颗粒物捕集理论基础.ppt

1,第五章 颗粒污染物控制技术基础,2,教学内容 1粉尘的粒径及粒径分布 2粉尘的物理性质 3净化装置的性能 4颗粒捕集理论基础,第5章 颗粒污染物控制技术基础,1、教学要求 要求理解和掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性质、评价净化装置性能的技术指标以及颗粒物捕集的动力学理论基础。 2、教学重点 要求了解除尘技术的理论基础，掌握颗粒污染物的性质。 3、教学难点 除尘技术的理论基础以及颗粒物捕集的动力学理论基础。,第5章 颗粒污染物控制技术基础,4,空气污染物的性质和存在状态不同，其净化机理、方法及所选用的装置也各不相同。空气污染物分为气溶胶（颗粒物）污染物和气态污染物。以后各章将介绍颗粒物的处理方法。 气溶胶（AEROPAL）是非均相污染物，主要污染物是分散于气体介质中的颗粒物（固体、液体），可用除尘技术把粒状物从气体介质中分离出来，分离方法一般采用物理法。 依据：气、固、液体粒子在物理性质上的差异将其分离。,第5章 颗粒污染物控制技术基础,5,第5章 颗粒污染物控制技术基础,机械法：利用重力、惯性力、离心力分离。 过滤介质分离：利用粒子的尺寸、重量较气体分子大分离。 湿式洗涤分离法：利用粒子易被水润湿，凝并增大而被捕获的特性。 电除尘：利用荷电性、静电力分离等等。,6,颗粒物尺寸：颗粒最重要的几何特征参数之一; 表征颗粒物尺寸的主要参数：粒径和粒径分布; 粒径：以单个颗粒为对象，表征单颗粒几何尺寸的大小; 粒径分布：以颗粒群为对象，表征所有颗粒在总体上几何尺寸的大小。,7,第一节 颗粒的粒径及粒径分布,一、颗粒的粒径 定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有所不同。 一般分为两类： 单一粒径：单个粒子的直径； 平均粒径：粒子群的直径。 球形颗粒：d=直径 单一粒径分成 投影直径 非球形颗粒： 几何当量直径 物理当量直径,8,1、球形颗粒 常用直径d表示其特征长度，则 体积 表面积 比表面积,比表面积：单位体积球体具有的表面积，m2/m3。 对一定的颗粒，直径越小，比表面积越大。,9,1、非球形颗粒 常用当量直径和球形度表示其特性，常用的有： 1）体积当量直径dv 2） 表面当量直径ds 3）比表面积当量直径dA,10,4）形状系数（球形度）：球形颗粒与实际颗粒体积相等时，球形表面积与实际颗粒表面积之比，即：,由于体积相同时，球体的体积最小，所以形状系数,11,某些颗粒的圆球度,12,13,1颗粒的粒径及粒径分布,一、颗粒的粒径 1、投影直径 粉尘颗粒在显微镜下所观测到的某一直线尺寸 定向直径dF， 定向面积等分直径dM，,a-定向直径,b-定向面积等分直径,c-投影面积直径,对于颗粒群观测可以反映其投影面的的尺寸与分布，只有观测足够数量的颗粒才有意义。,14,一、颗粒的直径,2、几何当量直径 与颗粒的某一几何量相同的球形颗粒的直径。 （1）投影面积直径dA， （2）筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度 (筛孔的大小用目表示每英寸长度上筛孔的个数),15,(3）等体积直径 光散射法,16,一、颗粒的直径,3、物理当量直径 与颗粒某一物理特性相同球形颗粒直径 （1）斯托克斯（Stokes）直径ds：同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体直径，条件： 颗粒的 ，在层流区，自由沉降 ，自由沉降 比 层流区大； ，用斯托克斯公式求得直径约小2%； 时，计算公式要进行修正。 （2）空气动力学当量直径da：在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度（1g/cm3）的球体的直径,17,二、粒径分布,粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例 粒数分布:每一间隔内的颗粒个数 粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数ni 之比,18,二、粒径分布,粒数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比,19,二、粒径分布,粒数频率密度,20,二、粒径分布,粒数分布的测定及计算,21,二、粒径分布,粒数众径频度p最大时对应的粒径，此时 粒数中位径（NMD）累计频率F=0.5时对应的粒径,22,二、粒径分布,2.质量分布 类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下 累积频率、质量频率密度 在所有颗粒具有相同密度、颗粒质量与粒径立方成正比的假设下，粒数分布与质量分布可以相互换算 同样的，也有质量众径和质量中位径（MMD）,23,24,25,26,27,28,29,三、平均粒径,前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一 长度平均直径 表面积平均直径 体积平均直径 体积表面积平均直径,30,三、平均粒径（续）,几何平均直径 对于频率密度分布曲线对称的分布，众径 、中位径 和算术平均直径 相等 频率密度非对称的分布， 单分散气溶胶， ；否则，,31,四、粒径分布函数,用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布 1.