环境管理_颗粒污染物控制原理

第四章除尘技术基础 马德刚天津大学环境科学与工程学院 补充 颗粒污染物成因 3 颗粒污染物的来源 大气中的固体或液体颗粒状的物质被称为颗粒物 可以分为一次性颗粒物和二次性颗粒物 又分为 天然来源 地面扬尘 火山爆发 地震灰和森林火灾 海浪沫 海盐粒等 宇宙来源的陨星尘及生物界产生的花粉 袍子等人为来源 生产 建筑和运输过程以及燃料燃烧过程中产生的 如各种工业生产中排放的粉尘 燃料燃烧中产生的煤烟 飞灰等 汽车尾气排出的卤化铅凝聚而形成的颗粒物以及人为排放SO2在一定条件下转化为硫酸盐粒子等的二次颗粒物 4 颗粒污染物的来源 人为来源 工业粉尘是指能在空气中浮游的固体微粒 主要来源包括 固体物料的机械粉碎和研磨 例如选矿 耐火材料车间的矿石破碎过程和各种研磨加工过程 粉状物料的混合 筛分 包装及运输 例如水泥 面粉等的生产和运输过程 物质的燃烧 例如煤燃烧时产生的烟尘 物质被加热时产生的蒸气在空气中的氧化和凝结 例如矿石烧结 金属冶炼等过程产生的锌蒸气 在空气中冷却时会凝结 氧化成氧化锌固体微粒 5 颗粒污染物的分类 根据颗粒污染物进入大气的途径 分为自然性颗粒污染物 例如风力扬尘 海浪溅沫 火山飞灰 植物花粉等等 生活性颗粒污染物 例如打扫卫生扬起的尘埃 使用喷雾剂 燃料产生的雾 烟 煤尘等等 生产性颗粒污染物 通常称之为粉尘 其中以电站锅炉 工业与民用锅炉 冶金工业 建材工业最为严重 6 颗粒污染物的分类 按照气溶胶的来源和物理性质 分为粉尘飞灰烟 黑烟雾滴 如水雾 酸雾 碱雾 油雾等 悬浮体 其中工业粉尘种类较多 性质差别较大 7 颗粒污染物的分类 按照粉尘的成分 可分为 无机粉尘 包括矿物性粉尘 如石英 石棉 滑石粉等 金属粉尘 如铁 铝 锡 锰 铅及其氧化物等 和人工无机性粉尘 如金刚砂 水泥 耐火材料 石墨等 有机粉尘 包括植物性粉尘 如棉 亚麻 谷物 烟草等 动物性粉尘 如毛发 角质 骨质等 和人工有机粉尘 如炸药 有机染料等 混合性粉尘 包括数种粉尘的混合物 大气中的粉尘通常都是混合性粉尘 因此在进行空气过滤器实验时所采取的人工试验尘 除了有无机性粉尘外 通常还要加入少量棉尘 8 颗粒污染物的形成机理 燃烧过程中颗粒物的形成碳粒子的生成燃烧过程中生成一些主要成分为碳的粒子 通常包括由气相反应生成积炭 由液态烃燃料高温分解产生的结焦或煤胞 积碳 气相析出型 蒸发的燃料气体在空气不足时发生热分解而形成的碳黑 气 液 固燃料都会发生 气体燃料扩散燃烧 多数工业设备采用 更容易发生 机理复杂 有多种假说 预混燃烧 补充足够氧气可防止 9 颗粒污染物的形成机理 燃烧过程中颗粒物的形成碳粒子的生成石油焦或煤胞 残碳型 液体燃料油雾滴在被充分氧化之前 被炽热火焰包围或与炽热壁面接触 导致液相裂化 接着发生高温分解 最后出现结焦 由此产生的碳粒叫石油焦 是一种比积炭更硬的物质 多组分重残油的燃烧试验表明 燃料液滴燃烧的后期 将生成一种称为煤胞的焦粒 并且难以燃烧 煤胞外形为微小空心的球形粒子 发泡和固化同时进行而产生 其大小与油滴的直径成正比 一般为10 300 m 10 颗粒污染物的形成机理 