环境工程基础最新版本ppt课件

本节内容 3 3颗粒物污染控制技术3 3 1颗粒污染物性质表征3 3 2机械除尘技术3 3 3电除尘技术3 3 4湿式除尘技术3 3 5过滤除尘技术3 3 6除尘器的选择 3 3 1颗粒污染物性质表征 1 颗粒粒径A 显微镜观测法粒径测量 显微镜法观测粒径直径的三种方法 B 筛分法筛分直径 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C 光散射法等体积直径de 与颗粒体积相等的球体的直径D 沉降法斯托克斯 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 的球体的直径斯托克斯直径和空气动力学当量直径与颗粒的空气动力学行为密切相关 是除尘技术中应用最多的两种直径 2 粒径分布描述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 连续化描述 频率分布 粒径dp到dp dp之间的尘样质量占总尘样质量的百分数 即频率密度分布 即单位粒径间隔宽度的频率分布筛下累积频率分布 小于某一粒径dp的尘样占尘样总质量的百分数 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正态分布频率密度筛下累积频率标准差 3 平均粒径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 4 粉尘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 p用堆积体积计算 堆积密度 b空隙率 粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比 5 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 6 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 7 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 8 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性与粉尘的种类 粒径 形状 生成条件 组分 温度 含水率 表面粗糙度及荷电性有关 还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 粉尘的润湿性随压力增大而增大 随温度升高而下降润湿性是选择湿式除尘器的主要依据 9 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 10 粉尘的导电性比电阻 表征粉尘的导电性指标 以电阻率表示 由于其电阻率与测定时的条件有关 只是一种可以相互比较的表观电阻率 通常称为比电阻 单位 m 导电机制 高温 200oC以上 粉尘本体内部的电子和离子 体积比电阻低温 100oC以下 粉尘表面吸附的水分或其他化学物质 表面比电阻中间温度 同时起作用比电阻对电除尘器运行有很大影响 适宜范围104 1010 m 典型温度 比电阻曲线 11 粉尘的粘附性 粘附和自粘现象 粉尘粘附在固体表面 或颗粒彼此相互附着现象粘附力 克服附着现象所需要的力粘附力 分子力 范德华力 毛细力 静电力 库仑力 分类 不粘性 微粘性 中等粘性 强粘性粒径 形状 表面粗糙度 润湿性 荷电量均影响粘附性有利的方面 有利于粉尘颗粒的捕集不利的方面 管道或设备堵塞 12 粉尘的自燃性和爆炸性 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 13 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 3 3 2机械除尘技术 机械除尘器通常指利用质量力 重力 惯性力和离心力 的作用使颗粒物与气体分离的装置 常用的有 重力沉降室惯性除尘器旋风除尘器 1 重力沉降室 重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置气流进入重力沉降室后 流动截面积扩大 流速降低 较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降层流式和湍流式两种 重力沉降室原理 沉降室的长宽高分别为L W H 处理烟气量为Q气流在沉降室内的停留时间在t时间内粒子的沉降距离该粒子的除尘效率 层流式重力沉降室 对于stokes粒子 重力沉降室能100 捕集的最小粒子的dmin计算 重力沉降室 提高沉降室效率的主要途径降低沉降室内气流速度增加沉降室长度降低沉降室高度沉降室内的气流速度一般为0 3 2 0m s 重力沉降室 重力沉降室的优点结构简单投资少压力损失小 一般为50 100Pa 维修管理容易缺点体积大效率低仅作为高效除尘器的预除尘装置 除去较大和较重的粒子 2 惯性除尘器 机理沉降室内设置各种形式的挡板 含尘气流冲击在挡板上 气流方向发生急剧转变 借助尘粒本身的惯性力作用 