昆明理工大气污染控制(考研).ppt

第1讲概论,大气污染控制工程一、大气污染及其分类二、大气污染的影响三、大气污染防治法规与标准体系四、中国的大气污染综合防治,一、大气污染及其分类,1.大气污染及大气污染物的定义如果大气中的某种物质达到一定浓度，并持续足够的时间，以致对公众健康、动物、植物、材料、大气特性或环境美学产生可测量的不利影响，这就是大气污染。引起大气污染的物质就称为大气污染物。,2.大气污染物的分类,按污染物的状态分气溶胶状态污染物：以颗粒状态存在于大气中的污染物。气体状态污染物：以分子状态存在于大气中的污染物。按污染物的来源分一次大气污染物：直接以原始形态排放入大气中的污染物。二次大气污染物：大气中的一次污染物通过化学反应生成的化学物质（大气污染物）。,3.倍受关注的大气环境问题和污染物,（1）光化学烟雾:光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。,光化学烟雾实例,细颗粒物对人体健康和大气环境质量造成的危害要远比粗颗粒物大细颗粒物本身可能是有毒、有害物质细颗粒物易成为其它污染物的运载体和反应体细颗粒物污染可导致低能见度显著降低,（2）细微颗粒物污染,（3）酸沉降:,酸沉降是指某一平面上具有致酸潜势的物质的积累。致酸物质是自然和人为活动的过程中产生的。致酸物质按存在形态分为干和湿两种。,酸雨的危害,水的低pH值使得鱼的骨骼畸形生长，最终导致死亡,引起树木的大量不正常死亡,严重腐蚀建筑物,中国酸雨的分布变化主要位于长江以南,（4）全球变暖和气候变化:,MajorGreenhouseGases,全球平均气温的变化,大气中二氧化碳含量的变化,政府间气候变化专门委员会（IPCC）得到的几个重要结论：,在过去的100年间，地球的平均温度增加了0.30.6，海平面高度增加了1025cm。气温和海平面高度仍会持续上升。众多模型的模拟结果表明，到2010年气温将增加13.5，海平面上升1595cm。气温升高和大气中温室气体的浓度具有很强的相关性。人类活动极大地增加了大气中温室气体的含量。,4.中国城市的大气污染概况,1999年全国重点城市主要大气污染物分布,TSPSO2NOx,2002年中国城市空气质量状况,不同空气质量状况下的人口比例,全国城市空气质量分级比例,不同规模城市空气污染程度（2002年）,二、大气污染的影响,1.对人体健康的影响CO对人体健康的影响,NO2对人体健康的影响,2.对植物的伤害,注：二氧化氮浓度和暴露时间与植物死亡、叶器官损伤和新陈代谢或生长影响之间的关系,Source：Springer-VerlagandProf.D.C.MacLean,3.对器物和材料的影响,注：平均二氧化硫浓度和不同暴露时间与低碳钢的腐蚀之间的关系（19631964年9月，在芝加哥的七个地点进行的实验）,Source：AirandWasteManagementAssociation,4.对大气能见度的影响,对大气能见度或清晰度有影响的污染物，一般应是气溶胶粒子、能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体，包括：总悬浮颗粒物（TSP）SO2和其它气态含硫化合物，在大气中以较大反应速率生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子NO和NO2，在大气中反应生成硝酸盐和硝酸气溶胶粒子光化学烟雾，反应生成亚微米的气溶胶粒子,能见度与大气中颗粒物浓度的关系,应用最广的估算能见度的方程是Koschmeider方程：LV为能见度范围，即一般人刚刚可以将暗色物体（例如山或高楼）从天空的背景上分辨出来的距离。此方程是估算方程，基于大气颗粒物为一般组成的情况。,能见度与自然景观USEPA在1999年宣布，将在未来几十年内致力于提高国家公园和旷野地区的空气质量例：美国大烟雾山国家公园（北卡罗莱纳州）照片,晴天雾天,三、大气污染防治法规与标准体系,1.中华人民共和国大气污染防治法1987年9月5日由第六届全国人大常委会第22次会议通过，1988年6月1日起执行1995年8月29日，第八届全国人大常委会第15次会议对该法进行了修订2000年对该法再次修订,1995年8月29日修改后的大气污染防治法，在控制大气污染，改善大气环境质量方面起到了积极的作用：,强化了酸雨和二氧化硫污染控制推动了煤炭的清洁利用加快了淘汰严重污染大气的落后工艺和设备的步伐开始生产和使用无铅汽油法规实施后，一些地区依法强化环境管理，大气环境质量确实得到了改善,但未能有效地遏制大气环境质量的恶化：,大气污染形势仍然十分严峻，大多数城市还处于比较严重的污染程度；缺少推动煤炭清洁利用的法律措施，燃煤污染仍然没有得到有效遏制；大中城市机动车排气污染正在迅速增加；大多数城市扬尘污染突出；大气污染物排放总量居高不下，缺少有效的法律措施；现行法律的法律责任部分内容偏少，力度不够。,2.大气环境质量标准体系,GB30951996环境空气质量标准GB162971996大气污染物综合排放标准GB132712001锅炉大气污染物排放标准GB49152004水泥厂大气污染物排放标准GB90781996工业炉窑大气污染物排放标准GB161711996炼焦炉大气污染物排放标准GB132232003火电厂大气污染物排放标准GB1455493恶臭污染物排放标准GWPB11999轻型汽车污染物排放标准GB14761.293车用汽油机排气污染物排放标准GB14761.593汽油车怠速污染物排放标准GB14761.693柴油车自由加速烟度排放标准GB14761.793汽车柴油机全负荷烟度排放标准,3.中华人民共和国国家标准环境空气质量标准AmbientairqualitystandardGB30951996(代替GB309582)国家环境保护局1996-01-18批准1996-10-01实施,主题内容与适用范围本标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。