環(huán)境工程基礎(chǔ)3.3顆粒物污染控制技術(shù)

1、本節(jié)內(nèi)容,3.3顆粒物污染控制技術(shù) 3.3.1 顆粒污染物性質(zhì)表征 3.3.2 機(jī)械除塵技術(shù) 3.3.3 電除塵技術(shù) 3.3.4 濕式除塵技術(shù) 3.3.5過濾除塵技術(shù) 3.3.6 除塵器的選擇,3.3.1 顆粒污染物性質(zhì)表征,1、顆粒粒徑 A、顯微鏡觀測法粒徑測量： 顯微鏡法觀測粒徑直徑的三種方法：,B、篩分法 篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度 篩孔的大小用目表示每英寸長度上篩孔的個數(shù) C、光散射法 等體積直徑de：與顆粒體積相等的球體的直徑 D、沉降法 斯托克斯（Stokes）直徑ds：同一流體中與顆粒密度相同、沉降速度相等的球體直徑 空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑da：在空氣中與顆粒沉降速度相

2、等的單位密度（1g/cm3）的球體的直徑 斯托克斯直徑和空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑與顆粒的空氣動力學(xué)行為密切相關(guān)，是除塵技術(shù)中應(yīng)用最多的兩種直徑,2、粒徑分布描述 粒徑分布指不同粒徑范圍內(nèi)顆粒的個數(shù)（或質(zhì)量或表面積）所占的比例。 粒數(shù)分布:每一間隔內(nèi)的顆粒個數(shù) 粒數(shù)頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù)ni與顆?？倲?shù)ni之比 粒數(shù)篩下累積頻率：小于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆粒總個數(shù)之比,連續(xù)化描述,頻率分布：粒徑dp到dp+dp之間的塵樣質(zhì)量占總塵樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，即 頻率密度分布：即單位粒徑間隔寬度的頻率分布 篩下累積頻率分布：小于某一粒徑dp的塵樣占塵樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),粒徑分布函數(shù),用一些半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)

3、描述一定種類粉塵的粒徑分布 正態(tài)分布 頻率密度 篩下累積頻率 標(biāo)準(zhǔn)差,3、平均粒徑 長度平均直徑 表面積平均直徑 體積平均直徑 體積表面積平均直徑,4、粉塵密度 單位體積粉塵的質(zhì)量，kg/m3或g/cm3 粉塵體積不包括顆粒內(nèi)部和之間的縫隙真密度p 用堆積體積計(jì)算堆積密度 b 空隙率粉塵顆粒間和內(nèi)部空隙的體積與堆積總體積之比 ,5、粉塵的比表面積 單位體積粉塵所具有的表面積 以質(zhì)量表示的比表面積 以堆積體積表示的比表面積,6、粉塵的安息角與滑動角,安息角：粉塵從漏斗連續(xù)落下自然堆積形成的圓錐體母線與地面的夾角 滑動角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運(yùn)動時粉塵開始發(fā)生滑動的平板傾角 安息

4、角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標(biāo) 安息角和滑動角的影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性,7、粉塵的含水率,粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和細(xì)孔中的自由水分以及顆粒內(nèi)部的結(jié)合水分 含水率水分質(zhì)量與粉塵總質(zhì)量之比 含水率影響粉塵的導(dǎo)電性、粘附性、流動性等物理特性 吸濕現(xiàn)象 平衡含水率,8、粉塵的潤濕性,潤濕性粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相附著或附著的難易程度的性質(zhì) 潤濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、溫度、含水率、表面粗糙度及荷電性有關(guān)，還與液體的表面張力及塵粒與液體之間的粘附力和接觸方式有關(guān)。 粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降

5、潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù),9、粉塵的荷電性 天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定的電荷 荷電因素電離輻射、高壓放電、高溫產(chǎn)生的離子或電子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、產(chǎn)生過程中荷電 天然粉塵和人工粉塵的荷電量一般為最大荷電量的1/10 荷電量隨溫度增高、表面積增大及含水率減小而增加，且與化學(xué)組成有關(guān),10、粉塵的導(dǎo)電性 比電阻：表征粉塵的導(dǎo)電性指標(biāo)，以電阻率表示。由于其電阻率與測定時的條件有關(guān)，只是一種可以相互比較的表觀電阻率，通常稱為比電阻，單位m 。 導(dǎo)電機(jī)制： 高溫（200oC以上），粉塵本體內(nèi)部的電子和離子體積比電阻 低溫（100oC以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學(xué)物質(zhì)表面