燃烧过程中颗粒物的形成燃煤烟尘的形成固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘 它包括黑烟和飞灰两部分 黑烟主要是未燃尽的炭粒 飞灰则主要是燃料所含的不可燃矿物质微粒 是灰分的一部分 可富集数百至数千倍多种污染元素 有害健康 减少燃煤层气中未燃尽碳粒的主要途径应当是改善燃烧条件 包括燃料和空气的混合 合适的燃烧温度 以及碳粒在高温区必要的停留时间 不易燃烧又多出现黑烟的燃料顺序为 无烟煤 焦炭 褐煤 低挥发分烟煤 高挥发分烟煤 11 颗粒污染物的形成机理 燃烧过程中颗粒物的形成燃煤尾气中飞灰的产生燃煤尾气中飞灰的浓度和粒度与煤质 燃烧方式 烟气流速 炉排和炉膛的热负荷 锅炉运行负荷以及锅炉结构等多种因素有关 灰分越高 含水量越少 则排尘浓度就越高 12 颗粒污染物的形成机理 生产和交通过程中粉尘的产生物料间剪切压缩造成的尘化作用如破碎岩石 筛分物料等诱导空气造成的尘化作用车辆扬尘 砂轮磨光金属下来的细粉尘随其扩散 钢凿冲击石块飞溅石粒产生的诱导空气造成尘化 热气流上升造成的尘化作用当炼钢电炉 加热炉以及金属浇铸等热产尘设备表面的空气被加热上升时 会带着粉尘一起运动 13 颗粒污染物的形成机理 生产和交通过程中粉尘的产生通常 把上述各种使尘粒由静止状态进入空气中浮游的尘化作用称为一次尘化作用 一次尘化作用给于粉尘的能量是不足以使粉尘扩散飞扬的 它只是造成局部地点的空气污染 造成粉尘进一步扩散 污染环境的主要原因是二次气流 即由于空气流动或冷热气流对流所形成的气流 二次气流带着局部地点的含尘空气流动 使粉尘扩散或迁移 4 1粉尘的粒径及其分布 15 粉尘颗粒的粒径 粉尘的粒径是指粒子的直径或粒子的大小 是粉尘的基本特征之一 粉尘颗粒大小不同 不仅其物理 化学性质有很大差异 同时对除尘器的除尘机制和性能也有很大影响 若颗粒为球形 则可以用其直径作为表示其大小的代表性尺寸 粉尘颗粒的性状多是不规则的 一般用当量直径或粒子的某一特征长度表征 16 投影径 a面积等分径dM Martin 指将颗粒的投影面积二等分的直线长度 与所取的方向有关 通常用于等分线与底边平行的情况 b定向径dF Feret 尘粒投影面上两平行切线之间的距离 可取任意方向 通常取向与底边平行 c投影面积直径dA Heywood 与颗粒投影面积相等的圆的直径d长径dL 不考虑方向的颗粒最长的长度 短径dl 不考虑方向的最短长度 17 投影径 abcd 18 几何当量径 等体积径dv 与颗粒体积相同的某一圆球体直径 等表面积径dS 与尘粒的外表面积相同的某一圆球的直径 体面积径 与颗粒的外表面积与体积之比相同的圆球的直径 周长径 与颗粒投影面L的周长与圆的周长相同的圆直径 19 物理当量径 斯托克斯 Stokes 直径ds 与被测颗粒的密度相同 并且在同一种流体中与颗粒终末沉降速度相同的球形颗粒的直径 空气动力学当量直径da 在空气中与颗粒沉降速度相同的单位密度 p 1g cm3 圆球的直径 20 粉尘粒径分布 频率分布g 频率密度分布f m 1 筛上累计分布R 筛下累计分布G 当质量累积频率R G 50 时 对应的粒径称为质量中位直径 MMD 记作d50 21 粉尘粒径分布的表示方法 