大气污染控制工程_颗粒污染物控制技术基础

1、第第5 5章章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础1教学内容教学内容n1 1 粉尘的粒径及粒径分布粉尘的粒径及粒径分布n2 粉尘的物理性质粉尘的物理性质n3 净化装置的性能净化装置的性能n4 颗粒捕集理论基础颗粒捕集理论基础第第5章章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础2n1、教学要求、教学要求n要求理解和掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性要求理解和掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性质、评价净化装置性能的技术指标以及颗粒物捕质、评价净化装置性能的技术指标以及颗粒物捕集的动力学理论基础。集的动力学理论基础。n2、教学重点、教学重点n要求了解除尘技术的理论基础，掌握颗粒污染物要求了

2、解除尘技术的理论基础，掌握颗粒污染物的性质。的性质。n3、教学难点、教学难点n除尘技术的理论基础以及颗粒物捕集的动力学理除尘技术的理论基础以及颗粒物捕集的动力学理论基础。论基础。第第5章章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础学时数：学时数：4 4学学时时3n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。以后各章将介绍颗粒物的处理物）污染物和气态污染物。以后各章将介绍颗粒物的处理方法。方法。n气溶胶（气溶胶（A

3、EROPAL）是非均相污染物，主要污染物是分散是非均相污染物，主要污染物是分散于气体介质中的颗粒物（固体、液体），可用除尘技术把于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。粒状物从气体介质中分离出来，分离方法一般采用物理法。n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。n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。n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。n湿式洗涤分离法：利用粒子易被水

4、润湿，凝拼增大而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。n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。第第5章章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础41 颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布n一、颗粒的粒径一、颗粒的粒径n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。n一般分为两类：一般分为两类：n单一粒径：单个粒子的直径；单一粒径：单个粒子的直径；n平均粒径：粒子群的直径。平均粒径：粒子群的直径。n 球形颗粒：球形颗粒：d=直径直径n 单一粒径分

5、成单一粒径分成 投影径投影径n 非球形颗粒非球形颗粒： 几何当量径几何当量径n 物理当量径物理当量径51颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布n一、颗粒的粒径一、颗粒的粒径n（1）显微镜法显微镜法n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n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n投影面积直径投影面积直径dA，也称黑

6、乌德（，也称黑乌德（Heywood直径）：直径）：为与颗粒投影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dFdAdM6一、颗粒的直径一、颗粒的直径n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n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n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n等

7、体积直径等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径与颗粒体积相等的球体的直径（4）沉降法沉降法n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n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）的球体的直径球体的直径 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多的两种直径8一、颗粒

8、的直径一、颗粒的直径n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n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n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时，近似于对数正态分布；时，近似于对数正态分布；n3时，更时，更适合于正态分布适合于正态分布p1lgln()lglg1ndG292 粉尘的物理性质粉尘的物理性质n一、粉尘的密度一、粉尘的密度n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

9、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空隙率空隙率粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比bp(1) bp30二、粉尘的安息角与滑动角二、粉尘的安息角与滑动角n安息角：粉尘从漏斗连续落下自然堆积形成的圆安息角：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锥体母线与地面的夹角n滑动角：自然堆积在光滑平板上的粉尘随平板做滑动角：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倾斜运动时粉尘开始发生滑动的平板倾角n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

10、标n安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、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、粉尘粘性颗粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性31三、粉尘的比表面积三、粉尘的比表面积n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n以质量表示的比表面积以质量表示的比表面积n以堆积体积表示的比表面积以堆积体积表示的比表面积23VSV6 (cm /cm )SSVd2mppSV6 (cm /g)SSVd23bVSV(1)6(1)(1) (cm /cm )SSSVd32四、粉尘的含水率四、粉尘的含水率n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粉尘中的水分包括附在颗

11、粒表面和包含在凹坑和细孔中的自由水分自由水分以以及颗粒内部的及颗粒内部的结合水分结合水分n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n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n吸湿现象吸湿现象n平衡含水率平衡含水率33五、粉尘的润湿性五、粉尘的润湿性n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n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

12、、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。n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n润湿速度润湿速度n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2020(mm/min)20Lv34六、粉尘的荷电性和导电六、粉尘的荷电性和导电性性n1.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荷电因素电离辐射、高压放电、高温产生的离子或电子被捕荷电因素电离辐射、高压放电、高温产生的离子或

13、电子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦、产生过程中荷电获、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，且与化学组成有关学组成有关35六、粉尘的荷电性和导电性六、粉尘的荷电性和导电性n粉尘的导电性粉尘的导电性比电阻比电阻导电机制：导电机制：n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n低温（低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学以

14、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n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1041010d ( cm)Vjcm36六、粉尘的导电性和荷电性六、粉尘的导电性和荷电性n典型温度比电阻曲线典型温度比电阻曲线37六、粉尘的导电性和荷电性六、粉尘的导电性和荷电性n温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响n 较为干燥的粉尘的比电阻在较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（420K）左右达到最大值左右达到最大值38七、粉尘的粘附性七、粉尘的粘附性n粘附和自粘现象粘附和自粘现象

15、n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n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）n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以其断裂的接触面积n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n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、荷电量均影响粘附性39八、粉尘的自燃性和爆炸性八、粉尘的自燃性和爆炸性n1.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

