颗粒物控制环境工程概论8课件

第三章颗粒污染物控制,第一节、除尘技术基础（一）粉尘粒径1、粒径的定义（1）单一粒径投影径：指颗粒在显微镜下所观察到的粒径a面积等分径（Martin直径）：指将颗粒的投影面积二等分的直线长度，如1。b定向径（Feret直径）：指颗粒投影面上两平行切线之间的距离，常取其与底边平行的线，如2c长径：不考虑方向的最长径，如3d短径：不考虑方向的最短径，如4,几何当量径：取颗粒的某一几何量(面积、体积等)相同时的球形颗粒的直径a等投影面积径dA：与颗粒投影面积相同的某一圆面积的直径，即b等体积dV：与颗粒体积相同的其一球形颗粒的直径，即c等表面积径dS：与颗粒外表面积相同的某一圆球的直径，即d颗粒的体积表面积平均径de：颗粒体积与外表面积之比相同的圆球的直径，即,投影径一般用显微镜法，dA也可用显微镜法：用放大率450600倍的显微镜之下，对尘粒逐个测量，从而取得定向径、定向面积等分径等。,用显微镜观测颗粒的直径,同一颗粒不同定义粒径比较：dFdAdM,dA,物理当量径：取颗粒的某一物理量相同时的球形颗粒的直径a自由沉降径dt：特定气体中，在重力作用下，密度相同的颗粒因自由沉降所达到的末速度与球形颗粒所达到的末速度相同时的球形颗粒的直径b空气动力径da：在静止的空气中颗粒的沉降速度与密度为1gcm3的圆球的沉降速度相同时的圆球直径c斯托克期(Stokes)径dst：在层流区内(对颗粒的雷诺数Re2.0)的空气动力径，即Vt颗粒在流体中的终端沉降速度(ms),斯托克斯径：与被研究的颗粒密度相同，且沉降速度相等的球体直径。如果忽略空气密度值，则式中，vs颗粒最终沉降速度，m/s；p颗粒密度，kg/m；g气体密度，kg/m；气体动力粘度，Pas；g重力加速度，m/s。,3,3,2,单颗颗粒大小的表达：由于颗粒形状极不规则，难以简单地用某一尺度表达，必须根据需要采用不同定义的粒径值表达。在环境空气质量标准中单颗颗粒大小用空气动力学直径（单位密度下）；计算颗粒运动时需要用斯托克斯径（真密度下）。颗粒粒度测定方法很多，不同方法所测得的粒径制定义不同，而且不同定义的粒径值多数难以互相换算。我国环境空气质量标准规定了总悬浮物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)的浓度限值。其粒径为空气动力学当量直径。TSP总悬浮颗粒物,空气动力学当量直径100m的颗粒物；PM10可吸入颗粒物，空气动力学当量直径10m的颗物；PM2.5空气动力学当量直径2.5m的颗粒物。,（2）平均粒径,（二）粒径分布,定义：亦称粒子的分散度，指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例。个数分布：以粒子的个数所占的比例表示表面积分布：以粒子表面积表示质量分布：以粒子质量表示,1、粒径分布的表示方法,（1）频数分布R：粒径dp至(dpdp)之间的粒子质量占粒子群总质量的百分数（2）频度分布f：是dp1m时粒子质量占粒子群总质量的百分数，即频度分布的微分定义式为：众径（dom）：相当于最大频度的粒径（3）筛上累计分布R()：大于某一粒径dp的所有粒子质量占粒子群总质量的百分数，即,D1R中位径（d50）：当RD50时所对应的直径,2、粒径分布函数,常见的有正态分布式、对数正态分布式以及罗辛拉姆勒(RosinRammler)分布式罗辛拉姆勒分布式（RR分布式）为：,对（2）式两端取两次对数，得,或,（1）,（2）,（3）,以为横坐标，以为纵坐标作图，可得到一条直线，直线的斜率为指数n，当dp1m时，纵坐标的截距为lg，则,（4）,再将（5）代入（1）中，得RR分布函数表达式,（三）除尘装置的捕集效率,1、总捕集效率（nT）定义：亦称平均捕集效率，指在同一时间内，净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物量的百分比，是反映装置净化程度的平均值，评定净化装置性能的重要技术指标.,总捕集效率为：,因为GCQ，所以,以标准状态下干气体流量表示时，为,当净化装置严密不漏风时，Q0NQeN，则可简化为：,实际上净化装置经常有漏风，则,k漏风系数,当污染物浓度很高时，有时将几级净化装置串联使用，设每一级的捕集效率为1、2、3，则总效率为：净化器的性能也可以用通过率P，即末被捕集的污染物量占进入净化器污染物量的百分数来表示通过率是反映排人大气的污染物量的概念，根据通过率很容易计算排人大气中的总污染物量。