D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.s2.073 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2007 钢铁过程细微颗粒物凝并性能研究 白皓)钱文涛) 宗燕兵)苍大强)松本克才)谷口尚司) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 3)日本东北大学环境科学研究科，日本仙台9808579 摘要为寻求一种收集钢铁治炼过程中产生的气溶胶颗粒的方法，研究了EAF粉尘颗粒物的性质，采用Z蒸汽氧化产生 的Z0模拟气溶胶颗粒进行凝并实验研究，另采用熏香烟雾在不同的搅拌速度下进行气溶胶凝并实验，并将实验结果与理论 计算进行比较.同时，采用一种考虑颗粒间相互作用的气溶胶凝并模型估算反应范德华力作用的Hamaker常数.实验结果表 明，在搅拌条件下，对于气溶胶的凝并应考虑微细颗粒间的相互作用， 关键词EAF;粉尘；气溶胶凝并；范德华力；Hamaker常数 分类号TF547.2 EAF(电弧炉冶炼)是炼钢的重要工艺过程，由 化，研究了气溶胶颗粒湍流凝并现象，本研究采取类 于EAF粉尘中Zn含量较高，通常把EAF粉尘作为 似方法，用熏香粒子作为研究对象，研究了气溶胶粒 Z如的回收原料.目前已有很多文献对钢铁冶炼过 子的凝并特性 程中产生的粉尘进行了研究]. 1EAF过程中排放出含有ZnO的细 布袋过滤式除尘器是EAF粉尘的重要回收方 法，为了改进粉尘收集效率，本文研究了电炉粉尘 颗粒研究 颗粒性质，尤其是细微颗粒的性质，对于一般的过 1.1研究内容 滤式除尘器，较细颗粒，即直径小于1m的颗粒是 通过粒度分布测试仪分析了某一钢铁企业的 粉尘分离器较难收集的部分， EAF粉尘样本，结果如图1，从图中可以看出样本 颗粒的过滤基于四种原理：冲击作用、扩散作 粉尘粒度分布范围为0.08~30m,其中，亚微米级 用、筛滤作用和静电作用，颗粒会受到其中任何一 颗粒数量占大约50%. 种作用的影响，或同时受几种作用的影响被收集 100 对于细颗粒过滤问题，Marre S.和Palmeri J.通过 研究发现，颗粒半径处于0.1m左右的颗粒，多孔 滤料的收集效率最低，这是由于在此种情况下，布朗 50 扩散效应和直接拦截所起到的作用较少. 为解决这一问题，可将粉尘中细颗粒聚集成大 颗粒以减少细颗粒数量，气溶胶凝并就是通过颗粒 0.01 0. 10 之间相互碰撞形成大颗粒，它能有效提高颗粒粒径， 直径mm 如何提高细粉尘颗粒的凝并效率，是工业生产 图1某钢铁企业EAF粉尘样本的粒径分布 应用的关键问题，布朗凝并能增大细颗粒的粒径， 然而需要研究更有效更具体的技术方法以便应用到 用EPMA分析观察了EAF粉尘的结构和组 实际生产过程中，理论上，气溶胶颗粒的湍流凝并 成，图2为三种不同类型颗粒的EPMA组成物质分 效应可达到更高的凝并率，但由于实验条件较难控 析 制，实验结果较难检测，所以这方面文献较少 由图2知，这些颗粒的结构各不相同，大颗粒 Okuyama与Kousaka[6通过观察改变搅拌强度的搅 具有坚固均匀的结构，其组成主要为铁氧化物，而且 拌容器中气溶胶颗粒浓度和粒径分布随时间的变 大颗粒的形状几乎都是球形·根据之前的研究结 果]，这种颗粒主要产生于气泡破裂，另一方面， 收稿日期：2007-10-15 小颗粒混合在一起，具有不规则的形状，通常被认为 作者简介：白皓(1969一)男，副教授，博士 是蒸发冷凝形成的颗粒
钢铁过程细微颗粒物凝并性能研究 白 皓1） 钱文涛2） 宗燕兵1） 苍大强1） 松本克才3） 谷口尚司3） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 3） 日本东北大学环境科学研究科日本仙台9808579 摘 要 为寻求一种收集钢铁冶炼过程中产生的气溶胶颗粒的方法研究了 EAF 粉尘颗粒物的性质．采用 Zn 蒸汽氧化产生 的 ZnO 模拟气溶胶颗粒进行凝并实验研究另采用熏香烟雾在不同的搅拌速度下进行气溶胶凝并实验并将实验结果与理论 计算进行比较．同时采用一种考虑颗粒间相互作用的气溶胶凝并模型估算反应范德华力作用的 Hamaker 常数．实验结果表 明在搅拌条件下对于气溶胶的凝并应考虑微细颗粒间的相互作用． 关键词 EAF；粉尘；气溶胶凝并；范德华力；Hamaker 常数 分类号 TF547∙2 收稿日期：2007-10-15 作者简介：白 皓（1969—）男副教授博士 EAF（电弧炉冶炼）是炼钢的重要工艺过程．