大气污染控制工程

1、湍流与大气稳定度1、湍流 下垫面复杂多变导致边界层大气运动表现为湍流运动 是高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动 Van.Kavman 和 I.G Taylor 的定义：流体和气体中出现的一种无规则流动现象，当流体流过 固体边界或相固流体相互流过时会产生湍流 Hinze 的定义：时间和空间上的一种不规则的随 机变化，可利用不同的统计平均值来统计 在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡 旋 (eddy) 。湍流对大气物质和能量的交换与输送起着重要作用 流体从流动类型上可分为层流(平流)与湍流(乱流) 研究流动类型的意义在于解决流体流动中的能量消耗计算

2、问题 边界层边界层( boundary layer )是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层 湍流概念和判据 湍流是流体的一种极其复杂的无规则运动，其流场各特征是随时间和空间的随机变量，符合 统计学规律判断流体特性的常用参数有雷诺数Re理查逊数R i等雷诺数 : 可判断某流体是层流还是湍流，判断某多种流体是否为性质相似的流体 表达式为：其中：平均流速u、流动特征长度L、流体运动粘滞系数丫实质是：“特征惯性力 / 特征粘性力”对流体的要求：连续、均质、不可压，运动稳定 雷诺数主要是判断流体是层流或湍流的判据，雷诺数大于 1 为湍流，小于 1为层流 空气的雷诺数很大，因此，空气运动通常

3、是湍流运动 但大气不是均匀介质，有明显的密度梯度，且密度梯度存在明显的日变化，所以不能把大气 作为均匀不可压缩流体来处理，一般以理查逊数Ri来判断在小雷诺数情况下，力和运动速度的关系遵从斯托克斯定律理查逊数R i:理查逊数R i的物理意义：流体微团铅直运动时反抗净举力作功消耗的能量与 因存在湍流粘性由平均动能转化的脉动动能的比值消耗能少于获得能时，湍流将加强，反之则减弱，所以理查逊数Ri的临界值为1理查逊数R i反应的是湍流的消长情况由于理查逊数R i对数据要求很严格，在实际应用中一般用稳定度比SR来近似代替2、大气稳定度 : 简单的判断 : 对大气稳定度最简单的判断就是采用气温垂直递减率法温

4、度的垂直递减率 丫 ：空气升高或降低单位高度引起的温度垂直变化，通常状况为0.6 C/100m干绝热垂直递减率 丫 d :空气处于干绝热状态单位高度引起的温度垂直变化，大小1 C /100m(0.98 C /100m )湿绝热垂直递减率 丫 a :空气处于湿绝热状态单位高度引起的温度垂直变化，小于0.6 C/100m丫大于丫 d时，大气绝对不稳定 丫小于丫 a时，大气绝对稳定 丫处于丫 a 丫 d时，大气条件 稳定稳定度的判断：稳定度比SR: S R0时，湍流被抑制，大气稳定SRV0时，湍流发展，大气不稳定S R=0时，湍流维持原状，大气处于中性烟流形状与大气稳定度大气不稳定，多白天，垂直扩散

5、强烈，地面最大浓度距离源头较近，浓度也较高(波浪形 )大气中性，垂直扩散比波浪形弱（锥形） 大气处于逆温状态，绝对稳定，垂直扩散困难，以在水平方向上随大环流的扩散为主，源高H 很高时，一般不会造成临近地区地面污染，在远处也会因长时间的扩散污染物维持较低浓度；H较低时，往往造成临近地区地面严重污染（平展形） 低层逆温，高层温度分布正常，污染状况类似平展形。一般出现在日落前后，持续时间较短 暂。污染状况与源高 H有关（爬升形）上层有逆温，下层正常。污染状况与源高H有关 （漫烟形）3、风的垂直分布：中性层结时，风的分布符合对数率、非中性层结时，符合指数率一、点源高斯模式1坐标系选择源为坐标原点， x

6、轴指向平均风速的方向， 垂直于地面的方向为 z轴，建立笛 卡尔坐标系，2 基本假设A、污染物在x、y轴上符合高斯分布，B、全部空间中风均匀、稳定C、源强连续均匀D、扩散过程中污染物质量守恒3 无界高斯模式 在y= z =0时，可得到轴线浓度 假设污染物保守，则下风向通过垂直于 x轴的任一截面的污染物总量等于单位时间内污染源的排放量即源强Q:4有界高斯模式：设源高为H,以源在地面的投影为坐标原点，x轴仍指向风速方向，空间某一点污染物的浓 度都相当于源点（实源）扩散的浓度和与源点相对应的一“虚源点”所扩散的浓度之和 大气污染常常面临的问题（地面）浓度：极限浓度不能超过人的忍受能力 持续时间常用的大

7、气扩散模式1高架连续点源，有效源高为 H,源强为Q对浓度方程进行修订即可获得不同条件下污染物 浓度，常用有地面浓度、地面轴线浓度等取 z=0 得地面浓度取 y=z=0 可得地面轴线浓 度扩散参数的估计扩散参数对于定量计算有重要意义，扩散参数取决于大气稳定度等因素，确 定扩散参数就是确定风、云、辐射等各因素之间的量化关系。P-G （帕斯奎尔-吉福德）扩散曲线法根据地面风速、云状、太阳辐射状况等条件把大气的稀释扩散能力分为6级：A级，极不稳定B 级，不稳定 C 级，弱不稳定D级，中性E级，弱稳定 F 级，稳定 一般在实际观测的基础上绘制出不同稳定级别下扩散参数、 随距离变化的曲线，根据曲线确定参数