,2.压力损失代表装置耗能大小的技术经济指标，指的是装置进口和出后气流压力之差。空气流动造成的压力损失（阻力）有两种，一种是由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；另一种是空气流经风管中的管件及设备时由于流速大小及方向变化造成的能量损失，称为局部阻力。通常直管中以摩擦阻力为主，而弯管以局部阻力阻力为主。,P,3、除尘装置的分级捕集效率,分级效率：在某一粒径(或粒径范围)下的除尘效率目的：进一步表明除尘器的分离性能分级效率数学表达式为：,Gc除尘器捕集的粒径在dp范围内的粉尘流量G0进入除尘器的粒径在dp范围内的粉尘流量,分级通过率数学表达式为：,Ge排出除尘器的粒径在dp范围内的粉尘流量,习题1.在大气压力为99975Pa，热力学温度为293.15K时，当天采样器通过的气量为1.4立方米，采得TsP为0.2毫克。求标准状态下的空气中TsP的质量浓度及GB3095-1996规定的对应区域。习题2.试用下列实测数据计算该地大气指数形式的风廊线幂指数m的值。习题3.某种净化器的捕集效率由98%提高到99.5%，则理论上该装置排出的污染物的量降低了多少？,第二节重力沉降,定义：利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理，将颗粒污染物与气体分离的过程，一般只能去除50微米以上的较大颗粒一颗粒沉降速度球形颗粒在静止流体中自由沉降时作用在其上的合力为：,F1重力F2浮力F3阻力,沉降力为：,阻力为：,因p远远大于，故上式可简化为,结论：Vt与dp2呈正比，若dp小，则Vt小，所以细颗粒就很难分离,颗粒在沉降过程中，沉降速度与阻力都在增加，当沉降力与阻力相等时，颗粒等速下沉，即,二重力沉降室的结构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。有壳体和灰斗两大部件，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，由排灰管排除。,重力沉降室结构形式,三重力沉降室的设计,假设:通过重力沉降室断面的水平气流的速度V分布是均匀的，呈层流状态；入口断面上粉尘分布均匀（即每个颗粒以自己的沉降末端速度沉降，互不影响）；在气流流动方向上尘粒和气流速度相等，就可得到除尘设计的简单模式。（1）沉降时间和（最小粒径时的）沉降速度尘粒的沉降速度为us，沉降室的长、宽、高分别为L、W、H，要使沉降速度为us的尘粒在沉降室内全部去除，气流在沉降室内的停留时间(）应大于或等于尘粒从顶部沉降到灰斗的时间（），即：,见上上图,将沉降速度公式代入，可求出沉降室能100%捕集的颗粒最小粒径上式是在理想状况下得到的，实际中常出现反混现象，工程上常用36代替式中的18，这样理论和实践更接近。室内的气流速度v0应根据尘粒的密度和粒径确定。一般取0.32m/s。,（2）沉降室尺寸,先按算出捕集尘粒的沉降速度us，假设沉降室内的气流速度V0和沉降室高度H（或长度L），而后求沉降室的长度（或高度）。（必须先H与L要定一个），宽度由下式计算：Q=WHV0=WLus沉降室长度：沉降室宽度：Q为处理气流量，m3/s,四优点：结构简单，造价低，便于维护管理，压力损失小，可以处理高温气体缺点：沉降小颗粒的效率低，一般只能除去50微米以上的大颗粒应用：重力沉降室主要用于高效除尘装置的前级除尘器,第三节旋风除尘,定义：利用旋转的含尘气流所产生的离心力，将颗粒污染物从气体中分离出来的过程一旋风除尘器的工作原理1、旋风除尘器内的气流运动（有小录像）主要组成：进气管、筒体、锥体及排气管（1）外旋流（外涡旋）：当含尘气流由进气管进入旋风除尘器时，气流由直线运动变为圆周运动，旋转气流的绝大部分沿器壁和圆筒体呈螺旋形向下，朝锥体流动（2）内旋流（内涡旋）：当气流到达锥体下端某一位置时，便以同样的旋转方向在旋风除尘器中自下回转而上，继续作螺旋运动。