颗粒污染物控制技术基础

1、大气污染控制工程讲义第五章颗粒污染物控制技术基础第一节粉尘的粒径及粒径分布一 单一颗粒的粒径1显微镜法a 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b 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c 投影面积直径dA （ Heywood 直径）：与颗粒投影面积相等的圆的直径结论：Heywood 测定分析表明，同一颗粒的dF>d A >dMa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

2、颗粒体积相等的球体的直径4沉降法a 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b 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 ）的球体的直径结论：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补充；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球的表面积s<1颗粒的表面积例如，正立方体s 0.806，圆柱体s 2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)P118 表 5-1 给出某些颗粒

3、的圆球度实测值二 粒径分布 （分散度：各种粒径的颗粒所占的比例）大气污染控制工程讲义个数粒径分布：不同粒径范围内颗粒的个数所占的比例质量粒径分布：不同粒径范围内颗粒的质量所占的比例表面积粒径分布：不同粒径范围内颗粒的表面积所占的比例1个数粒径分布（粒数分布）的表示方法粒数分布 :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 ni之比nif inidpi0-55-1010-2020-40Nni5151020502）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in iF iNn iFadpadFddp =dpadFfi=Fa-Fb=dF =

4、P ddp ,P=Fbdpb ddpdpbddp个数筛上累积频率：大于第 i 个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比 P121 图 5-3，个数累积频率分布曲线3）个数频率密度：单位粒径间隔（即1 m）时的频率分布，简称个数频度PifidFidpiddpidpdF=Pddp, 积分得， F=Pddp ，0若积分上限为，则F=Pddp =1；0P121 图 5-4，个数频度分布曲线例题：P119 表 5-2 个数分布的测定数据及其计算结果2质量分布的表示方法类似于个数分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、质量频率密度等1）质量频率：第i 个间隔中的颗粒个数ni 与颗粒总数 ni之比migi

5、mi2）质量筛下累积频率：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Gi=imiNmi质量筛上累积频率：大于第i 个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比大气污染控制工程讲义3）质量频率密度：单位粒径间隔（即1 m）时的频率分布，简称个数频度qigidGidpiddpi3个数分布与质量分布的转化假定： a 所有颗粒具有相同密度b 颗粒质量与粒径立方成正比midpi3，以粒径间隔中点粒径dpi 作为该粒径间隔内的平均粒径，则mikni dpi3gimim ikpnidpi3nidpi3mimiknidpi3pnidpi3ini dpi3Gi= gi=Nni dpi3例题：P123

6、 表 5-3 计算三 平均粒径1长度（或算术）平均直径d Ld Ln i d p if i d p in ini 以 dpi 为粒径中值的粒径间隔内的颗粒个数2中位直径 d50：累计频率 F=0.5 或 G=0.5 时对应的粒径个数中位径（NMD ）质量中位径（ MMD ）或将频度分布曲线下面积两等分对应的粒径也为d503众径 dd：频度 p 或 q 最大时对应的粒径4几何平均直径dgddg( d 1n 1 d2n 2 d 3n 3.)1/ N或gexp(n ilndp i)Ndp d 2 F0 或 dq d 2 G0ddp ddp2ddpddp25表面积平均直径n i d p i21/ 2(

7、f i d p i 2 ) 1/ 2d Sn i大气污染控制工程讲义6体积平均直径d Vn i dn3p i1/ 3(f i d p i3)1/ 3i7体积表面积平均直径n i d p i3f i d3p id SV2f i d2n i d p ip i结论：1）对于频率密度分布曲线呈对称的分布，众径dd、中位直径 d50 和算术平均直径d L 相等；2）频率密度非对称的分布，dd< d50< d L 。第二节粉尘的物理性质一 粉尘的密度定义：单位体积粉尘的质量，kg/m3 或 g/cm31真密度粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙，用p 表示；研究尘粒在气体中的运动时用p或将粉尘颗

