0 前言

随着世界工业的突飞猛进，环境污染也日趋严重。工业生产过程中向空气中散发大量烟尘，对人体危害很大。不同种类的粉尘对人体的危害固然不同，但同一工业粉尘其粒度组成不同，危害也不一样。空气中的细微粉尘可以进入人的呼吸系统使人患尘肺病，这种呼吸性粉尘(直径为0.1~10μm)对人体危害极大，而它的捕集又最困难，各种除尘净化设备对其的净化效率都很低，因此，为了保护人体健康，必须尽量提高对呼吸性粉尘的净化效率。

1 呼吸性粉尘在人体内的沉降机理

尘粒进入人体后，受截留、碰撞、重力沉积、扩散和静电沉降等五种机理的作用在呼吸道中的不同区域中沉降。其沉降率又取决于粒子的空气动力特性、气道结构及通过气道气流几何形状和结构。＞l0μm的尘粒绝大部分被滞留在鼻腔和咽喉部位，只有很小部分进入气管和肺部；2~10μm尘粒大部分滞留在上呼吸道，仅少部分进入肺内；＜2μm的尘粒在肺内的滞留率随粒径的减少而增加。

截留  当粒子的轨迹非常接近一表面以致其边缘接触到此表面时，截留作用就出现。因此粒子的大小是影响其在气道中滞留的一个重要因素。直线型纤维(如角闪石石棉)比大小类似的卷曲型纤维(如蛇纹石石棉)更容易透过气泡。这是因为直线型呈现的方向性更类似于流线。

碰撞  吸入的空气沿着弯曲的通道通过鼻子或嘴和肺部的支气管而运行，当气流改变方向时，空气中的尘粒由于惯性会与气道表面碰撞而被附着。因此，粒子出现沉降的地点是在大气道分岐点突出处。

沉积  在支气管、细支气管和气泡空间处，气道小且气流速度低。在这些地方重力沉积是粒子沉降的一个重要机理。但当粒子的最终沉降速度为0.001cm/s时，沉积不如扩散有效。

扩散  气流中亚微米粒子在气体分子的碰撞下无规则地作布朗运动，且随粒径的减小而增强。当粒子的平方根位移接近于气体空间的大小时，对于粒子在肺部的沉积，扩散是一种有效的机理。在支气管和气泡中以及在气道的分岐点处，＜0.5μm的粒子，扩散沉降占主导地位。

静电沉降  尽管在胸部没有施加外力场，但具有较高的电迁移率的粒子沉降率有所增加。这种沉降是由于镜象电荷产生的，而镜象电荷是由于带电粒子在气道表面感应出来的。

2 呼吸性粉尘的收集特性

旋风除尘器对呼吸性粉尘几乎无效，对其中的0.1~1.0μm的粒子，各种过滤器、洗涤器和静电除尘器对他们的捕集能力也最差^[1]。

2.1 纤维过滤

考虑单一纤维过滤(可看成是粒子向圆柱体的沉降)，其除尘机理包括截留、惯性沉降、扩散、重力和静电沉降等五种机理。粒子在纤维上沉降是这几个机理共同作用的结果(见图 1)，总沉降效率是单一机理沉降效率的函数，即^[2]：

(1)

式中:E_R——截留效率；E_I——惯性效率；E_D——扩散效率；E_G——重力沉降效率；E_Q——静电沉降效率。重力沉降一般可忽略，静电沉降在后面单独讨论。

纤维过滤器收集效率为：

(2)

式中：β——充填密度；H——纤维层厚度；a——纤维半径；E_Σ——在全部沉降机理作用下单位长度纤维对粒子的捕集效率。下面确定效率E_Σ。

2.1.1 截留效率

(3)

对于Kuwabara-Happel流场，E_R为：

(4)

式中：；r——气溶胶粒子半径；c——常数，按Kuwabara，c = 0.75；按Happel，c = 0.5。

2.1.2 截留和惯性沉降效率

粒子在圆柱体(或球体)上的截留和惯性沉降不是彼此无关的，一般在研究粒子惯性沉降的同时也包括了截留：

(5)

此时，y₂＞y₂。y₂可由解下列微分方程而求得：

(6)

式中：A = 18μ /ρ_pd_p²c，c为Cunningham修正系数；U_x，U_y分别为x，y方向上气流分速度。

2.1.3 扩散沉降效率

扩散沉降对细小粒子显得特别重要，Langmuir给出了计算公式：

(7)

其中:P_e=2aU₀/D，D为粒子扩散系数。

基于Kuwadara-Happel速度场，Fuchs和Stechkina的公式为：

(8)

因而，单一纤维的沉降效率E_Σ为：

(9)

图 2为包括上述三个机理，不同粒径、滤速及纤维直径的单一纤维的收集效率。

从图 2可以看出：

a.  不论滤速和纤维直径如何，单一纤维效率E_Σ随粒径d_p的变化都有一最小值，最小值的变化范围在d_p=0.l~ 1.0μm之间。因此，在呼吸性粉尘范围内不可避免地呈现了单一纤维效率的最低值。

b.  单一纤维效率E_Σ的最小值的大小与滤速v和纤维直径d_f有关，d_f小，E_Σ的最小值大；v大，E_Σ的最小值小。因此减少d_f和降低v是提高单一纤维效率的有效办法。

