第1章 緒論1

1.1大氣顆粒污染物主要特征1

1.1.1大氣顆粒污染物的來源1

1.1.2大氣顆粒污染物的分類2

1.1.3顆粒污染物的主要危害4

1.2工業煙氣過濾式捕集技術概述4

1.2.1過濾式除塵技術概述4

1.2.2陶瓷多孔介質除塵技術概述5

1.3多孔陶瓷過濾器捕集顆粒物特點10

1.4經典過濾理論11

1.4.1Darcy滲透率11

1.4.2粉餅的比阻12

1.4.3過濾阻力損失14

1.4.4顆粒捕集效率16

1.4.5多孔陶瓷過濾器清灰操作18

參考文獻18



第2章 陶瓷過濾材料的物理化學性質22

2.1陶瓷濾料的生產工藝23

2.2陶瓷濾料的表面特性24

2.2.1微觀表面粗糙度24

2.2.2微觀表面彎度26

2.3陶瓷濾料的結構特性26

2.3.1陶瓷過濾材料微觀結構26

2.3.2陶瓷過濾材料的孔徑分布與粒徑分布29

2.4陶瓷過濾材料的熱力學特性31

2.4.1熱導率31

2.4.2比熱容33

2.4.3溫度膨脹繫數34

2.5陶瓷過濾材料主要化學組成34

2.5.1氧化鋁(Al2O3)35

2.5.2氧化鈹(BeO)35

2.5.3氮化鋁(AlN)35

2.5.4金剛石36

參考文獻36



第3章 細顆粒物的物理化學性質38

3.1細顆粒物排放源38

3.1.1燃煤工業細顆粒物固定源38

3.1.2機動車尾氣移動源39

3.1.3工業生產排放41

3.1.4其他細顆粒物源42

3.2細顆粒物的主要化學組成44

3.2.1含碳成分44

3.2.2灰分成分46

3.2.3有機成分48

3.2.4硫酸鹽成分50

3.3細顆粒物的物理特性51

3.3.1晶形結構51

3.3.2微觀形態54

3.3.3顆粒密度57

3.3.4比表面積59

3.3.5介電特性60

參考文獻64



第4章 細顆粒物團聚、擠壓、坍塌形成粉餅機理67

4.1引言67

4.2分形理論68

4.2.1分形的定義68

4.2.2分形維數69

4.3團聚體擠壓坍塌模型69

4.4團聚體坍塌實驗研究方法74

4.4.1材料74

4.4.2抽濾實驗75

4.4.3陶瓷過濾器實驗77

4.4.4分形維數的估計78

4.4.5團聚體尺寸80

4.4.6松弛因子與配位數的反演推導80

4.5團聚體坍塌研究結果分析82

4.5.1團聚體存在性驗證82

4.5.2團聚體尺度對孔隙率的影響82

4.5.3團聚體松弛因子與配位數預測84

4.5.4松弛因子與分形維數對孔隙率的影響85

4.5.5模型預測壓降與實驗值的比較89

4.6本章小結91

參考文獻91



第5章 陶瓷三效催化過濾器表面積碳層多重分形分析94

5.1引言94

5.2陶瓷三效催化過濾器積炭層采樣95

5.3積炭層微觀表面圖像獲取96

5.4多重分形理論與計算97

5.4.1多重分形譜計算97

5.4.2催化劑積炭層多重分形分析98

5.5陶瓷催化過濾器積炭層微觀形態99

5.6積炭層廣義分形維度數100

5.7積炭層加權矩隨變特性102

5.8三效催化過濾器積炭層多重分形譜103

5.9本章小結105

參考文獻105



第6章 陶瓷過濾器表面積碳層微觀面分形重構107

6.1引言107

6.2原位捕集炭黑實驗設計109

6.2.1炭黑捕集實驗109

6.2.2積炭層厚度測算110

6.3積炭層表面形態構建方法113

6.3.1構建表面形態113

6.3.2積炭層粗糙度預測114

