细颗粒物捕集数值模型

随着现代工业的飞速发展和汽车保有量的不断增加，工业排放和汽车尾气产生的可吸入细颗粒物污染了大气环境，危害着人类健康。在近几十年里,对有组织排放源细颗粒物的治理引起了人们的高度重视。各种针对细颗粒物的聚并、捕获、脱除的新材料和新方法得到了长足的发展，特别是有关细颗粒物凝并的各种新技术层出不穷。在细颗粒物的各种捕集方法中，陶瓷滤料由于具有复杂的孔隙结构和较小的孔隙率、不容易被穿透且耐高温的特点，因而受到各行业的青睐，汽车行业还采用特种陶瓷做成三效过滤催化剂，既可以起到催化脱除污染物的作用，还可以捕集炭黑。然而，目前人们对细颗粒物捕获过滤中的团聚、聚集成饼、微面形成、对压降的影响及其相应的行为机理还不是很了解，以至于很多新方法的产生都只能是基于复杂的现场工艺调整和摸索得到的，因而对刚性陶瓷过滤的物理过程进行数字化建模显得尤其重要。
由于细颗粒物来源种类繁多、成分复杂，其物理化学性质也千差万别，捕集的技术难度随来源不同也各有差别，因而在有限的篇幅内不可能完全概括细颗粒物聚并捕集机理的所有内容。考虑到这一点,本书把讨论重点放在了细颗粒物在多孔陶瓷滤料表面的分形聚并、积炭的形成机制、积炭层多重分形分析方法、积炭微观表面构造方法、陶瓷动态捕集过程等方面，希望读者在阅读本书之后,能对陶瓷过滤材料捕集高温细颗粒物的行为机理、积炭的成因及影响有一些基本的了解，并能由此衍生出一些先进的捕集和操作技术。至于许多更为专门的有关细颗粒如何聚并、聚并的行为机理、单颗粒形成生长机理方面的论述，读者可进一步参考其他专著以及相关参考文献。
本书第①章介绍了大气颗粒污染物的主要特征、工业烟气过滤式相关捕集技术、多孔陶瓷过滤器捕集颗粒物及经典过滤理论；第②章介绍了陶瓷过滤材料生产工艺、表面特性、结构特性、热力学特性和主要化学组成；第③章介绍了细颗粒物的来源及分类、化学组成、物理特性；第④章介绍了粉尘集聚成团、团聚体相互挤压形成坍塌及其对过滤压降的影响；第⑤章采用多重分形理论对陶瓷三效催化过滤器表面积炭层进行多重分形谱计算，确定广义分形维度及积炭层的加权矩随变特性，由此确定积炭层微观表面的均一性；第6章应用Weierstrass-Mandelbrot函数(W-M Function)对积炭层表面进行分形重构，并将构造积炭与真实表面进行了对比分析；第7章考虑细颗粒物的比截留量引入了等效平均孔隙率的概念，介绍了比截留量对陶瓷过滤中压降的影响规律；第8章在考虑比截留量的情况下构建了陶瓷过滤效率模型，并讨论了相应的影响因素；第9章构建了带清灰操作的动态过滤循环模型。
多年来在各方大力支持下，特别是在国家自然科学基金、湖南省自然科学基金和国家留学基金的资助下，本人多年开展的陶瓷捕集细颗粒物相关基础理论研究工作为本书积累了丰富的素材；本书的出版还得到了长沙理工大学出版基金的赞助，在此一并对各有关科学基金和出版基金的资助表示衷心的感谢。
本书主要内容是基于博士期间开展的研究工作，并结合本人在该领域独立开展近十年的研究工作，由此特别感谢湖南大学环境科学与工程学院院长暨长江学者曾光明教授的亲切关怀、两位博导李彩亭教授和魏先勋教授在我攻读博士期间的悉心指导，魏先勋教授已于2011年与世长辞，该书的出版也是对魏老师深切的缅怀。
本书撰写过程中，长沙理工大学能源与动力工程研究室尹艳山博士参与了第1章、第2章和第3章的撰写，同时还得到了研究室宋权斌副教授、胡章茂博士、曹文广博士、冯磊华副教授、徐慧芳讲师、田红副教授、阮敏博士和水利学院余关龙博士等同事以及本课题组研究生的大力帮助，本人对此深表感谢。
感谢出版基金评审委员会陈荐教授、刘亮教授、鄢晓忠教授、陈冬林教授的宝贵意见和建议。
特别感谢在加拿大北不列颠哥伦比亚大学访学期间的合作导师Jianbing Li教授的耐心指导和提供的科研条件，以及Hossein Kazemia教授给出的良好建议，使本书得以顺利地完成。
同时，还感谢家人对我的理解与支持，正是他们对家庭默默地付出，我才得以有充足的时间完成本书的编写。
本书可供航空、能源、动力、环境、交通、机械等工程领域的科技人员参考，也可作为相关专业的研究生、本科生教材。
由于水平有限，书中疏漏与不妥之处在所难免，敬请广大读者不吝指正。

