环境工程学：第二次课 大气质量与大气污染颗粒污染物控制

1、第二次课大气质量与大气污染颗粒污染物控制环境工程学大气质量与大气污染大气是人类和一切生物赖以生存的必需条件。大气质量的优劣，对人体健康和整个生态系统都有着直接的影响。人类又通过各种生产和生活活动影响和改变着大气环境，使其质量恶化，甚至造成严重的大气污染事件。因此，大气污染已引起人们的极大关注，研究和控制大气污染已成为当前十分迫切的环境问题。 大气质量与大气污染一、大气的结构及组成二、大气污染三、大气环境质量控制标准四、大气污染控制的基本方法大气的结构及组成大气圈的垂直结构是指气象要素的垂直分布情况，如气温、气压、大气密度和大气成分的垂直分布等。这里主要对气温的垂直分布情况作一简介。根据气温在垂

2、直于下垫面（即地球表面情况）方向上的分布，可将大气圈分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层 。大气结构大气的结构及组成对流层是大气圈最低的一层。由于对流程度在热带要比寒带强烈，故自下垫面算起的对流层的厚度随纬度增加而降低；赤道处约1617km，中纬度地区约1012km，两极附近只有89km。对流层的主要特征是：对流层虽然较薄，但却集中了整个大气质量的3/4和几乎全部水蒸气，主要的大气现象都发生在这一层中，它是天气变化最复杂、对人类活动影响最大的一层；大气温度随高度增加而降低，每升高100m平均降温约0.65；空气具有强烈的对流运动，主要是由于下垫面受热不均及其本身特性不同造成的；温度和

3、湿度的水平分布不均匀，在热带海洋上空，空气比较温暖潮湿，在高纬度内陆上空，空气比较寒冷干燥，因此也经常发生大规模空气的水平运动。对流层的下层，厚度约为12km，其中气流受地面阻滞和摩擦的影响很大，称为大气边界层（或摩擦层）。其中从地面到50100m左右的一层又称近地层。在近地层中，垂直方向上热量和动量的交换甚微，所以上下气温之差很大，可达12。在近地层以上，气流受地面摩擦的影响越来越小。在大气边界层以上的气流，几乎不受地面摩擦的影响，所以称为自由大气。在大气边界层中，由于受地面冷热的直接影响，所以气温的日变化明显，特别是近地层，昼夜可相差十几乃至几十度。由于气流运动受地面摩擦的影响，故风速随高

4、度的增高而增大。在这一层中，大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较盛行，加上水汽充足，直接影响着大气污染物的传输、扩散和转化。对流层大气的结构及组成从对流层顶到5055km高度的一层称为平流层。从对流层顶到3540km左右的一层，气温几乎不随高度变化，为-55左右，故称为同温层。从这以上到平流层顶，气温随高度增高而增高，至平流层顶达-3左右，亦称逆温层。平流层集中了大气中大部分臭氧（O3），并在2025km高度上达到最大值，形成臭氧层。臭氧层能强烈吸收波长为200300nm的太阳紫外线，保护了地球上的生命免受紫外线伤害。在平流层中，几乎没有大气对流运动，大气垂直混合微弱，极少出现雨雪天气

5、，所以进入平流层中的大气污染物的停留时间很长。特别是进入平流层的氟氯碳（CFCs）等大气污染物，能与臭氧发生光化学反应，致使臭氧层的臭氧逐渐减少。平流层大气的结构及组成中间层：从平流层顶到85km高度的一层称为中间层。这一层的特点是，气温随高度升高而迅速降低，其顶部气温可达-83以下。因此大气的对流运动强烈，垂直混合明显。暖层：从中间层顶到800km高度为暖层。其特点是，在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，再度出现气温随高度升高而增高的现象。暖层气体分子被高度电离，存在着大量的离子和电子，故又称为电离层。散逸层：暖层以上的大气层统称为散逸层。它是大气的外层，气温很高，空气极为稀薄，空气粒子的运

6、动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中。大气压力的垂直分布，总是随着高度的升高而降低，并可用气体静力学方程来描述。大气密度随高度的变化几乎和压力的变化规律相同。大气成分的垂直分布，主要取决于分子扩散和湍流扩散的强弱。在8085km以下的大气层中，以湍流扩散为主，大气的主要成分氮和氧的组成比例几乎不变，称作均质大气层（简称均质层）。在均质层以上的大气层中，以分子扩散为主，气体组成随高度变化而变化，称为非均质层。这层中较轻的气体成分有明显增加。大气的结构及组成空气组成是由多种气体混合而成的，其组成可以分为三部分：干燥清洁的空气、水蒸气和各种杂质。干洁空气的主要成分是氮、氧、氩和二氧化碳气体，其

7、含量占全部干洁空气的99.996%（体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占0.004%左右 （P372 表 5-1）。 空气中的水蒸气含量，平均不到0.5%，而且随着时间、地点和形象条件等不同而有较大变化，其变化范围可达0.01%4%，但却导致了各种复杂的天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等，这些现象不仅引起空气湿度的变化，而且还导致空气中热能的输送和交换。水蒸气吸收太阳辐射的能力较弱，但吸收地面长波辐射的能力却较强，所以对地面的保温起着重要的作用。空气中的各种气态物质，也是由于自然过程和人类活动产生的，主要有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氧、氨、甲烷、甲醛、烃蒸气、恶臭气体等。大

8、气组成大气质量与大气污染一、大气的结构及组成二、大气污染三、大气环境质量控制标准四、大气污染控制的基本方法大气的结构及组成国际标准化组织(ISO)对此作出如下定义：“空气污染，通常是指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。” 大气污染大气的结构及组成大气污染是一个极其复杂的气象、物理和化学的变化过程，最终能否形成大气污染，主要取决于污染物在大气中的浓度和滞留时间。大气中含有的污染物的浓度愈高，停留时间愈长，污染就愈严重，对污染受体的危害也就越大。还与地理位置、地形特征、气象条件、以及排放源高度等因素有