6.4分形維數推演115

6.5積炭層厚度推演116

6.5.1積炭層壓降116

6.5.2積炭層厚度曲面構建117

6.6微觀表面分形重構119

6.6.1微觀粗糙構造面119

6.6.2構造面與真實表面的對比120

6.7本章小結123

參考文獻123



第7章 陶瓷過濾等效平均孔隙數值模型126

7.1引言126

7.2比截留量修正壓力模型127

7.3懸浮稱重法獲取比截留量131

7.4陶瓷過濾時間特性變化規律133

7.4.1非穩態函數Fx的時間特性133

7.4.2比截留量與粉餅孔隙率的時間特性135

7.5陶瓷過濾壓降影響因素140

7.5.1比截留量與孔隙率的影響140

7.5.2陶瓷過濾表觀速度的影響143

7.5.3比截留量與速度的協同影響144

7.5.4陶瓷濾料自然粒徑的影響146

7.5.5陶件壁厚的影響147

7.6陶瓷過濾壓降瞬態特性148

7.6.1不同操作條件下的瞬態特性148

7.6.2不同陶瓷管的瞬態特性150

7.6.3持續過濾加載反吹的瞬態特性151

7.7本章小結154

參考文獻155



第8章 陶瓷過濾器捕集效率模型157

8.1引言157

8.2陶瓷過濾集塵理論158

8.3陶瓷過濾集塵效率時間特性162

8.4陶瓷過濾集塵數學模型164

8.5陶瓷過濾集塵影響因素166

8.5.1比截留量的影響166

8.5.2過濾速度的影響167

8.6本章小結169

參考文獻170



第9章 陶瓷過濾器脈衝清灰過濾模型171

9.1引言171

9.2陶瓷過濾與布袋過濾的區別172

9.3陶瓷過濾數學模型構建173

9.4陶瓷過濾清灰循環過程175

9.5陶瓷過濾清灰修正模型176

9.5.1模型基本假設176

9.5.2清灰過濾循環建模177

9.5.3清灰過濾循環程序設計183

9.6陶瓷過濾循環動態模型影響因素183

9.6.1粉餅覆蓋面積分率的影響184

9.6.2瞬態滲濾速度的影響185

9.6.3單循環瞬態加權滲濾速度的影響186

9.7本章小結187

參考文獻187



附錄189

附表1n=6時的φcake-drel-Df對照表189

附表2n=8時的φcake-drel-Df對照表190

附表3n=12時的φcake-drel-Df對照表191

附表4n=6時的φinter-drel對照表192

附表5n=8時的φinter-drel對照表192

附表6n=12時的φinter-drel對照表192

附表7由測量孔隙率與分形維數計算的坍塌前團聚體間孔隙率192

附表8根據文獻中所報道的配位數由坍塌前的初始孔隙率計算出的配位數192

隨著現代工業的飛速發展和汽車保有量的不斷增加，工業排放和汽車尾氣產生的可吸入細顆粒物污染了大氣環境，危害著人類健康。在近幾十年裡,對有組織排放源細顆粒物的治理引起了人們的高度重視。各種針對細顆粒物的聚並、捕獲、脫除的新材料和新方法得到了長足的發展，特別是有關細顆粒物凝並的各種新技術層出不窮。在細顆粒物的各種捕集方法中，陶瓷濾料由於具有復雜的孔隙結構和較小的孔隙率、不容易被穿透且耐高溫的特點，因而受到各行業的青睞，汽車行業還采用特種陶瓷做成三效過濾催化劑，既可以起到催化脫除污染物的作用，還可以捕集炭黑。然而，目前人們對細顆粒物捕獲過濾中的團聚、聚集成餅、微面形成、對壓降的影響及其相應的行為機理還不是很了解，以至於很多新方法的產生都隻能是基於復雜的現場工藝調整和摸索得到的，因而對剛性陶瓷過濾的物理過程進行數字化建模顯得尤其重要。