8、P-G扩散曲线的发展P-G法简单而粗糙，结果不准确，在该方法的基础上发展出若干实用的 方法 Turner 法，程序为：根据太阳高度、云量、云状确定辐射等级根据辐射等级结合地面风速确定稳定度级别抬升高度： 烟流离开烟囱口后凭借浮力和动力的抬升作用而达到的极限高度（ ），实质是达到稳定状态时轴线的高度有效源高：等于烟囱高度与抬升高度之和影响烟气抬升的因素 1、烟气本身的性质烟气本身所具有的初始动量和初始浮力是决定其抬 升的主要因素初始动量与烟气出口的内径d和出口速度有关浮力与烟气本身的密度和周围大 气的密度之差有关。这个密度差，如果忽略由于成分上的差别所引起的不同之外，主要是由 于烟气的温度不同所

9、造成的2、周围大气的性质烟气与周围大气的混合速度对抬升高度有很大的影响。混合快， 则初始动量和热量的损失就快，抬升高度就较低，否则则相反。3、下垫面及其它因素地形、地貌、烟囱自身状况、风速、建筑状况等 三、有效源高对地面最大浓度的影响 由上式地面最大浓度和平均风速及有效源高平方成反比， 由前讨论知， 抬升高度也和风速成反比， 因此，平均风速对地面最大浓度就有两方面的影响： 风速加大，有利于污染物扩散稀释，地面最大浓度下降； 风速加大，抬升高度下降，地面最大浓度值升高 这样，地面最大浓度又是风速的函数，在某一风速附近，有极大值，此时风速为危险风速A x = xDxD为烟流上界刚好达到逆温层底时与

10、源的水平距离 实用中可以用烟流宽和高表示水平和垂直扩散范围，其定义为： 云宽：沿y轴浓度下降到中心轴线浓度1/10处两点的距离2云高：类似云宽，2B x =x u在某一个距离xu以远，由于上下界面的多次反射，在混合层内污染物垂直分布趋于均匀而不再因垂直方向的扩散而稀释，而横向则仍为正态分布，故可写成C xd v x v xu在这之内，浓度按xd和x u内两点的值内插。 可在浓度和距离的双对数纸 上定出xd和xu两点浓度值，再用直线连接起来，线上各点的浓度即为 xdvxvxu范围内的 各处的浓度 D 熏烟型扩散 由于逆温的稳定层结被逐渐打破，污染物质逐渐混合，在逆温被完全打破的时刻，污染物质 的

11、分布达到稳定，浓度达最大，这时地面的最大浓度分布公式可表示为 污染物的衰减过程包括沉积、清洗、降解、吸收与吸附、稀释等 其中沉积、清洗、稀释一般只牵涉物理过程，而降解、吸收与吸附则主要是化学过程一、干沉降 以表示干沉降过程在单位时间内向下垫面转移的污染物量，为沉积速度1 、重力沉降直径大于10微米的颗粒在重力下明显沉降 粒子沉降速度（，单位m/s ）可用斯托克斯公式表示其中：为粒径（ m），粒子真密度（ kg/m3），g 为重力加速度，为空气黏度（ Pa.s）重力处于支配地位时， 用（ 1）式估计由干沉积过程造成的大气向地表转移的污染物量，其沉积速度可用污染物粒子在重力场作用下作垂直运动所具有

12、的重力沉降末速度vs 来近似。考虑沉降对浓度分布的影响，最简单是假设粒子的运动是湍流扩散和重力沉降的机械迭加， 并认为二者相互独立。 这相当于烟流在下风方向中心轴线上以 vs 下降。 另外， 下降也不再是 全反射，原来的全反射设需要再加一个 “反射系数” 。这样就得到了有沉降损耗时的正态模式：其中为烟流轴线在垂直方向上下降的距离此模式又称倾斜烟云模式。反射系数a可通过实验确定。注意事项：粒子与大气的相对运动、粒子的惯性、地转偏向力的作用等均会影响扩散，上述 模式没有考虑，在实际应用时应予考虑下垫面的清除指下垫面对污染物的总和作用，包括下垫面及其附属物的吸收与吸附、分解、 转化等。影响清除效率的

13、因素有风、湿度、温度、污染物浓度梯度、下垫面性状、下垫面附 属物（主要是植被）的状态以及污染物的理化性质等二、降水清洗 降水也能对大气起到清洁作用，通过降水，可以把空气污染转化位水体污染、突然污染等， 由于降水产生的沉降过程可称为湿沉降。降水的清洗率与降水的持续时间、雨滴粒谱、酸碱 度、污染物的理化特性等因素有关。一般认为，单位时间内降水清洗的清洗量与污染物浓度成正比其中，A为清洗系数。所以在污染物的初始浓度为CO且系统内污染物质总量保守的条件下有某一时刻污染物的浓度为 在系统内污染物质总量不保守的情况下，公式也有意义，表示动态平衡状况下大气中污染物 的浓度三、污染物在大气中的衰减 对污染物滞

