大气污染控制工程-颗粒污染物控制技术基础

第5章

颗粒(kēlì)污染物控制技术基础1共六十五页教学内容§1粉尘的粒径及粒径分布(fēnbù)§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(kēlì)污染物控制技术基础2共六十五页1、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(liǎojiě)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(kēlì)污染物控制技术基础学时数：4学时3共六十五页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。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(rùnshī)，凝拼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5章颗粒(kēlì)污染物控制技术基础4共六十五页§1颗粒(kēlì)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

投影径

非球形颗粒：

几何(jǐhé)当量径

物理当量径5共六十五页§1颗粒(kēlì)的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径（1）显微镜法定向直径dF，也称菲雷特（Feret直径）：为各颗粒在投影图中同一方向(fāngxiàng)上的最大投影长度定向面积等分直径dM，也称马丁（Martin直径）：为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投影面积直径dA，也称黑乌德（Heywood直径）：为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dF>dA>dM6共六十五页一、颗粒(kēlì)的直径显微镜法观测(guāncè)粒径直径的三种方法a-定向直径b-定向面积等分直径c-投影面积直径7共六十五页一、颗粒(kēlì)的直径（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：与颗粒体积相等的球体的直径（4）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(jìshù)中应用最多的两种直径8共六十五页一、颗粒(kēlì)的直径粒径的测定结果与颗粒(kēlì)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Φs（Φs<1）正立方体Φs＝0.806，圆柱体Φs＝2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)9共六十五页一、颗粒(kēlì)的直径某些(mǒuxiē)颗粒的圆球度10共六十五页二、粒径分布(fēnbù)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1.个数分布:每一间隔内的颗粒个数（1）个数频率(pínlǜ)：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比∑ƒi﹦111共六十五页由计算结果可绘出频度(píndù)分布f的直方图，12共六十五页二、粒径分布(fēnbù)（2）个数筛下累积频率：小于第i个间隔上限(shàngxiàn)粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比13共六十五页二、粒径分布(fēnbù)（3）个数频率(pínlǜ)密度14共六十五页用粒径间隔中值可绘出频度分布曲线(qūxiàn)，见图b。最大频度的粒径dom称为众径。15共六十五页二、粒径分布(fēnbù)粒数分布(fēnbù)的测定及计算16共六十五页二、粒径分布(fēnbù)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(lèijì)频率F=0.5时对应的粒径17共六十五页二、粒径分布(fēnbù)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(mìdù)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）18共六十五页三、平均(píngjūn)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(zhíjìng)表面积平均直径体积平均直径体积－表面积平均直径19共六十五页三、平均(píngjūn)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(xiāngděng)频率密度非对称的分布，单分散气溶胶，；否则，20共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数用一些半经验函数描述一定种类(zhǒnglèi)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21共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数1.正态分布（续）正态分布(fēnbù)是最简单的分布(fēnbù)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22共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数正态分布(fēnbù)的累积频率分布(fēnbù)曲线23共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数2.对数正态分布以lndp代替(dàitì)dp得到的正态分布的频度曲线24共六十五页四、粒径分布(fēnbù)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(zhíxiàn)，斜率决定于25共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数2.对数(duìshù)正态分布（续）可用、MMD和NMD计算出各种平均直径26共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数对数正态分布的累积频率(pínlǜ)分布曲线27共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数3.罗辛－拉姆勒分布(fēnbù)（Rosin－Rammler）

若设得到一般多选用质量中位径或28共六十五页四、粒径分布(fēnbù)函数3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）判断是否(shìfǒu)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29共六十五页§2粉尘(fěnchén)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(fèngxì)－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30共六十五页二、粉尘的安息(ānxī)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滑动角：自然堆积在光滑(guānghuá)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31共六十五页三、粉尘(fěnchén)的比表面积单位(dānwèi)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32共六十五页四、粉尘(fěnchén)的含水率粉尘中的水分包括(bāokuò)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33共六十五页五、粉尘(fěnchén)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性与粉尘的种类(zhǒnglèi)、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，随温度升高而下降润湿速度－润湿性是选择湿式除尘器的主要依据34共六十五页六、粉尘(fěnchén)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(mócā)、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35共六十五页六、粉尘(fěnchén)的荷电性和导电性粉尘(fěnchén)的导电性比电阻导电机制：高温（200oC以上），粉尘本体内部的电子和离子—体积比电阻低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质－表面比电阻中间温度，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104～101036共六十五页六、粉尘(fěnchén)的导电性和荷电性典型温度(wēndù)－比电阻曲线37共六十五页六、粉尘(fěnchén)的导电性和荷电性温度和相对湿度对粉尘比电阻(diànzǔ)的影响较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（420K）左右达到最大值38共六十五页七、粉尘(fěnchén)的粘附性粘附和自粘现象粘附力－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）断裂强度－表征粉尘自粘性的指标，等于(děngyú)粉尘断裂所需的力除以其断裂的接触面积分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性39共六十五页八、粉尘(fěnchén)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(yīnsù)：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40共六十五页2.粉尘(fěnchén)的爆炸性粉尘发生爆炸必备的条件：可燃物与空气(kōngqì)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41共六十五页§3净化(jìnghuà)装置的性能一、评价(píngjià)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42共六十五页一、净化(jìnghuà)装置技术性能的表示方法1.处理气体流量(liúliàng)漏风率2.净化效率3.压力损失43共六十五页二.净化(jìnghuà)效率的表示方法1.总净化(jìnghuà)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44共六十五页4.分级效率(xiàolǜ)与总效率(xiàolǜ)的关系（1）由总效率(xiàolǜ)求分级效率(xiàolǜ)（2）由分级效率求总效率45共六十五页5.多级串联的总净化(jìnghuà)效率总分级通过率总分级效率(xiàolǜ)总除尘效率46共六十五页§4颗粒(kēlì)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(liútǐ)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47共六十五页一、流体(liútǐ)阻力流体阻力＝形状阻力＋摩擦阻力阻力的方向和速度向量(xiàngliàng)方向相反

48共六十五页一、流体(liútǐ)阻力流体阻力与雷诺数的函数(hánshù)关系

49共六十五页一、流体(liútǐ)阻力颗粒尺寸与气体平均自由程接近(jiējìn)时，颗粒发生滑动——坎宁汉修正50共六十五页二、阻力导致(dǎozhì)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(xiūzhèng)系数C停止距离－驰豫时间或松弛时间51共六十五页三、重力(zhònglì)沉降力平衡关系Stokes颗粒的重力沉降末端(mòduān)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52共六十五页四、离心(líxīn)沉降力平衡关系(guānxì)Stokes颗粒的末端沉降速度53共六十五页五、静电(jìngdiàn)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(biǎoshì)，对于Stokes粒子：54共六十五页六、惯性(guànxìng)沉降颗粒(kēlì)接近靶时的运动情况55共六十五页1.惯性(guànxìng)碰撞惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素气流(qìliú)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％56共六十五页1.惯性(guànxìng)碰撞惯性碰撞分级效率(xiàolǜ)与的关系57共六十五页2.拦截(lánjié)直接拦截发生在颗粒(kēlì)距捕集体dp/2的距离内拦截效率用直接拦截比R表示对于惯性大的颗粒对于惯性小的颗粒58共六十五页七、扩散(kuòsàn)沉降1.扩散系数和均方根位移颗粒的扩散类似于气体分子(fēnzǐ)的扩散对于粒径约等于