16、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402.粉尘的爆炸性粉尘的爆炸性n粉尘发生爆炸必备的条件：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可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度定的浓度n最低可燃物浓度爆炸浓度下限最低可燃物浓度爆炸浓度下限n爆炸浓度上限爆炸浓度上限存在能量足够的火源存在能量足够的火源413 净化装置的性能净化装置的性能n一一、评价净化装置性能的

17、指标评价净化装置性能的指标 1.技术指标技术指标n处理气体流量处理气体流量n净化效率净化效率n压力损失压力损失 2.经济指标经济指标n设备费设备费n运行费运行费n占地面积占地面积42一、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n1.处理气体流量处理气体流量漏风率漏风率n2.净化效率净化效率n3.压力损失压力损失1N3N2NN1() (m/s)2QQQ1N2N1N100 (%)QQQ21 (Pa)2vP43二二.净化效率的表示方法净化效率的表示方法n1.总净化效率总净化效率n2.通过率通过率n3.分级除尘效率分级除尘效率n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22N

18、2N11N2N11 SQSQ22N2N11N1N1SQPSQ32111iiiiiSSSS444.分级效率与总效率的关系分级效率与总效率的关系n（1）由由总总效率求分级效率效率求分级效率n（2）由分级效率求总效率由分级效率求总效率333112221112311/iiiiiiiiiiiiiS ggS ggS ggPS ggPgg1111p00ddiiiiigGqd455.多级串联的总净化效率多级串联的总净化效率n总分级通过率总分级通过率n总分级效率总分级效率n总除尘效率总除尘效率12iTiiinPP PP1211 (1)(1)(1)iTiTiiinP 121 (1)(1)(1)Tn 464 颗粒捕

19、集的理论基础颗粒捕集的理论基础n对颗粒施加外力使颗粒相对气流产生一定位移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并从气流中分离n颗粒捕集过程中需要考虑的作用力：外力、流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、热外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等力、泳力等颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略47一、流体阻力一、流体阻力n流体阻力形状阻力摩擦阻力流体阻力形状阻力摩擦阻力n阻力的方向和速度向量方向相反阻力的方向和速度向量方向相反n n

20、 n 2DDpDpp1 (N)2() pFC AuduCf ReRepDpDp241 Stokes3 (N) ReCReFd u（层流）时 得到公式：pD0.6p18.51500 ReCRe湍流过渡区 pD22Dp500 0.440.055 ReCFd u湍流区（牛顿区） 48一、流体阻力一、流体阻力n流体阻力与雷诺数的函数关系流体阻力与雷诺数的函数关系 49一、流体阻力一、流体阻力n颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动滑动坎宁汉修正坎宁汉修正pDp31.1011.2570.400exp() 2 /8 (m) , (m/s)0.499 其中努森数

21、d uFCCKnKndKnRTvMv50二、阻力导致的减速运动二、阻力导致的减速运动n根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律n若仅考虑若仅考虑Stokes区域区域n积分得积分得n速度由速度由u0减速到减速到u所迁移的距离所迁移的距离n若若引入坎宁汉修正系数引入坎宁汉修正系数Cn停止距离停止距离驰豫时间或松弛时间驰豫时间或松弛时间322pppDD2Dppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(1 e)txuuu/0(1e)tCxu Cs0 xu C51三、重力沉降三、重力沉降n力力平衡关系平衡关系nStokes颗粒

22、的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）n湍流过渡区湍流过渡区n牛顿区牛顿区 Stokes直径直径n空气动力学直径空气动力学直径2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp18udgCsaa181000udgC52四、离心沉降四、离心沉降n力力平衡关系平衡关系nStokes颗粒的末端沉降速度颗粒的末端沉降速度23tDCpp6uFFdR22pptcc2tc18 其中duuCa CRuaR53五、静电沉降五、静电沉降n力力平衡关系平衡关系n静电沉

23、降的末端速度习惯上称为驱进速度，用静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用 表示，对于表示，对于Stokes粒子：粒子：DEFFqEp3qECd54六、惯性沉降六、惯性沉降n颗粒接近靶时的运动情况颗粒接近靶时的运动情况551.惯性碰撞惯性碰撞n惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素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，用气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量衡量颗粒运动轨迹，用颗粒运动轨迹，用Stokes数描述数描述颗粒对捕集体的附着，通常假定为颗粒对捕集体的附着，通常假定为1000DcuDRe2pp0s0ccc18du Cx Cu CStDDD561.惯性碰撞惯性碰撞n惯性碰撞分级效惯性碰撞分级效率与率与 的关系的关系St572.拦截拦截n直接拦截发生在颗粒距捕集体直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内的距离内n拦截效率用直接拦截比拦截效率用直接拦截比R表示表示n对于惯性大的颗粒对于惯性大的颗粒n对于惯性小的颗粒对于惯性小的颗粒DI2DI 圆柱形捕集体 球形捕集体RRpcdRDDI2DI2DIDDD22DI112 (R0.1) 11(1)3 (R0.1) 11(2)(1)ln(1) (R0.07,0.5) 2.002ln2(1)2.002ln