大气污染控制工程第5章颗粒污染物控制技术基础

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n颗粒的粒径颗粒的粒径显微镜法显微镜法定向直径定向直径dF（Feret 直径）：各颗粒在投影图直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度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（Martin直径）：各颗粒直径）：各颗粒在投影图中同一方向将颗粒投影面积二等分的在投影图中同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度线段长度投

2、影面积直径投影面积直径dA（Heywood直径）：与颗粒投直径）：与颗粒投影面积相等的圆的直径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颗粒的直径颗粒的直径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颗粒的直径颗粒的直径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分采用的普通筛子是用平织的金属丝网制成筛分采用的普通筛子是用平织的金属丝网制成筛孔的大小用目表示每英寸长度上筛孔的个筛孔的大小

3、用目表示每英寸长度上筛孔的个数数我国常用泰勒标准筛我国常用泰勒标准筛颗粒的直径颗粒的直径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的直径：与颗粒体积相等的球体的直径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：在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度（速度相等的单位密度（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

4、为密切相关，是除尘技术中应用最多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的两种直径3/1)/6(Vdv颗粒的直径颗粒的直径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的表圆球度：与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表面积之比面积之比s（ s1）n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)颗粒的直径颗粒的直径n某些颗粒的圆球度某些颗粒的圆球度粒径分布粒径分布n粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数

5、（或粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例质量或表面积）所占的比例n个数分布个数分布:每一间隔内的颗粒个数每一间隔内的颗粒个数n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与颗粒与颗粒总数总数ni之比之比iiNinfn粒径分布粒径分布n个数筛下累积频率：小于第个数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径个间隔上限粒径的所有颗粒个数与的所有颗粒个数与 颗粒总个数之比颗粒总个数之比iiiNinFn粒径分布粒径分布n个数频率密度个数频率密度pp()d/dp dFd粒径分布粒径分布n粒数分布的测定及计算粒数分布的测定及计算粒径分布粒径分布n个数众径频度个数众径

6、频度p最大时对最大时对应的粒径，此时应的粒径，此时n个数中位径（个数中位径（NMD）累）累计频率计频率F=0.5时对应的粒径时对应的粒径22ppdd0ddpFdd粒径分布粒径分布n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）平均粒径平均粒径n前面定义的

7、质量众径和质量中位径是常用的平均粒径之一前面定义的质量众径和质量中位径是常用的平均粒径之一n长度平均（算数平均）直径长度平均（算数平均）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 d平均粒径（续）平均粒径（续）n几何平均（算数平均）直径几何平均（算数平均）直径n对于频率密度分布曲线对称的分布，众径对于频率密度分布曲线对称的分布，众径 、中位径、中位

8、径 和算术平均直径和算术平均直径 相等相等n频率密度非对称的分布，频率密度非对称的分布，3121/g123pg(.)lnexp() 或 nnnNiiddddnddNdd50dLdd50Lddd粒径分布函数粒径分布函数n用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布n正态分布正态分布n对数正态分布对数正态分布n罗辛拉姆勒分布（罗辛拉姆勒分布（RosinRammler）RR的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细粉尘更为适用过程产生的较细粉尘更为适用第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质n粉尘的密度粉尘的密

9、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空隙率空隙率粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比总体积之比bp(1) bp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倾斜滑动角：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运动时

10、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安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗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、粉尘粘性粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性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 )SSSVd粉尘的含水率

11、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、流动性等物理特含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性性粉尘的含水率粉尘的含水率n吸湿现象吸湿现象7%RH，硝酸与碳酸钙颗粒反应。，硝酸与碳酸钙颗粒反应。从从8%开始，碳酸钙和硝酸钙混合颗粒开始吸湿。开始，碳酸钙和硝酸钙混合颗粒开始吸湿。10-11%，吸湿更强，与纯硝酸钙颗粒类似。，吸湿更强，与纯硝酸钙颗粒类似。 n平衡

12、含水率平衡含水率-每一相对每一相对湿度，都相应于粉尘一定湿度，都相应于粉尘一定的含水率的含水率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的难易程度的性质n润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、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式有的表面张力及尘粒与液体之间的粘附力和接触方式有关。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

