颗粒物捕集理论基础

颗粒物捕集理论基础第一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五1教学内容§1粉尘的粒径及粒径分布§2粉尘的物理性质§3净化装置的性能§4颗粒捕集理论基础第5章颗粒污染物控制技术基础第二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五21、教学要求要求理解和掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性质、评价净化装置性能的技术指标以及颗粒物捕集的动力学理论基础。2、教学重点要求了解除尘技术的理论基础，掌握颗粒污染物的性质。3、教学难点除尘技术的理论基础以及颗粒物捕集的动力学理论基础。第5章颗粒污染物控制技术基础第三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五3空气污染物的性质和存在状态不同，其净化机理、方法及所选用的装置也各不相同。空气污染物分为气溶胶（颗粒物）污染物和气态污染物。以后各章将介绍颗粒物的处理方法。气溶胶（AEROPAL）是非均相污染物，主要污染物是分散于气体介质中的颗粒物（固体、液体），可用除尘技术把粒状物从气体介质中分离出来，分离方法一般采用物理法。依据：气、固、液体粒子在物理性质上的差异将其分离。第5章颗粒污染物控制技术基础第四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五4第5章颗粒污染物控制技术基础机械法：利用重力、惯性力、离心力分离。过滤介质分离：利用粒子的尺寸、重量较气体分子大分离。湿式洗涤分离法：利用粒子易被水润湿，凝并增大而被捕获的特性。电除尘：利用荷电性、静电力分离等等。第五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五5颗粒物尺寸：颗粒最重要的几何特征参数之一;表征颗粒物尺寸的主要参数：粒径和粒径分布;粒径：以单个颗粒为对象，表征单颗粒几何尺寸的大小;粒径分布：以颗粒群为对象，表征所有颗粒在总体上几何尺寸的大小。第六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五6第一节颗粒的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有所不同。一般分为两类：单一粒径：单个粒子的直径；平均粒径：粒子群的直径。球形颗粒：d=直径

单一粒径分成

投影直径

非球形颗粒：

几何当量直径

物理当量直径第七页，共八十九页，编辑于2023年，星期五71、球形颗粒常用直径d表示其特征长度，则体积表面积比表面积比表面积：单位体积球体具有的表面积，m2/m3。对一定的颗粒，直径越小，比表面积越大。第八页，共八十九页，编辑于2023年，星期五81、非球形颗粒常用当量直径和球形度表示其特性，常用的有：1）体积当量直径dv

2）表面当量直径ds

3）比表面积当量直径dA第九页，共八十九页，编辑于2023年，星期五94）形状系数（球形度）：球形颗粒与实际颗粒体积相等时，球形表面积与实际颗粒表面积之比，即：由于体积相同时，球体的体积最小，所以形状系数第十页，共八十九页，编辑于2023年，星期五10某些颗粒的圆球度第十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五11第十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五12§1颗粒的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径1、投影直径粉尘颗粒在显微镜下所观测到的某一直线尺寸定向直径dF，定向面积等分直径dM，a-定向直径b-定向面积等分直径c-投影面积直径对于颗粒群观测可以反映其投影面的的尺寸与分布，只有观测足够数量的颗粒才有意义。第十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五13一、颗粒的直径2、几何当量直径与颗粒的某一几何量相同的球形颗粒的直径。（1）投影面积直径dA，（2）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)第十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五14(3）等体积直径———光散射法第十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五15一、颗粒的直径3、物理当量直径

与颗粒某一物理特性相同球形颗粒直径（1）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，条件：①颗粒的，在层流区，自由沉降②，自由沉降比层流区大；③，用斯托克斯公式求得直径约小2%；④时，计算公式要进行修正。（2）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）的球体的直径第十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五16二、粒径分布粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例粒数分布:每一间隔内的颗粒个数粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比第十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期五17二、粒径分布粒数筛下累积频率：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第十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期五18二、粒径分布粒数频率密度第十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期五19二、粒径分布粒数分布的测定及计算第二十页，共八十九页，编辑于2023年，星期五20二、粒径分布粒数众径－频度p最大时对应的粒径，此时粒数中位径（NMD）－累计频率F=0.5时对应的粒径第二十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五21二、粒径分布2.质量分布类似于数量分布，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）第二十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五22第二十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五23第二十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五24第二十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五25第二十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五26第二十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期五27第二十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期五28三、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长度平均直径表面积平均直径体积平均直径体积－表面积平均直径第二十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期五29三、平均粒径（续）几何平均直径对于频率密度分布曲线对称的分布，众径、中位径和算术平均直径相等频率密度非对称的分布，单分散气溶胶，；否则，第三十页，共八十九页，编辑于2023年，星期五30四、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.正态分布频率密度筛下累积频率标准差第三十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五31四、粒径分布函数1.正态分布（续）正态分布是最简单的分布函数（1）（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σ（3）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第三十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五32四、粒径分布函数正态分布的累积频率分布曲线第三十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五33四、粒径分布函数2.对数正态分布以lndp代替dp得到的正态分布的频度曲线第三十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五34四、粒径分布函数2.对数正态分布（续）对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于第三十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五35四、粒径分布函数2.对数正态分布（续）可用、MMD和NMD计算出各种平均直径第三十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五36四、粒径分布函数对数正态分布的累积频率分布曲线第三十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期五37四、粒径分布函数3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）

