第4章颗粒污染物控制

1、1 第第4 4章章 颗粒污染物控制技术颗粒污染物控制技术 2 教学内容教学内容 1 1粉尘的粒径及粒径分布粉尘的粒径及粒径分布 2粉尘的物理性质粉尘的物理性质 3净化装置的性能净化装置的性能 1、除尘技术基础、除尘技术基础 3 空气污染物的性质和存在状态不同，其净化机理、方法及空气污染物的性质和存在状态不同，其净化机理、方法及 所选用的装置也各不相同。空气污染物分为气溶胶（颗粒所选用的装置也各不相同。空气污染物分为气溶胶（颗粒 物）污染物和气态污染物。以后各节将介绍颗粒物的处理物）污染物和气态污染物。以后各节将介绍颗粒物的处理 方法。方法。 气溶胶（气溶胶（AEROPALAEROPAL）是非均

2、相污染物，主要污染物是分散于是非均相污染物，主要污染物是分散于 气体介质中的颗粒物（固体、液体），可用除尘技术把粒气体介质中的颗粒物（固体、液体），可用除尘技术把粒 状物从气体介质中分离出来，分离方法一般采用物理法。状物从气体介质中分离出来，分离方法一般采用物理法。 依据：气、固、液体粒子在物理性质上的差异将其分离。依据：气、固、液体粒子在物理性质上的差异将其分离。 机械法：利用重力、惯性力、离心力分离。机械法：利用重力、惯性力、离心力分离。 过滤介质分离：利用粒子的尺寸、重量较气体分子大分离。过滤介质分离：利用粒子的尺寸、重量较气体分子大分离。 湿式洗涤分离法：利用粒子易被水润湿，凝拼增大而

3、被捕湿式洗涤分离法：利用粒子易被水润湿，凝拼增大而被捕 获的特性。获的特性。 电除尘：利用荷电性、静电力分离。等等电除尘：利用荷电性、静电力分离。等等。 4 1颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布 一、颗粒的粒径一、颗粒的粒径 定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有 所不同。所不同。 一般分为两类：一般分为两类： 单一粒径：单个粒子的直径；单一粒径：单个粒子的直径； 平均粒径：粒子群的直径。平均粒径：粒子群的直径。 球形颗粒：球形颗粒：d=直径直径 单一粒径分成单一粒径分成 投影径投影径 非球形颗粒非球形颗粒： 几何当量径几何当

4、量径 物理当量径物理当量径 5 1颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布 一、颗粒的粒径一、颗粒的粒径 （1）显微镜法显微镜法 定向直径定向直径dF，也称菲雷特（，也称菲雷特（Feret 直径）：为各颗直径）：为各颗 粒在投影图中同一方向上的最大投影长度粒在投影图中同一方向上的最大投影长度 定向面积等分直径定向面积等分直径dM，也称马丁（，也称马丁（Martin直径）：直径）： 为各颗粒在投影图中同一方向将颗粒投影面积二等为各颗粒在投影图中同一方向将颗粒投影面积二等 分的线段长度分的线段长度 投影面积直径投影面积直径dA，也称黑乌德（，也称黑乌德（Heywood直径）：直径）： 为与颗粒投影

5、面积相等的圆的直径为与颗粒投影面积相等的圆的直径 Heywood测定分析表明，同一颗粒的测定分析表明，同一颗粒的dFdAdM 6 一、颗粒的直径一、颗粒的直径 显微镜法观测粒径直径的三种方法显微镜法观测粒径直径的三种方法 a-定向直径定向直径b-定向面积等分直径定向面积等分直径c-投影面积直径投影面积直径 7 一、颗粒的直径一、颗粒的直径 （2）筛分法）筛分法 筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度筛分直径：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）光散射法 等体积直径等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体

6、的直径：与颗粒体积相等的球体的直径 （4）沉降法）沉降法 斯托克斯（斯托克斯（Stokes）直径）直径ds：同一流体中与颗：同一流体中与颗 粒密度相同、沉降速度相等的球体直径粒密度相同、沉降速度相等的球体直径 空气动力学当量直径空气动力学当量直径da：在空气中与颗粒沉降速：在空气中与颗粒沉降速 度相等的单位密度（度相等的单位密度（1g/cm3）的球体的直径）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 两种直径两种直径 8 一、颗粒的直径一、颗粒的直径

7、 粒径的测定结果与颗粒的形状有关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 的表面积之比的表面积之比s（ s1） 正立方体正立方体s0.806， 圆柱体圆柱体s2.62(l/d)2/3/(1+2l/d) 9 一、颗粒的直径一、颗粒的直径 某些颗粒的圆球度某些颗粒的圆球度 10 二、粒径分布二、粒径分布 粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质 量或表面积）所占的比例量或表面积）所占的比例 1.个数

