浅议粉尘从空气中分离的条件及其机理

◇山东省临邑县公路局 宋汉乾

摘 要

纯净的空气是人类和一切生物赖以生存的重要环境因素之一。将粉尘从空气中分 离出去，也是提高产品质量（如保证沥青混合料级配精度）的重要技术措施。重力与 惯性除尘器、旋风除尘器、湿式除尘器、过滤层除尘器、袋式除尘器、静电除尘器以 及组合式除尘器等7类除尘器，它们将粉尘空气中分离出去有其共同的分离条件。但 由于各种除尘器的除尘原理不同，造成了它们在结构以至性能、适用范围等方面的显 著差异。本文从介绍“粉尘从空气中分离的条件”入手，分别叙述常用的除尘器的除 尘机及适用范围，以便针对各种筑养路工程和含尘空气的具体情况选用或设计适用的 除尘器。

关键词：

粉尘 空气 分离 机理

除尘是分离并捕集含尘气流中的粉尘等固体颗粒物、用于环境保护或提高产品质量的 专项技术。收尘器、集尘器、滤尘器、过滤器等可统称为除尘 器，它是用于分离并收集悬浮于空气或气体中粉尘粒子的专 用设备。

1 粉尘从气体中分离的条件

粉尘等固体颗粒物随气体一起向前移动，当含尘气体进入分离区时，在某种或几种力的作用下粉尘颗粒将偏离气流，经 过足够的时间移到分离界面上并附着在上面。滞留在分界面上的 粉尘颗粒不断地被清除，可为新的粉尘颗粒继续附着在分离界面 上创造条件。循环往复，即为除尘器的作业过程。可见，粉尘颗 粒从气体中分离的条件是：

1)具有使粉尘颗粒运动轨迹和气体流线不同的作用力，常见 的有重力、离心力、惯性力、扩散(力)、静电(力)、直接拦截(力)、 热聚力、声波和光压等。

2)有分离界面可以让粉尘颗粒附着在上面，如容器壁面、某 固体表面、直径大的颗粒表面、织物与纤维表面、液体薄膜或雾 珠等。

3)有足够的时间使粉尘颗粒移动到分离界面上，这就要求除 尘器有一定的空间、并能控制气体流动速度。

4)能使已附着在分离界面上的粉尘颗粒不断地清除，而不会 重新返回气流中去，这就需要有一个清灰和排灰过程。

2 气体中粉尘分离的机理

2.1 气体中粉尘分离的主要机理

2.1.1 粉尘的重力分离

以重力自然沉降为基础、粉尘颗粒从缓慢运动的气流中分离 出来，是一种最简单、效果最差的除尘方法。因为在重力除尘器 中，气体介质处于湍流状态，因而粉尘颗粒即使在除尘器中滞留 时间很长，也不能有效地从含尘气流中分离出细微粒度的粉尘。 但是，对较粗粒度粉尘的分离、捕集效果较好，因此粉尘的重力 分离机理及重力除尘器主要适用于直径大于100~500μm的粉尘 颗粒。为取得较好的除尘效果，在此过程中必须以缓慢的气流速 度予以配合。

2.1.2 粉尘的离心分离

由于气体介质的快速旋转，气体中悬浮的粉尘颗粒达到很大 的径向迁移速度，从而使粉尘颗粒有效地得到分离。为了保证除 尘效果，离心除尘器的结构必须使粉尘颗粒在除尘器内的滞留时 间要短，相应的除尘器内气流旋转直径要小，否则很多粉尘颗粒 在旋转除尘器中短暂的滞留时间内不能到达容器壁面。例如，在 直径为1~2m的旋风除尘器内，可以有效地分离、捕集10μm以 上大小的粉尘颗粒。如果要求使用大尺寸的旋风除尘器，只能分 离、捕集粒径大于70~80μm的粉尘，亦即这种旋风除尘器的效 果较差。

