第05章 颗粒污染物控制技术基础-w

1、第五章第五章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础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4.颗粒捕集理论基础颗粒捕集理论基础1 第一节第一节 颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布1.1 单一颗粒的粒径单一颗粒的粒径 1.1.1 定义定义 按一定方法确定的表示一个颗粒大小的代表性尺寸的物理量。 1.1.2 测定方法测定方法 粒径可以有很多种表示方法，常用的粒径表示方法与粒径的测定方法有关。 粒径的测定方法可分为四大类：显微镜法、筛分法、光散射法（电子计数法）和沉降法。 2显微镜法显微镜法p 定向直径dF（Feret

2、 直径）直径） 各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度。p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。p 投影面积直径dA（Heywood直径）直径） 与颗粒投影面积相等的圆的直径。 Heywood测定分析表明，同一颗粒的测定分析表明，同一颗粒的dFdAdM3 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4 筛分法与光散射法筛分法与光散射法筛分直径：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等体积直径dV：与颗粒

3、体积相等的球体的直径 沉降法沉降法斯托克斯（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。5 da与与ds的换算的换算 在除尘技术中应用最多的两种直径是斯托克斯（Stokes）直径ds 和空气动力学直径da ，特别是后者。二者的关系如下： 式中： 为粉尘的密度。Psaddp6 颗粒的圆球度颗粒的圆球度n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。n

4、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）。n正立方体s0.806，圆柱体s2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)。7n某些颗粒的圆球度某些颗粒的圆球度81.2 粒子群的粒径分布粒子群的粒径分布n 粒径分布 又称为颗粒的分散度。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。n 粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数ni之比iiNinfn9n粒数筛下累积频率：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。iiiNinFn10n粒数频率密度粒数频率密度pp()d/dp dFd11n粒数分布的测定及计算粒数分布的测定及计算121.3 众径与中位径

5、众径与中位径n粒数众径 频度p最大时对应的粒径，此时n粒数中位径（NMD） 累计频率F=0.5时对应的粒径。22ppdd0ddpFdd131.4 粒径质量分布粒径质量分布类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下累积类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、质量频率密度等。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成正比的假设下，粒数分布与质量分布可以相互换算。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）141.5 平均粒径平均粒径n前面定义的众径和

6、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。n长度平均直径长度平均直径n表面积平均直径表面积平均直径n体积平均直径体积平均直径n体积表面积平均直径体积表面积平均直径pLp iiiiinddf dn2p1/22 1/2Sp() iiiiinddf dn3p1/33 1/3Vp() iiiiinddf dn33ppSV22ppiiiiiiiindf ddndf d15 第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质2.1 粉尘的密度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粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙

7、真密度密度用堆积体计算用堆积体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粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比堆积总体积之比bp(1) bp162.2 粉尘的安息角与滑动角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标n安息角和滑动角

8、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172.3 粉尘的比表面积粉尘的比表面积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 )SSSVd182.4 粉尘的含水率粉尘的含水率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粒表面和包含在凹坑

9、和细孔中的自由水分自由水分以及颗粒内部的以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192.5 粉尘的润湿性粉尘的润湿性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易程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、温度、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含水率、

10、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。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)20Lv202.6 粉尘的荷电性和导电性粉尘的荷电性和导电性n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

11、面间摩擦、产生过程中荷子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦、产生过程中荷电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，荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关且与化学组成有关21n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：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积比电阻体积比电阻低温（低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质表面以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质表面比电阻比电阻中间温度，同

12、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)Vjcm22n典型温度比电阻曲线典型温度比电阻曲线232.7 粉尘的粘附性粉尘的粘附性n粘附和自粘现象粘附和自粘现象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除以其断裂的接触面积n分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘

13、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242.8 粉尘的自燃性和爆炸性粉尘的自燃性和爆炸性n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、发自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、发酵热酵热影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境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252.9 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

14、构成的可燃混合物达到一定可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度的浓度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26 第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能3.1 评价净化装置性能的指标评价净化装置性能的指标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273.2 净化装置技术性能的表示方法净化装置技术性能的表示方法n处理气体流量处理气体流量漏风率漏风率n压力损失压力损失1N3N2NN1() (m/s)2QQQ1N2N1N100 (

15、%)QQQ21 (Pa)2vP28n压力损失是代表净化装置能耗大小的技术经济压力损失是代表净化装置能耗大小的技术经济指标。指标。n压力损失是净化装置的技术和经济两方面的一压力损失是净化装置的技术和经济两方面的一个综合指标，它代表该装置能量消耗的大小。个综合指标，它代表该装置能量消耗的大小。系指装置进口和出口气流全压之差。净化装置系指装置进口和出口气流全压之差。净化装置压力损失的大小，不仅取决于装置的种类和结压力损失的大小，不仅取决于装置的种类和结构型式，还与处理气体流量的大小有关。净化构型式，还与处理气体流量的大小有关。净化装置的压力损失，实质上是气流通过装置时所装置的压力损失，实质上是气流通

16、过装置时所消耗的机械能，它与通风机所耗功率成正比，消耗的机械能，它与通风机所耗功率成正比，所以，总是希望尽可能小些。所以，总是希望尽可能小些。293.3 总净化效率的表示方法总净化效率的表示方法n总净化效率总净化效率n通过率通过率n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22N2N11N2N11 SQSQ22N2N11N1N1 SQPSQ32111 iiiiiSSSS30例题例题 对旋风除尘器的现场测试得到：除尘器对旋风除尘器的现场测试得到：除尘器进口的气流量为进口的气流量为10000Nm3/h，含尘浓度，含尘浓度为为4.2g/Nm3。除尘器出口的气体流量