张巍
2019年5月于长沙理工大学
能源与动力工程学院

张巍，副教授，长沙理工大学能源与动力工程学院，加拿大北不列颠哥伦比亚大学访问学者，湖南省环境治理行业协会专家库专家，湖南省教学专家，作者长期从事燃烧过程污染物的迁移与转化、燃煤烟气污染物的治理、机动车尾气治理、环境催化技术、低NOx燃烧新技术的研究与开发。主持和参与了国家高技术研究发展计划（863计划）课题、国家自然科学基金、国家CSC留学基金面上项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省教育厅项目等多项，在EST、BT、EF、I&ECR等期刊上发表学术论文20多篇。

《细颗粒物捕集数值模型》介绍了陶瓷过滤材料、细颗粒物的基本性质，并重点阐述了陶瓷过滤捕集超细颗粒物过程中，细颗粒物的团聚和挤压、团聚体的坍塌密实机制、表面积炭层多重分形分析方法、积炭层微观分形面构造方法、过滤捕集粉尘的压降和效率模型以及动态过滤模型的构建等方面的最新研究进展，涵盖了超细颗粒物捕集机理研究所涉及的界面化学、静电吸附、分形分析等基础理论以及Weierstrass-Mandelbrot函数面重构、多重分形谱原理等研究方法，系统介绍了从材料特性到动态陶瓷过滤模型的建立。
本书适合从事高温细颗粒捕集工艺研究、设计、开发的技术人员和管理人员阅读,也可供高等院校相关专业师生参考。

第1章 绪论1
1.1大气颗粒污染物主要特征1
1.1.1大气颗粒污染物的来源1
1.1.2大气颗粒污染物的分类2
1.1.3颗粒污染物的主要危害4
1.2工业烟气过滤式捕集技术概述4
1.2.1过滤式除尘技术概述4
1.2.2陶瓷多孔介质除尘技术概述5
1.3多孔陶瓷过滤器捕集颗粒物特点10
1.4经典过滤理论11
1.4.1Darcy渗透率11
1.4.2粉饼的比阻12
1.4.3过滤阻力损失14
1.4.4颗粒捕集效率16
1.4.5多孔陶瓷过滤器清灰操作18
参考文献18

第2章 陶瓷过滤材料的物理化学性质22
2.1陶瓷滤料的生产工艺23
2.2陶瓷滤料的表面特性24
2.2.1微观表面粗糙度24
2.2.2微观表面弯度26
2.3陶瓷滤料的结构特性26
2.3.1陶瓷过滤材料微观结构26
2.3.2陶瓷过滤材料的孔径分布与粒径分布29
2.4陶瓷过滤材料的热力学特性31
2.4.1热导率31
2.4.2比热容33
2.4.3温度膨胀系数34
2.5陶瓷过滤材料主要化学组成34
2.5.1氧化铝(Al2O3)35
2.5.2氧化铍(BeO)35
2.5.3氮化铝(AlN)35
2.5.4金刚石36
参考文献36

第3章 细颗粒物的物理化学性质38
3.1细颗粒物排放源38
3.1.1燃煤工业细颗粒物固定源38
3.1.2机动车尾气移动源39
3.1.3工业生产排放41
3.1.4其他细颗粒物源42
3.2细颗粒物的主要化学组成44
3.2.1含碳成分44
3.2.2灰分成分46
3.2.3有机成分48
3.2.4硫酸盐成分50
3.3细颗粒物的物理特性51
3.3.1晶形结构51
3.3.2微观形态54
3.3.3颗粒密度57
3.3.4比表面积59
3.3.5介电特性60
参考文献64