本标准适用于全国范围的环境空气质量评价。,环境空气质量功能区的分类和标准分级,环境空气质量功能区分类一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。三类区为特定工业区。环境空气质量标准分级（环境空气质量标准分为三级）一类区执行一级标准二类区执行二级标准三类区执行三级标准,各项污染物的浓度限值,空气污染指数分级标准(试行),空气污染指数分级浓度限值,计算公式：当第k种污染物浓度为时，其分指数为,四、中国的大气污染综合防治,1.能源利用情况,注：中国正在不断提高能源使用的效率，但还未达到美国的水平（1980-1995年数据）,2.主要污染物排放,注：近年来GDP持续增长，主要污染物排放却有所下降来源：中国统计年鉴，中国环境状况公报,3.控制大气污染的技术措施,清洁生产：清洁的生产过程和清洁的产品可持续发展的能源战略改善能源供应结构和布局，提高清洁能源和优质能源比例提高能源利用效率和节约能源推广少污染的煤炭开采技术和清洁煤技术积极开发利用新能源和可再生能源建立综合性工业基地：各企业间相互利用原材料和废弃物，减少污染物排放总量,4.控制污染的经济政策,必要的环境保护投资环保投资占国民生产总值（GNP）的比例，发展中国家为0.5%1，发达国家为1%2我国目前比例为0.7%0.8，希望能达到1.5实行“污染者和使用者支付原则”，可采用的经济手段：建立市场（排污许可证制度等）税收手段（污染税、资源税等）收费制度（排污费等）财政手段（生态环境基金等）责任制度（赔偿损失和罚款等）,第2讲燃烧与大气污染,1.燃料的性质2.燃料的燃烧过程及燃烧产物3.燃烧所需空气量和产生烟气量的计算4.燃烧过程中硫氧化物的形成5.燃烧过程中颗粒污染物的形成6.燃烧过程中其他污染物的形成,第一节燃料的性质,1.燃料的分类,2.燃料的化学组成,典型液体和气体燃料的化学组成成分,2.燃料的化学组成,典型固体燃料的化学组成成分,3.燃料组成对燃烧的影响,碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出32860kJ的热量。不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。无烟煤含碳量约90%98%，一般煤的含碳量约50%95%。氢：是燃料中发热量最高的元素。煤中氢的含量为2%10%1kg氢完全燃烧时能放出120500kJ的热量。,3.燃料组成对燃烧的影响,氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。,3.燃料组成对燃烧的影响,水分：煤中水分由表面（外部）水分和吸附（内部）水分组成。外部水分可以靠自然干燥除去。内部水分要放在干燥箱中加热到102105C，保持2h后才能除掉。灰分：是燃料中不可燃矿物质。,4.煤的分类和组成,煤的基本分类褐煤：热值为30004000kcal/kg最低品位的煤，形成年代最短挥发分大于40%，适于烧锅炉、气化烟煤：热值为42007500kcal/kg形成年代较褐煤长，碳含量75%90，成焦性较强挥发分在10%40%之间，适于炼焦、气化、动力燃料无烟煤：热值为42007500kcal/kg煤化时间最长，含碳量最高（高于93），成焦性差挥发分小于10%，适于民用、冶金、建材、气化,4.煤的分类和组成,煤的成分分析工业分析（proximateanalysis）测定煤中水分、挥发分、固定碳和灰分。估测碳含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。元素分析（ultimateanalysis）用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。,4.煤的分类和组成,煤中硫的形态,4.煤的分类和组成,煤的成分的表示方法要确切说明煤的成分，必须同时指明百分比的基准，常用的基准有以下四种：收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分,4.煤的分类和组成,干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分,4.煤的分类和组成,煤的成分的表示方法及其组成的相互关系,第二节燃料燃烧过程及燃烧产物,1.燃烧过程及燃烧产物燃烧过程是可燃物的快速氧化过程（放热反应）完全燃烧的产物：CO2、H2O不完全燃烧的产物：CO2、H2O（2）散射作用;（3）反射;（4）透过大气层.3、大气温度依地面温度的变化关系地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在13点左右，最低温度在日出前后。气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化,太阳能,太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW（1012W），也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换,太阳常数,地球在日地平均距离处时，和太阳光垂直的大气上界单位面积每单位时间所接收的所有波长的太阳辐射总能量它常以S表示，其值为：1.96卡（厘米2分）1367瓦米2多数文献上：1370瓦米2一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4,太阳辐射光谱,太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区可见光区占太阳辐射总量的50红外区占43紫外区只占能量的7在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为3.0卡/cm2.