使其与气流分离 惯性除尘器应用 一般净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘净化效率不高 一般只用于多级除尘中的一级除尘 捕集10 20 m以上的粗颗粒压力损失100 1000Pa 3 旋风除尘器 利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置旋风除尘器内气流与尘粒的运动 普通旋风除尘器是由进气管 筒体 锥体和排气管等组成气流沿外壁由上向下旋转运动 外涡旋少量气体沿径向运动到中心区域旋转气流在锥体底部转而向上沿轴心旋转 内涡旋气流运动包括切向 轴向和径向 切向速度 轴向速度和径向速度 旋风除尘器气流与尘粒的运动 切向速度决定气流质点离心力大小 颗粒在离心力作用下逐渐移向外壁到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗上涡旋 气流从除尘器顶部向下高速旋转时 一部分气流带着细小的尘粒沿筒壁旋转向上 到达顶部后 再沿排出管外壁旋转向下 最后从排出管排出 分离机理 在内 外旋涡的交界面上 作用在粒子上的离心力FC mvt2 r向心运动气流作用于尘粒上的阻力FD Avr若FC FD 颗粒移向外壁若FC FD 颗粒进入内涡旋当FC FD时 有50 的可能进入外涡旋 既除尘效率为50 影响旋风分离器效率的因素 结构尺寸 直径 錐角 内外旋涡分界烟尘物性 气体粘度 颗粒密度操作条件 进风量 切向线速度 旋风分离器设计考虑关键因素分离效率气体压降 3 3 3电除尘技术 旋风除尘器对于dp 5 m的粒子效率低 必须借助外力 电场力等 捕集更小的粒子使尘粒荷电并在电场力的作用下沉积在集尘极上与其他除尘器的根本区别在于 分离力直接作用在粒子上 而不是作用在整个气流上具有耗能小 气流阻力小的特点 1 电除尘器的工作原理 三个基本过程悬浮粒子荷电 高压直流电晕带电粒子在电场内迁移和捕集 延续的电晕电场 单区电除尘器 或光滑的不放电的电极之间的纯静电场 双区电除尘器 捕集物从集尘表面上清除 振打除去接地电极上的粉尘层并使其落入灰斗 电除尘器的工作原理 荷电 迁移与捕集 电晕放电 金属丝放出的电子迅速向正极移动 与气体分子撞击使之离子化气体分子离子化的过程又产生大量电子 雪崩过程远离金属丝 电场强度降低 气体离子化过程结束 电子被气体分子捕获气体离子化区域 电晕区自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源 电晕放电机理 电晕放电 正 负电晕极在空气中的电晕电流一电压曲线 电晕区范围逐渐扩大致使极间空气全部电离 电场击穿 相应的电压 击穿电压在相同电压下通常负电晕电极产生较高的电晕电流 且击穿电压也高得多工业气体净化倾向于采用稳定性强 操作电压和电流高的负电晕极 空气调节系统采用正电晕极 好处在于其产生臭氧和氮氧化物量低 电晕放电 影响电晕特性的因素电极的形状 电极间距离气体组成 压力 温度不同气体对电子的亲合力 迁移率不同气体温度和压力的不同影响电子平均自由程和加速电子及能产生碰撞电离所需要的电压气流中要捕集的粉尘的浓度 粒度 比电阻以及在电晕极和集尘极上的沉积电压的波形 粒子荷电 两种机理电场荷电或碰撞荷电 离子在静电力作用下做定向运动 与粒子碰撞而使粒子荷电扩散荷电 离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程 依赖于离子的热能 而不是依赖于电场粒子的主要荷电过程取决于粒径大于0 5 m的微粒 以电场荷电为主小于0 15 m的微粒 以扩散荷电为主介于之间的粒子 需要同时考虑这两种过程 一般粒子的荷电时间仅为0 1s 相当于气流在除尘器内流动10 20cm所需要的时间 一般可以认为粒子进入除尘器后立刻达到了饱和电荷 异常荷电现象 沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集尘极发生反电晕现象 破坏正常电晕过程气流中微小粒子的浓度高时 荷电尘粒所形成的电晕电流不大 可是所形成的空间电荷却很大 严重抑制着电晕电流的产生当含尘量大到某一数值时 电晕现象消失 尘粒在电场中根本得不到电荷 电晕电流几乎减小到零 失去除尘作用 即电晕闭塞 粉尘的趋进速度 力平衡关系取t 0 0边界条件 积分得到 颗粒捕集效率 捕集效率一德意希公式 i 粒子趋进速度 除尘效率与颗粒趋进速度与集尘板面积正相关 与烟气流量负相关 德意希公式的假定 除尘器中气流为湍流状态在垂直于集尘表面的任一横断面上粒子浓度和气流分布是均匀的粒子进入除尘器后立即完成了荷电过程忽略电风 气流分布不均匀 被捕集粒子重新进入气流等影响 被捕集粉尘的清除 电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性 一般方法采取振打清灰方式清除从集尘极清除已沉积的粉尘的主要目的是防止粉尘重新进入气流在湿式电除尘器中 用水冲洗集尘极板在干式电除尘器中 一般用机械撞击或电极振动产生的振动力清灰 影响电除尘因素 粉尘比电阻 通常所需要的粉尘的最小导电率是10 10 cm 