若设得到一般多选用质量中位径或第三十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期五38四、粒径分布函数3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）判断是否符合R－R分布应为一条直线R－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，更适合于正态分布第三十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期五39第二节粉尘的物理性质一、粉尘的密度单位体积粉尘的质量，kg/m3或g/cm3粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙－真密度用堆积体积计算——堆积密度空隙率——粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比第四十页，共八十九页，编辑于2023年，星期五40粉尘密度测试方法（1）堆积密度：①将粉尘样品在105˚C下干燥2小时，放置于室内自然冷却后通过80目标准筛除去杂质；②利用自然堆积法测③把装有粉尘的量筒取下称重（分析天平）；④计算：⑤连续3次测定粉尘质量的最大值与最小值之间的差值不于1g，否则应该重新测定。第四十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五41粉尘密度测试方法：（2）真密度：①比重瓶法：②全自动真密度仪：第四十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五42二、粉尘的安息角与滑动角安息角：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（35-55˚）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（40-55˚）安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标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。第四十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五43第四十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五44三、粉尘的比表面积单位体积粉尘所具有的表面积以质量表示的比表面积以堆积体积表示的比表面积第四十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五45四、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－水分质量与粉尘总质量之比（与粉尘的吸湿能力有关）含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性吸湿现象平衡含水率第四十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五46第四十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期五47五、粉尘的润湿性润湿性－粉尘颗粒与液体接触后能够互相附着或附着的难易程度的性质润湿速度－润湿性是选择湿式除尘器的主要依据第四十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期五48五、粉尘的润湿性亲水性粉尘憎水性粉尘粉尘种类，形状（圆球比不规则颗粒差）粒径（越小越差），粒径很小的粉尘由于存在气膜，所以浸润性很差压力（压力升高，浸润性好）温度（温度升高，浸润性下降）表面粗糙度及荷电性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第四十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期五49六、粉尘的荷电性和导电性1.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，且与化学组成有关第五十页，共八十九页，编辑于2023年，星期五50六、粉尘的荷电性和导电性2、粉尘的导电性比电阻导电机制：1）高温（220oC以上起主导作用），粉尘本体内部的电子和离子—体积比电阻体积比电阻（1）钠、钾、锂离子导电（温度在高于150˚C起作用）（2）金属氧化物和氧化硅中电子起主导作用第五十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五512）低温（100oC以下），表面吸附的水分或化学物质在低温条件下形成的膜所形成导电层－表面比电阻（1）水分冷凝和凝结被吸附于表面积上（温度低于180oC）（2）燃煤中的含硫量在低温下形成的SO33）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104～1010六、粉尘的荷电性和导电性第五十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五52六、粉尘的导电性和荷电性典型温度－比电阻曲线第五十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五53六、粉尘的导电性和荷电性温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（420K）左右达到最大值第五十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五54第五十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五55七、粉尘的粘附性1、除尘器的捕集机制利用尘粒在捕集表面的黏附2、气体中的输送管道和净化设备，防止堵塞，所以要防止附着粘附力：（1）分子力（范德华力）——圆球与平面间的分子力d-圆球直径S0-两黏附体间的距离，取4×10-10mHw-范德华常数，塑料为0.6ev,金属和半导体2-11ev第五十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五56（2）毛细力潮湿环境中，水分可在两黏附之间架桥，产生毛细力，与单位自由能及其表面张力有关，在直径相同的两个圆球之间。（上式适用于完全湿润而吸收的水量不多的情况）（3）静电力（库仑力）七、粉尘的粘附性第五十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期五57八、粉尘的自燃性和爆炸性1.粉尘的自燃性自燃自然发热的原因－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存放过程中自然发热热量积累达到燃点燃烧第五十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期五582.粉尘的爆炸性粉尘发生爆炸必备的条件：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存在能量足够的火源第五十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期五59第三节净化装置的性能一、评价净化装置性能的指标

1.技术指标处理气体流量净化效率压力损失

2.经济指标设备费运行费占地面积第六十页，共八十九页，编辑于2023年，星期五60一、净化装置技术性能的表示方法1.处理气体流量漏风率2.压力损失第六十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五61测量压力损失方法1、U形压力计——测烟气压力压力大时，液体使用水银，否则使用酒精或水2、倾斜式微压计第六十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五62二.净化效率的表示方法1.总净化效率2.通过率3.分级除尘效率分割粒径－除尘效率为50％的粒径第六十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五634.分级效率与总效率的关系（1）由总效率求分级效率（2）由分级效率求总效率第六十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五645.多级串联的总净化效率总分级通过率总分级效率总除尘效率第六十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五65第四节颗粒捕集的理论基础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第六十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五66一、流体阻力流体阻力＝形状阻力＋摩擦阻力阻力的方向和速度向量方向相反

第六十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期五67一、流体阻力第六十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期五68一、流体阻力流体阻力与雷诺数的函数关系

第六十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期五69一、流体阻力颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动——坎宁汉修正第七十页，共八十九页，编辑于2023年，星期五70二、阻力导致的减速运动根据牛顿第二定律若仅考虑Stokes区域积分得速度由u0减速到u所迁移的距离若引入坎宁汉修正系数C停止距离－驰豫时间或松弛时间第七十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期五71三、重力沉降力平衡关系Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）湍流过渡区牛顿区Stokes直径空气动力学直径第七十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期五72四、离心沉降力平衡关系Stokes颗粒的末端沉降速度第七十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期五73五、静电沉降力平衡关系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：第七十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期五74六、惯性沉降颗粒接近靶时的运动情况第七十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期五751.惯性碰撞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ReD衡量颗粒运动轨迹，用Stokes数描述颗粒对捕集体的附着，通常假定为100％第七十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期五761.惯性碰