分以上,辐射的规律,(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。如太阳表面温度为6000K，而地球表面的平均温度为288K，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几百万倍(3)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.5微米，而地球放射的最大辐射波长为10微米。(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过(即不吸收)；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的(即吸收很强),太阳辐射在大气中的减弱,太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示)，向上散射占4，大气吸收占21,云量吸收占3,云量反射占2330反射和散射回宇宙20被大气吸收50被地面吸收,大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。高云：平均反射25中云：平均反射50低云：平均反射65稀薄云：10-20%很厚的云层：反射可达90云量反射平均：达5055,大气对太阳辐射的反射,二、气温的垂直变化,气温直减率（大气）干空气绝热绘制温度递减率干绝热直减率（空气团）一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换,1.气温直减率,定量：热力学第一定律（第一定律状态方程）其中,1.气温直减率,1.气温直减率,代入上式得：,实际中，Ti、T相差2000时的流体流动是湍流当Re0.1m/s则Re6000所以通常认为大气运动都是湍流运动,二、湍流扩散理论简介,主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.梯度输送理论德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为“论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。”通过泰勒（G.I.Tayler）与菲克（A.Fick）扩散理论的类比建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。,二、湍流扩散理论简介,2.湍流统计理论：泰勒(GITaYler)首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。图4-1表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。,图4-1由湍流引起的扩散,3.相似理论,湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出与实际大气污染扩散相符合的计算模式。,大气湍流与污染物的扩散,图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。,4.研究湍流的主要方法,目前研究湍流的主要方法有两种：一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动；是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家和工程技术人员对此比较感兴趣另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统计途径，来分析研究湍流内部结构。将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科学家就致力于这方面的研究。,5.三种理论的比较,这三个理论分别：考虑不同的物理机制，采用不同参数，利用不同的气象资料，在不同的假定条件下建立起来的。它们具有不同的有缺点，只能在一定范围内使用,湍流的概念（运动流场的各种特性量是时间和空间的随机变量）大气运动的湍流性（雷诺数远大于下临界数）雷诺数（特征尺度、流动速度、分子动力学粘性系数）湍流的基本特征：（1）随机性，（2）非线性，（3）扩散性，（4）涡旋性，（5）耗散性热力湍流和机械湍流（不稳定、风切变）大气湍流与污染物的扩散（快、各种湍涡）研究湍流的主要方法：一种是半经验理论方法，另一是湍流统计理论方法湍流扩散的梯度输送理论（欧拉方法）湍流扩散的统计理论（拉格朗日方法）湍流扩散的相似理论,2高斯扩散模式,一、高斯模式的有关假定1.坐标系坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴，正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指x轴；中指y轴；拇指z轴。此坐标系中，烟流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。2.四点假设a污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布b全部高度风速均匀稳定c源强是连续均匀稳定的d扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）,高斯扩散模式坐标系,高斯扩散模式的坐标系,二、无界空间连续点源扩散模式,上式中：平均风速；Q源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常：（）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；（）连续点源以单位时间的释放量表示；（）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；（）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。y侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m；z竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m；未知量浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b；式、组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。,1.高斯烟流的形态,2.高斯烟流的浓度分布,高斯烟流中心线上的浓度分布,三、高架连续点源扩散模式高架源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面一定高度的排放源。地面对污染物的影响很复杂，如果地面对污染物全部吸收，则式仍适用于地面以上的大气，但根据假设可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”处理这类问题。可以把P点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作用，一部分是虚源作用。见下页图：相当于位置在（0，0，H）的实源和位置在（0，0，-H）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。（1）实源作用：由于坐标原点原选在地面上，现移到源高为H处，相当于原点上移H，即原式中的Z在新坐标系中为（Z-H）,不考虑地面的影响，则：,以上模式适用于气态污染物和粒径小于10m的飘尘，对于大10m的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。7、倾斜烟云模式在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高H用()来置换即可得到倾斜烟云模式。,四、颗粒物扩散模式,粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式,地面反射系数,3污染物浓度的估算,q源强计算或实测平均风速多年的风速资料H有效烟囱高度、扩散参数,一.烟气抬升高度的计算,一.烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式1.Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020）,Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下,一、烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式（续）2.Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件,一、烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式（续）3.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式,二、扩散参数的确定,PG曲线法PG曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用利用扩散曲线确定和,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用地面最大浓度估算,2.扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,稳定度分类方法改进的PT法,2.扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，,4特殊气象条件下的扩散模式,主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难以实现）封闭型扩散模式相当于两镜面之间无穷次全反射实源和无穷多个虚源贡献之和n为反射次数，在地面和逆面实源在两个镜子里分别形成n个像,一、封闭型扩散模式,计算简化：,二、熏烟型扩散模式,假设：D换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，则仍可用上面公式,二、熏烟型扩散模式,5城市及山区扩散模式,一、城市大气扩散模式1.线源扩散模式,一、城市大气扩散模式,2.面源扩散模式大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量dM,一、颗粒的直径,显微镜法观测粒径直径的三种方法,一、颗粒的直径,（2）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（3）光散射法等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径（4）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,一、颗粒的直径,粒径的测定结果与颗粒的形状有关通常用圆球度表示颗粒形状与球形不一致的程度圆球度：与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表面积之比s（s1时，近似于对数正态分布；n3时，更适合于正态分布,2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,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,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