9、关。 影响大气污染形成的主要因素大气的结构及组成大气污染源通常是指造成大气污染的污染物发生源，也就是排放有害物质或对大气产生有害影响的场所、设备和装置等。 大气污染物质产生于人类活动或自然过程，因此大气污染源为天然污染源与人为污染源两类。在大气污染控制工程中，主要的研究对象是人为污染源。1. 生活污染源生活污染源主要是生活中的炉灶、热水器、采暖锅炉等。2. 工业污染源工业污染源是大气污染的一个重要来源，主要包括工业用燃料燃烧及工业生产过程排放的废气，对大气的危害最严重。3. 农业污染源农业污染源包括施用某些有机氯农药和氮肥分解产生的氮氧化物，以及农用燃料燃烧的废气对大气的污染。此外，稻田释放的

10、甲烷，也会对大气造成污染。4.交通污染源交通污染源是指交通运输工具如汽车、摩托、飞机、火车及船舶等。大气污染源大气的结构及组成依据大气污染的影响范围，污染物的种类、性质，污染区域的气象条件，大气污染可划分为不同的分类。根据大气污染的影响范围，通常可划分为四种类型：（1）局部性大气污染。由某个污染源如工厂烟囱排放造成的较小范围的污染。（2）地区性污染。一些工业区及附近地区或整个城市的大气污染。（3）广域性污染。超过行政区域的广大地域的大气污染，如比一个城市更大区域范围区域灰霾、臭氧侵害。（4）全球性大气污染。某些超越国界乃至涉及整个地球大气层，具有全球性影响的大气污染，如大气汞污染、PM2.5、

11、温室效应、臭氧层破坏等。大气污染的类型 大气的结构及组成常规能源利用中排放的工业废气是引起的大气污染的主要原因。若按能源性质和污染物的种类也可将大气污染划分为四种类型：（1）煤烟型。主要由煤炭燃烧时排放的硫氧化物、烟尘，粉尘等造成的污染，以及这些污染物发生化学反应而生成的硫酸及其盐类所构成的气溶胶而形成的二次污染物。（2）石油型。在石油开采、冶炼，石化企业生产，石油制品使用（如汽车）中向大气排放的氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物等造成的污染。（3）混合型。大气污染物的排放具有煤烟型和石油型的综合特征，其污染源包括以煤碳为燃料的污染源，以石油为燃料的污染源，以及从工厂企业排出各种化学物质的污染源。

12、（4）特殊型。由工厂排放某些特殊的气态污染物所造成的局部或有限区域的污染，其污染特征由所排污染物决定。如核工业排放的放射性尘埃和废气，氯碱厂排放的含氯气体，以及生产磷肥的工厂排放的特殊含氟气体所造成的污染。 大气污染的类型 大气的结构及组成煤炭类和石油类燃料排放的废气进入大气，在一定的气象条件下，引起化学或光化学反应而生成具有强刺激性和毒性的复杂烟雾（光化学烟雾），形成二次污染。这种二次污染物形成的大气污染也可划分为两种类型： （1）氧化型大气污染(汽车尾气型)。这种类型的污染物主要来源于汽车排气中一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物，多发生在以使用石油为燃料的地区。（2）还原型大气污染(煤炭型)。

13、这种类型的污染物主要来源于煤炭燃烧排气中的烟尘、二氧化硫和一氧化碳，多发生于煤炭和石油混合使用的地区。从发展趋势来看，由于汽车数量逐年增加以及燃料的更换（煤消耗的减少），目前北上广等各大城市氧化型大气污染以及占了主导地位，应当引起高度重视。大气污染的类型 大气的结构及组成我国的能源消费以煤炭和石油为主，且大部分直接燃烧，大气污染物主要是SO2、NOX、颗粒物和O3。我国大部分地区的大气污染特征属于煤烟型。但随着经济持续高速发展，石油、天然气等非煤能源使用快速增加，东南部及沿海发达城市的大气污染的特征属于氧化型。目前，由于我国能源利用方式相对落后、能耗高，利用率低、低空排放，以及城市畸形发展，人

14、口、经济、交通过分集中，是世界上大气污染状况比较严重的国家之一，城市大气污染尤为突出。北方城市的污染水平高于南方城市，冬季高于夏季，早晚高于中午（但光化学污染除外）。我国的大气概况和特点大气的结构及组成大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的物质。随着经济和环境保护的发展，大气污染物的名单越来越长。目前已经认定的约有100种。进入大气的污染物的种类很多，根据大气污染物的存在的形态可分为气溶胶态污染物和气态污染物两大类。一、气溶胶态污染物气溶胶是指沉降速度可以忽略的固体或液体颗粒在气体介质中的悬浮体。按气溶胶产生的来源和存在的相态，以及物理化学特性等条件，气溶胶可

15、以细分为10多种类型。这里，从大气污染控制的角度，将气溶胶态污染物分为以下三种形式。（1）粉尘(dust)。指分散悬浮于气体介质中的较小固体颗粒，尺寸为1200m。大气污染物大气的结构及组成（2）烟尘。指气溶胶态物系中由燃烧、冶金过程形成的细微颗粒物，通常包括三种类型：烟炱(fume)，在冶金过程中形成的固体粒子的气溶胶。它是熔融物质的挥发过程产生的气态物质的冷凝物，在生成过程中总是伴有诸如氧化之类的化学反应。烟的粒径非常微小，一般小于1m。如金属铝、锌、铅的冶炼过程中，在高温熔融状态下，这些物质能够迅速挥发，并氧化生成氧化铝、氧化锌和氧化铅等烟尘；飞灰(flash)，燃料燃烧中产生的呈悬浮状

