第五章--颗粒污染物控制技术基础知识分享

1、第五章颗粒污染物控制技术基础第一节 颗粒的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径大气污染中涉及到的颗粒物，一般指粒径介于0.01100仙m的粒子。颗粒的大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装 置的影响甚大，因此颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一。实际颗粒的形状多是 不规则的，所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒大小的代表性尺寸，作为颗粒的直径，简称为粒径。下面介绍几种常用的粒径定义方法。1. 显微镜法定向直径dF （Feret直径）：各颗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dM（ Martin直径）：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投影

2、面积直径dA （HeywoodS径）：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dF>dA>dM显微镜法观测粒径直径的三种方法图定向直径 定向面枳普分宜银d投影面枳宜桂a-定向直径b-定向面积等分直径c-投影面积直径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

3、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 (s<1)正立方体 s = 0.806,圆柱体 s=2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)某些颗粒的圆球度粒种类之砂 粒0.5347.628铁催化剂'0,578烟域0.625次乙酰整料().861破碎的固体0.63二氧化盛(1.554-0.628粉煤0.696二、粒径分布粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，也称粒子的分散度o 有个数分布、表

4、面积分布、质量分布等，除尘技术中多采用质量分布。粒径分布 的表示方法有列表法、图示法和函数法。下面以粒径分布测定数据的整理过程来 说明粒径分布的表示方法及相应定义。1.个数分布 个数分布：每一间隔内的颗粒个数(1)个数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数2 ni之比(2)个数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比。I i22NX-个数筛下累积频率分布曲线(3)个数频率密度：为单位粒径间隔(即 lm)时的频率。p(dp) = dF/ddpOJ01 I J HU LJ 1_0020304050粒径/rhi个数频率密度分布曲线粒数众径-频度p最大时对应的粒径，此时

5、*襄0 粒数中位径（NMD为累计频率F=0.5时对应的粒径。2.质量分布以颗粒的质量表示不同粒径范围内的颗粒的质量所占的比例。类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、质量频率密度等，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 分布可以相互换算，同样的，也有质量众径和质量中位径（ MMD右图是频数分布直方图（a）、 频度分布的直方图（b）和筛上累积分 布及筛下累积分布的曲线（c）。筛上累积分布和筛下累积分布相 等（R=D=50%时的粒径为中位径，记作 d50,即（c） 中R （F）与D两曲线交 点处对应的粒径。中位径是除尘技术 中常用的一种表示粉尘粒径分

6、布特性 的简明方法。£ . :r>U 4 3 £ IQT昱康、邸口闻勘界契（b）中频度分布达到最大值时相 对应的粒径称作众径，记作ddo、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，除此之外，再给出几种常用的平均粒径：(1)长度平均直径(2)表面积平均直径1/2(3)体积平均直径(4)体积-表面积平均直径d -USV 一(5)几何平均直径(4F必产y % In 4Hexp(-)N对于频率密度分布曲线对称的分布，众径 dd中位径d50和算术平均直径dL相等 dd d50 dL,频率密度非对称的分布，dd d50 dL的八丑外尸味 dL - d,4 > 4单

7、分散气浴月父，L 己；否则，L 是。四、粒径分布函数用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布1.正态分布频率密度：R（4）=Texp_crV27t2 ct筛下累积频率i *（4-否尸饵）=即j锹仇一涓六阚U P 1口一 U标准差N . l J（1）正态分布是最简单的分布函数，它的个数频率密度 p分布曲线是关于算术 平均粒径dP的对称性钟形曲线，因而dp值与中位粒径d50和众径dd皆相等，即 dd dso dL（2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于（T0【2 5 1030 50 70 9() 9H筒下累积频率"%正态分布的个数筛下累积频率分布曲线从曲线中我们可以

8、得出:正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布， 因为大多数粉尘的频度曲线向 大颗粒方向偏移。2.对数正态分布大多数粒子的粒径分布在矩形坐 标图中是偏态的，若横坐标用对数坐标 (ln dp )代替，可转化为近似正态分 布的对称性钟型曲线。对数正态分布的主要特点是：如果 某种粉尘的粒径分布遵从对数正态分 布，则无论是以质量表示还是以个数或 表面积表示的粒径分布，都遵从对数正 态分布，且几何标准差相等。0 02VL1Q1 2040 60九=J；oexp(3 In2 )乩0 cxp(0.51n2 crj式中：d5。、d；0、d50分别是以粒子的质量、个数和表面积表示的对数正态分布的 中位径(1)以ln

