出现冷凝水后，粉尘将会粘结到管壁，造成管道堵塞，或粘结在袋式除尘器滤袋上，造成难以清灰、除尘效果下降等。在通常情况下（湿式除尘器中例外）都应防止气体出现冷凝（气体温度不低于露点温度），以保证系统的正常工作。含尘气体或烟气发生结露，多发生在大气环境温度较低的时间里，尤其是位于采暖区域的严寒及寒冷地区。可采取设备保温、保温层伴热加热、滤料拒水处理等措施防止结露。

图2-1 温度和过量空气系数对SO3转化率的影响

对于湿空气，露点温度与空气温度和湿度有关，可用干、湿球温度计测定干球温度和湿球温度，查I-d图，求得露点温度。

对于炉窑高温烟气，如含有SO2、HCl、HF等酸性气体和蒸汽，露点温度会大幅度提高（可超过100℃），腐蚀作用明显加剧。因为是酸性气体结露，所以又称为酸露点。影响酸露点温度的因素十分复杂，可以通过现场实测数据来确定。

烟气中的SO2本身对酸露点没有多大直接影响，而由SO2继续氧化产生的SO3才是主要影响因素。SO2变为SO3的转化率与燃料类型、烟气温度、含氧量等因素有关，如图2-1所示。

燃油烟气的酸露点高于燃煤烟气。一般在正常燃烧工况条件下，燃煤锅炉烟气的SO3转化率约为1%～2%，燃油锅炉烟气的SO3转化率为2%～4%，宜通过实测确定。

对于含有SO3和H2O的烟气，酸露点温度可按如下经验公式近似计算：

式中　tp——酸露点温度（℃）；

　——烟气中H2O的体积分数（%）；

　——烟气中SO3的体积分数（%）。

6.气体黏度

含尘气体的黏度是指气体在流动过程中，气体分子抵抗剪切变形的特性，由气体分子间的吸收力以及分子不规则热运动引起，用动力黏度μ表示。温度越高，气体的黏度越大，可用下式换算：

式中　μ0——温度为T0（K）时的动力黏度（Pa • s）；

　μ——温度为T（℃）时的动力黏度（Pa • s）。

三、含尘气体流体力学特性

1.尘粒在气体中的运动

当尘粒受机械力作用以v0初速度作水平运动时，由于气体的阻力，尘粒呈减速运动，可用下式表达尘粒的运动规律：

尘粒运动的末速度v为

尘粒在时间t内运动的距离为

式中　τ——非稳态尘粒在连续流体系运动的弛豫时间（s）；

　　　dc——尘粒的直径（m）；

　　　ρc——尘粒的密度（kg/m3）；

　　　μ——气体的动力黏度（Pa • s）。

2.尘粒在气体中的凝聚

在气固两相流动中，引起尘粒碰撞凝聚的作用力分为三类：

1）流体给予的作用力，如分子扩散、湍流扩散、流体曳力等；

2）尘粒间的相互作用力，如库仑力、毛细吸附力等；

3）外力，如静电力、磁场、声力、重力等，尘粒还可以被液滴或液膜粘附聚集而被分离。

单个尘粒通过凝聚趋于形成尘粒聚集体，并最终因重量不断增加而沉降；聚集体成长得越大，沉降得越快。

3.尘粒在气体中的沉降

尘粒沉降速度为

式中　vs——尘粒沉降速度（m/s）；

　ρc——尘粒密度（kg/m3）；

　ρg——气体密度（kg/m3）；

　g——重力加速度（m/s2）；

　dc——尘粒直径（m）；

　CD——气体阻力系数，其值与尘粒与气流间相对运动Re数有关。

通常在通风除尘工程中，Re≤1时，则CD=24/Re，代入式（2-10），可得简化式：

4.尘粒在气体中的惯性碰撞

非稳态尘粒在连续流体系运动的弛豫时间为

粒径微细的尘粒乘以肯宁汉修正因子，对球形尘粒则为

式中　mc——粒子质量（kg）；

　C——肯宁汉修正因子，见表2-6。

尘粒以一定的初速度v0运动，当气流90°转向后，尘粒仍会沿原运动方向先前运动，因前进气流阻力作用而减速直至停止的距离Xs（单位为m）为：

式中　v0——颗粒运动的初始速度（m/s）；

　τ——尘粒的弛豫时间（s），见式（2-12）；

　C——肯宁汉修正因子。

表2-6 肯宁汉修正因子（在20℃、101325Pa空气中）

惯性碰撞效应可用惯性参数或斯托克斯数（St）表征：

式中　Dc——dc尺度的颗粒物向前运动遇到的碰撞体尺寸，圆形为直径，其他形状一般取最短。

对于球形捕集体的惯性碰撞效率，可用下式近似推算：

采用改变气流方向对较粗尘粒实施含尘气体除尘就是利用了惯性碰撞原理。

5.尘粒在气体中的离心分离

尘粒处于旋转气流中时，自身将产生离心力作用，脱离旋转流向外部运动，离心力F1（单位为Pa）可表示为

式中　vt——尘粒的切线速度，可以近似认为等于该点气流的切线速度（m/s）；

　r——旋转半径（m）。

离心力与速度的二次方呈正比，因此离心力作用要比重力或惯性碰撞力作用大得多，比较适宜用于对较粗尘粒的预除尘，旋风除尘器就是利用了该分离机理。

在含尘浓度高条件下，可以采用离心力机理的旋风除尘器、惯性除尘器做预除尘，尤其是对于防治含尘烟气的高温尘粒对滤袋产生热破坏作用的效果较佳。

6.气流力

含尘气体中的尘粒在含尘气流中运动，除垂直运动受自身重力作用外，水平运动主要依靠气流的推动力，这个推动力就是气流力P（单位为Pa），可表示为

式中　μ——气体动力黏度（Pa • s）；

　ω——气流速度（m/s）。

在除尘技术中，一般认为设计的含尘气流速度就是尘粒速度，本质上说，尘粒尺度越小随气流运动的能力越强，粗尘粒由于受到自身重力、离心力作用会脱离水平气流，因此利用该机理在除尘设备中去除大尘粒，该机理同时也提示大尘粒在除尘系统管道中易发生沉积。

7.静电力

尘粒在电场中荷电后，荷电尘粒在电场内将受到静电力F作用

式中　q——尘粒的荷电量（C）；

　E——电场强度（V/m）。

尘粒荷电存在两种不同的荷电方式：电场荷电和扩散荷电。尘粒运动过程中与带电离子碰撞而荷电，称为电场荷电；因带电离子扩散现象导致尘粒荷电，称为扩散荷电。对dc＞0.50μm的尘粒，以电场荷电为主；对dc＜0.20μm的尘粒，则以扩散荷电为主；dc介于0.20～0.50μm的尘粒则两者兼而有之。除尘技术中通常以电场荷电为主，电除尘或电袋除尘设备充分利用荷电尘粒产生的定向运动进行除尘。