8、分布个数分布:每一间隔内的颗粒个数每一间隔内的颗粒个数 （1）个数频率：第个数频率：第i个间隔中的颗粒个数个间隔中的颗粒个数ni与与 颗粒总数颗粒总数ni之比之比 i iN i n f n i1 11 由计算结果可绘出频度分布由计算结果可绘出频度分布f的直方图，用粒径间隔中值的直方图，用粒径间隔中值 可绘出频度分布曲线，见图可绘出频度分布曲线，见图b。 最大频度的粒径最大频度的粒径dom称为众径。称为众径。 频率 （%） 图 a dp/(m) dp/(m) 图 c 50% 100% D （%） d50 12 二、粒径分布二、粒径分布 （2）个数筛下累积频率个数筛下累积频率：小于第：小于第i个间

9、隔上限粒个间隔上限粒 径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比 i i iN i n F n Fi=i FN=i=1 13 二、粒径分布二、粒径分布 （3）个数频率密度个数频率密度 pp ()d /dp dFd 单位粒径单位粒径 间隔（即间隔（即 1um）时）时 的频率的频率 14 二、粒径分布二、粒径分布 粒数分布的测定及计算 15 二、粒径分布二、粒径分布 粒数众径频度粒数众径频度p最大时对应的粒径，此时最大时对应的粒径，此时 粒数中位径（粒数中位径（NMD）累计频率）累计频率F=0.5时对应时对应 的粒径的粒径 2 2 pp dd 0 dd pF dd 16 二、

10、粒径分布二、粒径分布 2.质量分布质量分布 类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下 累积频率、质量频率密度累积频率、质量频率密度 在所有颗粒具有相同密度、颗粒质量与粒径立在所有颗粒具有相同密度、颗粒质量与粒径立 方成正比的假设下，粒数分布与质量分布可以方成正比的假设下，粒数分布与质量分布可以 相互换算相互换算 同样的，也有质量众径和质量中位径（同样的，也有质量众径和质量中位径（MMD） 17 三、平均粒径三、平均粒径 前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一 长度平均直径长度平均直径 表面积平均直径表面积平均直径

11、 体积平均直径体积平均直径 体积表面积平均直径体积表面积平均直径 p Lp ii ii i nd df d n 2 p1/22 1/2 Sp () ii ii i n d df d n 3 p1/33 1/3 Vp () ii ii i nd df d n 33 pp SV 22 pp iiii iiii ndf d d ndf d 18 2 粉尘的物理性质粉尘的物理性质 一、粉尘的密度一、粉尘的密度 单位体积粉尘的质量，单位体积粉尘的质量，kg/m3或或g/cm3 粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙真密度粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙真密度 用堆积体积计算用堆积体积计算堆积密度堆积密度

12、空隙率空隙率粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总 体积之比体积之比 bp (1) b p 19 20 二、粉尘的安息角与滑动角二、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。一般为与地面的夹角。一般为3555 滑动角：自然堆积在光滑平板上的粉尘随平板做倾斜运动滑动角：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时粉尘开始发生滑动的平板倾角 一般为一般为4055 安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指

13、标 安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形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、粉尘粘性状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性 21 22 三、粉尘的比表面积三、粉尘的比表面积 单位体积粉尘所具有的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质量表示的比表面积 以堆积体积表示的比表面积以堆积体积表示的比表面积 23 V SV 6 (cm /cm ) S S Vd 2 m ppSV 6 (cm /g) S S Vd 23 bV SV (1)6(1) (1) (cm /cm ) S SS Vd 23 四、粉尘的含水率四、粉尘的含水率 粉尘中的水分

14、包括附在颗粒表面和包含在凹坑和细孔中的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 吸湿现象吸湿现象 平衡含水率平衡含水率 24 五、粉尘的润湿性五、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、温润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生

15、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。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 润湿速度润湿速度 润湿性是选择湿式除尘器的主要依据润湿性是选择湿式除尘器的主要依据 20 20 (mm/min) 20 L v 25 26 六、粉尘的荷电性和导电性六、粉尘的荷电性和导电性 1.粉尘的荷电性粉尘的荷电性 天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷

16、 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、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（天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量（1.66*1010电子电子 /cm2或或2.7*10-9C/cm2 ）的）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 组成有关组成有关 27 28 六、粉尘的荷电性和导电性六、粉尘的荷电性和导电性 粉尘的导电性粉尘的导电性 比电阻比