9、dp代替dp得到的正态分布的频度曲线J exp-( «In J Id , ?1靠丁即4)exp-()31、所(/)1HU = rs 二%二叫72叽In /nQnd /dy21nb秘5 L N-1 J(2)对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于115.9对数正态分布的累积频率分布曲线oo o Q864 2 6 4 2 I可见几何标准差为两个粒径之比，量纲为一，且g 1。当g 1时，则成为单分散的粉尘。若用MMDfe示质量中位粒径，NMDft示个数中位粒径，SMDg示面积中位粒径， 则三者的换算关系：干均粒径的映算关奉In NdTvlD In TSIN/TO I 3 ln b

10、 In STvTO = In >TZTn> + 2 In3 b可用g、MMW NM可算出各种平均直径：1 -5 。Ind, - lii NMD In2 <7 InMMD -二In'(7l2 g2 sIn 乩,In NMD -bin2= In MMD 2 In2 trsg宫In - In NMD - -in' q - InMMD- - In7 cf2 g2 各 式中：In dL为算术平均粒径、ln ds为表面积平均粒径、ln dv为体积平均粒径。例题:经测定某城市大气中飘尘的质量粒径分布遵从对数正态分布规律，其中中位径d50=5.7pmi筛上累积分布 R=15.

11、87%时，粒径d15.87=9.0仙mi试确定以个 数表示时对数正态分布函数的特征数和算术平均粒径。解：对数正态分布函数的特征数是中位径 d50和几何标准差go由于对 数正态分布中以个数和质量表示的几何标准差相等，故d 15 .87d 509.05.71 .58个数表示的中位径为d50d502exp(3ln g)5.7exp(3ln21.58)3.04( m)该飘尘的算术平均粒径为22 .d1 d50 exp(0.5ln a) 3.04exp(0.5ln 1.58) 3.3753.罗辛拉姆勒分布(Rosin Rammler)罗辛-拉姆勒分布简称为R-R分布，质量筛下累积频率表达式为:G = l

12、-exp(-Z?J；)式中：n-分布指数,分布系数4 = (1/0 严 若设，G=1yxp-的4一般dP多选用质量中位径d50或d63.2G1伫冲0-693(5或G=l-exp(小)%RRS分布函数 %)% 24n =0.693,"n判断粒径分布数据是否符合 R- R分布1g 111(-) = 1g /7 + 1g1 Cj若得到一条直线，则说明粒径分布数据符合 R-R分布，由直线的截距求出常数B,由直线的斜率求出指数n0R- R的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细粉尘更为适用分布指数n>1时，近似于对数正态分布；n>3时，更适合于正态分布。某种粉尘的粒径分

13、布究竟适合上述三种中的哪一种， 只需将该粉尘的累积分 布(R或D)测定值同时标绘在正态概率纸、对数正态概率纸和 R-R分布纸上，当 实验值的标点在哪种概率纸上形成一条直线时，则此粉尘的粒径分布就服从哪种 分布。第二节 粉尘的物理性质本节主要以粉尘的密度、 流动性 （安息角、 滑动角） 、 比表面积、 润湿性、荷电性、 导电性及粘附性等物理性质为主， 以通过粉尘特性选择合适的除尘方式。影响选型的因素还有粉尘的如：燃烧性、自燃性、爆炸性、水解性等化学性质。对某些特定场合，还需考虑其放射性。、粉尘的密度单位体积粉尘的质量P ，单位 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

14、堆积体积计算空空堆积密度b空隙率粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比£Pb=(l E)Pp粉尘越细，吸附的空气越多，e值越大；充填过程加压或振动，则e值减小对一定的粉尘一般认为 p为定值，而b随e变化。、粉尘的安息角与滑动角粉尘自漏斗连续落到水平面上，堆积成圆锥体。圆锥体的母线同水平面的火 角称为该粉尘的安息角，也叫休止角、堆积角等。粉尘的滑动角系指自然堆放在光滑平面上的粉尘， 随光滑平板做倾斜运动时 平板上粉尘开始发生滑动的平板倾斜角。也称静安息角。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。粉尘的安息角及滑动角是评价粉尘流动性的一个 重

15、要指标。安息角小的粉尘，流动性好，安息角大的粉 尘，其流动性就差。粉尘的安息角和滑动角是设计除尘 器灰斗（或料仓）的锥度、除尘管路或输灰管路斜度的重 要依据。三、粉尘的比表面积单位体积粉尘所具有的表面积:(cm /cm )y %以质量表示的比表面积:以堆积体积表示的比表面积:s SQ £)Sl-F"= (1- =6(1 2)3 /2 /3-=(cm /cm )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。含水率一一水分质量与粉尘总质量之比：mwmw m d100 %含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等特性。吸湿现象：