列表法图示法函数法 22 23 24 25 26 4 2粉尘的物理性质 27 粉尘密度 单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度 其单位是kg m3或g cm3真密度 p 定值 用于研究尘粒在空气中的运动堆积密度 b 考虑空隙 用于计算存仓或灰斗的容积等 28 粉尘的比表面积 单位体积 或质量 粉尘所具有的总表面积称为粉尘的比表面积Sp cm2 cm3 对于平均粒径为dp 空隙率为 的表面光滑的球形颗粒 其比表面积定义为Sp 6 1 dp 29 粉尘的含水率和润湿性 颗粒的含水率是指颗粒中随含水分质量与颗粒总质量 包括干颗粒与水分 之比 颗粒的含水率与吸湿性有关 并会影响到颗粒的其他物理性质 如导电性 粘附性 流动性等 粉尘能否与液体相互附着或附着难易的性质称为粉尘的润湿性 分亲水性粉尘 如锅炉飞灰 石英粉尘等 和疏水性或憎水性粉尘 如石墨粉尘 炭黑等 相对 粉尘的润湿性除了和粉尘的性质有关外 还与它的粒径 生成条件 含水率 表面粗糙度和荷电性有关 在除尘技术中 粉尘的润湿性是选用除尘设备的主要依据之一 对水泥 熟石灰等粉尘 由于吸水后易形成不溶于水的硬垢 并附着在设备和管道内 因此这类粉尘不宜采用湿式除尘器 30 粉尘的荷电性与导电性 粉尘的荷电性是指粉尘在产生和运动过程中 由于相互碰撞 摩擦 放射 照射 电晕放电以及接触带电体等原因而带有一定的电荷 粉尘的荷电性与粉尘的化学成分等因素有关 温度升高 比表面积加大及含水率减小都可以使粉尘的荷电性增大 粉尘荷电后将改变其某些物理性质 如凝聚性 附着性和在气体中的稳定性等 31 粉尘的荷电性与导电性 粉尘的导电性通常用比电阻 d cm 来表示 比电阻是指电流通过面积为lcm2 厚度为lcm的粉尘时具有的电阻值 粉尘的导电性主要取决于粉尘 气体的温度和成分 在高温 200 以上 时 以容积导电为主 在较低温度 100 以下 时 以表面导电为主 因此 粉尘比电阻与测定时气体的温度 湿度以及粉尘的粒径等条件有关 粉尘的比电阻对电除尘器的工作有很大影响 过低或过高都会使除尘效率下降 最适宜的范围是104 5 1010 cm 32 粉尘的粘附性 粉尘颗粒相互附着或附着于固体表面上的现象称为粉尘的粘附性 一般情况下 粉尘的粒径小 形状不规则 表面粗糙 含水率高 润湿性好以及荷电量大时 易产生粘附现象 粉尘的粘附性还与周围介质的性质有关 例如尘粒在液体中的粘附性要比在气体中弱得多 在粗糙或粘性物质的固体表面上 粘附力会大大提高 利用粉尘的粘附性可以使粉尘相互凝聚和附着在固体表面上 这有利于粉尘的捕集和避免二次扬尘 但在含尘气体通过的设备或管道中 又会因为粉尘的粘附和堆积 造成管道和设备的堵塞 33 粉尘的安息角与滑动角 将粉尘通过小孔连续自然堆放在水平面上 堆积锥体的母线与水平面的夹角称为粉尘的安息角或堆积角 是评价粉尘流动性的重要指标 粉尘粒径越小 安息角就大 粉尘含水率增大 安息角增大 球形粒子或球形系数接近于1的粒子比其他粒子的安息角小 表面光滑的粒子比表面粗糙的粒子安息角小 黏性大的粉尘安息角大 34 粉尘的自燃性和爆炸性 粉尘的自燃性是指粉尘在常温下存放的过程中自然发热 