由 于 EAF 粉尘中 Zn 含量较高通常把 EAF 粉尘作为 Zn 的回收原料．目前已有很多文献对钢铁冶炼过 程中产生的粉尘进行了研究［1—4］． 布袋过滤式除尘器是 EAF 粉尘的重要回收方 法．为了改进粉尘收集效率本文研究了电炉粉尘 颗粒性质尤其是细微颗粒的性质．对于一般的过 滤式除尘器较细颗粒即直径小于1μm 的颗粒是 粉尘分离器较难收集的部分． 颗粒的过滤基于四种原理：冲击作用、扩散作 用、筛滤作用和静电作用．颗粒会受到其中任何一 种作用的影响或同时受几种作用的影响被收集． 对于细颗粒过滤问题Marre S．和 Palmeri J．［5］通过 研究发现颗粒半径处于0∙1μm 左右的颗粒多孔 滤料的收集效率最低这是由于在此种情况下布朗 扩散效应和直接拦截所起到的作用较少． 为解决这一问题可将粉尘中细颗粒聚集成大 颗粒以减少细颗粒数量．气溶胶凝并就是通过颗粒 之间相互碰撞形成大颗粒它能有效提高颗粒粒径． 如何提高细粉尘颗粒的凝并效率是工业生产 应用的关键问题．布朗凝并能增大细颗粒的粒径 然而需要研究更有效更具体的技术方法以便应用到 实际生产过程中．理论上气溶胶颗粒的湍流凝并 效应可达到更高的凝并率但由于实验条件较难控 制实验结果较难检测所以这方面文献较少． Okuyama 与 Kousaka ［6］通过观察改变搅拌强度的搅 拌容器中气溶胶颗粒浓度和粒径分布随时间的变 化研究了气溶胶颗粒湍流凝并现象本研究采取类 似方法用熏香粒子作为研究对象研究了气溶胶粒 子的凝并特性． 1 EAF 过程中排放出含有 ZnO 的细 颗粒研究 1∙1 研究内容 通过粒度分布测试仪分析了某一钢铁企业的 EAF 粉尘样本结果如图1．从图中可以看出样本 粉尘粒度分布范围为0∙08～30μm其中亚微米级 颗粒数量占大约50％． 图1 某钢铁企业 EAF 粉尘样本的粒径分布 用 EPMA 分析观察了 EAF 粉尘的结构和组 成图2为三种不同类型颗粒的 EPMA 组成物质分 析． 由图2知这些颗粒的结构各不相同．大颗粒 具有坚固均匀的结构其组成主要为铁氧化物而且 大颗粒的形状几乎都是球形．根据之前的研究结 果［1—3］这种颗粒主要产生于气泡破裂．另一方面 小颗粒混合在一起具有不规则的形状通常被认为 是蒸发冷凝形成的颗粒． 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．073
.68 北京科技大学学报 2007年增刊2 金属液面较近，如距离10cm时，Zn0粒子的凝并时 间较短，此时Zn0粒子的平均直径为0.30m;随着 颗粒收集器高度的增加，如当分别处于30cm和50 cm时，凝并时间也相应增加，则颗粒直径也分别增 20 um 6.6um 加到0.32和0.37m. 10 um 图2EAF粉尘总组成物质EPMA分析·(a)大颗粒：D=40 m:(b)混合颗粒；(c)小颗粒：D=3m 根据样本中Zn的EPMA分析（见图3），不同颗 粒中Zn的存在方式不同，在较大的颗粒中，Zn存 在于颗粒的表面，这表明包含更多Zn的烟气细颗 粒粘附在大颗粒表面，然而，仍有一些独立的小颗 粒，这些小颗粒主要由Zn组成， 10 um 20m 6.6Im 2 图3EAF粉尘组成元素Zn的EPMA分析，(a)大颗粒：D=40 m;(b)混合颗；(c)小颗粒：D=3m 由以上分析可知，EAF粉尘中含有的细颗粒主 要由Zn0组成， 1.2Zn0颗粒的凝并实验 将约300~330g锌粒放入坩埚进行电磁加热 ×18k8872kV 融化锌块并产生锌蒸气，锌蒸气在坩埚上方被氧化 图4Za0颗粒的sEM图.(a)10cm:(b)30cm;(c)50cm 为Zn0并凝结为Zn0颗粒，颗粒收集器置于坩埚 上部垂直于Z0气溶胶流动的方向，这些颗粒碰撞 通过统计SEM图片上的颗粒数，得到颗粒的 到颗粒收集器表面被收集到，实验条件见表1.颗 累积分布图，如图5所示，该图反映了通气管中颗粒 粒收集器收集的颗粒用SEM观察，然后用图像软 凝并的过程特点，由于颗粒凝并反应，随着玻璃管 件分析SEM照片，统计图片上颗粒，以获得平均粒 高度的增加，颗粒数量的减少使得颗粒浓度逐渐降 度及粒度分布情况 低 100 表1Zn0气溶胶凝并反应实验条件 项目 条件 呢 Zn液体温度/K 900 60 高度 -◆-10cm N2气流速度/(mL min) 180(STP) --30cm 90 --50cm 颗粒收集器设定高度/cm 10,30,50 颗粒收集器在管道中检测时间/： 30 管道中气流速度/(cms一1) 60 0.20.40.60.81.0121.4 直径mm 图4为不同高度收集的ZnO颗粒SEM图像 可以看出，这些颗粒并非单一粒径而且形状各异. 图5Zn0颗粒的累积分布 通过统计分析，当颗粒收集器位置距离坩锅锌液态