由於細顆粒物來源種類繁多、成分復雜，其物理化學性質也千差萬別，捕集的技術難度隨來源不同也各有差別，因而在有限的篇幅內不可能完全概括細顆粒物聚並捕集機理的所有內容。考慮到這一點,本書把討論重點放在了細顆粒物在多孔陶瓷濾料表面的分形聚並、積炭的形成機制、積炭層多重分形分析方法、積炭微觀表面構造方法、陶瓷動態捕集過程等方面，希望讀者在閱讀本書之後,能對陶瓷過濾材料捕集高溫細顆粒物的行為機理、積炭的成因及影響有一些基本的了解，並能由此衍生出一些先進的捕集和操作技術。至於許多更為專門的有關細顆粒如何聚並、聚並的行為機理、單顆粒形成生長機理方面的論述，讀者可進一步參考其他專著以及相關參考文獻。

本書第①章介紹了大氣顆粒污染物的主要特征、工業煙氣過濾式相關捕集技術、多孔陶瓷過濾器捕集顆粒物及經典過濾理論；第②章介紹了陶瓷過濾材料生產工藝、表面特性、結構特性、熱力學特性和主要化學組成；第③章介紹了細顆粒物的來源及分類、化學組成、物理特性；第④章介紹了粉塵集聚成團、團聚體相互擠壓形成坍塌及其對過濾壓降的影響；第⑤章采用多重分形理論對陶瓷三效催化過濾器表面積炭層進行多重分形譜計算，確定廣義分形維度及積炭層的加權矩隨變特性，由此確定積炭層微觀表面的均一性；第6章應用Weierstrass-Mandelbrot函數(W-M Function)對積炭層表面進行分形重構，並將構造積炭與真實表面進行了對比分析；第7章考慮細顆粒物的比截留量引入了等效平均孔隙率的概念，介紹了比截留量對陶瓷過濾中壓降的影響規律；第8章在考慮比截留量的情況下構建了陶瓷過濾效率模型，並討論了相應的影響因素；第9章構建了帶清灰操作的動態過濾循環模型。

多年來在各方大力支持下，特別是在國家自然科學基金、湖南省自然科學基金和國家留學基金的資助下，本人多年開展的陶瓷捕集細顆粒物相關基礎理論研究工作為本書積累了豐富的素材；本書的出版還得到了長沙理工大學出版基金的贊助，在此一並對各有關科學基金和出版基金的資助表示衷心的感謝。

本書主要內容是基於博士期間開展的研究工作，並結合本人在該領域獨立開展近十年的研究工作，由此特別感謝湖南大學環境科學與工程學院院長暨長江學者曾光明教授的親切關懷、兩位博導李彩亭教授和魏先勛教授在我攻讀博士期間的悉心指導，魏先勛教授已於2011年與世長辭，該書的出版也是對魏老師深切的緬懷。

本書撰寫過程中，長沙理工大學能源與動力工程研究室尹艷山博士參與了第1章、第2章和第3章的撰寫，同時還得到了研究室宋權斌副教授、胡章茂博士、曹文廣博士、馮磊華副教授、徐慧芳講師、田紅副教授、阮敏博士和水利學院餘關龍博士等同事以及本課題組研究生的大力幫助，本人對此深表感謝。

感謝出版基金評審委員會陳薦教授、劉亮教授、鄢曉忠教授、陳鼕林教授的寶貴意見和建議。

特別感謝在加拿大北不列顛哥倫比亞大學訪學期間的合作導師Jianbing Li教授的耐心指導和提供的科研條件，以及Hossein Kazemia教授給出的良好建議，使本書得以順利地完成。

同時，還感謝家人對我的理解與支持，正是他們對家庭默默地付出，我纔得以有充足的時間完成本書的編寫。

本書可供航空、能源、動力、環境、交通、機械等工程領域的科技人員參考，也可作為相關專業的研究生、本科生教材。

由於水平有限，書中疏漏與不妥之處在所難免，敬請廣大讀者不吝指正。



張巍

2019年5月於長沙理工大學

能源與動力工程學院