此热量经过长时间的积累 达到该粉尘的燃点而引起燃烧的现象 引起粉尘自然发热的主要原因 氧化热 聚合热 分解热和发酵热自燃重要决定因素是自燃温度点 各种颗粒的自燃温度点相差很大 注意自燃温度较低粉尘 如黄磷 还原铁粉 还原镍粉 烷基铝等 除颗粒结构 理化性质外 还与颗粒存在状态和环境有关 处于悬浮状态的颗粒的自燃温度要比堆积状态粉体的自燃温度高很多 悬浮颗粒的粒径越小 比表面积越大 浓度越高越易自燃 堆积粉体较松散 环境温度较低 通风良好 就不易自燃 35 粉尘的自燃性和爆炸性 悬浮在空气中的某些粉尘 如煤粉等 达到一定浓度时 若在高温 明火 电火花 摩擦 静电 撞击等条件下就会引起爆炸 称这类粉尘为爆炸性粉尘 粉尘爆炸条件 粉尘具有可燃性 或氧化性 粉尘达到一定浓度 气体中达到一定氧含量 气体达到一定温度 存在火星 火源或静电 能够引起可燃混合物爆炸的最低可燃物浓度 称为爆炸极限的下限 最高可燃物浓度 称为爆炸极限的上限 粉尘的粒径越小 则比表面积越大 其爆炸的危险就越大 粉尘的挥发性越大 爆炸的危险越大 粉尘的湿度越大 爆炸的危险越小 36 粉尘的自燃性和爆炸性 对于有爆炸危险或火灾危险的粉尘在进行通风除尘设计时必须要给予充分注意 采取必要的措施 有些粉尘由于能和水发生化学反应 它们与水接触后也会引起自燃或爆炸 如镁粉 碳化钙粉等 因此不能用湿法除尘 有些粉尘之间就能发生化学反应 因此它们互相接触或混合时也会引起爆炸 如溴与磷 锌粉和镁粉等 在除尘时应注意防爆 37 4 3尘粒在流体中的动力特性 38 尘粒的沉降速度尘粒在管道中的运动特性含尘气流在管道中的流速 4 4除尘装置的性能指标和分类 40 经济指标 经济指标主要包括一次性投资和运行费用 一次性投资包括装置的建设费 如设备费 施工安装调试费 占地面积或占用空间体积等因素 运行费用包括装置运行时的动力消耗 人工 运输 折旧 使用的资金按银行贷款利率计算以及管理 维修费用等在选择使用除尘器时 要对上述指标综合考虑 41 技术指标 含尘气体处理量漏风率除尘效率压力损失 42 含尘气体处理量 除尘器处理能力重要的指标 一般用工况体积流量表示 m3 s m3 h 注意单位 注 设备工作状况 漏风与不漏风情况工况风量换算成标准状态下风量标况 0 273K 1个标准大气压 101325Pa 注意温度单位 43 漏风率 由于加工或操作的原因 会出现进口气体量与出口气体量不同的现象 这是由于漏风造成的 一般用漏风率 来表示除尘器的严密程度 44 除尘效率 除尘器全效率 若装置不漏风 且进出口状态相同 于是有 45 除尘效率 通过率P 通过率是指在同一时间内 穿过除尘器的粒子质量与进入的粒子质量的比 46 除尘效率 分级效率 i表示除尘装置对某一粒径dpi或粒径间隔 dp内粉尘的除尘效率 S 质量流量 对于分级效率 一个非常重要的值是分级效率 i 50 与此值相对应的粒径称为除尘器的分割粒径 一般用dc表示 47 分级效率与全除尘效率的关系 由全效率求分级效率由分级效率求全效率 48 多级串联除尘系统总效率 两台串联 多台串联 49 除尘装置的压力损失 含尘气体经过除尘装置后产的压力损失被称为除尘装置的压力降