图2 EAF 粉尘总组成物质 EPMA 分析．（a） 大颗粒： D＝40 μm；（b） 混合颗粒；（c） 小颗粒： D＝3μm 根据样本中Zn 的 EPMA 分析（见图3）不同颗 粒中 Zn 的存在方式不同．在较大的颗粒中Zn 存 在于颗粒的表面这表明包含更多 Zn 的烟气细颗 粒粘附在大颗粒表面．然而仍有一些独立的小颗 粒这些小颗粒主要由 Zn 组成． 图3 EAF 粉尘组成元素 Zn 的 EPMA 分析．（a） 大颗粒： D＝40 μm；（b） 混合颗；（c） 小颗粒： D＝3μm 由以上分析可知EAF 粉尘中含有的细颗粒主 要由 ZnO 组成． 1∙2 ZnO 颗粒的凝并实验 将约300～330g 锌粒放入坩埚进行电磁加热 融化锌块并产生锌蒸气锌蒸气在坩埚上方被氧化 为ZnO 并凝结为 ZnO 颗粒．颗粒收集器置于坩埚 上部垂直于 ZnO 气溶胶流动的方向这些颗粒碰撞 到颗粒收集器表面被收集到．实验条件见表1．颗 粒收集器收集的颗粒用 SEM 观察然后用图像软 件分析 SEM 照片统计图片上颗粒以获得平均粒 度及粒度分布情况． 表1 ZnO 气溶胶凝并反应实验条件 项目 条件 Zn 液体温度／K 900 N2 气流速度／（mL·min —1） 180（STP） 颗粒收集器设定高度／cm 103050 颗粒收集器在管道中检测时间／s 30 管道中气流速度／（cm·s —1） ～60 图4为不同高度收集的 ZnO 颗粒 SEM 图像． 可以看出这些颗粒并非单一粒径而且形状各异． 通过统计分析当颗粒收集器位置距离坩锅锌液态 金属液面较近如距离10cm 时ZnO 粒子的凝并时 间较短此时 ZnO 粒子的平均直径为0∙30μm；随着 颗粒收集器高度的增加如当分别处于30cm 和50 cm 时凝并时间也相应增加则颗粒直径也分别增 加到0∙32和0∙37μm． 图4 ZnO 颗粒的 SEM 图．（a）10cm；（b）30cm；（c）50cm 通过统计 SEM 图片上的颗粒数得到颗粒的 累积分布图如图5所示该图反映了通气管中颗粒 凝并的过程特点．由于颗粒凝并反应随着玻璃管 高度的增加颗粒数量的减少使得颗粒浓度逐渐降 低． 图5 ZnO 颗粒的累积分布 ·68· 北 京 科 技 大 学 学 报 2007年 增刊2
Vol.29 Suppl.2 白皓等：钢铁过程细微颗粒物凝并性能研究 .69 度N与初始颗粒数浓度No的比值)随着时间不断 2熏香烟雾实验 降低，在较高的搅拌速度下，相对颗粒数浓度减少 上述实验观察到Z0粒子的凝并行为，但如需 得更快，这表明，凝并效率随着搅拌强度的提高而增 进一步研究其凝并性质，这样的氧化锌颗粒发生装 大，实际上，平均能量耗散率e在搅拌流体中是搅 置得到的粒子形状和数量都是不稳定的，这为理论 拌强度大小的表征量 分析带来了困难，根据经典的气溶胶凝并理论，气 10p 搅拌速度rmin)·0 溶胶凝并速率只和粒子本身的大小和动力学特性有 7381 0.8F 41004 关，与粒子的种类无关.为进一步研究细颗粒凝并 ●1806 ●2400 现象的性质，实验采用熏香烟雾作为气溶胶颗粒，进 0.6 3596 行凝并实验，实验系统见图6所示 y 0.4 0.2 06 100 200 300 400500600 时间s 图8不同搅拌速度下颗粒数量浓度随时间变化趋势 己知搅拌速度，运用下式计算搅拌槽标准模型 中平均能量散逸率(e),其表达式为[6： e=7.9ND'/T异Hcm2/s3,Re>5000(1) 1一氮气瓶：2一水管；3一气溶胶发生器；4一光源；5一搅拌器：6一 实验槽：7-样本出口：8一光分散系统：9-过滤器：10-稀释器； 式中，Ns表示搅拌速度，1/s;Dr为搅拌器直径， 11一真空泵：12-颗粒计数器 cm;Tr为搅拌槽直径，cm;H为搅拌槽高度，cm, 图6燃香烟雾溶胶凝聚反应实验系统示意图 搅拌速度为1800rmin-时，改变初始浓度，凝 2.1SEM观察结果 并效应实验结果见图9.该图表明初始颗粒数浓度 气溶胶样本使用滤膜收集，图7为不同时间和 对凝并反应过程有一定的影响.初始颗粒数浓度越 不同搅拌条件下，气溶胶凝并现象的比较，在这些 大，凝并反应进行得越快， 图中，白点代表香烟雾的颗粒，随着时间变化，颗粒 1.0p No,10个·cm3 不断凝并，形成较大的颗粒团，一些颗粒粘结在一起 0.8 ■1.22 ●1.49 形成颗粒链，另外，不断加大的搅拌速度可以加强 ▲2.03 0.6 73.16 凝并效应 ◆3.59 0.4 (3 0.2 100 200 300400500 600 时间s 图9不同初始浓度条件下颗粒数量随时间变化趋势 图7气溶胶凝聚反应sEM观察结果.