公式(2)表明:效率η除了与E_Σ有关外，还与β、H及a有关。因而，增大β和H以及减少a，都会使得纤维过滤器的收集效率增加。

综上所述，减少纤维直径是提高纤维过滤器对呼吸性粉尘收集效率的关键。

2.2 水滴捕尘

水滴捕尘就是由洗涤器造成的水滴群，使空气中的粉尘粒子进行反复捕集。水滴捕尘也包括上述五个机理。水滴群的总收集效率为^[2]：

(10)

式中：n——粒子所遇到的水滴数目；E_d——单一水滴的综合收集效率。下面确定之。

2.2.1 粒子的截留和惯性沉降效率E_di(见图 3)

(11)

y₁与y₂的关系为：

(12)

(13)

y₂由下面式子确定：

(14)

以上式中：a——粒子加速度；d_p——粒子直径；D——水滴直径；c——Cunningham修正系数；σ——碰撞到水滴上的所有粒子未被捕集到的系数。

2.2.2 扩散沉降效率E_dd

(15)

式中：Sc——Schmidt数，；ν——气体运动粘性系数。对于标准空气，Schmidt数可写为：

(16)

单一水滴的收集效率E_d为：

(17)

将(17)式代入(10)式就可求得水滴群的总收集效率η。

图 4为包括截留、沉降和扩散三个机理，在不同粒径、不同的气流速度和不同的水滴直径下，单一水滴的收集效率。由图 4可看出：

a.  不论水滴的直径D和速度V多大，单一水滴的收集效率E_d随粒子粒径d的变化都有一最小值，最小值的范围d=0.001~O.lμm。这一特性与单一纤维收集的特性是一样的，不同的是最小值的位置向更细小粒径方向推移。

b.  水滴直径D和速度V对单一水滴的收集效率的影响不大，纤维的直径对单一纤维收集效率却具有很大的影响，因而增大D和提高V对E_d没有显著的提高。

由公式(10)还得出：要提高水滴群的总收集效率，必须增加粒子在洗涤器中所遇到的水滴数目n。因此，增大水滴数目是提高洗涤器效率的关键。

2.3 静电沉降 2.3.1 带电纤维收集粒子

气溶胶粒子和纤维一般带有静电，如果纤维和气溶胶粒子荷电，则气溶胶粒子在纤维上的沉降效率有时会超过截留、重力沉降及扩散效率的总和。

a.  粒子荷电与纤维荷电。此时，荷电粒子在荷电纤维上的沉降效率E_Qq为：

(18)

b.  纤维荷电而粒子为中性。此时，当粒子与纤维之间的距离ρ与圆柱体(纤维)半径a之比：

ρ/a≫1时，沉降效率E_Qo为：

(19)

(ρ-a)/a≪l时，沉降效率E_Qo为

(20)

c.  粒子荷电与中性纤维

对于势流：

(21)

对于粘性流：

(22)

以上式中：a——圆柱体半径；q——粒子的电荷；Q—-圆柱体上电荷的体积密度；ε₁——粒子的介电常数；ε₂——纤维的介电常数。

图 5是上述情况下不同粒径粒子的透过率。从图中可知：(1)中性粒子穿过荷电过滤器与荷电粒子穿过中性过滤器时，情况大致相同，透过率明显降低；(2)荷电粒子穿过荷电过滤器时，透过率降低更多。

由此可知，用荷电的办法能使纤维过滤器的过滤效率得到较大提高。最近，吴章发等对具有静电增强作用的单一纤维效率进行了更为系统的研究，导出了包括上述各种情况下的统一计算表达式。关于这一问题还需作进一步探讨。

2.3.2 电收尘器收集粉尘

电收尘器是利用静电力实现粒子与气流分离的一种收尘装置，其除尘过程大致分为三个阶段；①粉尘荷电；②粉尘沉降；③清灰。

粒子在电场力作用下的理论驱进速度：

(23)

对于场荷电，粒子电荷q为：

(24)

对于扩散荷电，粒子电荷q为：

(25)

式中：E_p——收尘场强；E_D——荷电场强。

粒子的收集效率一般由Deutsch公式计算：

(26)

图 6、7是由(23)，(24)、(25)、(26)式计算的结果。

由于Deutsch公式过于简单，使得由理论式计算的效率值远高于实测值。为接近实际，通常用有效驱进速度w_e替换理论驱进速度w，因而有：

(27)

有关文献曾对粒子静电收集过程进行了较为系统的探讨，给出的效率公式为：

(28)

(29)

F₀因子与粉尘粒子的紊流掺混程度，除尘器的局部阻力系数ξ，电流密度i/l，气流平均速度v等因素有关，是一个能大于1也能小于1的变量。图 7是在不同的ξ值下，F₀值与v的关系图。从图 6、7可以得出结论：

a.  在d_p=0.1~1.0μm范围内粒子的理论驱进速度和Deutsch公式计算的效率值有最低值。增大荷电场强及收集场强可以提高理论驱进速度的最低位置。

b.  增大荷电场强和收尘场强、增大收集板面积和降低处理流量，是提高对呼吸性粉尘的收集效率的途径之一。

c.  提高对粒子收集效率的另一途径是：减少电除尘器通道的局部阻力系数ξ，即是保持良好的入口气流质量，尽量缩小极板上障碍物的高度，使紊流程度降低，将会提高粒子静电收集的有效驱进速度w_e。

d.  为提高对粒子的收集，气流速度一般控制在0.8~1.5m/s之间，在这一范围内粒子的有效驱进速度有最大值。