6、比電阻 中間溫度，同時起作用 比電阻對電除塵器運(yùn)行有很大影響，適宜范圍1041010 m,典型溫度比電阻曲線,11、粉塵的粘附性,粘附和自粘現(xiàn)象:粉塵粘附在固體表面，或顆粒彼此相互附著現(xiàn)象 粘附力克服附著現(xiàn)象所需要的力 粘附力：分子力（范德華力）、毛細(xì)力、靜電力（庫侖力） 分類：不粘性、微粘性、中等粘性、強(qiáng)粘性 粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響粘附性 有利的方面：有利于粉塵顆粒的捕集 不利的方面：管道或設(shè)備堵塞,12、粉塵的自燃性和爆炸性,粉塵的自燃性 自燃 自然發(fā)熱的原因氧化熱、分解熱、聚合熱、發(fā)酵熱 影響因素：粉塵的結(jié)構(gòu)和物化特性、粉塵的存在狀態(tài)和環(huán)境,13.粉塵的爆炸性,粉塵

7、發(fā)生爆炸必備的條件： 可燃物與空氣或氧氣構(gòu)成的可燃混合物達(dá)到一定的濃度 最低可燃物濃度爆炸濃度下限 爆炸濃度上限 存在能量足夠的火源,3.3.2 機(jī)械除塵技術(shù),機(jī)械除塵器通常指利用質(zhì)量力（重力、慣性力和離心力）的作用使顆粒物與氣體分離的裝置，常用的有： 重力沉降室 慣性除塵器 旋風(fēng)除塵器,1、重力沉降室,重力沉降室是通過重力作用使塵粒從氣流中沉降分離的除塵裝置 氣流進(jìn)入重力沉降室后，流動截面積擴(kuò)大，流速降低，較重顆粒在重力作用下緩慢向灰斗沉降 層流式和湍流式兩種,重力沉降室原理,沉降室的長寬高分別為L、W、H，處理煙氣量為Q 氣流在沉降室內(nèi)的停留時間 在t時間內(nèi)粒子的沉降距離 該粒子的除塵效率

8、,層流式重力沉降室,對于stokes粒子，重力沉降室能100%捕集的最小粒子的dmin 計(jì)算,重力沉降室,提高沉降室效率的主要途徑 降低沉降室內(nèi)氣流速度 增加沉降室長度 降低沉降室高度 沉降室內(nèi)的氣流速度一般為0.32.0m/s,重力沉降室,重力沉降室的優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 投資少 壓力損失?。ㄒ话銥?0100Pa） 維修管理容易 缺點(diǎn) 體積大 效率低 僅作為高效除塵器的預(yù)除塵裝置，除去較大和較重的粒子,2、慣性除塵器,機(jī)理 沉降室內(nèi)設(shè)置各種形式的擋板，含塵氣流沖擊在擋板上，氣流方向發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，借助塵粒本身的慣性力作用，使其與氣流分離,慣性除塵器應(yīng)用,一般凈化密度和粒徑較大的金屬或礦物性粉塵 凈化

9、效率不高，一般只用于多級除塵中的一級除塵，捕集1020m以上的粗顆粒 壓力損失1001000Pa,3、旋風(fēng)除塵器,利用旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力使塵粒從氣流中分離的裝置 旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣流與塵粒的運(yùn)動,普通旋風(fēng)除塵器是由進(jìn)氣管、筒體、錐體和排氣管等組成 氣流沿外壁由上向下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：外渦旋 少量氣體沿徑向運(yùn)動到中心區(qū)域 旋轉(zhuǎn)氣流在錐體底部轉(zhuǎn)而向上沿軸心旋轉(zhuǎn)：內(nèi)渦旋 氣流運(yùn)動包括切向、軸向和徑向：切向速度、軸向速度和徑向速度,旋風(fēng)除塵器氣流與塵粒的運(yùn)動,切向速度決定氣流質(zhì)點(diǎn)離心力大小，顆粒在離心力作用下逐漸移向外壁 到達(dá)外壁的塵粒在氣流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗 上渦旋氣流從除塵器頂部向下高速旋轉(zhuǎn)時，