14、留期的计算， 一般以半滞留期为主 （类似于放射性物质的半衰期） ，即大气中的污 染物衰减到相当于初始量一半时所经过的时间长度。由于降水清洗条件下大气污染物浓度随时间的变化关系式子类似地可得到污染物衰减的指数 分布式微分上式可得表示：在dt的时间段内有dc量的污染物衰减经处理可得污染物在大气中的平均滞留时间 烟囱设计一般采用高斯模式的简化公式计算烟囱的高度，根据对地面浓度的不同要求，有若 干计算公式3、? 根据一定的保证率计算根据计算出的烟囱较矮，风速小时地面有可能超标，计算的结果较高，任何情况下均不会超标，但造价太高因此可以为基础，取一定保证率下值为平均风速可得到较为合理的保证率一般取80%这

15、时的比条件下的大，但比条件下的小， 这就在成本与环境之间取得了最大化。 当然，保证率的具体取值取决于对环境质量的要求4、 排放指标（P值）法（P110, 4-67）根据GB/T13201-91，按照点源排放控制系数 P计算公式5、应注意的问题 以上公式是在理想温度层结条件下的结果，对于逆温现象比较频繁的地区，还应根据不同 的逆温特点予以校正 以上公式的条件性较强，具体计算应选择与公式要求相适应的条件 为防止下洗效应的一些具体规定：烟囱高度不得低于其所附属的建筑物高度的 1.52.5 倍；烟流出口速度不得低与出口处平均风速的 1.5 倍，等 需要强调的是，增加烟囱高度并不能从根本上解决污染问题，

16、只是“把垃圾倒进别人家院 子”二、厂址选择所需气候资料1 、风向和风速气候资料： 右图是风速和风向频率复合图，矢线长度代表风向频率大小， 矢线末端的风速羽代表平均风速）静风（风速1.0m/s ）或微风（风速为12m/s）情况大气通风条件差， 容易引起高浓度污染， 尤其是长时间静风会使污染物大量积累，引起严重污染。因此，在空气污染分析中不仅应统 计静风频率，有条件还要统计静风持续时间。2、大气稳定度的气象资料 可根据 p-T 法，利用已知的气象资料对当地大气稳定度进行分类，统计出月（年、季）各稳 定度频率，作出必要的图表。3、混合层高度的确定 混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数。具体指出污

17、染物在铅直方向的扩散范围。混合层愈高，则污染物垂直扩散的范围越大。受太阳辐射的影响，午后混合层高度最大。 从环保角度出发，理想的建厂位置是污染本底值小，扩散稀释能力强，排出的污染物被输送 到城市或居民区的可能性最小的地方。1、本底浓度 本底浓度超标的地区不宜建厂，本底浓度虽未超标，但加上拟建厂贡献将超标，短期内又无 法改进的也不宜建厂。2、扩散稀释能力 扩散稀释能力主要决定于该地区的气象条件和地形。（1）风向、风速 污染物危害的程度和受污染的时间及浓度有关， 确定工厂和居民区的相对位置时要考虑风向、 风速两个因素。某风向污染系数小， 表示该风向吹来的风所造成的污染小， 因此污染源可布置在污染源

18、在污 染系数最小风向的上侧。（2）温度层结 离地面几百米范围内的大气稳定度对污染物的扩散稀释过程有重要影响，最不利于扩 散的是近地层逆温和上部逆温。选厂址必须注意收集逆温层的强度、厚度、出现频率和持续 时间等资料，要特别注意逆温同时出现静风或微风的情况。（3）其它气象资料如降雨、云、雾等（4）地形地形对空气污染的影响很复杂， 在复杂地形建厂， 必须作具体分析， 一般应进行专门 的气象观测和现场扩散实验或进行风洞试验以便对当地的扩散稀释条件做出准确评价。 二、长期平均浓度的估算：方法 1 在厂址选择和环境评价中，人们更关心的长期平均浓度的分布。气象部门提供的风向资料是 按 16 方位给出的， 每

19、个方位相当于一个 22.5o 的扇形。 因此， 可按每个扇形计算长期平均浓 度。推导时作以下假定：（ 1）同一扇形内各角度的风向频率相同， 即在同一扇形内同一距离上， 污染物浓度在 y 方向 是相等的。（2）当吹某一扇形风时，全部污染物都落在这个扇形里。理想条件 理想的建厂条件：污染物背景浓度小、大气扩散稀释能力强、对城市或居民区的影响小。 背景浓度风温度层结地形除尘技术基础 污染物质治理的一般思路：根据其物理、化学性质，结合治理要达到的要求、目的等，进行 治理对固态物质主要是除尘 对气态物质，可利用其理化性质进行吸收、吸附 除尘分类：机械式、洗涤式、过滤式、电除尘除尘类型和设备的选择要根据烟

20、尘产生量、 烟尘的物理、 化学及不同的经济发展水平、 要求、 前景和社会要求等多种因素决定不同类型的除尘方式，设备不同，效果不同 性能：包括处理能力、效率两方面 处理能力：处理量、耗能（压力）损失、负荷适应性、运行费用比 处理效率：除尘效率、通过率、分级除尘率、串联运行总效率粉尘的性质 一、粒径及粒径分布1、单一颗粒的粒径 粉尘颗粒大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，且对除尘装置的性 能影响很大，所以是粉尘的基本特性之一若颗粒是大小均匀的球体， 则可用其直径作为颗粒大小的代表性尺寸。 但实际上， 不仅颗粒 的大小不同，而且形状也各种各样。所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒

21、大小的代表性 尺寸，作为颗粒的直径，简称为粒径（1）用显微镜法观测颗粒时，采用以下几种粒径：定向直径 ，也称菲雷特 （Feret ）直径， 为各颗粒在投影图同一方向上的最大投影 长度，如图 a 所示定向面积等分直径，也称马丁 （Martin ）直径， 为各颗粒在投影图上按同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度；如图 b 所示投影圆直径，也称黑乌德（Heywoo6直径，为与颗粒投影面积相等的圆的直径，如图c所示。若颗粒投影面积为 A,则 =根据分析，同一颗粒的DF DW DH（ 2）筛分直径用筛分法测定时可得到筛分直径，为颗粒能够通过的最小方孔的宽度（ 3）等体积直径用光散射法则定时可得到等体积

22、直径实质是与颗粒体积相等的球的直径（ 4）用沉降法测定时，一般采用如下两种定义斯托克斯 （ Stokes ）直径，为在同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速度相等的球的直径。空气动力学直径，为在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度的球的直径总的看，粒径的测定和定义方法可归纳为两类一类：按颗粒的几何性质来直接测定和定义， 如显微镜法和筛分法另一类：按照颗粒的某种物理性质间接测定和定义，如斯托克斯直径、 等体积直径等 实际中多是根据应用目的来选择粒径的测定和定义方法 粒径的测定结果还与颗粒的形状密切相关，通常用球形度来表示颗粒形状与球形颗粒不一致 程度的尺度球形度是与颗粒体积相等的球的表面积和颗粒表面

23、积之比，以表示， 总是小于12、? 粒径分布 粉尘的粒径分布是指某种粉尘中，各种粒径的颗粒所占的比例，也称粉尘的分散度 以颗粒的粒数表示所占的比例时，称为粒数分布； 以颗粒的质量表示所占比例时，称为质量分布除尘技术中多采用质量分布。 测定某种粉尘粒径分布时，采取的尘样质最m0=10g，经测定某粒径宽度（ 2 ）频率密度分布的粉尘质量为（%/ 卩 m简称频度分布，系指单位粒径间隔宽度时的频率分布，即粒径间隔宽度=1 卩m时尘样质量占全样总质量的百分数，所以由计算结果可绘出频度分布的直方图，用粒径间隔中值可绘出频度分布曲线（参考图3）筛下累积频率分布（%）简称筛下累积分布，系指小于某一粒径的尘样质

24、量占尘样总质量的百分数，即反之，将大于某一粒径的尘样质量占尘样总质量的百分数称为筛上累积分布（%），有3、平均粒径为了简明地表示颗粒群的某一物理特性和平均尺寸的大小， 均粒径最常用的有算术平均直径、中位直径、众径及几何平均直径等往往需要求出一个平对于频度分布曲线是对称性的分布如正态概率分布） ，算术平均直径、一中位直径和众径具有：“众径v中位直有相同的值， 即为对称轴对应的直径对于频度分布曲线是非对称性分布， 径v算术平均直径”二、粉尘的物理性质如粉尘的密度、比表面积、含水率、导电性、摩擦角、粘附性及爆炸性 等1 、粉尘的密度 因粉尘产生的情况不同，测试条件不同，获得的密度值亦不同一般将粉尘的

25、密度分为真 密度和堆积密度等不同的概 （1） 真密度 将粉尘颗粒表面及其内部的空气排出后测得的粉 尘自身的密度，称为真密度以表示（ 2 ） 堆积密度 固体磨碎形成的粉尘，在表面未氧化时，其真密度与母料密度相同呈堆积状态的粉尘（即粉 体），每个颗粒及颗粒之间的空隙中皆含有空气一般将包括粉体颗粒间气体空间在内的粉体密 度称为堆积密度，用表示 对于同一种粉尘来说， PDv PP为粉体空隙率，取决于粉体种类、粒径大小、充填方式等粉尘的真密度用于研究尘粒在气体中的运动等方面，堆积密度用于贮仓或灰斗的容积确定 等方面2、 粉尘的比表面积仪器：比表面积及孔径分析仪 粉状物料的许多理化性质，往往与其表面积大小

26、有关，细颗粒往往表现出显著的物理、化学 活动性例如：通过颗粒层的流体阻力，会因细颗粒表面积增大而增大 氧化、溶解、蒸发、吸附、催化及生理效应等，都因细颗粒表面积增大而被加速 有些粉尘的爆炸性和毒性，随粒径减小而增加粉尘比表面积增大， 将增强其物理和化学活性， 影响粉尘的濡湿性和黏附性， 对同一类粉尘， 比表面积大的粉尘要比比表面积小的粉尘难于捕捉。粉尘的比表面积定义为单位体积（或质量）粉尘所具有的表面积 以粉尘自身体积（即净体积）表示的比表面积可表示成（非球体，对于球体可直接列方程计算）3、粉尘的润湿性粉尘中所含水分一般可分为二类：自由水：附着在表面或包含在凹面及细孔中的水分结合水：紧密结合在