13、而增大，随温度升高而下降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)20Lv超疏水表面黏附力超疏水表面黏附力n聚合物表面，上图聚合物表面，上图a，高黏附表面由，高黏附表面由3.5-6m的微球粒组成；低的微球粒组成；低黏附表面为叶子形状。黏附表面为叶子形状。n微球结构表面，连接的球粒能够被处理成光滑正弦表面，这样微球结构表面，连接的球粒能够被处理成光滑正弦表面，这样更容易接收水（上图更容易接收水（上图b左）。对应的，叶子形状有尖锐的边界（左）。对应的，叶子形状有尖锐的边界（上图上图b右），这个结构防止水浸入叶子缝隙，空气进入缝隙后阻右），这个结构防止

14、水浸入叶子缝隙，空气进入缝隙后阻隔表面和液体接触，大大降低了液隔表面和液体接触，大大降低了液-固黏附。固黏附。 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、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的的1/10荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而荷电量随温度增高

15、、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关增加，且与化学组成有关粉尘的荷电性和导电性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(电阻率电阻率)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体积比电阻电阻低温（低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质表面比电阻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1041010d ( cm)VjcmV通过粉尘层电压J通过粉尘层

16、的电流密度粉尘层的厚度粉尘的导电性和荷电性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粉尘的导电性和荷电性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粉尘的黏附性粉尘的黏附性n黏附和自黏现象黏附和自黏现象n黏附力克服附着现象所需要的力黏附力克服附着现象所需要的力n黏附力：分子力黏附力：分子力(范德华力范德华力)、毛细力、静电力、毛细力、静电力(库仑力库仑力)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需的力除以其断裂的接触面积n分类：不黏性、微黏性、中等黏性、强黏性分

17、类：不黏性、微黏性、中等黏性、强黏性n粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响黏粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响黏附性附性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燃发热的原因氧化热、分解热、聚合热、发自燃发热的原因氧化热、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悬浮和堆积悬浮和堆积存放过程中存放过程中自燃自燃发热发热热量积累热量积累达到燃点达到燃点燃烧燃烧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

18、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第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能n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;/N)(2/132,31 ,2,1 ,smqsmqqqqNVNVNVNVNV装置出口气体流量装置进口气体

19、流量(%)1001 ,1 ,2,NVNVNVqqq3 ,2,1 ,mmmqqqqv,2N2Nqm,2g2qv,1N1Nqm,1g1qm,3 g3 捕集粉尘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压力损失压力损失n污染物浓度污染物浓度3 ,2,1 ,mmmqqqqv,2N2Nqm,2g2qv,1N1Nqm,1g1qm,3 g3 捕集粉尘NvNmqq1 ,11 ,3 ,2,1 ,mmmqqqNvNmqq2,22,21 (Pa)2vP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：对某一粒径或粒径间隔的粉尘除分级除尘效率：对某一粒径或粒径间隔

20、的粉尘除尘效率尘效率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NvNNvNmmmmqqqqqq1 , 12, 21 ,2,1 ,3 ,1111 , 12 , 21 ,2 ,NvNNvNmmqqqqPimimimimiqqqq1 ,2 ,1 ,3 ,1几种除尘器分级效率几种除尘器分级效率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n由分级效率求总效率由分级效率求总效率imimgqq11 ,1 ,1111p00ddiiiiigGq dimimgqq33 ,3 ,imimgqq22 ,2 ,iiiiimimiiiimimigPgggPgqgqgggq

21、gq321211 ,22,1311 ,33 ,/11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 第四节第四节 颗粒捕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并从气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、颗粒间相互作用力颗粒间相互作用力外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、

22、外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等热力、泳力等阻力：最基本作用力阻力：最基本作用力颗粒间相互作用力：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流体阻力流体阻力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 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） 500Rep2105流体

23、阻力流体阻力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 流体阻力流体阻力n颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动生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d uFCCKnKndKnRTvMv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

24、或松弛时间322pppDD2Dppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(1e)txuuu/0(1e)tCxu Cs0 xu C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2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp1

25、8udgCsaa181000udgC离心沉降离心沉降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 CRuaR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：DEFFqEp3qECd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

26、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 CStDDD惯性碰撞惯性碰撞n惯性碰撞分级惯性碰撞分级效率与效率与 的的关系关系St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 DIDI- -拦截引起的捕集效率增量拦截引起的捕集效率增量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RRpcdRDDI=2R+R22R 球形捕集体球形捕集体DI2DI2DIDDD22DI112 (R0.1) 11(1)3 (R0.1) 11(2)(1)ln(1) (R0.07,0.5) 2.002ln2(1)2.002ln3(1)13(1)