10、一部分氣流帶著細(xì)小的塵粒沿筒壁旋轉(zhuǎn)向上，到達(dá)頂部后，再沿排出管外壁旋轉(zhuǎn)向下，最后從排出管排出,分離機(jī)理,在內(nèi)、外旋渦的交界面上，作用在粒子上的離心力FCmvt2/r 向心運(yùn)動氣流作用于塵粒上的阻力FD Avr 若 FC FD ，顆粒移向外壁 若 FC FD ，顆粒進(jìn)入內(nèi)渦旋 當(dāng) FC = FD時，有50%的可能進(jìn)入外渦旋，既除塵效率為50%,影響旋風(fēng)分離器效率的因素,結(jié)構(gòu)尺寸：直徑，錐角內(nèi)外旋渦分界 煙塵物性：氣體粘度，顆粒密度 操作條件：進(jìn)風(fēng)量（切向線速度） 旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)考慮關(guān)鍵因素 分離效率 氣體壓降,3.3.3 電除塵技術(shù),旋風(fēng)除塵器對于 dp 5m的粒子效率低，必須借助外力（電場力等

11、）捕集更小的粒子 使塵粒荷電并在電場力的作用下沉積在集塵極上 與其他除塵器的根本區(qū)別在于，分離力直接作用在粒子上，而不是作用在整個氣流上 具有耗能小、氣流阻力小的特點(diǎn),1、電除塵器的工作原理,三個基本過程 懸浮粒子荷電高壓直流電暈 帶電粒子在電場內(nèi)遷移和捕集延續(xù)的電暈電場（單區(qū)電除塵器）或光滑的不放電的電極之間的純靜電場（雙區(qū)電除塵器） 捕集物從集塵表面上清除振打除去接地電極上的粉塵層并使其落入灰斗,電除塵器的工作原理,荷電,遷移與捕集,電暈放電,金屬絲放出的電子迅速向正極移動，與氣體分子撞擊使之離子化 氣體分子離子化的過程又產(chǎn)生大量電子雪崩過程 遠(yuǎn)離金屬絲，電場強(qiáng)度降低，氣體離子化過程結(jié)束，

12、電子被氣體分子捕獲 氣體離子化區(qū)域電暈區(qū) 自由電子和氣體負(fù)離子是粒子荷電的電荷來源,電暈放電機(jī)理,電暈放電,正、負(fù)電暈極在空氣中的電暈電流一電壓曲線,電暈區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大致使極間空氣全部電離電場擊穿；相應(yīng)的電壓擊穿電壓 在相同電壓下通常負(fù)電暈電極產(chǎn)生較高的電暈電流，且擊穿電壓也高得多 工業(yè)氣體凈化傾向于采用穩(wěn)定性強(qiáng)，操作電壓和電流高的負(fù)電暈極； 空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用正電暈極，好處在于其產(chǎn)生臭氧和氮氧化物量低,電暈放電,影響電暈特性的因素 電極的形狀、電極間距離 氣體組成、壓力、溫度 不同氣體對電子的親合力、遷移率不同 氣體溫度和壓力的不同影響電子平均自由程和加速電子及能產(chǎn)生碰撞電離所需要的電壓 氣流

13、中要捕集的粉塵的濃度、粒度、比電阻以及在電暈極和集塵極上的沉積 電壓的波形,粒子荷電,兩種機(jī)理 電場荷電或碰撞荷電離子在靜電力作用下做定向運(yùn)動，與粒子碰撞而使粒子荷電 擴(kuò)散荷電離子的擴(kuò)散現(xiàn)象而導(dǎo)致的粒子荷電過程；依賴于離子的熱能，而不是依賴于電場 粒子的主要荷電過程取決于粒徑 大于0.5m的微粒，以電場荷電為主 小于0.15m的微粒，以擴(kuò)散荷電為主 介于之間的粒子，需要同時考慮這兩種過程。 一般粒子的荷電時間僅為0.1s，相當(dāng)于氣流在除塵器內(nèi)流動1020cm所需要的時間，一般可以認(rèn)為粒子進(jìn)入除塵器后立刻達(dá)到了飽和電荷,異常荷電現(xiàn)象,沉積在集塵極表面的高比電阻粒子導(dǎo)致在低電壓下發(fā)生火花放電或在集