16、的非常分散的细小灰粒，包括燃料完全燃烧和不完全燃烧后残留的固体残渣，尺寸一般小于10m，主要在炉窑中产生，尤以粉煤为燃料燃烧时排出的飞灰比较多；黑烟(smoke)，燃烧产生的能见气溶胶。主要是化石燃料燃烧时，在高温缺氧条件下，烃类物质热分解生成的碳黑颗粒，粒径尺寸一般为0.011m。（3）雾(fog)。大气中微小液体颗粒悬浮体的总称，泛指蒸气凝结、液体雾化和化学反应而形成的液滴，如水雾、油雾、酸雾、碱雾等，粒径尺寸小于100m。在气象学中则是指造成能见度小于lkm的小水滴悬浮体。悬浮于大气中的固态和液态气溶胶态污染物的粒径尺寸通常小于500m，大于100m的颗粒易于沉降，对大气造成的危害较小。

17、在大气污染控制中，对小于100m的气溶胶固体颗粒物，又分为细颗粒物，粒径小于l0m的固体颗粒物（PM10、PM2.5），它的粒度小，质量轻，不易沉降而能长期飘浮于空气中；降尘，粒径大于l0m的固体颗粒物，靠重力作用，能在较短时间内沉降到地表面上；总悬浮微粒(TSP)，粒径小于l00m的所有固体颗粒物。大气污染物大气的结构及组成二、气态污染物气态污染物在大气中以分子状态形式存在。依据与污染源的关系，可将污染物分为一次污染物和二次污染物。主要的一次污染物有：硫化合物、氮化合物、碳氧化合物、碳氢化合物，以及某些行业排放的氧化剂如臭氧、氟化物等，二次污染物有光化学烟雾、硫酸烟雾等。通常，二次污染物对环

18、境的危害比一次污染物更大。（1）含硫化合物。主要指S02、S03和H2S等，其中S02的来源广、数量最大，是影响和破坏全世界范围大气质量的最主要的气态污染物，尤其在燃用高硫煤的地区。含硫化合物是造成二次污染硫酸烟雾的主要物质，并参与了酸雨的形成。（2）含氮化合物。大气污染物中含氮化合物种类很多，如N0、N02、N20（一氧化二氮）、N203（三氧化二氮），以及NH3(氨)、HCN(氰化物)等，通常用符号N0X 表示这些氮氧化物。其中造成大气污染的N0X主要是N0和N02。N0X主要来源于化石燃料的燃烧，大约83%的N0X是由燃料的燃烧而产生的。大气污染物大气的结构及组成（3）碳氧化合物。污染大

19、气的碳氧化合物主要有两种物质，即CO和CO2。CO和CO2是各种大气污染物中排放量最大的污染物之一，既来源于人工污染源，也来源于天然污染源。化石燃料的燃烧排放是主要的人工污染源，当燃料完全燃烧时形成CO2；在缺氧条件下的不完全燃烧则形成CO。全世界CO每年排放量约为2.10108t，排放量为大气污染物之首，主要来源于燃料的燃烧和汽车尾气。虽然CO氧化成CO2的速率很慢，但多年来地球上CO的浓度并未持续增加，始终保持在大气本底浓度大约为0.110-6 m3m3的水平，这表明自然界肯定存在着抑制CO增长的机制，如土壤微生物的代谢作用和HO自由基的氧化作用能将CO转化为CO2。 （4）碳氢化合物。大

20、气中的碳氢化合物(HC)通常是指可挥发的各种有机烃类化合物，由碳和氢两种元素组成，如烷烃、烯烃和芳烃等。大气中的碳氢化合物大部分来自于植物的分解，人工来源主要是石油燃料的不完全燃烧和石油类物质的蒸发，危害在于碳氢化合物和氮氧化合物的共同作用会形成光化学烟雾。大气污染物大气的结构及组成（5）卤素化合物。对大气构成污染的卤素化合物，主要是含氯化合物及含氟化合物，如HCl、HF、SiF4等。其来源比较广泛，钢铁工业、石油化工、农药制造、化肥工业等工矿企业的生产过程中都有可能排放卤素化合物。虽然这些氟氯烃类气体排放数量不多，但对局部地区的植物生长具有很大的伤害；同时，它也是破坏臭氧层的主要成分之一。（

21、6）硫酸烟雾。硫酸烟雾是大气中的SO2等含硫化合物，在有水雾、颗粒气溶胶、以及氮氧化合物存在时，在一定的气象条件下，发生一系列化学或光化学反应而形成的硫酸雾或硫酸盐气溶胶。（7）光化学烟雾。在阳光紫外线照射下，大气中的氮氧化物、碳氢化合物和氧化剂之间发生一系列光化学反应而生成的淡蓝色(有时呈紫色或黄褐色)二次污染物，即光化学烟雾，其主要成分是臭氧、过氧乙酰基硝酸酯(PAN)、醛类及酮类等。光化学烟雾的危害非常大，如具有特殊的呛人气味，刺激眼睛和喉粘膜，造成呼吸困难，使植物叶片变黄甚至枯萎等。 大气污染物大气质量与大气污染一、大气的结构及组成二、大气污染三、大气环境质量控制标准四、大气污染控制的

22、基本方法大气的结构及组成大气环境标准是为了维护生态平衡，保护人体健康，控制和改善大气质量，制定的大气环境中污染物的最大容许含量和污染源排放污染物的数量及浓度的技术规范，按用途可分为大气环境质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准、大气污染警报标准等。大气环境质量控制标准大气的结构及组成大气环境质量标准是大气环境中污染物质的最大容许浓度的法定限制。它是环境管理的目标和手段，是评价大气环境质量，制定大气污染排放标准和防治大气污染规划的依据。标准制定的原则首先是为保障人体健康和维护生态系统平衡，其次要考虑平衡实现标准的经济代价和所取得的环境效益之间的关系，以及不同区域功能、生态结构和技术经

23、济水平等的差异性。标准还规定了各项污染的监测分析方法。大气环境质量标准环境空气质量标准 GB 3095-2012环境空气质量标准 GB 3095-20122616年环境空气质量状况SO2NO2PM10PM2.5O3-8hCO20140.0250.0460.0660.0430.1741.720150.0160.040.0560.040.1621.620160.0120.040.0540.0340.1641.4增幅（同比15年）-25%0%-3.6%-15%1.2%-12.5% 优良天数比例为83.6%，较2015年上升了2.1%；重污染天数为1天，较2015年减少1天；2016年重污染天主要污染