27、颗粒内部，用一般干燥方法不易全部去除的水分化学结合水是颗粒的组成部分，如结晶水通过干燥过程可以除去自由水分和一部分结合水分，其余部分作为平衡水分残留，其量随干 燥条件而变化 润湿性粉尘颗粒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 一般根据粉尘能被液体润湿的程度将粉尘大致分为两类：容易被水润湿的亲水性粉尘；难以 被水润湿的疏水性粉尘粉尘的润湿性与粉尘的性质，如粒径、生成条件、温度、含水率、表面粗糙度、荷电性等有 关，还与液体的表面张力、尘粒和液体间的粘附力及相对运动速度等有关例如：5卩m以下的粉尘特别是 1卩m以下的很难被湿润粉尘的荷电性及导电性： BDL 型粉尘比电阻测定仪1 ）粉尘

28、的荷电性 粉尘在其产生及运动过程中，由于相互碰撞、摩擦、放射线、照射、电晕放电及接触带 电体等原因，几乎总带一定的电量粉尘荷电后将改变其某些物理性质，如凝聚性、附着性及在气体中的稳定性等 粉尘的荷电量随温度增高、表面积加大和含水率减小而增大，还与其化学成分等有关 粉尘的比电阻粉尘导电性类似金属导线，用电阻率表示，单位.cm容积导电 : 粉尘层导电靠粉尘颗粒体内的电子或离子发生导电 表面导电 : 靠颗粒表面吸附的水分和化学膜发生导电对于电阻率高的粉尘，温度较低时（约为100 C以下），主要是表面导电；温度较高时（约在200 C以上），主要是容积导电 因此，粉尘的电阻率与测定时的条件有关，如气体的

29、温度、湿度和成分，粉尘的粒径、成分 和堆积的松散度等 在表面导电占优势的低温范围内， 粉尘比电阻称为表面比电阻 ，其值随温度升高而增大， 随 含水率增大而减小在容积导电占优势的高温范围内，粉尘比电阻称为容积比电阻，其值随温度升高而减小在两种导电机制皆重要的中间温度范围内，粉尘比电阻是表面比电阻和容积比电阻的合成，其值最高工业排气中的粉尘比电阻值变化范围很广，低者（炭黑）约为103 cm,高者（105C石灰石粉）可达 1014 .cm粉尘的粘附性粉尘颗粒附着在固体表面上,或颗粒彼此相互附着的现象称为粘附粉尘的粘附性不仅与烟气和粉尘的组成成分有关,而且与粉尘的粒径有关,粒径愈小,粘附性愈强粉 尘的

30、粘附性主要包括分子引力、 毛细管粘着力、 静电库伦引力, 等 为克服粉尘粘附性大的缺 点,除尘器振打锤的设计一定要科学合理,既要保证有效清除极板极线上的粉尘,又要保证 不产生二次飞扬。振打制度也要设置合理,对收尘极振打可以通过调整振打时间,保证极板 上的粉尘成片剥落；对放电极振打,可通过调整振打锤的提升角度来保证足够的振打力,如 将顶部提升振打改为腰部挠臂振打,既提高了振打锤的振打力,又加快了振打周期,使电晕 线经常保持正常的工作状态,保证电除尘器的高效除尘率6、粉尘的安息角 粉尘通过小孔连续地下落到水平面上时,堆积成的锥体母线与水平面的夹 角称为安息角,也称静止角或堆积角测定方法有多种,测定

31、方法和装置尺寸不同,结果也有差别 安息角是粉状物料特有的性质,与物料种类、粒径、形状和含水率等因素有关 对同一种粉尘,粒径大、接近球形、表面光滑、含水率低时,安息角变小 许多粉尘的安息角的平均值约为 35 40 左右。安息角是设计料仓的锥角和含尘管道倾角的主要依据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， 达到该粉尘的燃点而引起燃烧 爆炸则是可燃物的剧烈氧化作用， 在瞬间产生大 量的热量和燃烧产物，在空间造成很高的温度和压力 自燃原因氧化热，即粉尘与空气中的氧接触而发热，包括金属粉类（锌、铝、钻、锡、铁、 镁、锰等及其合金的粉末） ，碳素粉末

32、类， 其他粉末（胶木、黄铁矿、 煤、橡胶、原棉、骨粉、 鱼粉等） 聚合热，因粉尘中所含的聚合物单体发生聚合而发热 分解热，因粉尘中一些化学物质自然分解而发热 发酵热，因微生物和酶的作用使粉尘中所含的有机物降解而发热的物质，如干草、饲料等 爆炸条件粉尘具有可燃性 （或氧化性） 存在火源： 火星、 火源或静电 粉尘处于一定浓度气体 有足够氧含量气体达到一定温度 可燃混合物中可燃物的浓度，只有在一定范围内才能引起爆炸 能够引起可燃混合物爆炸的最低可燃物浓度， 称为爆炸浓度下限； 最高可燃物浓度称为爆炸 浓度上限在可燃物浓度低于爆炸浓度下限或高于爆炸浓度上限时，均无爆炸危险 一般上限浓度值过大（如：糖