8、粒表面及其内部的空气排出后测得的粉尘自身的密度，以p 表示；2堆积密度 用堆积体积计算，包括粉尘颗粒间在内的粉尘密度，以b 表示；用于贮仓或灰斗容积确定时用b （ b p ）3空隙率 粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比，用表示关系：b =（1 ）p对一定种类的粉尘，真密度为一定值，堆积密度b 随空隙率而变化；二 粉尘的比表面积1定义：单位体积（或质量）粉尘所具有的表面积2表示方法：a 单位体积粉尘所具有的表面积S VS6(cm2 /cm3 )Vd SVS 粉尘的平均表面积，2；cmV 粉尘的平均净体积，3cm；大气污染控制工程讲义d sv 粉尘的表面积- 体积的平均直径，cm；b 以堆

9、积体积表示的比表面积SS bS (1)(1) S V6(1)(cm2 /cm3 )VbVd SVVbV1c 以质量表示的比表面积S mS6(cm2 /g)p Vp d SV三 粉尘的润湿性1定义：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2分类：（按照被液体润湿程度）亲水性粉尘容易被水润湿疏水性粉尘难以被水润湿水硬性粉尘亲水性，吸水后形成不溶于水的硬垢易使管道和装置堵塞，不易用湿法除尘（如水泥、石灰粉尘）润湿性是选择湿式除尘器的主要依据3影响因素：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和接触方

10、式有关。粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降四 粉尘的荷电性和导电性1粉尘的荷电性：粉尘由于相互碰撞、摩擦、放射线照射、接触带电体等总是带有一定量的电荷；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，且与化学组成有关2粉尘的导电性：用比电阻d 表示比电阻：v (cm)djv通过粉尘层的电压，V；2j 通过粉尘层的电流密度，A/cm ；导电机制：大气污染控制工程讲义高温（ 200oC 以上），粉尘本体

11、内部的电子和离子 体积比电阻（容积导电）低温（ 100oC 以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质（化学膜导电）表面比电阻（表面导电）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104 1010典型温度比电阻曲线：五 粉尘的粘附性1定义：粉尘颗粒附着在固体表面上，或颗粒彼此相互附着的现象2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）3影响因素：粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性利用粘附性除尘装置；克服粘附性管道和设备的堵塞；六 粉尘的安息角与滑动角1定义：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，也

12、称静止角或堆积角，范围 35° 40°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安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标2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3、用途：安息角用来设计料仓的锥角和含尘管道的倾角七 粉尘的自燃性和爆炸性1自燃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P141 举例大气污染控制工程讲义2粉尘发生爆炸必备的条件：a 可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度爆炸浓度最低可

13、燃物浓度爆炸浓度下限爆炸浓度上限小于下限或大于上限，粉尘均不会爆炸，实际很少涉及上限，对同一种类的可燃粉尘，其粒径越小，比表面积越大，粉尘和空气的湿度越小，则爆炸危险性越大。b 存在能量足够的火源措施：及时清理沉积的粉尘是预防爆炸的重要措施。第三节净化装置的性能一 处理气体流量 QN ：除尘装置在单位时间内所能处理的含尘气体的流量QN =（ Q1 N Q2 N ） /2（ m3/s）由于实际运行的除尘装置本身不严密漏风，进出口气体流量往往不一致，通常用两者的平均值作为除尘装置处理气体的流量漏风率 ： =（ Q1 N Q2 N ） / Q1N ×100%二 压力损失 （或阻力）：表示净

14、化装置能耗大小的技术指标 P=设备进出口气流全压之差；v 12(Pa)P2压力损失系数，V1进口流速， m/s，气体密度， kg/m3；影响因素：设备的种类、结构、进口处的动压希望压力损失越小越好，多数除尘装置的压力损失<2kpa ； P<500pa低阻除尘器 P=500 2000pa中阻除尘器 P=2000 20000pa高阻除尘器；三 总净化效率的表示方法：3进口：气体流量Q1N（mN/s ）污染物浓度(g/m3)1NN3）2NN出口： Q （ m /sS 2（g/s ）2N(g/m 3N)捕集：污染物流量S3（ g/s ）关系： S1=S2+S3S1=Q1N×1N,

15、 S2= Q2N×表示装置净化污染物有效果的重要技术指标除尘效率2N。a 总净化效率大气污染控制工程讲义在同一时间内，净化装置去除的污染物与进入装置的污染物数量之比；S31S 212 NS1S 11NQQ2 N2 N质量法：称重S1、 S2，用于实验室，结果准确；浓度法：同时测除尘器前后的空气含尘浓度，由于含尘气体在管道内的分布既不均匀，也不稳定，故得准备结果较困难；对讨论：若装置不漏气，则Q=Q，12 N1N2N1N若装置漏气，则由Q1 NQ2N1Q2 N， Q2N Q1N (1) 则12N(1 )Q1NQ1N1 Nb 通过率：净化效率很高成为说明污染物的排放率低S22 NPS 1