24、为O3，而2015年为PM2.5；O3依然为超标天数最多的污染物，其次为NO2，而2015年PM2.5（30天）超标天数多于NO2（16天）； O3超标天数与2015年保持不变，PM2.5污染改善幅度巨大，PM10改善幅度较小，NO2污染有所反弹。2716年环境空气质量状况SO2NO2PM10PM2.5O3-8hCO20140.0190.0420.0600.0450.1881.420150.0140.0340.0510.0360.1721.220160.0110.0340.0490.0350.1661.3增幅（同比15年）-21.4%0%-3.9%-2.8%-3.5%8.3% 优良天数比例为8

25、7.4%，较2015年上升了2.8%；重污染天数为1天，首要污染物为O3，与2015年持平；O3依然为超标天数最多的污染物（高达74%），其次为PM2.5；提高优良天数的比例关键是降低O3日最大8小时超标率。 O3超标天数较2015年下降5天，改善幅度较大，PM2.5、PM10均有所改善，CO有所反弹间接反应了机动车排放污染的分担率进一步增加。颗粒物-臭氧协同控制空气质量分阶段达标策略顺德区空气质量分阶段达标污染控制策略东莞市空气质量分阶段达标污染控制策略目标年空气质量目标及控制策略2017空气质量目标1.SO2，CO和NO2年均浓度达标 ；2. PM10年均浓度达标，且年均浓度与2012年相

26、比下降10%，不高于56g/m3；3. PM2.5年均浓度与2012年相比下降20%，不高于38g/m3；4. O3污染得到有效控制，且比往年保持持续下降的趋势。污染物减排率SO2:24.59%、NO2：24.99%PM2.5：21.60%、PM10：24.42%VOCs：22.74%、CO：19.96%2020空气质量目标1、PM2.5年均浓度达标；2、NO2、PM10年均浓度稳定达标，且较2017年持续下降；3、O3全年日最大8小时平均浓度第90位百分数达标。污染物减排率SO2:54.89%、NO2：42.87%PM2.5：48.05%、PM10：51.52%VOCs：46.79%、CO：

27、42.15%2025空气质量目标1、SO2、CO、NO2、PM2.5、PM10年均浓度稳定达标；2、PM2.5、PM10年均浓度较2020年持续下降；3、O3达标率进一步提高。污染物减排率SO2:51.56%、NO2：37.94%PM2.5：62.54%、PM10：56.84%VOCs：77.41%、CO：38.46%目标年空气质量目标及控制策略2017空气质量目标1. SO2，CO，NO2，PM2.5年均浓度达到国家二级标准；2. PM10年均浓度达标，且年均浓度与2012年相比下降10%，不高于55g/m3；3. O3污染得到有效控制。污染物减排率SO2:37.79%、NO2：18.43%

28、PM2.5：39.25%、PM10：20.50%VOCs：12.17%、CO：22.60%2020空气质量目标1、PM2.5年均浓度达标；2、NO2、PM10年均浓度稳定达标，且较2017年持续下降；3、O3污染形势得到显著改善，除不利气象条件外实现达标。污染物减排率SO2:53.63%、NO2：24.99%PM2.5：53.40%、PM10：50.21%VOCs：50%、CO：29.71%2025空气质量目标1、SO2、CO、NO2、PM2.5、PM10年均浓度稳定达标；2、PM2.5、PM10年均浓度较2020年持续下降；3、O3全年日最大8小时平均浓度第90位百分数达标。污染物减排率SO

29、2:76.12%、NO2：40.29%PM2.5：71.15%、PM10：76.19%VOCs：68.33%、CO：25.25%大气的结构及组成为了保证实现大气环境质量标准的指标，必须对污染物的排放进行控制，制定污染物的排放标准，其制定原则与大气环境质量标准相同。我国最新制定和目前仍在执行的大气污染物排放标准有：电子玻璃工业大气污染物排放标准 GB 29495-2013；炼焦化学工业污染物排放标准 GB 16171-2012；电池工业污染物排放标准 GB 30484-2013；轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段） GB 18352.5-2013；铁合金工业污染物排放标准 GB 28

30、666-2012；轧钢工业大气污染物排放标准 GB 28665-2012 等大气污染物排放标准大气质量与大气污染一、大气的结构及组成二、大气污染三、大气环境质量控制标准四、大气污染控制的基本方法大气的结构及组成废气排放控制系统：1.污染物的捕集2.颗粒污染物的控制3.气态污染物的控制4.污染物稀释法的控制大气污染控制的基本方法颗粒污染物控制一、除尘技术基础二、重力沉降三、旋风除尘四、静电除尘五、袋式除尘六、湿式除尘除尘技术基础颗粒污染物的治理通常采用除尘技术。除尘技术是应用各种除尘装置捕集分离气溶胶中的固态颗粒。为了深入理解各种除尘机理，首先应了解颗粒污染物的各种物理性质，才能提高除尘的效果，

31、正确掌握除尘系统的设计、选择和运行操作。气溶胶中包含固体颗粒和液体颗粒。根据除尘技术的需要，这里只介绍固体颗粒的主要性质。考虑到一般工程技术中的习惯，用“粉尘”一词泛指固体颗粒。 颗粒污染物的物理性质除尘技术基础1. 几何特性颗粒污染物的几何特性包括粉尘的粒径、形状、比表面积等。1）粒径。粉尘粒子的粒径一般分为代表粒子群中各单个粒子大小的单一粒径和代表由不同大小粒子组成的粒子群的平均粒径，单位一般以m表示。 （1）单一粒径。按不同的测定方法，如投影法、筛分法、沉降法等，有不同的定义及表示方法，除尘技术中常用的粒径有： 定向粒径dF，也称菲雷特(Feret)直径，为各粒子平面投影图中同一方向上的

