顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

1、大氣污染控制工程講義第五章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)粉塵的粒徑及粒徑分布一單一顆粒的粒徑.顯微鏡法a定向直徑dF （Feret直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向上的最大投影長度b定向面積等分直徑 dM （Martin直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向?qū)㈩w粒投影面積二等分的線段長度c投影面積直徑dA （ Heywood直徑）：與顆粒投影面積相等的圓的直徑結(jié)論：Heywood測定分析表明，同一顆粒的dFdAdMa一定向直徑b定向面積等分直徑c投影面積直徑.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).光散射法等體積直徑dv：與顆粒體積相等的球體的直徑.沉降

2、法a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b空氣動力學(xué)當量直徑da：在空氣中與顆粒沉降速度相等的單位密度（ 1g/cm3）的球體的直徑結(jié)論：斯托克斯直徑和空氣動力學(xué)當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)用最多的兩種直徑補充；粒徑的測定結(jié)果與顆粒的形狀有關(guān)通常用圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程度圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比s小 球的表面積二1s顆粒的表面積例如，正立方體 戶0.806,圓柱體 片2.62（l/d）2/3/（1+2l/d）P118表5-1給出某些顆粒的圓球度實測值.二 粒徑分布（分散度：各種粒徑

3、的顆粒所占的比例）個數(shù)粒徑分布：不同粒徑范圍內(nèi)顆粒的個數(shù)所占的比例質(zhì)量粒徑分布：不同粒徑范圍內(nèi)顆粒的質(zhì)量所占的比例表面積粒徑分布：不同粒徑范圍內(nèi)顆粒的表面積所占的比例.個數(shù)粒徑分布（粒數(shù)分布）的表示方法粒數(shù)分布：每一間隔內(nèi)的顆粒個數(shù)1）個數(shù)頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù) ni與顆?？倲?shù) Nn之比dpi0-55-1010-2020-40Nni5151020502）個數(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?？倐€數(shù)之比Fadpa dFdpadFfi=Fa-Fb=dF=-dF ddp = P ddp,P=bdpb ddpdpbddp個數(shù)篩上累積頻率：大于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個

4、數(shù)與顆?？倐€數(shù)之比大氣污染控制工程講義P121圖5-3,個數(shù)累積頻率分布曲線3）個數(shù)頻率密度：單位粒徑間隔（即 1Wm）時的頻率分布，簡稱個數(shù)頻度 dF=Pddp,積分得，F(xiàn)=Pddp , 若積分上限為則 F= jpddp =1 ；P121圖5-4,個數(shù)頻度分布曲線 例題：P119表5-2個數(shù)分布的測定數(shù)據(jù)及其計算結(jié)果.質(zhì)量分布的表示方法類似于個數(shù)分布，也有質(zhì)量頻率、質(zhì)量篩下累積頻率、質(zhì)量頻率密度等1）質(zhì)量頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù) ni與顆?？倲?shù) Nn之比2）質(zhì)量篩下累積頻率：小于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆?？倐€數(shù)之比mimi質(zhì)量篩上累積頻率：大于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)

5、與顆?？倐€數(shù)之比3）質(zhì)量頻率密度：單位粒徑間隔（即 1Wm）時的頻率分布，簡稱個數(shù)頻度.個數(shù)分布與質(zhì)量分布的轉(zhuǎn)化假定：a所有顆粒具有相同密度3b顆粒質(zhì)重與粒徑立方成正比 mi 8 dpi ,以粒徑間隔中點粒徑 dpi作為該粒徑間隔內(nèi)的平均粒徑，則“ nidp3Giygi=不二 ni dp3例題：P123表5-3計算三平均粒徑1.長度（或算術(shù)）平均直徑 dLni 以dpi為粒徑中值的粒徑間隔內(nèi)的顆粒個數(shù)MMD )2,中位直徑d50：累計頻率F=0.5或G=0.5時對應(yīng)的粒徑個數(shù)中位徑（NMD ）質(zhì)量中位徑（ 或?qū)㈩l度分布曲線下面積兩等分對應(yīng)的粒徑也為d50.眾徑dd：頻度p或q最大時對應(yīng)的粒徑.