14、塵極發(fā)生反電暈現(xiàn)象,破壞正常電暈過程 氣流中微小粒子的濃度高時，荷電塵粒所形成的電暈電流不大，可是所形成的空間電荷卻很大，嚴(yán)重抑制著電暈電流的產(chǎn)生 當(dāng)含塵量大到某一數(shù)值時，電暈現(xiàn)象消失，塵粒在電場中根本得不到電荷，電暈電流幾乎減小到零，失去除塵作用，即電暈閉塞,粉塵的趨進(jìn)速度,力平衡關(guān)系 取t=0, =0邊界條件，積分得到,顆粒捕集效率,捕集效率一德意希公式 （i粒子趨進(jìn)速度） 除塵效率與顆粒趨進(jìn)速度與集塵板面積正相關(guān)，與煙氣流量負(fù)相關(guān)。 德意希公式的假定: 除塵器中氣流為湍流狀態(tài) 在垂直于集塵表面的任一橫斷面上粒子濃度和氣流分布是均勻的 粒子進(jìn)入除塵器后立即完成了荷電過程 忽略電風(fēng)、氣流分布

15、不均勻、被捕集粒子重新進(jìn)入氣流等影響,被捕集粉塵的清除,電暈極和集塵極上都會有粉塵沉積 粉塵沉積在電暈極上會影響電暈電流的大小和均勻性，一般方法采取振打清灰方式清除 從集塵極清除已沉積的粉塵的主要目的是防止粉塵重新進(jìn)入氣流 在濕式電除塵器中，用水沖洗集塵極板 在干式電除塵器中，一般用機(jī)械撞擊或電極振動產(chǎn)生的振動力清灰,影響電除塵因素：粉塵比電阻,通常所需要的粉塵的最小導(dǎo)電率是1010（cm）1 高比電阻粉塵導(dǎo)電率低于大約1010（cm）1，即電阻率大于1010cm的粉塵 影響粉塵層比電阻除粒子溫度和組成之外，還包括粒子大小和形狀，粉塵層厚度和壓縮程度，施加于粉塵層的電場強(qiáng)度等 在評價電除塵器的

16、操作性能時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場測得的粉塵比電阻數(shù)據(jù),粉塵比電阻,高比電阻粉塵對電除塵器性能的影響 高比電阻粉塵會干擾電場條件，導(dǎo)致除塵效率下降 低于1010cm時，比電阻幾乎對除塵器操作和性能沒有影響 比電阻介于10101011cm之間時，火花率增加，操作電壓降低 高于1011cm時，產(chǎn)生明顯反電暈,粉塵比電阻,克服高比電阻影響的方法 保持電極表面盡可能清潔 采用較好的供電系統(tǒng) 煙氣調(diào)質(zhì) 增加煙氣濕度，或向煙氣中加入SO3、NH3，及Na2CO3等化合物，使粒子導(dǎo)電性增加。最常用的化學(xué)調(diào)質(zhì)劑是SO3 改變煙氣溫度 向煙氣中噴水，同時增加煙氣濕度和降低溫度 發(fā)展新型電除塵器,煙氣調(diào)質(zhì),S含量對粉塵比電阻的

17、影響,Log10resistivity, cm,3.3.4 濕式除塵技術(shù),使含塵氣體與液體 （一般為水）密切接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞及其它作用捕集塵?；蚴沽皆龃蟮难b置 可以有效地除去直徑為0.120m的液態(tài)或固態(tài)粒子，亦能脫除氣態(tài)污染物 高能和低能濕式除塵器 低能濕式除塵器的壓力損失為0.21.5kPa，對10m以上粉塵的凈化效率可達(dá)9095% 高能濕式除塵器的壓力損失為2.59.0kPa，凈化效率可達(dá)99.5以上,濕式除塵器,濕式除塵器,濕式除塵器,根據(jù)濕式除塵器的凈化機(jī)理，大致分為 重力噴霧洗滌器 旋風(fēng)洗滌器 自激噴霧洗滌器 文丘里洗滌器 其他形式,濕式除塵器,主要濕式除塵裝置的性

18、能和操作范圍,噴霧塔洗滌器,噴霧塔結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小，操作穩(wěn)定，經(jīng)常與高效洗滌器聯(lián)用捕集粒徑較大的粉塵 嚴(yán)格控制噴霧的過程，保證液滴大小均勻，對有效的操作是很有必要,旋風(fēng)洗滌器,干式旋風(fēng)分離器內(nèi)部以環(huán)形方式安裝一排噴嘴，就構(gòu)成一種最簡單的旋風(fēng)洗滌器 噴霧作用發(fā)生在外渦旋區(qū)，并捕集塵粒，攜帶塵粒的液滴被甩向旋風(fēng)洗滌器的濕壁上，然后沿壁面沉落到器底 在出口處通常需要安裝除霧器,文丘里洗滌器,除塵器系統(tǒng)的構(gòu)成 文丘里洗滌器 除霧器 沉淀池 加壓循環(huán)水泵 除塵過程 文丘里除塵器： 收縮管， 喉管， 擴(kuò)散管 就其斷面形狀 圓形文丘里除塵器 矩形文丘里除塵器,文丘里洗滌器,除塵過程 含塵氣體由進(jìn)氣管進(jìn)入