最后，净化气体经排气管排出除尘器外（3）上旋流（上涡旋）：进口气流中的少部分气流在排气管附近沿筒体内壁旋转向上，达到顶盖后又继续沿排气管外壁旋转向下，最后到排气管下端附近被上升的内旋流带走,2.旋风除尘器内实际气流运动包括：切向运动、轴向运动(外涡旋的轴向速度向下,内涡旋的轴向速度向上)径向运动：在外旋流中有少量气体沿径向运动到中心区域，在内旋流中也存在着离心的径向运动到外旋流区内外旋流气体的运动可分解成为三个速度分量：即切向速度V、径向速度Vr、轴向速度Vz切向速度是决定气流合速度大小的主要速度分量，也是决定气流质点离心力和颗粒捕集效率的主要因素，与旋转半径r之间的关系为：,n1，常称为涡流指数，估算式为,C常数,外涡旋：,结论：外涡旋的切向速度随半径减小而增大，内涡旋的切向速度正比于半径,3、旋风除尘器内的颗粒运动及分离过程,第1号可为不同粒径的颗粒第2、4号粒径较大第3、5号粒径较小一次分离：发生在圆筒形进气室，几乎所有入射角小的颗粒，只要与器壁碰撞就沿器壁滑动，直接下落而发生一次性分离，如1颗粒二次分离：发生在旋涡室，且只有一定粒径的颗粒才发生二次分离，如2.4颗粒。入射角较大的小颗粒，则很容易发生返回被气流从出口管带出，如3.5颗粒，设计气流进口时应注意减小颗粒的入射角.,（二）旋风除尘器分离性能,1、颗粒的分离直径全分离直径（临介直径dc100）：除尘效率达到100时的颗粒直径半分离直径（切割直径dc50）：除尘效率达到50的颗粒直径分离直径越小，表明除尘器的分离性能愈好。在评定旋风除尘器的分离性能时，往往采用半分离直径（1）拉波尔经验表达式,H气流入口的高度B气流入口的宽度L1圆筒的高度L2圆锥的高度,（2）根据假想圆筒理论求dc50：在内外旋流的交界面上，气流的切向速度最大，在该处，颗粒受到的离心力Fc最大，所受的阻力FD也最大。当FcFD时，颗粒受力平衡，理论上颗粒将在某个范围内不停地旋转，其最终运动被捕集（FcFD）和从出口管排走（FcFD）的概率理论上各一半，此时得出的粒径应看作除尘器的切割直径dc50,在假想圆筒界面上，粒径为dc50的颗粒所受的离心力为：,若粒子运动处于层流状态，则颗粒所受到的径向气流阻力为：,2、捕集效率,水田和木村典夫将实验得到的旋风除尘器分级捕集效率归纳为经验式：,在求得dc50后，可以从右图中查出旋风除尘器对任意粒径dp颗粒的分级效率若已知粒子群的粒径分布，则可按算出旋风除尘器的总效率。,3、影响捕集效率的因素,（1）入口风速(或流量)由拉波尔经验表达式可知，入口流量Q增大，dc50降低，捕集效率提高。但过大一是耗能，二是粗颗粒碰壁后会反弹被出，（2）除尘器的结构尺寸由可知，在其它条件相同时，筒体直径愈小，尘粒所受的离心力愈大，捕集效率愈高，但过小内旋流的切向速度就小，粒子会逃逸。筒体高度变化对捕集效率影响不明显，但适当增加锥体长度，有利于提高捕集效率。减小排气管直径，对提高效率有利。（3）粉尘粒径与密度大粒子受离心力Fc大，捕集效率高。又因为所以密度小，难分离，影响捕集率。,（4）气体温度由温度引起气体密度变化对捕集效率的影响可以忽略不计。但温度增高时，气体粘度将增大，由dc50表达式，温度增高，捕集效率降低。粘度：温度高，气体粘度大，但水粘度会变小。（5）灰斗的气密性,二旋风除尘器的分类及计算,1、旋风除尘器的分类（1）按气体流动状况分，可分为切流返转式旋风除尘器：含尘气体由筒体侧面沿切线方向导入，气流在圆筒部分旋转向下，进入锥体，到达锥体顶端前返转向上，清洁气体经同一端的排气管引出，这是旋风除尘器中经常用的型式，根据其不同进入型式又可分为A、直入式（进气管外壁与筒