6、幾何平均直徑dg也=七=?；蚪M;哮=0ddp ddp ddp ddp.表面積平均直徑.體積平均直徑.體積-表面積平均直徑結(jié)論：大氣污染控制工程講義1）對于頻率密度分布曲線呈對稱的分布，眾徑dd、中位直徑d50和算術(shù)平均直徑 dL相等；2）頻率密度非對稱的分布，dd d50d?。第二節(jié)粉塵的物理性質(zhì)一粉塵的密度定義：單位體積粉塵的質(zhì)量，kg/m3或g/cm3.真密度一粉塵體積不包括顆粒內(nèi)部和之間的縫隙，用 Pp表示；研究塵粒在氣體中的運動時用Pp或?qū)⒎蹓m顆粒表面及其內(nèi)部的空氣排出后測得的粉塵自身的密度，以P d表示；p.堆積密度一用堆積體積計算，包括粉塵顆粒間在內(nèi)的粉塵密度，以Pb表示；用于貯倉

7、或灰斗容積確定時用Pb （ Pbw Pp）.空隙率一粉塵顆粒間和內(nèi)部空隙的體積與堆積總體積之比，用 名表示關(guān)系：Pb=（1名）Pp對一定種類的粉塵，真密度為一定值，堆積密度Pb隨空隙率而變化；二粉塵的比表面積.定義：單位體積（或質(zhì)量）粉塵所具有的表面積.表示方法：a單位體積粉塵所具有的表面積2S 粉塵的平均表面積，cm;3V 粉塵的平均凈體積，cm；dsv 粉塵的表面積-體積的平土勻直徑，cm;b以堆積體積表示的比表面積c以質(zhì)量表示的比表面積三粉塵的潤濕性.定義：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).分類：（按照被液體潤濕程度）親水性粉塵一容易被水潤濕疏水性粉塵一難以被水潤濕

8、水硬性粉塵一親水性，吸水后形成不溶于水的硬垢易使管道和裝置堵塞，不易用濕法除塵（如水泥、 石灰粉塵）潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù).影響因素：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)。大氣污染控制工程講義粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降四 粉塵的荷電性和導(dǎo)電性.粉塵的荷電性：粉塵由于相互碰撞、摩擦、放射線照射、接觸帶電體等總是帶有一定量的電荷；天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定的電荷荷電因素一電離輻射、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

9、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).粉塵的導(dǎo)電性：用比電阻Pd表示比電阻：d = （? cm） j、v通過粉塵層的電壓， V;j 通過粉塵層的電流密度，A/cm2;二一一粉塵層的厚度，cm;導(dǎo)電機制：高溫（200oC以上），粉塵本體內(nèi)部的電子和離子 一體積比電阻（容積導(dǎo)電）低溫（100oC以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學(xué)物質(zhì)（化學(xué)膜導(dǎo)電）一表面比電阻（表面導(dǎo)電）中間溫度，同時起作用比電阻對電除塵器運行有很大影響，最適宜范圍1041010典型溫度一比電阻曲線：五粉塵的粘附性.定義：粉塵顆粒附著在固體表面上，或

10、顆粒彼此相互附著的現(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）、毛細力、靜電力（庫侖力）.影響因素：粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響粘附性利用粘附性一一除塵裝置；克服粘附性一一管道和設(shè)備的堵塞；六粉塵的安息角與滑動角.定義：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，也稱靜止角或堆積角，范圍 35 40滑動角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運動時粉塵開始發(fā)生滑動的平板傾角安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標.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3、用途：安息角用來設(shè)計料倉的錐角和含塵管道

11、的傾角七粉塵的自燃性和爆炸性.自燃一存放過程中自然發(fā)熱一熱量積累一達到燃點一燃燒自然發(fā)熱的原因-氧化熱、分解熱、聚合熱、發(fā)酵 執(zhí)八、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P141舉例.粉塵發(fā)生爆炸必備的條件：a可燃物與空氣或氧氣構(gòu)成的可燃混合物達到一定的濃度一一爆炸濃度最低可燃物濃度-爆炸濃度下限大氣污染控制工程講義爆炸濃度上限小于下限或大于上限，粉塵均不會爆炸，實際很少涉及上限，對同一種類的可燃粉塵，其粒徑越小，比表面 積越大，粉塵和空氣的濕度越小，則爆炸危險性越大。b存在能量足夠的火源措施：及時清理沉積的粉塵是預(yù)防爆炸的重要措施。第三節(jié)凈化裝置的性能一處理氣體流量Qn :除塵

12、裝置在單位時間內(nèi)所能處理的含塵氣體的流量Q N = ( Qi N + Q2 N)/2( m /s)由于實際運行的除塵裝置本身不嚴密漏風(fēng)，進出口氣體流量往往不一致，通常用兩者的平均值作為除塵裝置處理氣體的流量漏風(fēng)率 8 :8 = ( Qin Q2N)/ Qin X100%二壓力損失(或阻力)：表示凈化裝置能耗大小的技術(shù)指標 P啾備進出口氣流全壓之差；壓力損失系數(shù)，Vi 進口流速，m/s,3一一氣體密度，kg/m ;影響因素：設(shè)備的種類、結(jié)構(gòu)、進口處的動壓希望壓力損失越小越好，多數(shù)除塵裝置的壓力損失2kpa;P500pa低阻除塵器P=5002000pa中阻除塵器 P=200020000pa高阻除塵