19、收縮管后，流速逐漸增大，氣流的壓力能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?在喉管入口處，氣速達(dá)到最大，一般為50180m/s 洗滌液 （一般為水）通過沿喉管周邊均勻分布的噴嘴進(jìn)入，液滴被高速氣流霧化和加速 充分的霧化是實(shí)現(xiàn)高效除塵的基本條件,濕式除塵器的優(yōu)點(diǎn),在耗用相同能耗時，比干式機(jī)械除塵器高。高能耗濕式除塵器清除0.1m以下粉塵粒子，仍有很高效率 可與靜電除塵器和布袋除塵器相比，而且還可適用于它們不能勝任的條件，如能夠處理高溫，高濕氣流，高比電阻粉塵，及易燃易爆的含塵氣體 在去除粉塵粒子的同時，還可去除氣體中的水蒸氣及某些氣態(tài)污染物。既起除塵作用，又起到冷卻、凈化的作用,濕式除塵器的缺點(diǎn),排出的污水污泥需要處理

20、，澄清的洗滌水應(yīng)重復(fù)回用 凈化含有腐蝕性的氣態(tài)污染物時，洗滌水具有一定程度的腐蝕性，因此要特別注意設(shè)備和管道腐蝕問題 不適用于凈化含有憎水性和水硬性粉塵的氣體 寒冷地區(qū)使用濕式除塵器，容易結(jié)凍，應(yīng)采取防凍措施,3.3.5 過濾除塵技術(shù),使含塵氣流通過過濾材料將粉塵分離捕集的裝置 分類,空氣過濾器 濾紙或玻璃纖維,顆粒層除塵器 砂、礫、焦炭等顆粒物,袋式除塵器 纖維織物,袋式除塵器,采用纖維織物作濾料的袋式除塵器（主要討論），在工業(yè)尾氣的除塵方面應(yīng)用較廣 除塵效率一般可達(dá)99%以上 效率高，性能穩(wěn)定可靠、操作簡單，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用,袋式除塵器的工作原理,含塵氣流從下部進(jìn)入圓筒形濾袋，在通

21、過濾料的孔隙時，粉塵被捕集于濾料上 沉積在濾料上的粉塵，可在機(jī)械振動的作用下從濾料表面脫落，落入灰斗中 粉塵因截留、慣性碰撞、靜電和擴(kuò)散等作 用，在濾袋表面形成粉塵層，常稱為粉層初層,袋式除塵器的工作原理,新鮮濾料的除塵效率較低 粉塵初層形成后，成為袋式除塵器的主要過濾層，提高了除塵效率 隨著粉塵在濾袋上積聚，濾袋兩側(cè)的壓力差增大，會把已附在濾料上的細(xì)小粉塵擠壓過去，使除塵效率下降,除塵器壓降過高，還會使除塵系統(tǒng)的處理氣體量顯著下降，因此除塵器阻力達(dá)到一定數(shù)值后，要及時清灰 清灰不應(yīng)破壞粉塵初層,袋式除塵器的的基本計(jì)算公式,過濾阻力：包括濾料層 與粉塵層 過濾阻力公式（達(dá)西方程） 粉塵層物料衡算 粉塵層過濾阻力,袋式除塵器除塵效率的影響因素,粉塵負(fù)荷 過濾速度： 煙氣實(shí)際體積流量與濾布面積之比，也稱氣布比 過濾速度是一個重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。選用高的過濾速度，所需要的濾布面積小，除塵器體積、占地面積和一次投資等都會減小，但除塵器的壓力損失卻會加大。 一般來講，除塵效率隨過濾速度增加而下降 過濾速度的選取還與濾料種類和清灰方式有關(guān),壓力損失：重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，不僅決定著能量消耗，而且決定著除塵效率和清灰間隔時間等 濾料的要求： 容塵量大、吸濕性小、效率高、阻力低 使用壽命長，耐溫、耐磨、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度 表面光滑的濾料容塵量小，清灰方便，適用于含塵濃度