32、最大投影距离。 斯托克斯粒径ds，系与被测粒子密度相同、终末沉降速度相等的球的直径。粒子雷诺数Re1时，按斯托克斯(Stokes)定律可得： （61）式中 流体的动力粘度，Pas； vs粒子在重力场中的终末沉降速度，m/s； p及粒子及流体的密度，kgm3。空气动力学粒径da，系在空气中与被测粒子的沉降速度相等的单位密度(p1gcm3)的球的直径。单位为微米(空气)，记为mA，计算式为，式中p单位为gcm3。 分割粒径dc，也称临界粒径，为某除尘器的分级效率为50时的粒径。颗粒污染物的物理性质除尘技术基础（2）平均粒径。如果由形状和大小各异的粒子组成的实际粒子群与由均一的球形粒子组成的假想粒子

33、群具有相同的某一物理性质，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。平均粒径的计算方法有多种，如长度平均粒径(算术平均粒径)dlnd/n；体积平均粒径dv(nd3/n)1/3；质量平均粒径dmnd4/nd3等，式中d为实际粒子群中不同粒子的粒径，n为相应不同粒径的粒子个数。粒径的计算方法应根据粉尘的理化性质和装置的任务来确定。 2）粒径分布。某一粒子群中不同粒径的粒子所占比例称为粒径分布，即指粒子的分散度。粒径分布有粒数分布或质量分布，前者为粒子的个数百分数，后者用粒子的质量分数来表示。粒径分布的表示方法有表格法、图形法和函数法，常用的数学函数法有正态分布函数、对数分布函数、罗辛拉姆勒（Ro

34、sin-Rammler）分布函数。除尘技术中多采用质量分布，通常有频率分布、频度分布以及筛上累积频率分布三种： 颗粒污染物的物理性质除尘技术基础颗粒污染物的物理性质除尘技术基础 筛上累计分布和筛下累计分布相等(RsRx 50)时的粒径d50称为中位径，也是除尘技术中常用的一种表示粉尘粒径分布特性的方法。频度分布f可用微分式表示，累计分布R可用积分式表示。 以上三种粒径分布均可根据计算结果绘出频率（或频度）分布的直方图，并按照各组粒径间隔的平均粒径值，可以得到一条光滑的分布曲线。2）形状。大多数粒子实际上是不规则形状，在测定粒径及研究粒子在流体中的运动时，通常把粒子假定为球形，因此出现理论计算与

35、实际现象不符。3）比表面积。单位体积或质量的粉尘具有的总表面积称为粉尘的比表面积，单位为m2/m3或m2/kg。比表面表示粉尘粒子群总体的细度，通常影响粉尘的润湿性和粘附性，用于研究通过粉尘层的流体阻力以及化学反应、传质、传热等现象。粉尘粒子越细，比表面积越大，其物理和化学活性越显著，通过颗粒层的流体阻力也随之增大。颗粒污染物的物理性质除尘技术基础 2. 密度单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，单位为kg/m3。粉尘在不同的产生情况和实验条件具有不同的密度值，因此粉尘的密度分为真密度和堆积密度。粉尘的真密度是指将吸附在粉尘粒子凹凸表面、内部空隙以及粒子之间的空气排除以后测得颗粒自身的密度，用符号

36、p表示；堆积密度是指包括粉尘粒子内部空隙和粉体粒子之间气体空间在内的粉体密度，用符号b表示。粉尘的真密度与堆积密度之间存在如下关系： （66）式中，为空隙率，是指粉尘之间的空隙体积与包含空隙和粉体在内的总体积之比。可见，对同一种粉尘而言，bp。如硅酸盐水泥尘（0.791m），其p3.12 kg/cm3，b1.50 kg/cm3；煤燃烧产生的飞灰粒子（0.75.6m），其p2.20 kg/cm3，b1.07 kg/cm3。 对一定种类的粉尘，p为定值，而b则随而变化。值与粉尘种类、粒径、充填方式等因素有关。粉尘越细，吸附的空气就越多，则值愈大；在挤压或振动过程中充填，值减小。 粉尘的真密度应用于

37、研究粉尘粒在废气中的运动以及除尘方式的选择，而堆积密度则用在灰斗容积或仓储的确定等方面。 颗粒污染物的物理性质除尘技术基础 3. 粘附性粉尘粒子附着在固体表面上或它们之间相互凝聚的可能性称为粉尘的粘附性。从微观上看，粉尘之间产生的各种粘附力主要有分子力（范德华力）、毛细力和静电力(库仑力)。通常，颗粒细小、表面粗糙且形状不规则、含水量高且润湿性好、含尘浓度高和荷电量大的粉尘，其粘附力增大。此外，粉尘粘附现象还与容器壁面粗糙度、周围介质性质及粉尘的气流运动状况有关，如在光滑无可溶性和粘性物质的固体表面上和低速气流中运动的粉尘粒子不易粘附，而在气体中的尘粒粘附要比液体中强得多。粉尘由于粘性力的的作

38、用，在相互碰撞中会导致尘粒的凝聚变大，有助于提高对粉尘的捕集。由于电除尘器或袋式除尘器的除尘效率在很大程度上依赖于收尘极或滤料上捕集粉尘的能力，因此粘性力的影响尤为突出。但在除尘设备或含尘气流管道中，粉尘粘附在器壁上会造成装置和管道的堵塞或引起故障，需要加以防范。颗粒污染物的物理性质除尘技术基础 4. 润湿性 粉尘粒子与液体相互附着或附着难易程度称为粉尘的润湿性。粉尘的润湿性取决于液体分子的表面张力，表面张力越小的液体对粉尘的浸润性越强。例如，水的表面张力比酒精或煤油大，其对粉尘的浸润就较差。因此，各种粉尘对液体具有不同的亲和程度，当尘粒与液滴接触时，如果能扩大接触面而相互附着的粉尘称为亲水性