(a)0min,无搅拌；(b)3 min.1800r-min;(c)3min.3596r-min 讨论 2.2搅拌实验结果 3.1剪切流体中颗粒碰撞模型 由于实验采用的颗粒计数器只能测量颗粒直径 气溶胶凝并过程中，颗粒粒度分布表达式： 大于0.3m的颗粒浓度，所以实验中所测得颗粒浓 度局限在这一粒径范围，细颗粒对结果的影响可以 d哑=⊥∑(u,)n:西一 2+k B(vi vk)ni 在数值计算过程中进行考虑 (2) 图8为不同搅拌速度下颗粒数浓度的变化，从 式中，，为由k个初始颗粒组成的凝并颗粒浓度， 图中可以看出，相对颗粒数浓度（时间t时颗粒数浓 式(2)为分散粒度分布的动力学公式，即
2 熏香烟雾实验 上述实验观察到 ZnO 粒子的凝并行为但如需 进一步研究其凝并性质这样的氧化锌颗粒发生装 置得到的粒子形状和数量都是不稳定的这为理论 分析带来了困难．根据经典的气溶胶凝并理论气 溶胶凝并速率只和粒子本身的大小和动力学特性有 关与粒子的种类无关．为进一步研究细颗粒凝并 现象的性质实验采用熏香烟雾作为气溶胶颗粒进 行凝并实验．实验系统见图6所示． 1—氮气瓶；2—水管；3—气溶胶发生器；4—光源；5—搅拌器；6— 实验槽；7—样本出口；8—光分散系统；9—过滤器；10—稀释器； 11—真空泵；12—颗粒计数器 图6 燃香烟雾溶胶凝聚反应实验系统示意图 2∙1 SEM观察结果 气溶胶样本使用滤膜收集．图7为不同时间和 不同搅拌条件下气溶胶凝并现象的比较．在这些 图中白点代表香烟雾的颗粒．随着时间变化颗粒 不断凝并形成较大的颗粒团一些颗粒粘结在一起 形成颗粒链．另外不断加大的搅拌速度可以加强 凝并效应． 图7 气溶胶凝聚反应SEM 观察结果．（a）0min无搅拌；（b）3 min1800r·min －1；（c）3min3596r·min －1 2∙2 搅拌实验结果 由于实验采用的颗粒计数器只能测量颗粒直径 大于0∙3μm 的颗粒浓度所以实验中所测得颗粒浓 度局限在这一粒径范围细颗粒对结果的影响可以 在数值计算过程中进行考虑． 图8为不同搅拌速度下颗粒数浓度的变化从 图中可以看出相对颗粒数浓度（时间 t 时颗粒数浓 度 N 与初始颗粒数浓度 N0 的比值）随着时间不断 降低．在较高的搅拌速度下相对颗粒数浓度减少 得更快这表明凝并效率随着搅拌强度的提高而增 大．实际上平均能量耗散率 ε在搅拌流体中是搅 拌强度大小的表征量． 图8 不同搅拌速度下颗粒数量浓度随时间变化趋势 已知搅拌速度运用下式计算搅拌槽标准模型 中平均能量散逸率（ε）其表达式为［6］： ε＝7∙9N 3 s D 5 T／T 2 T H cm 2／s 3Re＞5000 （1） 式中NS 表示搅拌速度1／s；DT 为搅拌器直径 cm；TT 为搅拌槽直径cm；H 为搅拌槽高度cm． 搅拌速度为1800r·min —1时改变初始浓度凝 并效应实验结果见图9．该图表明初始颗粒数浓度 对凝并反应过程有一定的影响．初始颗粒数浓度越 大凝并反应进行得越快． 图9 不同初始浓度条件下颗粒数量随时间变化趋势 3 讨论 3∙1 剪切流体中颗粒碰撞模型 气溶胶凝并过程中颗粒粒度分布表达式： d nk d t ＝ 1 2 i∑ ＋j＝k β（ vivj） ninj— nk ∑ ∞ i＝1 β（ viv k） ni （2） 式中nk 为由 k 个初始颗粒组成的凝并颗粒浓度． 式 （2） 为 分 散 粒 度 分 布 的 动 力 学 公 式即 Vol．29Suppl．2 白 皓等： 钢铁过程细微颗粒物凝并性能研究 ·69·
.70 北京科技大学学报 2007年增刊2 Smoluchowski公式[.式(2)的结果取决于P(ui, 搅拌速度下得到的曲线，近似呈线性变化，这证明 )的形式，即由颗粒碰撞机制决定，但是式(2)在 层流剪切运动的凝并反应中，速度梯度与N成比 相同粒径颗粒碰撞条件下并不适用，研究中，运用 例 Nakaoka⑧的修正公式进行修正 4.0 3.5 ■0rmin,V。=103.5u 在实验中，湍流运动影响凝并效应的机理类似 ●381r-min,'。-107.2w 3.0 ▲1805rmin','。=101.44w 于层流剪切运动，由于湍流中的空间分布的不均匀 V2941r-min,Y。=56.27w ◆3596rmin','。