16、如果溶液上方的水蒸气分压小于周围气体中的水蒸气分压，该物质将从气体中吸收水蒸汽，这就形成了吸湿现象。平衡含水率一一与气体相对湿度（水蒸气分压）对应。五、粉尘的润湿性1）尘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。当固体粒子与液体接触时，如果接触面能扩大而相互附着，就是能润湿；如果 接触面趋于缩小而不能附着，则是不能润湿2）容易被水润湿的物质称为亲水性物质，难以被水润湿的物质称为疏水性 物质。3）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、接触方式及相对于尘粒的运动速度等有关。粉尘的润湿性随压力增

17、大而增大，随温度升高而下降湿湿速度一一20(inniliun)4）润湿性是选择湿式除尘器的主要依据对于5pm以下特别是1 pm以下的尘粒，即使是亲水的，也很难被水润湿， 这是由于细粉的比表面积大，对气体的吸附作用强，尘粒和水滴表面都有一层气 膜，因此只有在尘粒与水滴之间具有较高的相对运动速度时（如文丘里喉管中）， 才会被润湿。水硬性粉尘如水泥粉尘、熟石灰及白云石砂等不宜采用湿式洗涤器净化。六、粉尘的荷电性和导电性2 .粉尘的荷电性1）天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷2）荷电因素一电离辐射、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。3）天然粉尘和人工

18、粉尘的荷电量一般为最大荷电量的1/104）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5）粉尘荷电后，凝聚性、附着性、稳定性等都发生变化，对人体危害增强6）利用粉尘荷电后的性质变化，实现除尘一一电除尘（布袋除尘、湿法除 尘补集细小颗粒）3 .粉尘的导电性粉尘的导电性通常用电阻率来表示：V、P （dcm）V 通过粉尘层的电压，V; J 通过粉尘层的电流密度， A/cm2;粉尘层的厚度，cm。粉尘的导电机制有两种，取决于粉尘、气体的温度和组成成分。1）容积导电：高于200c时，粉尘自身电子和离子进行；2）表面导电：低于100 C时，靠尘粒表面吸附的水分和化学膜进行。局温（200o

19、C以上）,粉尘本 体内部的电子和离子一体积 比电阻温度"吓70 LOO ISO 250 SOO 400600 KOU ICMKr2IO低温（100oC以下），粉尘表 面吸附的水分或其他化学物 质一表面比电阻中间温度，同时起作用3)最适宜的电除尘器捕集的比电阻为 104-1010Q - cm。在高温(>200C)条件下，温度升高，粉尘内部会发生电子的热激化作用，使 容积比电阻下降。在低温(<100C)条件下，温度升高，粉尘表面吸附的水分减少，使表面比电 阻升高。(如下图)EWb J nfl 只姓叩白巾二吃 3 rd rTGisurfi wnLenl an electncju

20、 鹏主席 nlTy &f 孤 立&3 Moi J ure ccnditbOHning of cement kriki dust： tb ertect 8 学5 fuirniKftty in mcreasing I3ie conductivity q a typical ft/ dw. Scuim. H J a片（卡时351Mty 胃口 口时 it: hi ElectrcrsUtic Pre0PM"qHJ /“PWTu Cchig，3G 24 lApri 1974 314J温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响如图所知，较为干燥的粉尘的比电阻在 3000F （420K）左右达

21、到最大值七、粉尘的粘附性1）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。附着的强度，即克服附着现象所需要的力称为粘附力。粘附力：分子力（范德华力） 、毛细力、静电力（库仑力）2）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3）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 .粉尘的自燃性存放过程中自然发热 热量积累 达到燃点 燃烧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

22、：1）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2）存在能量足够的火源在封闭空间内可燃性悬浮粉尘的燃烧只有在一定浓度范围内才会导致化学爆炸。 能够引起爆炸的浓度范围叫作爆炸极限， 引起爆炸的最高浓度叫做爆炸上限 ,最低的浓度叫做爆炸下限。在低于爆炸浓度下限或高于爆炸浓度上限的燃烧都属于正常的安全燃烧， 不会发生爆炸。由于多数粉尘的爆炸上限浓度很高， 在多数情况下达不到这个浓度,因而粉尘的爆炸上限浓度无实际意义。有些粉尘（如镁粉、碳化钙粉）与水接触后会引起自燃或爆炸，称这种粉尘为具有爆炸危险性粉尘。-这类粉尘不能采用湿法除尘。有些粉尘（如硫矿粉、煤尘