17、电阻 导电机制：导电机制： 高温（高温（200oC以上），粉尘本体内部的电子和离子以上），粉尘本体内部的电子和离子体体 积比电阻积比电阻 低温（低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学 物质表面比电阻物质表面比电阻 中间温度，同时起作用中间温度，同时起作用 比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围1041010 d ( cm) V j cm 29 六、粉尘的导电性和荷电性六、粉尘的导电性和荷电性 典型温度比电阻曲线典型温度比电阻曲线 30 七、粉尘的粘附性七、粉尘的粘附性 粉尘颗粒附着在固体表面上，或者

18、颗粒彼此相互附着的现象称为粘附。后粉尘颗粒附着在固体表面上，或者颗粒彼此相互附着的现象称为粘附。后 者也称为自粘。者也称为自粘。 粘附力克服附着现象所需要的力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）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 接触面积接触面积 分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性分类：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粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷

19、电量均影响粘附性 31 32 八粉尘的自燃性和爆炸性八粉尘的自燃性和爆炸性 1.粉尘的自燃性粉尘的自燃性 自燃自燃 自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、 发酵热发酵热 影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存 在状态和环境在状态和环境 存放过程中自然发热存放过程中自然发热热量积累热量积累达到燃点达到燃点 燃烧燃烧 33 2.粉尘的爆炸性粉尘的爆炸性 粉尘发生爆炸必备的条件：粉尘发生爆炸必备的条件： 一、可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一、可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到 一定的浓度一定的浓度 最低可燃物

20、浓度爆炸浓度下限最低可燃物浓度爆炸浓度下限 爆炸浓度上限爆炸浓度上限 二、存在能量足够的火源二、存在能量足够的火源 34 3 净化装置的性能净化装置的性能 一一、评价净化装置性能的指标评价净化装置性能的指标 1.技术指标技术指标 处理气体流量处理气体流量 净化效率净化效率 压力损失压力损失 2.经济指标经济指标 设备费设备费 运行费运行费 占地面积占地面积 35 一、净化装置技术性能的表示方法一、净化装置技术性能的表示方法 1.处理气体流量处理气体流量 漏风率漏风率 2.净化效率净化效率 3.压力损失压力损失 1N 3 N2NN 1 () (m/s) 2 QQQ 1N2N 1N 100 (%)

21、 QQ Q 2 1 (Pa) 2 v P 36 二二.净化效率的表示方法净化效率的表示方法 1.总净化效率总净化效率 2.通过率通过率 3.分级除尘效率分级除尘效率 分割粒径除尘效率为分割粒径除尘效率为50的粒径的粒径 22N2N 11N2N 11 SQ SQ 22N2N 11N1N 1 SQ P SQ 32 11 1 ii i ii SS SS 37 4.分级效率与总效率的关系分级效率与总效率的关系 （1）由总效率求分级效率由总效率求分级效率 （2）由分级效率求总效率）由分级效率求总效率 333 11 222 111 23 11 / ii i ii ii i ii i ii S gg S g

22、g S gg P S gg Pgg 1 1 11p 00 dd ii i ii g Gqd 38 5.多级串联的总净化效率多级串联的总净化效率 总分级通过率总分级通过率 总分级效率总分级效率 总除尘效率总除尘效率 12iTiiin PP PP 12 11 (1)(1)(1) iTiTiiin P 12 1 (1)(1)(1) Tn 39 40 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 41

23、 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 2 DD p Dpp 1 (N) 2 () p FC Au du Cf ReRe pD p Dp 24 1 Stokes3 (N) ReC Re Fd u （层流）时 得到 公式： pD 0.6 p 18.5 1500 ReC Re 湍流过渡区 pD 22 Dp 500 0.44 0.055 ReC Fd u 湍流区（牛顿区） 42 一、流体阻力 流体阻力与雷诺数的函数关系 43 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 p D p 3 1.10 11.2570.400exp() 2 / 8

24、(m) , (m/s) 0.499 其中努森数 d u F C CKnKnd Kn RT v Mv 44 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驰豫时间或松弛时间 32 2 pp pDD 2 D pp d 6d42 d3 d4 即 dd uu FC t uu C td 2 Pp 2 Pp d18 d18 其中 d uu u td / 0e (m/s) t uu / 00 ()(1 e) t xuuu / 0 (1e) tC xu C s0 xu C 45 三、重力沉降 力平

25、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 2 p DGBp () 6 d FFFg 2 pp s 18 d ugCgC 1.140.7140.714 pp s 0.4280.286 0.153() dg u 1/2 spp 1.74() /udg s s p 18 u d gC s a a 18 1000 u d gC 46 四、离心沉降 力平衡关系 Stokes颗粒的末端沉降速度 2 3 t DCpp 6 u FFd R 2 2 pp t cc 2 t c 18 其中 d u uCa C R u a R 47 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： DE FFqE p 3 qE C d 48 六、惯性沉降 颗粒接近靶时的运动情况 49 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 0 D c uD Re 2 pp0 s0