-56.04u 性，使得不同速度的颗粒相互碰撞，Smoluchows k建立了层流剪切运动中颗粒碰撞的理论模型. 凝并常数表达式如下： 1.0 0.5 (=3(a十a)3 4 dx (3) 3 4 时间/min 式中，G,马为碰撞颗粒的半径：出为颗粒运动在垂 图10In(Na/N)与时间t的关系 直方向上的速度梯度， 将(3)式代入(2)式，并考虑单分散体系，则公式 3.3实验结果与理论计算的比较 (2)可以写成： 理论计算采用PSG方法，理论计算结果仅仅 d Noe 4ydu Noo 显示了粒径大于0.3m的颗粒数量浓度变化情况， dt πdx (4) 但实际上该结果是所有粒径范围内颗粒的反应结 式中，当a为平均半径，N∞为某一时间颗粒总数 果，如图11所示，图中每一阶段的实验结果都大于 时，专xd2Nw=V=cont, 初始量，但是，实验结果却无法表现这一影响，原因 尚未确定，一种假设是认为这一影响太短，对颗粒 即在湍流凝并效应中，颗粒数的减少率与颗粒总数 计数器的检测所起作用较小，所以无法显示 No成比例 1.4 Saffman和Turner]研究湍流问题时发现： 一一理论计算结果 12 实验结果 1/2 (u,) 3E2 1.0 15 (5) 但在Saffman和Turner的分析中，并没有考虑 8 ◆ 流体动力反应和粒子间作用力.Higashitani K[1o在 0.4 粘性流体中采用颗粒垂直凝并的动力学理论，同时 0.2 给出了碰撞频率N: 10 103 102 N,=1.29(atf月 (6) 式中，1与n分别为颗粒i和j的数量浓度；a是 图11搅拌速度为3596r·min条件下实验结果与理论计算比 较 受到流体动力和范德华力作用的垂直凝并的凝并常 数，基于Higashitani的实验结果，得到了以下公式： 为得到量纲为1的时间t并与理论结果进行 a=0.727 hai(e/y/3-0.242 比较，实验数据的时间参量也进行了量纲为1处理 A131 (7) 结果表明，实验数据数据与理论计算存在跳跃，而且 式中，“为黏度；am为初始颗粒半径；A131为介质3 实验中数量浓度的降低速度比理论计算结果快， 中颗粒1的有效Hamaker常数， 3.4考虑颗粒间交互作用的结果 3.2气溶胶搅拌凝并反应机制分析 Higashitani]和Nakaokal8]曾经报道实验结果 当初始状态t=0,N=No时，表达式(4)的结 的跳跃以及水溶胶系统中Saffman和Turner的理 果为： 论，在其研究中，凝并常数α通常小于单位量，但 h为- 在本实验中，为了符合理论曲线，认为α比单位量 (8) 大，这表明气溶胶颗粒间的相互作用与水溶胶系统 根据等式(8)，No/N的自然对数与时间t成比 不同 例，在式(8)中代入实验数据，结果图10所示，不同 当α≠1时，数量浓度随时间降低的曲线符合
Smoluchowski 公式［7］．式（2）的结果取决于 β（ vi vj）的形式即由颗粒碰撞机制决定．但是式（2）在 相同粒径颗粒碰撞条件下并不适用．研究中运用 Nakaoka ［8］的修正公式进行修正． 在实验中湍流运动影响凝并效应的机理类似 于层流剪切运动由于湍流中的空间分布的不均匀 性使得不同速度的颗粒相互碰撞．Smoluchowski ［7］建立了层流剪切运动中颗粒碰撞的理论模型． 凝并常数表达式如下： β（ vivj）＝ 4 3 （ ai＋ aj） 3 d u d x （3） 式中aiaj 为碰撞颗粒的半径； d u d x 为颗粒运动在垂 直方向上的速度梯度． 将（3）式代入（2）式并考虑单分散体系则公式 （2）可以写成： d N∞ d t ＝— 4V π d u d x N∞ （4） 式中当 a 为平均半径N∞ 为某一时间颗粒总数 时 4 3 πa 3N∞＝ V ＝const． 即在湍流凝并效应中颗粒数的减少率与颗粒总数 N∞成比例． Saffman 和 Turner ［9］研究湍流问题时发现： β（ vivj）＝ 8π 15 1／2 （ ai＋ aj） 3 ε ν 1 2 （5） 但在 Saffman 和 Turner 的分析中并没有考虑 流体动力反应和粒子间作用力．Higashitani K ［10］在 粘性流体中采用颗粒垂直凝并的动力学理论同时 给出了碰撞频率 Nij： Nij＝α1∙294（ ai＋ aj） 3 ε ν 1 2 ninj （6） 式中n1 与 nj 分别为颗粒 i 和 j 的数量浓度；α是 受到流体动力和范德华力作用的垂直凝并的凝并常 数．