39、粉尘，反之，接触面趋于缩小而不能相互附着的粉尘则称为疏水性粉尘。粒尘的润湿性还与粉尘的粒径大小、理化性质及所处状态等因素有关。例如，石英的亲水性好，但粉碎成粉末后亲水能力就大为降低。一般来说，小于5m尤其是1m以下的尘粒就难以被水润湿。这是由于细粉的比表面积大，对气体有很强的吸附作用，表面存在着一层气膜，只有当在尘粒与水滴之间以较高的相对速度运动而冲破气膜时，才会相互附着。此外，粉尘的润湿性还随液体表面张力增大而减小，随温度降低而增大，随压力升高而增强。各种湿式技术中，粉尘的浸润性是选择除尘设备的主要依据之一。对于疏水性粉尘可加入某些浸润剂(如皂角素等)，以减少固液之间的表面张力，增加粉尘的亲

40、水性。对于某些遇水易形成不溶于水的硬垢的粉尘，如水泥、石灰、白云石砂等，会造成设备和管道结垢或堵塞，故不宜采用湿式除尘技术。颗粒污染物的物理性质除尘技术基础 5. 电性粉尘的电性主要有粉尘的荷电性及比电阻。（1）荷电性。粉尘在其产生和运动过程中，由于碰撞、摩擦、放射线照射、电晕放电以及接触带电体等原因带有一定的电荷称为粉尘的荷电性。其中，有些粉尘带负电荷，有些带正电荷，还有一些不带电荷。粉尘荷电后，某些物理性质，如凝聚性、附着性及在气体中的稳定性等将发生改变，并增加对人体的危害。粉尘随着比表面积增大、含水量减少及温度升高，其荷电量增加。（2）比电阻。粉尘的比电阻表现粉尘的导电性能，其表示方法和

41、金属导线相同，也用电阻率来表示，单位为cm。粉尘的比电阻除取决于它的化学成分外，还与测定条件有关，如温度、湿度以及粉尘的粒度和松散度等，仅是一种可以相互比较的表观电阻率。粉尘的比电阻包括容积比电阻和表面比电阻：容积比电阻为粉尘依靠其内部的电子或离子进行的颗粒本体的容积导电；表面比电阻为粉尘依靠其表面因吸附水分或其他化学物质而形成的化学膜进行表面导电。对于电阻率高的粉尘，在较高温度(200)时，以容积导电为主；在较低温度(100)时，表面导电占主导地位；在中间温度范围内，粉尘的比电阻是两种比电阻的合成，其值最高。比电阻是粉尘的重要特性之一，对电除尘器性能有重要影响。颗粒污染物的物理性质除尘技术基

42、础 6. 爆炸性可燃物形成粉尘(如硫矿粉、煤尘等)后，由于总表面积增加，粉体的表面自由能相应增加，从而提高了粉尘的化学活性。当粉尘达到自燃温度时，在一定的条件下会转化为燃烧状态。如果在封闭空间内，可燃性悬浮粉尘的剧烈氧化燃烧会在瞬间产生大量的热量和燃烧产物，当粉尘的放热反应速度超过系统的排热速度，将在空间内造成很高的压力和温度，形成化学爆炸。可燃性粉尘的的浓度只是在一定的范围内才会发生爆炸，这一浓度称为爆炸极限。能发生爆炸的粉尘最低浓度称为爆炸下限，而其最高浓度称为爆炸上限。低于爆炸下限或高于爆炸上限时的粉尘无爆炸危险，处于两者之间的粉尘均属于爆炸危险性粉尘。除尘装置中通常只需考虑爆炸下限，因

43、为一般粉尘的爆炸上限值很大，多数场合下难以达到。 影响粉尘自燃和爆炸的因素很多。一般颗粒细小、分散度高、惰性尘粒(不燃尘粒)少、湿度低以及含有挥发性可燃气体的粉尘，其自燃和爆炸的可能性增大。此外，有些粉尘(如镁粉、碳化钙粉尘)与水接触后会引起自然爆炸，对于这种粉尘不能采用湿式除尘方法，还有一些粉尘互相接触或混合后（如溴与磷、锌粉与镁粉）也会发生爆炸。对于有爆炸和火灾危险的粉尘，在进行除尘设计时，必须充分考虑粉尘自燃和爆炸性能，并对爆炸危险性粉尘采取必要的防范措施。颗粒污染物的物理性质除尘技术基础 7. 安息角粉尘通过小孔连续落到水平板上，堆积成的锥体母线与水平面小于90的夹角称为粉尘的安息角，

44、也叫静止角或堆积角。安息角是粉尘的动力特性之一，用于评价粉尘的流动特性。安息角愈小，粉尘的流动性愈好，多数粉尘的安息角的平均值在35左右。一般情况，粒径大、表面光滑、接近球形、湿度低及粘性小的粉尘，其安息角减小。粉尘的安息角是设计除尘设备灰斗及管道倾斜度的主要依据。 颗粒污染物的物理性质除尘技术基础除尘装置捕集效率表示除尘技术基础除尘技术基础除尘装置捕集效率表示颗粒污染物控制一、除尘技术基础二、重力沉降三、旋风除尘四、静电除尘五、袋式除尘六、湿式除尘重力沉降重力沉降是利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理，将颗粒污染物与气体分离的过程。特点是结构简单，造价低，便于维护管理，阻力小，且可

45、以处理高温气体，但是效率低，一般只能去除50微米以上的颗粒。因此，重力沉降室主要作为高效除尘器的预处理。重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降室的设计步骤是：首先根据粉尘的真密度和该沉降室应能捕集的最小尘粒的粒径计算出沉降速度vs，再选取室内气速vo和沉降高度H(或宽度B)，最后确定沉降室的长度L和宽度B(或高度H)。重力沉降室一般能捕集4050m以上而不宜捕集20m以下的尘粒。它的除尘效率低，一般仅为40-70，且设备庞大。但阻力损失小，p50150Pa，且结构简单，投资少，使用方便，维护管理容易，适用于颗粒粗、净化密度大、磨损强的粉尘。一般作为多级净化系统的预处理。 颗粒污染物控制一、除尘技术基