,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,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速度润湿性是选择湿式除尘器的主要依据,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,六、粉尘的荷电性和导电性,粉尘的导电性比电阻导电机制：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，最适宜范围1041010,六、粉尘的导电性和荷电性,典型温度比电阻曲线,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,七、粉尘的粘附性,粘附和自粘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）断裂强度表征粉尘自粘性的指标，等于粉尘断裂所需的力除以其断裂的接触面积分类：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,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,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,3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,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.净化效率3.压力损失,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,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,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,4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,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,一、流体阻力,流体阻力与雷诺数的函数关系,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,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,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,四、离心沉降,力平衡关系Stokes颗粒的末端沉降速度,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：,六、惯性沉降,颗粒接近靶时的运动情况,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100,1.惯性碰撞,惯性碰撞分级效率与的关系,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对于惯性小的颗粒,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扩散作用对于小粒子的捕集影响较大颗粒的均方根位移（时间t秒钟）,七、扩散沉降,标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较,七、扩散沉降效率,扩散沉降效率取决于皮克莱数Pe和雷诺数ReD粘性流单个圆柱体的效率势流单个圆柱体效率孤立球形捕集体从理论上讲，是可能的,2.扩散沉降效率,惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较,小结,理解和掌握颗粒物的粒径分布理解和掌握颗粒物的物理性质掌握评价净化装置性能的技术指标理解和掌握颗粒物捕集的动力学理论基础。,谢谢!,第6讲除尘装置,机械除尘器电除尘器湿式除尘器过滤式除尘器除尘器的选择与发展,除尘装置,从气体中除去或收集固态或液态微粒子的设备称为除尘装置按分离原理分类：重力除尘装置（机械式除尘装置）惯性力除尘装置（机械式除尘装置）离心力除尘装置（机械式除尘装置）洗涤式除尘装置过滤式除尘装置电除尘装置声波除尘装置,第一节机械除尘器,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,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模式包括层流式和湍流式两种,层流式模式,假定沉降室内气流为柱塞流；颗粒均匀分布于烟气中忽略气体浮力，粒子仅受重力和阻力的作用在烟气流动方向，粒子与气流速度相同,纵剖面示意图,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对于Stokes粒子，代入,(579),对于Stokes粒子，重力沉降室能100%捕集的最小粒子的dmin=?,提高沉降室效率的主要途径降低沉降室内气流速度（一般为0.32.0m/s）增加沉降室长度降低沉降室高度,多层沉降室：使沉降高度减少为原来的1/（n+1），其中n为水平隔板层数考虑清灰的问题，一般隔板数在3以下,湍流式重力沉降室,湍流模式1假定沉降室中气流处于湍流状态，垂直于气流方向的每个断面上粒子完全混合分级除尘效率：对于Stokes粒子，代入,湍流模式2完全混合模式，即沉降室内未捕集颗粒完全混合对于Stokes粒子，代入,三种模式的分级效率均可用归一化对Stokes颗粒，分级效率与dp成正比,重力沉降室归一化的分级率曲线a层流无混合b湍流垂直混合c湍流完全混合,重力沉降室的实际性能,沉降室的实际性能几乎从不进行实验测量或测试，在最好的情况下，这种装置也只能作为气体的初级净化，除去最大和最重的颗粒。