第4章 细颗粒物团聚、挤压、坍塌形成粉饼机理67
4.1引言67
4.2分形理论68
4.2.1分形的定义68
4.2.2分形维数69
4.3团聚体挤压坍塌模型69
4.4团聚体坍塌实验研究方法74
4.4.1材料74
4.4.2抽滤实验75
4.4.3陶瓷过滤器实验77
4.4.4分形维数的估计78
4.4.5团聚体尺寸80
4.4.6松弛因子与配位数的反演推导80
4.5团聚体坍塌研究结果分析82
4.5.1团聚体存在性验证82
4.5.2团聚体尺度对孔隙率的影响82
4.5.3团聚体松弛因子与配位数预测84
4.5.4松弛因子与分形维数对孔隙率的影响85
4.5.5模型预测压降与实验值的比较89
4.6本章小结91
参考文献91

第5章 陶瓷三效催化过滤器表面积碳层多重分形分析94
5.1引言94
5.2陶瓷三效催化过滤器积炭层采样95
5.3积炭层微观表面图像获取96
5.4多重分形理论与计算97
5.4.1多重分形谱计算97
5.4.2催化剂积炭层多重分形分析98
5.5陶瓷催化过滤器积炭层微观形态99
5.6积炭层广义分形维度数100
5.7积炭层加权矩随变特性102
5.8三效催化过滤器积炭层多重分形谱103
5.9本章小结105
参考文献105

第6章 陶瓷过滤器表面积碳层微观面分形重构107
6.1引言107
6.2原位捕集炭黑实验设计109
6.2.1炭黑捕集实验109
6.2.2积炭层厚度测算110
6.3积炭层表面形态构建方法113
6.3.1构建表面形态113
6.3.2积炭层粗糙度预测114
6.4分形维数推演115
6.5积炭层厚度推演116
6.5.1积炭层压降116
6.5.2积炭层厚度曲面构建117
6.6微观表面分形重构119
6.6.1微观粗糙构造面119
6.6.2构造面与真实表面的对比120
6.7本章小结123
参考文献123

第7章 陶瓷过滤等效平均孔隙数值模型126
7.1引言126
7.2比截留量修正压力模型127
7.3悬浮称重法获取比截留量131
7.4陶瓷过滤时间特性变化规律133
7.4.1非稳态函数Fx的时间特性133
7.4.2比截留量与粉饼孔隙率的时间特性135
7.5陶瓷过滤压降影响因素140
7.5.1比截留量与孔隙率的影响140
7.5.2陶瓷过滤表观速度的影响143
7.5.3比截留量与速度的协同影响144
7.5.4陶瓷滤料自然粒径的影响146
7.5.5陶瓷过滤元件壁厚的影响147
7.6陶瓷过滤压降瞬态特性148
7.6.1不同操作条件下的瞬态特性148
7.6.2不同陶瓷管的瞬态特性150
7.6.3持续过滤加载反吹的瞬态特性151
7.7本章小结154
参考文献155

第8章 陶瓷过滤器捕集效率模型157
8.1引言157
8.2陶瓷过滤集尘理论158
8.3陶瓷过滤集尘效率时间特性162
8.4陶瓷过滤集尘数学模型164
8.5陶瓷过滤集尘影响因素166
8.5.1比截留量的影响166
8.5.2过滤速度的影响167
8.6本章小结169
参考文献170

第9章 陶瓷过滤器脉冲清灰过滤模型171
9.1引言171
9.2陶瓷过滤与布袋过滤的区别172
9.3陶瓷过滤数学模型构建173
9.4陶瓷过滤清灰循环过程175
9.5陶瓷过滤清灰修正模型176
9.5.1模型基本假设176
9.5.2清灰过滤循环建模177
9.5.3清灰过滤循环程序设计183
9.6陶瓷过滤循环动态模型影响因素183
9.6.1粉饼覆盖面积分率的影响184
9.6.2瞬态渗滤速度的影响185
9.6.3单循环瞬态加权渗滤速度的影响186
9.7本章小结187
参考文献187

附录189
附表1n=6时的φcake-drel-Df对照表189
附表2n=8时的φcake-drel-Df对照表190
附表3n=12时的φcake-drel-Df对照表191
附表4n=6时的φinter-drel对照表192
附表5n=8时的φinter-drel对照表192
附表6n=12时的φinter-drel对照表192
附表7由测量孔隙率与分形维数计算的坍塌前团聚体间孔隙率192
附表8根据文献中所报道的配位数由坍塌前的初始孔隙率计算出的配位数192