46、础二、重力沉降三、旋风除尘四、静电除尘五、袋式除尘六、湿式除尘旋风除尘旋风除尘器是利用旋转气流的离心力使粉尘从含尘气流中分离的装置。旋风除尘器的结构简单，运行方便，效率适中(8090)，阻力约1000Pa左右，适于净化密度较大、粒度较粗（10m）的非纤维性粉尘，应用最为广泛。旋风除尘器一般由筒体和锥体，进气管和排气管及密封灰斗组成。由进气口切向进入的含尘气流沿筒体内壁从上向下做旋转运动，到达锥体底部的回流区后转而向上，在中心区旋转上升，最后经排气管向外排出。一般将沿外圈向下旋转的气流称为外旋流，而将中心旋转向上的气流称为内旋流，两者的旋转方向相同。由于实际气体具有粘性，外旋流是旋转向下的准自由

47、涡流，同时有向心的径向运动；内旋流是旋转向上的强制涡流，同时有离心的径向运动。旋转气流中的尘粒依靠离心力向外移动，达到筒体内壁后在气流和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗。 旋风除尘旋风除尘式(623)与式(621)具有相同的形式，仅以离心加速度v2/r代替式(620)中的重力加速度g。由(623)可知，vrs除了与粒径和含尘气流温度有关外，还受气流的旋转速度和旋转半径的影响。气流的旋转速度越高，旋转半径越小，其终末离心沉降速度vrs越大，愈能分离细小的尘粒。旋风除尘器的颗粒分离机理有多种解释：假想圆筒理论，认为内、外旋流的分界面附近有一假想圆筒，内旋流中的粒子易被排出气流带走，外旋流中的粒子易

48、被捕集；转圈理论，认为粒子在随气流旋转下降到底部前，如果能碰到筒壁，则认为粒子能被分离；湍流径向返混理论，认为气体的湍流混合、对粒子的阻力、粒子反弹及二次飞扬等作用，使旋风除尘器的任一水平横截面上，未捕集的粒子迅速处于连续均匀分布。旋转气流中的粒子受到方向相反的两个力离心力Fc和阻力Fd的共同作用。在内外旋流的分界面上，外旋流的切向速度v最大，粒子在此处所受离心力Fc也最大，当FcFd，粒子移向外旋流而被捕集；FcFd，则粒子向内旋流移动而被气流带走。旋风除尘二、旋风除尘器的分离性能（一）颗粒的分离直径（二）捕集效率（三）捕集效率的影响因素三、旋风除尘器的分类与选型四、旋风除尘器的设计（了解）

49、颗粒污染物控制一、除尘技术基础二、重力沉降三、旋风除尘四、静电除尘五、袋式除尘六、湿式除尘静电除尘以静电分离作为除尘的机理，利用高压电场使尘粒荷电，在电场力的作用下使粉尘与气流分离的装置。有干法清灰和湿法清灰两种型式。其特点是除尘效率高(特别是湿法清灰)，流动阻力小，能耗低，但消耗钢材多，投资高。 一、静电除尘的基本原理电除尘器是利用静电分离原理使粉尘从气体中分离的装置。它能分离粒径为lm左右的细尘粒，除尘效率高(99)，阻力小(200500Pa)，处理烟气量大(30300m3/s)，适用于高温或腐蚀性气体，所以广泛地应用在各种工业部门。电除尘器的除尘过程分为高压电场的电晕放电，尘粒与电子和自

50、由碰撞后的粒子荷电，粒子在电场力的作用下向集尘极运动的粒子沉降，以及粒子清除4个阶段。 静电除尘按集尘极的形状，电除尘器可分为管式和板式2种，如图6-4所示。管式电除尘器的集尘极一般为多根并列的金属圆管或六角形管，适用于气体量较小的情况。板式电除尘器采用各种断面形状的平行钢板作集尘极，可从几平方米到几百平方米，极间均布电晕线，处理气体量很大。根据粒子荷电和集尘的空间位置，电除尘器有单区和双区两种布置方式，如图6-5所示。单区电除尘器是荷电和集尘在同一空间区域，多用于锅炉及其他工业除尘；双区电除尘器则是荷电和集尘先后在两个电场空间内进行，常用于空气调节等粉尘浓度很低的空气净化，而且使用阳极电晕。

51、 静电除尘电晕放电效果与电压有关。当电压较低时，不足以使自由电子获得高速运动的能量，因此难以撞击气体分子使之电离而实现电晕放电。当达到起晕电压U0后，一般为20kV，产生电晕放电，电晕电流I呈抛物线上升。随着电压的增大，空气电离即电晕放电的范围逐渐扩大。若电压高到一定值，一般高于60kV，达到击穿电压Us后，I急剧上升，会使两极间的空气全部电离，整个电场被击穿，发生弧光放电，电路短路，烧坏电极或供电设备。电除尘器的电晕电流与电压的关系如图图6-6所示。实践表明，负电晕电流高于同一电压下的正电晕电流，而且负电晕击穿电压高于正电晕，因此负电晕稳定性好，对除尘有利。影响电晕放电的因素有气体的成分、温

52、度、压力和电极的形状、尺寸、积灰状况，以及粉尘特性等。 静电除尘二、静电除尘器的分类与结构（一）静电除尘器的分类除尘器类型双区电除尘器通风空气的净化和某些轻工业部门单区电除尘器控制各种工艺尾气和燃烧烟气污染管式电除尘器用于气体流量小，含雾滴气体，或需要用水洗刷电极的场合板式电除尘器为工业上应用的主要型式，气体处理量一般为25一50m3/s以上（二）静电除尘器的结构电除尘器主要由放电极、集尘极、气流分布装置、清灰装置、供电设备等组成。放电极应有起晕电压低、电晕电流大等良好的放电性能，足够的机械强度和耐腐蚀性，且容易清灰。电晕线有多种形状，常见的有圆形、星形、芒刺形等，如图4-16所示。集尘极要有