基于 Higashitani 的实验结果得到了以下公式： α＝0∙727 μa 3 1（ε／ν） 1／2 A131 —0∙242 （7） 式中μ为黏度；a1 为初始颗粒半径；A131为介质3 中颗粒1的有效 Hamaker 常数． 3∙2 气溶胶搅拌凝并反应机制分析 当初始状态 t＝0N＝ N0 时表达式（4）的结 果为： ln N0 N ＝ 4V π d u d t t （8） 根据等式（8）N0／N 的自然对数与时间 t 成比 例．在式（8）中代入实验数据结果图10所示．不同 搅拌速度下得到的曲线近似呈线性变化．这证明 层流剪切运动的凝并反应中速度梯度与 N∞成比 例． 图10 ln（ N0／N）与时间 t 的关系 3∙3 实验结果与理论计算的比较 理论计算采用 PSG 方法．理论计算结果仅仅 显示了粒径大于0∙3μm 的颗粒数量浓度变化情况 但实际上该结果是所有粒径范围内颗粒的反应结 果如图11所示．图中每一阶段的实验结果都大于 初始量．但是实验结果却无法表现这一影响原因 尚未确定．一种假设是认为这一影响太短对颗粒 计数器的检测所起作用较小所以无法显示． 图11 搅拌速度为3596r·min －1条件下实验结果与理论计算比 较 为得到量纲为1的时间 t ∗并与理论结果进行 比较实验数据的时间参量也进行了量纲为1处理． 结果表明实验数据数据与理论计算存在跳跃而且 实验中数量浓度的降低速度比理论计算结果快． 3∙4 考虑颗粒间交互作用的结果 Higashitani ［10］和 Nakaoka ［8］曾经报道实验结果 的跳跃以及水溶胶系统中 Saffman 和 Turner 的理 论．在其研究中凝并常数 α通常小于单位量．但 在本实验中为了符合理论曲线认为 α比单位量 大．这表明气溶胶颗粒间的相互作用与水溶胶系统 不同． 当α≠1时数量浓度随时间降低的曲线符合 ·70· 北 京 科 技 大 学 学 报 2007年 增刊2
Vol.29 Suppl.2 白皓等：钢铁过程细微颗粒物凝并性能研究 ,71. 理论曲线，如图12所示，在不同的搅拌速度下，α 的作用，引入凝并常数a,分析估算Hamaker常数， 值处于12.4~21.08之间.根据Higashitani的模型 Hamaker常数的近似结果为3.7X10-0J,该值符 和式(7)，Hamaker常数A131的计算结果为1.2× 合理论值（数量级为10-20~10-19J),实验结果表 10-0~7.9×10-”,平均值为3.7×10-20J.根据 明，在搅拌条件下，考虑颗粒间交互作用的影响，可 现有的文献资料山，大部分材料的Hamaker常数 在气溶胶凝并实验中采用Higashitani模型， 处于10-20~10-19J这一数量级.另外，Chan T, W.[2]最近测定了硫酸气溶胶介质中的布朗凝并率 参考文献 常数，并采用了Sceats的理论13]得到了Hamaker常 [1]Tsujino R.Hirai M.Ohno T.Mechanism of dust generation in a 数，为(6.4士2.6)×102”J,其结果与本实验具有可 converter with minimum slag.ISIJ International.1989.29(4): 291 比性.本实验的结果证实了颗粒间作用力对气溶胶 [2]Naito K.Dust generation under improper expansion top blown jet 凝并速率的影响，这个结果有助于开发提高气溶胶 condition in converter.CAMP-ISIJ.1998.11:146 凝并速率的新技术， [3]Naito K.Mechanism of dust generation in small scale furnace. 1.4 CAMP1SIJ,1996,9:230 [4]Guezeninee A G.Huber J C.Patisson F,et al.Dust formation by 1.2 一·一理论曲线 ·实验结果 bubble-burst phenomenon at the surface of a liquid steel bath.ISI 1.0 International,2004,44(8):1328 0.8 [5]Marre S,Palmeri J.Theoretical study of aerosol filtration by nu- 0.6 cleopore filters:The intermediate crossover regime of Brow nian 0.4 diffusion and direct