23、等）在空气中达到一定浓度时，在外界的高温、摩擦、 震动、 碰撞以及放电火花等作用下会引起爆炸， 这些粉尘亦称为具有爆炸危险性粉尘。-这类粉尘能否采用电除尘除尘？。有些粉尘互相接触或混合， 如溴与磷、 锌粉与镁粉接触混合， 也会引起爆炸。-多系统管路设计时注意第三节净化装置的性能评价净化装置性能的指标，包括技术指标和经济指标两方面。技术指标：处理气体流量、净化效率和压力损失等经济指标：设备费、运行费和占地面积等。一、净化装置技术性能的表示方法1、处理气体流量On =+ Q2N)2.漏风率捕集粉尘5二%二2如岚00(%)3 .压力损失必二7， (Pa)、总净化效率的表示方法1 .总净化效率AnQk

24、t2 .通过率尸工一旦追£ 1一43 .分级除尘效率分割粒径-除尘效率为50%的粒径4 .分级效率与总除尘效率之间的关系 1)由总效率求分级效率-Sag" _ 竹 g节 一 H Sg gi_ j _ 邑g- - F g加Su_ :n + Pg" g'2）由分级效率求总效率?=E% 勒 i 1oo=J/ dGI二何国叫 005 .多级串联的总净化效率1）总分级通过率-=?岛42）总分级效率,方二 1一47二 1一（1"也）。"已）（1"班）3）总除尘效率% 二1一（1一名）（1-么）（1 一%）第四节颗粒捕集的理论基础除尘机理：

25、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+摩擦阻力流体阻力的大小决定于颗粒的形状、粒径、表面特性、运行速度及流体的种 类和性质，且阻力的方向和速度向量方向相反。G=/（g）砥=如必式中：CD由实验确定的阻力系数，量纲为一；Ap一颗粒在其运动方向上的投影面积，m2；u颗粒与流体之间的相对运动速度，m/s;dp颗粒的定性尺寸，m,对球形颗粒为其直径；流体的粘度，Pa*4流体阻力与雷诺数的函数关系A

26、S<1 (层流)时 CD = 得至IJ0Stokes公式：二 3冗以4亚(N)1 < /? < 500湍流过渡区CD =R > 500湍流区(牛顿区)CD =0.44Fd - 0.055Md颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动一一坎宁汉修正系数C3itLid iiFd = C -1 + Kn .257 + 0.100exp(-H9) 其中努森数 Kn-2A/dp2 XR7 f f、Z- (ni) , v - , (nus)0.499pv.兀M式中:V气体分子的算术平均速度；R摩尔气体常数T气体温度，K;M气体的摩尔质量，kg/mol二、阻力导致的减速运动对于在接

27、近静止的气体中，以某一处速度 vo运动的球形颗粒，除了气体阻 力外再无其他力作用时，颗粒不能相对气体作稳态运动，只能作非稳态减速运动。根据牛顿第二定律：du 3广 pCm J 也4 口6小若只考虑Stokes区域：曲二学二，其中户必山dp T18"积分得u =(m/s)速度由U0减速到u所迁移的距离工二武,一h)二五0Q 一”)若引入坎宁汉修正系数C停止距离三、重力沉降力平衡关系x = riC(-e-tfzC)Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）笳gC"gc湍流过渡区0.153-144 =(Pp-p)07Hg07W0.4250.23(5牛顿区% = 1744（

28、凡-p）g/0产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2"t 口 _ c 18/1 五 一其中五、静电沉降力平衡关系FD = FE=qE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气流准线1.惯性碰撞惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素：1)气流速度在靶周围的分布，用 ReD衡量N2)颗粒运动轨迹，用Stokes数描述勺 Cdp 4%(A £ =-= = =&&18皿3)颗粒对捕集体的附着，通常假定为 100%右图为惯性碰撞分级效率与. St的关系-X* 军驾*If* 挈«图516 同性谛11分缎效率与的关系I.问囿莅哽射门，向中阳酱磴射门.同行体，A,用- |5G,fi.= *0.f Rrn = U. 2i4. M除,5.率阴电体,6,策怅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为i=R 圆柱形捕集体%=炉球形捕集体对于惯性小的颗粒-1