正态分布 频率密度 筛下累积频率 标准差,32,四、粒径分布函数,1.正态分布（续） 正态分布是最简单的分布函数 （1） （2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于 （3） 正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为大多数粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移,33,四、粒径分布函数,正态分布的累积频率分布曲线,34,四、粒径分布函数,2.对数正态分布 以lndp代替dp得到的正态分布的频度曲线,35,四、粒径分布函数,2.对数正态分布（续） 对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于,36,四、粒径分布函数,2.对数正态分布（续） 可用 、MMD和NMD计算出各种平均直径,37,四、粒径分布函数,对数正态分布的累积频率分布曲线,38,四、粒径分布函数,3.罗辛拉姆勒分布（RosinRammler） 若设 得到 一般 多选用质量中位径 或,39,四、粒径分布函数,3.罗辛拉姆勒分布（RosinRammler） 判断是否符合RR分布 应为一条直线 RR的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细粉尘更为适用 分布指数n1时，近似于对数正态分布；n3时，更适合于正态分布,40,第二节 粉尘的物理性质,一、粉尘的密度 单位体积粉尘的质量，kg/m3或g/cm3 粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙真密度 用堆积体积计算堆积密度 空隙率粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比,41,粉尘密度测试方法 （1）堆积密度： 将粉尘样品在105C 下干燥2小时，放置于室内自然冷却后通过80目标准筛除去杂质； 利用自然堆积法测 把装有粉尘的量筒取下称重（分析天平）； 计算： 连续3次测定粉尘质量的最大值与最小值之间的差值不于1g，否则应该重新测定。,42,粉尘密度测试方法： （2）真密度：比重瓶法：全自动真密度仪：,43,二、粉尘的安息角与滑动角,安息角：粉尘从漏斗连续落下自然堆积形成的圆锥体母线与地面的夹角（35-55） 滑动角：自然堆积在光滑平板上的粉尘随平板做倾斜运动时粉尘开始发生滑动的平板倾角（40-55） 安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标 安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性。,44,45,三、粉尘的比表面积,单位体积粉尘所具有的表面积 以质量表示的比表面积 以堆积体积表示的比表面积,46,四、粉尘的含水率,粉尘中的水分包括附在颗粒表面和包含在凹坑和细孔中的自由水分以及颗粒内部的 结合水分 含水率水分质量与粉尘总质量之比（与粉尘的吸湿能力有关） 含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性 吸湿现象 平衡含水率,47,48,五、粉尘的润湿性,润湿性粉尘颗粒与液体接触后能够互相附着或附着的难易程度的性质 润湿速度 润湿性是选择湿式除尘器的主要依据,49,五、粉尘的润湿性,亲水性粉尘 憎水性粉尘,粉尘种类，形状（圆球比不规则颗粒差） 粒径（越小越差），粒径很小的粉尘由于存在气膜，所以浸润性很差 压力（压力升高，浸润性好） 温度（温度升高，浸润性下降） 表面粗糙度及荷电性 与液体的表面张力及尘粒与液体之间的粘附力和接触方式有关,50,六、粉尘的荷电性和导电性,1.粉尘的荷电性 天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷 荷电因素电离辐射、高压放电、高温产生的离子或电子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦、产生过程中荷电 天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量的1/10 荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关,51,六、粉尘的荷电性和导电性,2、粉尘的导电性 比电阻 导电机制： 1）高温（220oC以上起主导作用），粉尘本体内部的电子和离子体积比电阻 体积比电阻 （1）钠、钾、锂离子导电（温度在高于150C起作用） （2）金属氧化物和氧化硅中电子起主导作用,52,2）低温（100oC以下），表面吸附的水分或化学物质在低温条件下形成的膜所形成导电层表面比电阻 （1）水分 冷凝和凝结被吸附于表面积上（温度低于180oC） （2）燃煤中的含硫量在低温下形成的SO3 3）中间温度，同时起作用 比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围1041010,六、粉尘的荷电性和导电性,53,六、粉尘的导电性和荷电性,典型温度比电阻曲线,54,六、粉尘的导电性和荷电性,温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响,较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（420K）左右达到最大值,55,56,七、粉尘的粘附性,1、除尘器的捕集机制利用尘粒在捕集表面的黏附 2、气体中的输送管道和净化设备，防止堵塞，所以要防止附着 粘附力： （1）分子力（范德华力）圆球与平面间的分子力,d-圆球直径 S0-两黏附体间的距离，取410-10m Hw-范德华常数，塑料为0.6ev,金属和半导体2-11ev,57,（2）毛细力 潮湿环境中，水分可在两黏附之间架桥，产生毛细力，与单位自由能及其表面张力有关，在直径相同的两个圆球之间。 （上式适用于完全湿润而吸收的水量不多的情况） （3）静电力（库仑力）,七、粉尘的粘附性,58,八、粉尘的自燃性和爆炸性,1.粉尘的自燃性 自燃 自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、发酵热 影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境,59,2.粉尘的爆炸性,粉尘发生爆炸必备的条件： 可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度 最低可燃物浓度爆炸浓度下限 爆炸浓度上限 存在能量足够的火源,60,第三节 净化装置的性能,一、评价净化装置性能的指标 1.技术指标 处理气体流量 净化效率 压力损失 2.经济指标 设备费 运行费 占地面积,61,一、净化装置技术性能的表示方法,1.处理气体流量 漏风率 2.压力损失,62,测量压力损失方法,1、U形压力计测烟气压力 压力大时，液体使用水银，否则使用酒精或水 2、倾斜式微压计,63,二.净化效率的表示方法,1.总净化效率 2.通过率 3.分级除尘效率 分割粒径除尘效率为50的粒径,64,4.分级效率与总效率的关系,（1）由总效率求分级效率 （2）由分级效率求总效率,65,5.多级串联的总净化效率,总分级通过率 总分级效率 总除尘效率,66,第四节 颗粒捕集的理论基础,对颗粒施加外力使颗粒相对气流产生一定位移并从气流中分离 颗粒捕集过程中需要考虑的作用力：外力、流体阻力、颗粒间相互作用力 外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等 颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略,67,一、流体阻力,流体阻力形状阻力摩擦阻力 阻力的方向和速度向量方向相反,68,一、流体阻力,69,一、流体阻力,流体阻力与雷诺数的函数关系,70,一、流体阻力,颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动坎宁汉修正,71,二、阻力导致的减速运动,根据牛顿第二定律 若仅考虑Stokes区域 积分得 速度由u0减速到u所迁移的距离 若引入坎宁汉修正系数C 停止距离,驰豫时间或松弛时间,72,三、重力沉降,力平衡关系 Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响） 湍流过渡区 牛顿区 Stokes直径 空气动力学直径,73,四、离心沉降,力平衡关系 Stokes颗粒的末端沉降速度,74,五、静电沉降,力平衡关系 静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用 表示，对于Stokes粒子：,75,六、惯性沉降,颗粒接近靶时的运动情况,76,1.惯性碰撞,惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素 气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量 颗粒运动轨迹，用Stokes数描述 颗粒对捕集体的附着，通常假定为100,77,1.惯性碰撞,惯性碰撞分级效率与 的关系,78,2.拦截,直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内 拦截效率用直接拦截比R表示 对于惯性大的颗粒,79,2.拦截,对于惯性小的颗粒,80,81,七、扩散沉降,1.扩散系数和均方根位移 颗粒的扩散类似于气体分子的扩散 对于粒径约等于或大于气体分子平均自由程的颗粒 对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒 布朗