16、1NQQ2 N11N举例：两台除尘装置，除尘效率分别为99.9%和 99.0%，多了 0.9%，通过率则为0.1%和 1.0%， P 为 10倍，说明：从第2 台排放到大气中的粉尘量是第1 台的 10 倍，从环保角度看，用P 直观c 分级除尘效率： 除尘装置对某一粒径dpi 或粒径间隔 dpi dpi+ dpi内粉尘的除尘效率， 简称分级效率，用i 表示，设除尘器进口、出口和捕集的dpi 颗粒质量流量分别为 S、S、S；1i2i3iS 3 i1S 2 iiS1 iS 1 i分割粒径 dc除尘效率为50时所对应的粒径四 分级效率与总效率的关系1）由总效率求分级效率设除尘器进口、出口和捕集的粉尘的

17、质量频率分别为g1i 、g2i 、 g3i ；则 g1is1i , g 2is2i, g3 is3i ；S1i =S2i +S3is1s2s3S 3g 3 ig 3 is3ii=S 1g ig 1 is1i1S 2g 2 i1g 2 iiS 1g 1 iP 连立式得 g1i=g3i+pg2i, 再代入式得g 1 iiPg/ g 3 i2 i大气污染控制工程讲义2）由分级效率求总效率由式ig3i得 i g1ig3i，两边对各种粒径间隔求和，i g1ig3i 得g1iii g 1 i（g3i 1）1id G 1i q 1 d d p00五 多级串联的总净化效率由于除尘器进口含尘浓度很高，或使用单位

18、对除尘系统的除尘效率要求很高，用一种除尘器不能满足要求或达不到所要求的除尘效率时， 可采用两级或多级除尘， 即将两台或多台不同类型的除尘器串联起来使用。假定：多级除尘器的每一级的运行性能是独立的； dpi dpi+ dpi 分级通过率分别为：Pi1 ， Pi2 ， Pin ；分级效率分别为：i 1 , i 2 ,in1）总分级通过率P iTPi 1P i 2P in2）总分级效率iT1P iT1( 1i 1)(1i2)( 1in)3）总除尘效率T1( 11)( 12)( 1n)PT=P1· P2· Pn注： 1）由于进入到各级除尘器的粉尘粒径越来越小，所以每级除尘器的除尘效

19、率也越来越小；2 ）在实际应用中，多级除尘系统通常不超过三级。第四节颗粒捕集的理论基础一 流体阻力 最基本的作用力1定义：粉尘与气体载体之间产生的相对运动过程中的能量损失，用FD 表示流体阻力 FD形状阻力 fr 摩擦阻力 fafr ：空气流经颗粒时，导致颗粒前面较后面压力大，即产生压力差；fa ：气体与颗粒作相对运动时，两者之间存在摩擦阻力；空气动力学中，空气与固体颗粒以相对速度u 流动时产生的阻力等同于大气污染控制工程讲义固体物质以速度u 在静止空气中运动时产生的阻力；空气以速度u 经过静止的固体物质时所产生的阻力；2影响因素：颗粒的大小、形状、表面特性、相对运动速度、流体性质3大小和方向

20、大小：F D1C D A p u 2(N)2C Df ( Re p )Re pd pu阻力系数：方向：阻力的方向和速度向量方向相反Ap颗粒在运动方向上的投影面积，球形颗粒Ap= dp 23；4流体密度， kg/mu颗粒与流体之间的相对运动速度，m/s ； 液体的粘度， Pa· s；dp颗粒的定性尺寸，指空气动力学直径da；由 CD 随雷诺数 Rep 的变化，将粉尘的运动分为三个区域：1） Re p1（层流）时C D24得到Re pStokes公式：F D3 d p u(N)将上式称为斯托克斯阻力定律，此区域称为斯托克斯区域2） 1Rep500湍流过渡区C D18.50.6Re pBi