1高比电阻粉尘 导电率低于大约10 10 cm 1 即电阻率大于1010 cm的粉尘影响粉尘层比电阻除粒子温度和组成之外 还包括粒子大小和形状 粉尘层厚度和压缩程度 施加于粉尘层的电场强度等在评价电除尘器的操作性能时应根据现场测得的粉尘比电阻数据 粉尘比电阻 高比电阻粉尘对电除尘器性能的影响高比电阻粉尘会干扰电场条件 导致除尘效率下降低于1010 cm时 比电阻几乎对除尘器操作和性能没有影响比电阻介于1010 1011 cm之间时 火花率增加 操作电压降低高于1011 cm时 产生明显反电晕 粉尘比电阻 克服高比电阻影响的方法保持电极表面尽可能清洁采用较好的供电系统烟气调质增加烟气湿度 或向烟气中加入SO3 NH3 及Na2CO3等化合物 使粒子导电性增加 最常用的化学调质剂是SO3改变烟气温度向烟气中喷水 同时增加烟气湿度和降低温度发展新型电除尘器 烟气调质 S含量对粉尘比电阻的影响 Log10resistivity cm 3 3 4湿式除尘技术 使含尘气体与液体 一般为水 密切接触 利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置可以有效地除去直径为0 1 20 m的液态或固态粒子 亦能脱除气态污染物高能和低能湿式除尘器低能湿式除尘器的压力损失为0 2 1 5kPa 对10 m以上粉尘的净化效率可达90 95 高能湿式除尘器的压力损失为2 5 9 0kPa 净化效率可达99 5 以上 湿式除尘器 湿式除尘器 湿式除尘器 根据湿式除尘器的净化机理 大致分为重力喷雾洗涤器旋风洗涤器自激喷雾洗涤器文丘里洗涤器其他形式 湿式除尘器 主要湿式除尘装置的性能和操作范围 喷雾塔洗涤器 喷雾塔结构简单 压力损失小 操作稳定 经常与高效洗涤器联用捕集粒径较大的粉尘严格控制喷雾的过程 保证液滴大小均匀 对有效的操作是很有必要 旋风洗涤器 干式旋风分离器内部以环形方式安装一排喷嘴 就构成一种最简单的旋风洗涤器喷雾作用发生在外涡旋区 并捕集尘粒 携带尘粒的液滴被甩向旋风洗涤器的湿壁上 然后沿壁面沉落到器底在出口处通常需要安装除雾器 文丘里洗涤器 除尘器系统的构成文丘里洗涤器除雾器沉淀池加压循环水泵除尘过程文丘里除尘器 收缩管 喉管 扩散管就其断面形状圆形文丘里除尘器矩形文丘里除尘器 文丘里洗涤器 除尘过程含尘气体由进气管进入收缩管后 流速逐渐增大 气流的压力能逐渐转变为动能在喉管入口处 气速达到最大 一般为50 180m s洗涤液 一般为水 通过沿喉管周边均匀分布的喷嘴进入 液滴被高速气流雾化和加速充分的雾化是实现高效除尘的基本条件 湿式除尘器的优点 在耗用相同能耗时 比干式机械除尘器高 高能耗湿式除尘器清除0 1 m以下粉尘粒子 仍有很高效率 可与静电除尘器和布袋除尘器相比 而且还可适用于它们不能胜任的条件 如能够处理高温 高湿气流 高比电阻粉尘 及易燃易爆的含尘气体在去除粉尘粒子的同时 还可去除气体中的水蒸气及某些气态污染物 既起除尘作用 又起到冷却 净化的作用 湿式除尘器的缺点 排出的污水污泥需要处理 澄清的洗涤水应重复回用净化含有腐蚀性的气态污染物时 洗涤水具有一定程度的腐蚀性 因此要特别注意设备和管道腐蚀问题不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体寒冷地区使用湿式除尘器 容易结冻 应采取防冻措施 3 3 5过滤除尘技术 使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置分类 空气过滤器滤纸或玻璃纤维 颗粒层除尘器砂 砾 焦炭等颗粒物 袋式除尘器纤维织物 袋式除尘器 采用纤维织物作滤料的袋式除尘器 主要讨论 在工业尾气的除尘方面应用较广除尘效率一般可达99 以上效率高 性能稳定可靠 操作简单 因而获得越来越广泛的应用 袋式除尘器的工作原理 含尘气流从下部进入圆筒形滤袋 在通过滤料的孔隙时 粉尘被捕集于滤料上沉积在滤料上的粉尘 可在机械振动的作用下从滤料表面脱落 落入灰斗中粉尘因截留 惯性碰撞 静电和扩散等作用 在滤袋表面形成粉尘层 常称为粉层初层 袋式除尘器的工作原理 新鲜滤料的除尘效率较低粉尘初层形成后 成为袋式除尘器的主要过滤层 提高了除尘效率随着粉尘在滤袋上积聚 滤袋两侧的压力差增大 会把已附在滤料上的细小粉尘挤压过去 使除尘效率下降 除尘器压降过高 还会使除尘系统的处理气体量显著下降 因此除尘器阻力达到一定数值后 要及时清灰清灰不应破坏粉尘初层 袋式除尘器的的基本计算公式 过滤阻力 包括滤料层与粉尘层过滤阻力公式 达西方程 粉尘层物料衡算粉尘层过滤阻力 袋式除尘器除尘效率的影响因素 粉尘负荷过滤速度 烟气实际体积流量与滤布面积之比 也称气布比过滤速度是一个重要的技术经济指标 选用高的过滤速度 所需要的滤布面积小 除尘器体积 占地面积和一次投资等都会减小 但除尘器的压力损失却会加大 一般来讲 除尘效率随过滤速度增加而下降过滤速度的选取还与滤料种类和清灰方式有关 压力损失 重要的技术经济指标 不仅决定着能量消耗 而且决定着除尘效率和清灰间隔时间等滤料的要求 容尘量大 吸湿性小 效率高 阻力低使用寿命长 耐温 耐磨 耐腐蚀 机械强度表面光滑的滤料容尘量小