沉降室的除尘效率约为4070%，仅用于分离dp50m的尘粒。穿过沉降室的颗粒物必须用其它的装置继续捕集。优点：结构简单、投资少、易维护管理、压损小（50130Pa）。缺点：占地面积大、除尘效率低（仅作为高效除尘器的预除尘装置，除去较大和较重的粒子）。,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（还利用了离心力和重力的作用），使其与气流分离,结构形式冲击式气流冲击挡板捕集较粗粒子反转式改变气流方向捕集较细粒子,冲击式惯性除尘装置a单级型b多级型,反转式惯性除尘装置a弯管型b百叶窗型c多层隔板型,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（粘结性和纤维性粉尘不宜）净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘，捕集1020m以上的粗颗粒压力损失1001000Pa,旋风除尘器,进气管、筒体、锥体、排气管,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,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,旋风除尘器内气流与尘粒的运动（续）,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，最后从排气管排出,旋风除尘器,旋风除尘器内气流的切向速度和压力的径向分布,切向速度外涡旋的切向速度分布：反比于旋转半径的n次方此处n1，称为涡流指数内涡旋的切向速度正比于半径内外涡旋的界面上气流切向速度最大交界圆柱面直径d0=(0.61.0)de,de为排气管直径,旋风除尘器,径向速度假定外涡旋气流均匀地经过交界圆柱面进入内涡旋平均径向速度r0和h0分别为交界圆柱面的半径和高度，m轴向速度外涡旋的轴向速度向下内涡旋的轴向速度向上在内涡旋，轴向速度向上逐渐增大，在排出管底部达到最大值,旋风除尘器,旋风除尘器的压力损失：局部阻力系数A：旋风除尘器进口面积局部阻力系数,旋风除尘器,旋风除尘器的压力损失相对尺寸的不同对压力损失影响较大，除尘器结构型式相同时，几何相似放大或缩小，压力损失基本不变含尘浓度增高，压力降明显下降操作运行中可以接受的压力损失一般低于2kPa思考题：一个进口面积为0.36m2，排气管直径0.6m的旋风除尘器，和另一个进口面积为4m2，排气管直径2m的旋风除尘器，在气体入口速度相同时，压力损失哪个大？为什么？,旋风除尘器的除尘效率计算分割直径是确定除尘效率的基础在交界面上粉尘的所受的作用力包括：离心力FC，向心运动气流作用于尘粒上的阻力FD若FCFD，颗粒移向外壁若FCFD，颗粒进入内涡旋当FC=FD时，有50%的可能进入外涡旋，即除尘效率为50%,为什麽忽略了粉尘的质量呢？因为重力等于mg，离心力设Vt=30m/s，r=0.1m，离心力远远大于重力，故重力可忽略。,FC,FC,r,旋风除尘器,旋风除尘器的除尘效率（续）对于球形Stokes粒子分割粒径dc确定后，雷思一利希特模式计算其它粒子的分级效率另一种经验公式,旋风除尘器,旋风除尘器理论分级效率曲线,例题：已知XZT一90型旋风除尘器在选取入口速度v1=13m/s时，处理气体量Q=1.37m3/s。试确定净化工业锅炉烟气（温度为423K，烟尘真密度为2.1g/cm3）时的分割直径和压力损失。已知该除尘器筒体直径0.9m，排气管直径为0.45m，排气管下缘至锥顶的高度为2.58m，423K时烟气的粘度（近似取空气的值）=2.4105pas。解:假设接近圆筒壁处的气流切向速度近似等于气流的入口速度，即vt=13m/s，取内、外涡旋交界圆柱的直径d0=0.7de，根据式（610）由式（6一9）得气流在交界面上的切向速度由式（612）计算,例题（续）根据式（616）此时旋风除尘器的分割直径为5.31m。根据式（513）计算旋风除尘器操作条件下的压力损失：423K时烟气密度可近似取为,旋风除尘器,影响旋风除尘器效率的因素二次效应所谓二次效应是指被捕集的粒子重新进入气流的运动。在较小粒径区间内，理应逸出的粒子由于聚集或被较大尘粒撞向壁面而脱离气流获得捕集，实际效率高于理论效率在较大粒径区间，粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起，实际效率低于理论效率通过环状雾化器将水喷淋在旋风除尘器内壁上，能有效地控制二次效应,旋风除尘器,影响旋风除尘器效率的因素（续）比例尺寸在相同的切向速度下，筒体直径愈小，离心力愈大，除尘效率愈高；筒体直径过小，粒子容易逃逸，效率下降。锥体长度适当加长，对提高除尘效率有利排出管直径愈小，分割直径愈小，即除尘效率愈高；直径太小，压力损失增加，一般取排出管直径de=（0.40.65）D。旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于l，筒体和锥体的总高度以不大于筒体直径的五倍为宜。特征长度（naturallength）-亚历山大公式,除尘器下部的严密性应在不漏风的情况下进行正常排灰,锁气器(a)双翻板式(b)回转式,漏风率：0%、5%、15%：90%、50%、0,烟尘的物理性质气体粘度：对于气体而言，增大对除尘不利，dc增大，效率减小。温度增大，则增大，效率减小。粉尘粒径与密度：离心力跟粒径的三次方成正比，流体阻力跟粒径的一次方成正比。综合来说，dp增大则效率增大，又因为所以，p小，难分离，影响捕集效率。,操作变量提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，除尘器性能改善入口流速过大，已沉积的粒子有可能再次被吹起，重新卷入气流中，除尘效率下降效率最高时的入口速