17、为。除尘器出口的气体流量为12000Nm3/h，含尘浓度，含尘浓度340mg/Nm3。试。试计算该除尘器的处理气体流量、漏风率计算该除尘器的处理气体流量、漏风率和除尘效率。和除尘效率。31处理气体量：处理气体量：漏风率：漏风率：漏风情况下的除尘效率：漏风情况下的除尘效率：不漏风情况下的除尘效率：不漏风情况下的除尘效率：hNmQQQNNN/1100012000100002121321%20100001200010000121NNNQQQ%3 .9010000420012000340111122NNNNQQ%9 .9142003401112NN32总效率的两种不同含义总效率的两种不同含义一是指同一

18、时间内一是指同一时间内净化装置净化装置去除的污染去除的污染物数量与进入装置的污染物数量之比物数量与进入装置的污染物数量之比( (一般用百分数表示一般用百分数表示) )。二是指同一时间二是指同一时间净化系统净化系统去除污染物数去除污染物数量与进入系统前的污染物数量之比量与进入系统前的污染物数量之比( (一一般也用百分数表示般也用百分数表示) )。 33通过率与分割粒径通过率与分割粒径n通过率也是表示净化装置的净化效果的技术指通过率也是表示净化装置的净化效果的技术指标，它常用来表示袋式除尘器等高净化效率的标，它常用来表示袋式除尘器等高净化效率的净化装置的净化效果。净化装置的净化效果。 n分割粒径分

19、割粒径dc 为分级效率等于为分级效率等于50时对应的粒径时对应的粒径。见见P153有关行有关行 1112212NNNNQQSSP34分级除尘效率分级除尘效率n分级除尘效率是表示净化装置对各种不同粒径的分级除尘效率是表示净化装置对各种不同粒径的粉尘的除尘效果的技术指标，可以科学地（严格）粉尘的除尘效果的技术指标，可以科学地（严格）表示净化装置的除尘效果。表示净化装置的除尘效果。n除尘装置的除尘效率的高低，往往与粉尘的粒径除尘装置的除尘效率的高低，往往与粉尘的粒径大小有很大的关系。为了表示除尘效率与粉尘粒大小有很大的关系。为了表示除尘效率与粉尘粒径的关系，提出了分级除尘效率的概念。分级除径的关系，

20、提出了分级除尘效率的概念。分级除尘效率系指除尘装置对某一粒径尘效率系指除尘装置对某一粒径dpi 或粒径间隔或粒径间隔dp 至至dpi 颗粒颗粒dp内粉尘的除尘效率，简称分级内粉尘的除尘效率，简称分级效率。效率。n分级效率可以用表格、曲线图或显函数分级效率可以用表格、曲线图或显函数i f(dpi )等形式表示。等形式表示。353.4 分级效率与总效率的关系分级效率与总效率的关系n由总效率求分级效率由总效率求分级效率 P154例题例题n由分级效率求总效率由分级效率求总效率 P155例题例题333112221112311/iiiiiiiiiiiiiS ggS ggS ggPS ggPgg1111p0

21、0ddiiiiigGq d363.5 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 37 第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础4.1 颗粒捕集过程中需要考虑的作用力颗粒捕集过程中需要考虑的作用力n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n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流体阻力

22、：包括形状阻力和摩擦阻力。384.2 流体阻力流体阻力 P156n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 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） 39n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 40n颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发

23、生滑动坎宁汉修正坎宁汉修正 P158流体阻力计算例题流体阻力计算例题pDp31.1011.2570.400exp() 2 /8 (m) , (m/s)0.499 其中努森数d uFCCKnKndKnRTvMv414.3 阻力导致的减速运动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若引入坎宁汉修正系数若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

24、duuutd/0e (m/s)tuu/00()(1e)txuuu/0(1e)tCxu Cs0 xu C424.4 重力沉降重力沉降n力平衡关系力平衡关系nStokes颗粒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nStokes直径直径n空气动力学直径空气动力学直径 P151重力沉降计算例题重力沉降计算例题2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp18udgCsaa181000udgC434.5 离心沉降离心

25、沉降n力平衡关系力平衡关系nStokes颗粒的末端沉降速度颗粒的末端沉降速度23tDCpp6uFFdR22pptcc2tc18 其中duuCa CRuaR444.6 静电沉降静电沉降n力平衡关系力平衡关系n静电沉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，表示，对于对于Stokes粒子：粒子：DEFFqEp3qECd454.7 惯性沉降惯性沉降n颗粒接近靶时的运动情况颗粒接近靶时的运动情况46n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S

26、tokes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 CStDDD47n惯性碰撞惯性碰撞分级效率分级效率与与 的的关系关系St48n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)2.002ln3(1)13(1) (R0.1) 22(1)2RRRRRRRRRRRReReRReRRRR 圆柱体势流球体势流圆柱体粘性流球体粘性流494.8 扩散沉降扩散沉降n扩散系数和均方根位移扩散系数和均方根位移布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大颗粒的扩散类似于气体分子的扩散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对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒颗粒的均