33、粉在空气中的爆炸浓度上限为13.5kg /m3,在多数场合下都达不到，故实际意义不大 其他因素：粒径：粉尘粒径越小，比表面积越大，其爆炸的危险就越大；挥发性：粉尘挥发 性越大，爆炸的危险越大；湿度：粉尘湿度越大，爆炸的危险越小 粉尘磨擦性粉尘在流动过程中对器壁 （或管壁 ）的磨损程度称为粉尘磨擦性。硬度高、密度大，带有棱角 的粉尘磨损性大。粉尘的磨损性与气流速度的2 一 3 次方成正比。在除尘技术中，为了减轻粉尘的磨损，需要适当地选取除尘管道中的流速和壁厚。对磨损性大的粉尘，最好在易于磨 损的部位，如管道的弯头、旋风除尘器的内壁等处采用耐磨材料作内衬。内衬除采用一般的 耐磨涂料外，还可以采用铸

34、石、铸铁等材料 粉尘凝并微细尘粒通过不同的途径互相接触而结合成较大的颗粒称为尘粒凝并。 尘粒凝并也称尘粒凝 聚，在除尘技术中具有重要意义。因为凝并可使微细尘粒增大，使之易于被除尘器捕集，同 时可以大大节省能量 分级除尘效率：除尘装置的总除尘效率的高低，与粉尘粒径大小有很大关系为表示除少效率与粉尘粒径的关系提出分级除尘效率概念 串联效率 并联效率随气流运动的尘粒，因重力作用逐渐沉降，并在管底停留瞬间，又在气流作用下沿着管底向 前滚动（或滑动）当气流流过沿管底滚动的尘粒时，由绕流的作用，尘粒上部气流速度增高，压力相对降低， 尘粒下部气流速度减低，压力增高，从而使尘粒重新悬浮起来，随着气流运动当尘粒

35、上升到其上下两面气流速度接近相同时， 便又开始重力沉降， 这样周而复始， 呈波浪 状向前运动当粉尘由各种粒径组成时。则应按最大粒径计算悬浮速度， 并应根据管网结构及布置情况选取比值 ，然后决定粉尘输送速度。 尘粒在垂直管道中的运动比较简单， 只要保证管道内气流速度大于尘粒的沉降速度即可。但考虑到管道内气流速度分布的不均匀和能较顺利地输送贴近管壁的尘粒，管内平均气流速 度应取沉降速度的 1.31.7 倍，即=（1.31.7 ）倾斜管道中尘粒的输送速度值应介于水平管道和垂直管道的输送速度之间， 观管道的倾斜角 度而定。当管道的倾斜角大干粉尘的安息角时，粉尘的输送速度要取较大值 第一节机械除尘 一、

36、重力沉降（重力沉降室） 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1、工作原理 重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中分离的。 如图所示，含尘气流进入重力沉降室后， 由于突然扩大了过流面积，流速便迅速下降，此时气流处于层流状态，其中较大的尘粒在自 身重力作用下缓慢向灰斗沉降在沉降室内， 尘粒一方面以沉降速度 vs 下降，另一方面随着气流以气流在沉降室内的流速继续向前运动，如果气流平均流速为u （m/s）,则气流通过沉降室的时间为t=L/u （s）。要使沉降速度为 vs 的尘粒在重力沉降室内全部沉降下来， 必须使气流通过沉降室的时间大于或等于 尘粒从顶

37、部沉降到底部灰斗所需的时间t，即式中：L沉降室长度；u沉降室内气流运动速度；H沉降室高度；vs尘粒的沉降速度应尽可能的小，一般 0.22.0当H确定后，由上式可求出沉降室的最小长度L反之，若 L 已定，可求出最大高度 H沉降室宽度W取决于处理气体流量 Q Q=WHu沉降室处理气体量 Q在理论上仅与沉降室的水平面积（W.L）及尘粒的沉降速度 u有关在Q L确定后，可由Q确定出宽度Wt秒钟内，粒径为dp的尘粒（沉降速度为 vs）的垂直降落高度为 h=vst当 h H 时，粒径为 dp 的尘粒可全部降落至室底，否则不能全部清除粒径不同的尘粒沉降速度 vs不同，在相同时间内降落距离h也不同因此可用 h

38、/H 表示沉降室对某一粒径粉尘的分级除尘效率， 即 =h H（= vsL）（ Hu） =vsLW/Q 对一定结构的沉降室，可求出对不同粒径粉尘的分级除尘效率或作出分级效率曲线，从而计 算出总除尘效率当沉降室的尺寸和气体速度u （或流量Q）确定后，用斯托克斯式可求得该沉降室所能捕集的最小尘粒的粒径：提高重力沉降室的捕集效率可以采取三种措施：（1）降低室内气流速度u; （2）降低沉降室的高度 H；（ 3）增大沉降室长度 L沉降室适用于净化密度大、颗粒粗的粉尘，特别是磨损性很强的粉尘 能有效地捕集50卩m以上的尘粒，但不宜捕集20卩m以下尘粒重力沉降室体积虽大，效率不高，一般仅为4070%，但结构简

39、单，投资少，压力损失小，维护管理方便，一般作为第一级或预处理设备二、惯性除尘是使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的装置当含尘气流冲击到挡板B1上时，惯性力大的粗粒（d1）首先被分离下来，而被气流带走的尘粒（如d2）,且d2v dl，由于挡板B2使气流方向改变，借助离心力的作用又被分离下来。假 设该点气流的旋转半径为R2,切线速度为U0,这时尘粒d2的分离速度与成正比这类除尘器不仅依靠惯性力分离粉尘，还利用了离心力和重力的作用 净化密度和粒径较大的金属或矿物粉尘具有较高的除尘效率对于粘结性和纤维性粉尘，易堵塞，不宜采用多用于多级除尘的第一级，捕