13、器；三總凈化效率的表示方法：表示裝置凈化污染物有效果的重要技術(shù)指標一一除塵效率3進口：氣體流量 Qn (mN/s)污染物流量S (g/s)污染物濃度iN(g/m 3n)出口： Qn (niN/s )S 2 (g/s )P 2N(g/m 3n)捕集：污染物流量 S3 (g/s )關(guān)系：S=Sa+SS產(chǎn)QnX Pin, S 2= Q2N X P2n。a總凈化效率在同一時間內(nèi)，凈化裝置去除的污染物與進入裝置的污染物數(shù)量之比；質(zhì)量法：稱重Si、S2,用于實驗室，結(jié)果準確；濃度法：同時測除塵器前后的空氣含塵濃度，由于含塵氣體在管道內(nèi)的分布既不均勻，也不穩(wěn)定，故 得準備結(jié)果較困難；一 . .- POM對討

14、論：若裝置不漏氣，則Qn=Qn,=1-T：1N大氣污染控制工程講義若裝置漏氣，則由 6 =Qin _Q2N =1_QN , q2N =q1n（16）則”=19（16） Q1NQ1N1Nb通過率：凈化效率很高成為說明污染物的排放率低舉例：兩臺除塵裝置，除塵效率分別為99.9%和99.0%, n多了 0.9%,通過率則為 0.1%和1.0%, P為10倍，說明：從第2臺排放到大氣中的粉塵量是第1臺的10倍，從環(huán)保角度看，用 P直觀c分級除塵效率：除塵裝置對某一粒徑 dpi或粒徑間隔dpidpi+dpi內(nèi)粉塵的除塵效率，簡稱分級效率，用，表示，設(shè)除塵器進口、出口和捕集的dpi顆粒質(zhì)量流量分別為 Si

15、、0、S*分割粒徑dc-除塵效率為50%時所對應(yīng)的粒徑四 分級效率與總效率的關(guān)系1）由總效率求分級效率設(shè)除塵器進口、出口和捕集的粉塵的質(zhì)量頻率分別為g1i、g2i、g3i ；包S3Si =Si +Si= S3iS1i TOC o 1-5 h z 貝 u gi =包，g2i =曳，g3i S1S2S 3 g 3 i _ g 3 iSi g ig 1ii = 1 - S = 1Si g 1ig 2 i 連立式得g1i= n g3i+pg2i,再代入式得 1 i2）由分級效率求總效率*1i/由式 ）=,呢?導(dǎo)，ig 23g3i,兩邊對各種粒徑間隔求和， g1i = ng3i得gi-% g 一 ,:1

16、g1i（ g3i =1）1/多級串聯(lián)的總凈化效率，q1dd p 00由于除塵器進口含塵濃度很高，或使用單位對除塵系統(tǒng)的除塵效率要求很高，用一種除塵器不能滿足要求或達不到所要求的除塵效率時，可采用兩級或多級除塵，即將兩臺或多臺不同類型的除塵器串聯(lián)起來使用。假定：多級除塵器的每一級的運行性能是獨立的；dpidpi+ Adpi分級通過率分別為：Pi1 , Pi2 , Pin ;in分級效率分別為:1）總分級通過率2）總分級效率3）總除塵效率Pt=-1 -2 Pn注：1）由于進入到各級除塵器的粉塵粒徑越來越小，所以每級除塵器的除塵效率也越來越小;2 ）在實際應(yīng)用中，多級除塵系統(tǒng)通常不超過三級。第四節(jié)

17、顆粒捕集的理論基礎(chǔ)流體阻力一最基本的作用力大氣污染控制工程講義1.定義：粉塵與氣體載體之間產(chǎn)生的相對運動過程中的能量損失，用Fd表示流體阻力5口 =形狀阻力fr+摩擦阻力fafr :空氣流經(jīng)顆粒時，導(dǎo)致顆粒前面較后面壓力大，即產(chǎn)生壓力差；fa :氣體與顆粒作相對運動時，兩者之間存在摩擦阻力；空氣動力學(xué)中，空氣與固體顆粒以相對速度u流動時產(chǎn)生的阻力等同于固體物質(zhì)以速度 u在靜止空氣中運動時產(chǎn)生的阻力；空氣以速度u經(jīng)過靜止的固體物質(zhì)時所產(chǎn)生的阻力；.影響因素：顆粒的大小、.大小和方向大?。?匚F d阻力系數(shù)：D形狀、表面特性、相對運動速度、12CDAp u 時流體性質(zhì)Ap顆粒在運動方向上的投影面積