旋风除尘器的突出优点是，它能够处理高温气体的除尘，造 价也比较便宜。但是，对气体高精度净化的除尘效率不高。

2.1.3 粉尘的惯性分离

粉尘的惯性分离机理是，当气流绕过某种结构形式的障碍物 时，利用惯性可以使粉尘颗粒从气流中分离出来。障碍物的横断 面尺寸愈大，气流绕过障碍物时流动线路严重偏离直线方向就开 始得愈早，相应地悬浮在气流中的粉尘颗粒开始偏离直线方向也 就愈早。应说明的是，利用惯性机理分离粉尘，势必给气流带来 一定的压力损失。然而，它能够达到很高的分离、捕集效果，从 而使这一缺点得以补偿。因此，惯性除尘器可以高效地分离、捕 集几微米大小的粉尘颗粒，其效率接近袋式除尘器和文氏管除尘 器。在实际应用中，惯性除尘器通常与重力沉降装置配合使用。

2.1.4 粉尘的静电(力)分离

静电(力)分离粉尘的原理是，利用电场与荷电粒子之间的 相互作用。因此，它要求粉尘粒子荷电。为了产生使荷电粒子从 气流中分离的力，必须有电场。由于荷电粒子受到的静电力相当 小，只有使粉尘粒子在电场内长时间滞留才能达到收集粉尘的目 的。因此静电除尘器尺寸一般十分庞大，相应地设备造价较高。 但是，与外形尺寸同样庞大的袋式除尘器相比，其独特优点是静 电力净化装置不会造成很大的压力损失，因而耗能较低。静电力 净化的另一个重要优点是，可以用来处理工作温度达400℃的气 体。此外，静电力除尘的最小尺寸不受限制。

2.2 气体中粉尘分离的辅助机理

2.2.1 扩散作用

绝大多数悬浮在气体中的粉尘粒子在触及固体表面后就滞留 在表面上，以此种方式从该表面附近的粉尘粒子总数中分离出来，所以靠近沉积表面便产生粉尘粒子浓度梯度。因为粉尘微粒 在某种程度上参加其周围分子的布朗运动，故而粉尘粒子不断地 向沉积表面运动，使其浓度差趋于平衡。粉尘粒子浓度梯度愈 大，这一运动就愈加剧烈。悬浮在气体中的粉尘粒子尺寸愈小， 则参加分子布朗运动的程度就愈强，粉尘粒子向沉积表面的运动 也相应地显得更加剧烈。

粉尘粒子的扩散沉降，在用织物过滤器捕集细微粉尘时起着 特别明显的作用

2.2.2 热力沉淀作用

容器和管道的壁面与气流中悬浮的粉尘粒子的温度差会影响 这些粒子的运动，如果在热管道臂面附近有一个不大的粉尘粒 子，则由于该粉尘粒子受到迅速而不均匀加热的结果。靠近较热 侧的分子在与粉尘粒子碰撞后，以大于靠近较冷侧分子的速度飞 离粒子，结果使作用于粒子的脉冲产生强弱差别，促使粒子朝着 背离受热管壁的方向运动，从而引起粒子沉淀效应。

当除尘器内的积尘表面用人工方法冷却时，热力沉淀的效应 特别明显。

2.2.3 凝聚作用

凝聚是气体介质中的悬浮粉尘粒子在互相接触(碰撞)过程中 发生粘结的现象。当气体介质速度局部变化时，所发生的凝聚作 用在湍流脉冲中显得特别明显，这是因为粉尘粒子被流动的气体 介质吹散后，由于本身的惯性，跟不上气体单元运动轨迹的迅速 变化，结果使粉尘粒子互相碰撞。

引起凝聚作用的外力可以是粉尘粒子的重力，或荷电粉尘粒子的电力。

如果是多分散性粉尘，细微粒子与粗大粒子凝聚，而且细微 粒子愈多，其尺寸与粗大粒子的尺寸差别愈大，凝聚作用进行愈 快。

粉尘粒子的凝聚作用为各种结构、原理的除尘设备提供了良好的捕集粉尘条件。

3 除尘器的选用依据

在粉尘的物理特性中，粉尘粒径大小是关键的特征参数，并且粉尘的其他许多特性与粒径大小密切相关。因此，选用除尘器 的首要依据是粉尘粒径大小。下图表示了粉尘颗粒物理特性及粒 径范围与相应除尘器的关系，可作为针对不同的粉尘选用合适的 除尘器时参考。

粉尘颗粒物特性及粒径范围与相应除尘器

工程建设机械2005.NO.8

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