40、集1020卩m以上的粗尘粒其压力损失一般为 1001000pa旋风除尘器是利用旋转气流的离心力使尘粒从气流中分离的，它通常用于分离粒径大于10卩m的尘粒普通的旋风除尘器的除尘效率很少大于90%，因此也常和其他除尘器配合使用1 、工作原理(1)旋风除尘器内气流与尘粒的运动 旋风除尘器一般由进气管、筒体、锥体和排出管组成 含尘气流从切线进口进人除尘器后，沿外壁由上向下作旋转运动，这股向下旋转的气流称为外旋流 外旋流到达锥体底部之后，转而向上旋转，最后经排出管排向体外，这股向上旋转的气流称为内旋流 向下的外旋流和向上的内旋流的旋转方向相同气流作旋转运动时尘粒在离心力推动下移向外壁，达到外壁的尘粒在气

41、流和重力的共同作用 下，沿壁面落入灰斗实际气体具有粘性，气流在旋转过程存在摩擦损失，所以外旋流不是纯自由涡旋而是所谓准 自由涡流；内旋流类同于刚体的转动，称为强制涡旋简单地： 外旋流是旋转向下的准自由涡流，同时有向心的径向运动 内旋流是旋转向上的强制涡流，同时有离心的径向运动为研究方便，常把内、外旋流的全速度分解成为三个速度分量：切向速度、径向速度和轴向 速度 切向速度 旋风除尘器内气流的切向速度分布如图 从图中可以看出，外旋流的切向速度 vc 是随半径 r 的减小而增加，在内外旋流的交界处 vc 达到最大可近似认为：内、外旋流交界面的半径r0=0.60.5 (d/2 ), d为排出管直径，内

42、旋流的切向速度是随 r 的减小而减小旋风除尘器内某一断面上的切向速度分布规律可用下式表示：外旋流 vcrn= 常数内旋流 vc/r= w式中：r距轴心距离；vc切向速度；n常数，n= +1-1通过实验确定；n= I时为自由涡；n= 0.50.9 时为外旋流中的实际流动状态； n = 0时，vc=常数，即处于内外旋流交界面上， vc到达最大 值；n= -I时，是内旋流的强制涡流； w旋转角速度 径向速度 假设内、外旋流的交界面是一个圆柱面，外旋流气流均匀地经过该圆柱面进入内旋流，那就 可以近似地认为，气流通过这个圆柱面时的平均速度就是外旋流气流的平均径向速度：式中：Q旋风除尘器的处理气量；F交界

43、圆柱面的表面积；r0交界圆柱面的半径；H出口管底至锥体底部的高度，即交界圆柱面的高度 轴向速度 外旋流外侧的轴向速度向下，内旋流的轴向速度向上，因而在内、外旋流之间必然存在一个 轴向速度为零的交界面。在内旋流中，随着气流的逐渐上升，轴向速度不断增大，在排出管 底部达到最大值压力损失 一般认为旋风除尘器的压力损失与气体进口速度的平方成正比 当气体温度，湿度和压力变化较大时，将引起气体密度发生较大变化必须对旋风除尘器的压 力损失予以修正3、除尘效率(1)旋风除尘器的临界粒径(分割粒径)计算旋风除尘器效率的方法多是以分割粒径，即临界粒径这一概念为基础的临界粒径是指分级效率为 50时的粒径。 在交界面

44、上 :如果fc fd，尘粒在惯性离心力的推动下移向外壁；如果fc v fd，尘粒在向心气流的推动下进入内旋流，最后由排出管排出；如果 fc = fd 则作用在尘粒上的外力之和等于0，根据理论分析，尘粒应在交界面上不停地旋转实际上由于各种随机因素的影响，处在 fc = fd状态的尘粒有 50可进人内旋流，另 50可能移向外壁， 它的分级除尘效率为 50 ,此时的粒径即为除尘器的分割粒径，或者称作临界粒径表示 愈小，除尘器效率愈高（2）影响除尘效率的因素 入口流速旋风除尘器的临界粒径随增加入口流速而减小。但入口流速也不能过大，否则气流运动过强 有可能将已分离的尘粒重新扬起带走，降低除尘效率同时压力

45、损失与进口速度平方成正比， 入口流速过大，旋风除尘器的阻力会急剧上升进口气速一般控制在1225m/s 之间为宜 旋风除尘器尺寸 同样的切线速度下，筒体直径愈小，尘粒受到的惯性离心力大，除尘效率也就高但若筒体直 径过小，以致筒体直径与排出管直径相近时，尘粒容易逃逸，使效率下降内旋流的范围随排 出管直径 d 的减小而减小，减小内旋流有利于提高除尘效率，但 d 不能过小，否则阻力太大 一般取简体直径与排出管直径之比值为 1.52.0 除尘器下部的严密性 入口含尘浓度增高时，多数情况下除尘效率有所提高 粉尘性质影响也是很重要的，其密度和粒径增大， 效率明显提高。 而气体温度和粘度增大 ,效率下降选择除