53、利于尘粒沉积，清灰方便，振打时再次飞扬少，有足够的刚性，金属消耗低(占金属总消耗量的3050)，制造方便等。板式集尘极一般有平板式、箱式和型板式，平板式刚度较差，清灰时二次飞扬严重；箱式目前已很少采用；型板两侧设有沟槽或档板以增大刚度，同时避免直接冲刷板面，防止二次扬尘，目前应用最多。极板的厚度为1.22.0mm，板间距为220300mm。静电除尘静电除尘为了提高除尘效率，要求气流均匀进入除尘器电场。一般在除尘器电场之前设置13块开有圆孔或方孔的气流分布孔板，也可采用格栅式分布板等。 电极清灰装置是为了避免极板上粉尘沉积较厚时电晕电流的减小，使除尘效率降低。清灰方式有干式和湿式两种。板式电除尘

54、器常采用干式清灰，清灰是用机械撞击（跌落振打或锤击振打）或电极振动使灰尘脱离极板，振打时存在二次扬尘等问题。振打要有合适的振打强度和频率，通常在运行中调节确定。管式电除尘器常采用湿式清灰，它是利用喷雾或溢流水等方式在集尘极表面保持一层水膜，粉尘随水膜流动而冲走，避免了二次飞扬，提高除尘效率。但存在极板腐蚀和污水、污泥处理问题。 电除尘器的供电设备应能提供足够高的电压并具有足够的功率，操作稳定。目前多采用可控硅控制和火花跟踪自动调压的高压硅整流设备，可以把除尘器的功率输入稳定在可能达到的最大值，从而保持高的除尘效率。 静电除尘静电除尘影响电除尘器捕集效率的因素，主要有气体的性质和状态、粉尘特性、

55、电极形状和尺寸及供电参数等。（1）气体性质。对电子亲和力高的负电性气体如O2和SO2，以及与高速电子碰撞时易电离出一个氧原子的气体如CO2和HO2(蒸汽)，能很快俘获电子，形成稳定的负离子。而非负电性气体如N2，不能形成负离子。此外，电场中迁移速率较低的离子，如SO2气体离子，具有较高的击穿电压。因此，气体中有负电性和低离子迁移率的气体存在，可施加更高的电压，即更强的电场，则提高尘粒的驱进速度，即提高捕集效率。（2）气体的工作状态。气体的压力降低或温度升高，气体密度小，分子平均自由程增大，有利于电子加速到气体电离的速度，可降低起晕电压，改善除尘器的工作性能。静电除尘（3）粉尘比电阻。粉尘正常工

56、作的比电阻范围一般为10421010cm。粉尘到达集尘极之后，会以适当的速度放出电荷。若比电阻小于104cm，带负电的尘粒到达集尘极后，会立刻放出电荷，失去极板对其产生的吸引力，容易产生粉尘的二次飞扬。若比电阻大于21010cm，粉尘沉积到集尘极表面后，不能完全释放电荷，易形成与集尘极电性相反的带负电的粉尘层，排斥随后到来的带电尘粒，阻止其沉积。此外，若带电粉尘层出现裂缝时，该处还会形成局部的高场强电场，使裂缝内的空气电离，产生局部电晕放电，即反电晕。电离产生的正离子要向负极(电晕极)移动，运动时与荷负电尘粒碰撞中和，使除尘效率大为降低。气体温度与湿度对微粒比电阻有重要的影响。如锅炉飞灰，温度

57、小于250范围，粉尘的比电阻随温度的升高而增加。因为低温时尘粒吸附的水蒸气多，导电性能好，故比电阻低。温度升高后，尘粒吸附的水蒸气蒸发，比电阻逐渐增加。同理，烟气含湿量增加，粉尘的比电阻下降，当温度大于250后，比电阻基本不受烟气含湿量的影响。静电除尘（4）粒径。dp 1.0m以后，随着粒径增大，荷电量q显著增加，q的增幅大于dp的增大，因此驱进速度提高，除尘效率迅速增加。（5）粉尘浓度。进口气体含尘浓度较低时，捕集效率随粉尘浓度增加会有所提高。但进口浓度过高，电场中的气体离子大量沉积到尘粒上，由于荷电尘粒的运动速度远比气体离子运动速度小，所以电流减弱，除尘效率下降。（6）供电参数。通常，随着

58、极间电压升高，电晕功率和电流急剧增大，因此除尘效率随电晕功率而增加。静电除尘四、静电除尘器的设计电除尘器的选择和设计： 电除尘器的选择和设计仍然主要采用经验公式类比方法 比集尘表面积的确定 根据运行和设计经验，确定有效驱进速度e按德意希方程求得比集尘表面积A/Q长高比的确定集尘板有效长度与高度之比，直接影响振打清灰时二次扬尘的多少要求除尘效率大于99%时，除尘器的长高比至少要1.01.5。 气流速度的确定通常由处理烟气量和电除尘器过气断面积，计算烟气的平均流速平均流速高于某一临界速度时，作用在粒子上的空气动力学阻力会迅速增加，粉尘的重新进入量亦迅速增加气体的含尘浓度如果气体含尘浓度很高，电场内尘粒的空间电荷很高，易发生电晕闭塞应对措施提高工作电压，采用放电强烈的芒剌型电晕极，电除尘器前增设预净化设备等电除尘器的辅助设计因素 （一）平板式除尘器设计程序：通道数 通道横断面积 处理气量 处理时间（二）管式除尘器设计程序：圆筒个数 通道横断面积 处理气量 处理时间 颗粒污染物控制一、除尘技术基础二、重力沉降三、旋风除尘四、静电除尘五、袋式除尘六、湿式除尘袋式除尘利用含尘气流通过滤材或滤层使粉尘分离和捕集的装置称为过滤式除尘器，一般可分表面过滤器和内部过滤器。表面过滤是采用多孔织物（棉、毛或人造纤维）等薄层滤料进行微粒的捕集，又称袋式过滤器。内部过滤则是把松散