interception.J Colloid Interface Sci.2001, 0.2 237:230 [6]Okuyaman K.Kousaka Y.Turbulent coagulation of aerosols in a 9o- 10-3 102 stirred tank.J Chem Eng Jpn.1977.10:142 [7]Friedlander S K.Smoke.Dust,Haze-Fundamentals of Aerosol Be- 图12搅拌速度为3596rmin条件下实验结果与理论曲线比 havior.New York:John Wiley &Sons Ine,1977:177 较 [8]Nakaoka T.SugawaraS.Matsumoto K.et al.Water model study on turbulent agglomeration of inclusion particle in liquid metal ICS2001,University of Wales.Swansea.UK,2001:10~11 结论 [9]Saffman P G.Turner G S.On the collision of drops in turbulent 钢铁冶炼过程中气溶胶粒子的有效收集是环境 clouds.J Fluid Mech.1956,1:16 [10]Higasgitani K.Yamaguchi K,Matsuno Y,et al.Turbulent coag 保护和资源回收利用的一个重要问题，为找到更为 ulation of particles dispersed in a viscous fluid.JChem Eng Jpn. 有效的收集方法，本实验分析了EAF粉尘的性质， 1983,16±299 发现Zn在EAF粉尘细颗粒中的含量远远大于大颗 [11]Bergstrom L.Hamaker constants of inorganic materials.Ad- 粒的含量，实验设计了从Zn蒸气氧化得到Zn0颗 vances in Colloid and Interface Science,1997.70:125 粒并进行气溶胶凝并实验的过程，同时观察凝并现 [12]Chan T W,Mozurkewich M.Measurement of the coagulation rate constant for sulfuric acid particles as a function of particles 象，另外，在搅拌条件下进行了熏香烟雾气溶胶凝 size using tandem differential mobility analysis.J Aerosol Sci 并实验，将实验结果与理论计算结果进行比较，发 2001,32±321 现实验数据与Saffman和Turner的理论有一定的 [13]Sceats M G.Brow nian coagulation in aerosols:the role of long 差异，在Higashitani模型的基础上，考虑范德华力 range forces.J Colloid Interface Sci.1989.129:105
理论曲线如图12所示．在不同的搅拌速度下α 值处于12∙4～21∙08之间．根据 Higashitani 的模型 和式（7）Hamaker 常数 A131的计算结果为1∙2× 10—20～7∙9×10—20 J平均值为3∙7×10—20 J．根据 现有的文献资料［11］大部分材料的 Hamaker 常数 处于10—20～10—19 J 这一数量级．另外Chan T． W．［12］最近测定了硫酸气溶胶介质中的布朗凝并率 常数并采用了 Sceats 的理论［13］得到了 Hamaker 常 数为（6∙4±2∙6）×10—20 J其结果与本实验具有可 比性．本实验的结果证实了颗粒间作用力对气溶胶 凝并速率的影响．这个结果有助于开发提高气溶胶 凝并速率的新技术． 图12 搅拌速度为3596r·min －1条件下实验结果与理论曲线比 较 4 结论 钢铁冶炼过程中气溶胶粒子的有效收集是环境 保护和资源回收利用的一个重要问题为找到更为 有效的收集方法本实验分析了 EAF 粉尘的性质 发现 Zn 在 EAF 粉尘细颗粒中的含量远远大于大颗 粒的含量．实验设计了从 Zn 蒸气氧化得到 ZnO 颗 粒并进行气溶胶凝并实验的过程同时观察凝并现 象．另外在搅拌条件下进行了熏香烟雾气溶胶凝 并实验．