46、尘器的型式 根据含尘浓度、粒度分布、密度等烟气特征，及除尘要求、允许的阻力和制造条件等因素- 根据允许的压力损失确定进口气速，或取为 12-25m/s-确定入口截面 A,入口宽度b和高度h确定各部分几何尺寸 湿除尘湿式除尘器是使废气与液体（一般为水）密切接触，将污染物从废气中分离出来的装置，又 称湿式气体洗涤器湿式气体洗涤器既能净化废气中的固体颗粒污染物， 也能脱除气态污染物 （气体吸收） ，同时 还能起到气体的降温作用。湿式除尘器还具有结构简单，造价低和净化效率高等优点；适用 于净化非纤维性和不与水发生化学作用的各种粉尘，尤其适宜净化高温、易燃和易爆气体 缺点：管道设备必须防腐、污水和污泥要

47、进行处理、能使烟气抬升高度减小以及冬季烟囱会 产生冷凝水等采用湿式除尘器可以有效地除去粒度在0.120卩m的液滴或固体颗粒，压力损失在2501500Pa （低能耗）和 25009000Pa （高能耗）之间根据净化机理，可将湿式除尘器分为七类：重力喷雾洗涤器；旋风式洗涤器；自激喷雾洗涤器；泡沫洗涤器；填料床洗涤 器；文丘里洗涤器；机械诱导喷雾洗涤器 一、除尘机理 惯性碰撞 / 拦截 / 扩散 惯性碰撞：当气流中某一尘粒接近小水滴时因惯性脱离绕过水滴的气流流线，并继续向前运 动而与水滴碰撞，发生了惯性碰撞的捕集作用，这是捕集密度较大的尘粒的主要机理拦截：尘粒随着绕过水滴的流线作用，当流线距液滴表面

48、的距离小于尘粒半径时，便发生拦 截作用 扩散：微细粉尘在气体分子撞击下，象气体分子一样作布朗运动而发生扩散，并与水接触而 从气流中分离 尘粒在运动过程中如果同液滴相遇， 则在液滴前 Xd 处气流开始改变运动特征时仍然保持原运 动特征尘粒从脱离流线至惯性运动结束，总共移动的直线距离为通常称为停止距离 假如停止距离大于 ，则尘粒和液滴就发生碰撞 停止距离 和液滴直径 比值称为碰撞数 尘粒和液滴的碰撞效率就是尘粒从气流中被捕集的效率和碰撞数 有关 惯性碰撞数反映惯性碰撞的特征。 Ni 数愈大，说明尘粒和物体（如液滴，挡板、纤维）的碰 撞机会愈多，碰撞愈强烈，因而惯性碰撞所造成的除尘效率也愈高 假定尘

49、粒运动符合于斯托克斯定律，可推导求出 表达式 根据尘粒力的平衡，有尘粒本身的惯性力和周围空气对其阻力平衡时，即碰撞数取决于：液滴直径、粉尘粒径、粉尘密度、气流速度 对于一个已定的湿式除尘系统，要提高 Ni 值，必须提高气液相对运动速度和减小液滴直径 尘粒的粒度和密度确定后， 碰撞数与相对速度成正比， 与液滴的直径成反比 , 也即，工艺条件 确定之后，要想提高碰撞数，则必须提高气液的相对速度，并减小液滴直径 但并不是说液滴直径愈小愈好 / 直径过小的液滴容易随气流一起运动， 减小了气液的相对运动 速度:试验表明， 液滴直径约为捕集粒径的 150倍时，效果最好 , 因此对于给定尘粒的除尘效 率有一

50、个最佳液滴直径 截留作用尘粒随气流绕过液滴过程中，尘粒距液滴小于尘粒半径时，尘粒即与水滴碰撞而被 截留,截留参数NR NR值越大，截留效率越大，液滴捕集效率越高扩散作用 由碰撞数公式，粒径小于 1卩m时，Ni疋0 但是实际的除尘效率并不一定为零，这是因为尘粒向液体表面的扩散在起作用 粒径在0.1卩m左右时，扩散是尘粒运动的主要因素 扩散数 Ne 扩散除尘效率随液体直径、尘粒直径、气体粘度和气液相对速度的增大而减小。扩散除尘效 率随Ne的增大而降低布朗扩散系数粒径对除尘效率的影响，扩散和惯性碰撞是相反的 扩散除尘效率是随液滴直径，气体粘度、气液相对运动速度的减小而增加 在工业上没有单纯利用扩散机理的除尘装置，但是某些难以捕集的细小尘粒能在湿式除尘器 或过滤式除尘器中捕集是与扩散、凝聚等机理有关 当处理粉尘的粒径比较细小，在设计和选用湿式除尘器或过滤式除尘器时，应有意识地利用 扩散机理 文丘里洗涤器对微米和亚微米细粉尘具有较高的净化效率，对高温气体的降温也有很好的效 果，因此常用于高温烟气的降温、除尘和易于被洗涤液吸收的有毒有害气体如二氧化硫，氯 化氢，硫酸等的清除，如对炼铁高炉、炼钢电炉烟气以及有色冶炼和化工生产中的各种炉窑 烟气的净化 , 优点：体积小，构造简单，除尘效率高等