21、rd公式， CD与 Rep呈曲线关系5湍流区（牛顿区）3） 2× 10 > Re p500C D0.4422FD0.055d p uP147 图 5-14流体阻力与雷诺数的函数关系特殊地：颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动 坎宁汉修正修正：大颗粒表面在气流中有一层气体分子层，当颗粒尺寸dp 与气体分子的平均自由程相近时，颗粒会脱离分子层， 相当于一个气体分子在气体中走动，相对于颗粒来说， 气体不再具有连续流体介质的特性，流体阻力将减小，此时定义颗粒运动发生所谓（滑动），对滑动条件进行修正：将坎宁汉修正系数C 引入斯托克斯定律（即层流状态Pep 1）；（一般为 dp 1

22、 m时考虑）3 d p uF DCC 取决于努森数KnC1Kn1.2570.400exp(1.10)其中努森数Kn2/ d pKn(m) ,v8 RT(m/s)0.499vM 气体分子平均自由程 ,m；R气体常数， R=8.314J/mol · k，从一气体摩尔质量，kg/mol ；v 气体分子的算术平均速度,m/s ；大气污染控制工程讲义气体温度，K二 阻力导致的减速运动对于在接近静止的气体中，球形颗粒作初速度为uo 的运动，只受到流体阻力的作用, 根据牛顿第二定律 :FDmdumadtFDC DAp 1 u22mpdp36三式联立得d3d upC6pF Dd td u3u即d t

23、C Dpd4dD42p22pu2若仅考虑 Stokes 区域 , F =3 dpuD连立得d u18u其中dP2pd td P2up18 弛豫时间或松弛时间讨论：t=0 时， u=uo；经过多长时间t ， u=u；u 1dut 1dt ,tln uouo u0 tu t=0 时， u=uo； t=t 时， u=？上式积分得uu 0 et /(m/s)1 时所需的时间则 的物理意义为：由于流体阻力，使颗粒的运动速度减小到它的初速度的e u=uo 变为 u=u 时，迁移距离x=？dxuo exp( t /)dt由 dxu uo exp(t / ) ，两边积分得xtdt00u 0 (1 e t /x

24、( u 0u )说明：处于滑动领域的颗粒, 引入坎宁汉修正系数C迁移时间迁移距离 t= 时，迁移距离x=x st c ln uo uxu 0 C (1et /C )x su 0 C大气污染控制工程讲义停止距离颗粒由u=uo 达到 u=0 时， t= 时间无限长三 重力沉降1静止流体中颗粒受到的作用力：重力FG、流体浮力FB、流体阻力FDFGPdp 3g6FBdp 3 gvg6FD3dpu力平衡关系 F 合 =FG-F B-F D=0d2FDFGp() gF Bp6usdp 2 ( p) g182、终极沉降速度重力沉降的末端速度p >>忽略浮力作用，Stokes 颗粒的重力沉降末端速

25、度则d2ppgCgCu s18P150(5-82) 湍流过渡区0.153d p1.14 (p) 0.714 g 0.714u s0.4280.286（ 5-83 ）牛顿区u s1.74d p (p) g /1/ 2讨论：当p >>时，浮力可忽略，us= g位于滑动区域，us =gc18u s斯托克斯直径 dsp gc空气动力学直径 da18 us 或18 us （p =1000kg/m3 或p =1g/cm3）1000gcgc四 离心沉降1定义：含尘气体作曲线运动时，粉尘会受到离心力的作用，粉尘在离心力FC 和流体阻力 FD 的作用下，沿着离心力方向沉降，称为离心沉降。大气污染控制

26、工程讲义力平衡关系：F合 =F-F =0cDF DF C3u t26d pp=m· acac离心加速度，2Rm/s ，ut R处气流的切向速度，m/s ，R旋转半径， m2离心沉降速度： Stokes 颗粒的末端沉降速度pdp3 ut23dpuc6Rd p22pu tCa c Cu cR18u2其中a ctR五 静电沉降1定义：含尘气体中粉尘在电场中运动时，若带有一定极的静电量，便会受到静电力的作用，在静电力和流体阻力的综合作用下粉尘发生的沉降过程（忽略重力、惯性力等）。力平衡关系：F EqEF Dq颗粒的荷电量，c；E电场强度，v/m ；2驱进速度：静电沉降的末端速度，用 表示，对于Stokes 粒子：FE=FD时，qEC3 d p六 惯性