将实验结果与理论计算结果进行比较发 现实验数据与 Saffman 和 Turner 的理论有一定的 差异．在 Higashitani 模型的基础上考虑范德华力 的作用引入凝并常数 α分析估算 Hamaker 常数 Hamaker 常数的近似结果为3∙7×10—20 J该值符 合理论值（数量级为10—20～10—19 J）．实验结果表 明在搅拌条件下考虑颗粒间交互作用的影响可 在气溶胶凝并实验中采用 Higashitani 模型． 参 考 文 献 ［1］ Tsujino RHirai MOhno T．Mechanism of dust generation in a converter with minimum slag．ISIJ International198929（4）∶ 291 ［2］ Naito K．Dust generation under improper expansion top-blown jet condition in converter．CAMP—ISIJ199811∶146 ［3］ Naito K．Mechanism of dust generation in small scale furnace． CAMP—ISIJ19969∶230 ［4］ Guézeninec A GHuber J CPatisson Fet al．Dust formation by bubble-burst phenomenon at the surface of a liquid steel bath．ISIJ International200444（8）∶1328 ［5］ Marre SPalmeri J．Theoretical study of aerosol filtration by nucleopore filters：The intermediate crossover regime of Brownian diffusion and direct interception．J Colloid Interface Sci2001 237∶230 ［6］ Okuyaman KKousaka Y．Turbulent coagulation of aerosols in a stirred tank．J Chem Eng Jpn197710∶142 ［7］ Friedlander S K．SmokeDustHaze-Fundamentals of Aerosol Behavior．New York：John Wiley ＆ Sons Inc1977∶177 ［8］ Nakaoka TSugawara SMatsumoto Ket al．Water model study on turbulent agglomeration of inclusion particle in liquid metal∥ ICS2001University of WalesSwanseaUK2001∶10～11 ［9］ Saffman P GTurner G S．On the collision of drops in turbulent clouds．J Fluid Mech19561∶16 ［10］ Higasgitani KYamaguchi KMatsuno Yet al．Turbulent coagulation of particles dispersed in a viscous fluid．J Chem Eng Jpn 198316∶299 ［11］ Bergström L．Hamaker constants of inorganic materials．Advances in Colloid and Interface Science199770∶125 ［12］ Chan T WMozurkewich M．Measurement of the coagulation rate constant for sulfuric acid particles as a function of particles size using tandem differential mobility analysis．J Aerosol Sci 200132∶321 ［13］ Sceats M G．Brownian coagulation in aerosols：the role of long range forces．J Colloid Interface Sci1989129∶105 Vol．29Suppl．2 白 皓等： 钢铁过程细微颗粒物凝并性能研究 ·71·