18、，球形顆粒_u_L 睽 2Ap= dp方向：阻力的方向刈速黑網(wǎng)方則相反_C D = f （ Re p ）Re pdp3一流體號度，kg/m ;顆粒與流體之間的相對運動速度，-液體的粘度，Pa-s;-顆粒的定性尺寸，指空氣動力學(xué)直徑m/s;da;Cd隨雷諾數(shù)Rep的變化，將粉塵的運動分為三個區(qū)域:1)將上式稱為斯托克斯阻力定律，此區(qū)域稱為斯托克斯區(qū)域18.506Re p1 Re p P147圖5-14流體阻力與雷諾數(shù)的函數(shù)關(guān)系特殊地：顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時，顆粒發(fā)生滑動 修正：大顆粒表面在氣流中有一層氣體分子層，當顆粒尺寸-坎寧漢修正dp與氣體分子的平均自由程 入相近時，顆粒會脫離分子層

19、，相當于一個氣體分子在氣體中走動，相對于顆粒來說，氣體不再具有連續(xù)流體介質(zhì)的特性，流體阻力將減小，此時定義顆粒運動發(fā)生所謂（滑動），對滑動條件進行修正：將坎寧漢修正系數(shù)C引入斯托克斯定律（即層流斗犬態(tài)Pepw 1）；（一般為dpw 1Wm時考慮）C取決于努森數(shù)Kn入一一氣體分子平均自由程，m;R一一氣體常數(shù)，R=8.314J/mol k,從一氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol ;V 一一氣體分子的算術(shù)平均速度,m/s ;氣體溫度，K二阻力導(dǎo)致的減速運動uo的運動，只受到流體阻力的作用，根據(jù)牛頓第二定律對于在接近靜止的氣體中，球形顆粒作初速度為 TOC o 1-5 h z 1-du芯Fd=-m =-ma

20、dt” 2_Fd = C d Ap Pum = Pp dp三式聯(lián)立得若僅考慮 Stokes區(qū)域,F d=3兀dpu 大氣污染控制工程講義連立得T 弛豫時間或松弛時間討論：t=0時，U=Lb；經(jīng)過多長時間t , U=U； t=0 時，U=Up； t=t 時，U=?上式積分得1 ，一，時所需的時間 e則。的物理意義為：由于流體阻力，使顆粒的運動速度減小到它的初速度的U=U。變?yōu)閁=U時，遷移距離 x=?dxx t由& = u = Uo exp( -t/ t),兩邊積分得 0 dx = Uo exp( -t /x)dt說明：處于滑動領(lǐng)域的顆粒，引入坎寧漢修正系數(shù) C遷移時間t = .cln 0U遷移

21、距離x = EUC(1 - eLC)t=oo時，遷移距離 x=xs停止距離xs = U 0C顆粒由u=Uo達到u=0時，t= 00時間無限長Fg、流體浮力Fb、流體阻力Fd三重力沉降.靜止流體中顆粒受到的作用力：重力力平衡關(guān)系 F合J =Fg-F B-FD T =02、終極沉降速度二重為澗軸勺末端速度=Pp P忽略浮力作用，Stokes顆粒的重力沉降末端速度則P150(5-82)湍流過渡區(qū)(5-83)牛頓區(qū)討論：當Pp P時，浮力可忽略,Us= g g 位于滑動區(qū)域，Us= T gC18u。斯托克斯直徑ds=1 .:?pgc18仙-18仙 仝氣動力學(xué)直徑 da = J或 J1000gc: gc

22、Pp=1000kg/m3 或P p =1g/cm3)四離心沉降1.定義：含塵氣體作曲線運動時，粉塵會受到離心力的作用，粉塵在離心力 離心力方向沉降，稱為離心沉降。力平衡關(guān)系：f合J =Fc-FdT =0=m- ac2ac曷心加速度，m/s ,ut R處氣流的切向速度，m/s,R旋轉(zhuǎn)半徑，mFc和流體阻力Fd的作用下，沿著大氣污染控制工程講義.離心沉降速度:_Stokes顆粒的末端沉降速度五靜電沉降 TOC o 1-5 h z .定義：含塵氣體中粉塵在電場中運動時，若帶有一定極的靜電量，便會受到靜電力的作用，在靜電力和流體 阻力的綜合作用下粉塵發(fā)生的沉降過程（忽略重力、慣性力等）。力平衡關(guān)系：F dF 上 二 qEq D顆粒的荷電：tc；“E電場強度，v/m；.驅(qū)進速度：靜電沉降的末端速度，用 3表示，對于Stokes粒子：Fe=Fd 時，qE二C、 r r3 n N d pK慣性譏降當氣體在