大氣污染控制學(xué)

第五章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)5.1顆粒的粒徑及粒徑分布目的要求：了解顆粒粒徑的各種定義形式，理解顆粒的粒徑分布相關(guān)概念；重點(diǎn)：粒徑分布；授課方式：講授一、顆粒的粒徑按一定方法確定的一個表示顆粒大小的代表性尺寸作為顆粒的直徑，簡稱粒徑。幾種常用的粒徑定義方法：1、用顯微鏡法觀測顆粒時，采用如下幾種粒徑：（1）定向直徑dF，也稱菲雷特（Feret）直徑，為各顆粒在投影圖中同一方向上的最大投影長度；（2）定向面積等分直徑dM，也稱馬丁（Martin）直徑，為各顆粒在投影圖中按同一方向?qū)㈩w粒投影面積二等分的線段長度；（3）投影面積直徑dA，也稱黑烏德（Heywood）直徑，為與顆粒投影面積相等的圓的直徑。根據(jù)黑烏德測定分析表明，同一顆粒的dF>dA>dM；2、用篩分法測定時可得到篩分直徑，為顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度；3、用光散射法測定時可得到等體積直徑dv，為與顆粒體積相等的圓球的直徑；4、用沉降法測定時，一般采用如下兩種定義：（1）斯托克斯（Stokes）直徑ds，為在同一流體中與顆粒的密度相同和沉降速度相等的圓球的直徑；（2）空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑da，為在空氣中與顆粒的沉降速度相等的單位密度的圓球直徑；斯托克斯直徑和空氣動力學(xué)直徑是除塵技術(shù)中應(yīng)用最多的兩種直徑；另外，通常用圓球度來表示顆粒形狀與圓球形顆粒不一致程度的尺度。圓球度是與顆粒體積相等的圓球的表面積和顆粒的表面積之比，以s表示，其值總是小于1。二、粒徑分布粒徑分布是指不同粒徑范圍內(nèi)的顆粒的個數(shù)（或質(zhì)量或表面積）所占的比例。以顆粒的個數(shù)表示所占的比例時，稱為個數(shù)分布；以顆粒的質(zhì)量（或表面積）表示時，稱為質(zhì)量分布（或表面積分布）除塵技術(shù)中多采用粒徑的質(zhì)量分布。1、個數(shù)分布結(jié)合表5-2（顆粒個數(shù)分布的測定數(shù)據(jù)及其測定結(jié)果）和圖5-2（顆粒個數(shù)分布直方圖）；（1）個數(shù)頻率1）：為第i個間隔中顆粒個數(shù)叫與顆?？倐€數(shù)n之比（或百分比）；（2）個數(shù)篩下累積頻率（F）:為小于第i個間隔上限粒徑的所有顆i粒個數(shù)與顆?？倐€數(shù)之比（或百分比）；根據(jù)計(jì)算出的各級篩下累積頻率Fi值對各級上限粒徑dp可以畫出篩下累積頻率分布曲線（圖5-3）；由累積頻率曲線可以求出任一粒徑間隔的頻率f值；（3）個數(shù)頻率密度：單位粒徑間隔時的頻率；頻度分布曲線（F曲線）；F曲線是一有拐點(diǎn)的“S”形曲線，拐點(diǎn)發(fā)生在頻度p為最大值時對應(yīng)的粒徑處，這一粒徑稱為眾徑dd；累積頻率F=0.5時對應(yīng)的粒徑d50稱為個數(shù)中位粒徑（NMD）；2、質(zhì)量分布根據(jù)所有顆粒都具有相同的密度，以及顆粒的質(zhì)量與其粒徑的立方成正比的假定對顆粒的個數(shù)分布和質(zhì)量分布進(jìn)行換算；得到按質(zhì)量給出的頻率、篩下累積頻率和頻率密度等定義；例5-1顆粒個數(shù)分布與質(zhì)量分布的換算；三、平均粒徑表示顆粒群的某一物理特性和平均尺寸的大小，需要求出顆粒群的平均粒徑；長度平均（或算術(shù)平均）粒徑；（dL）表面積平均粒徑；（ds）體積平均粒徑；（d^）表面積-體積平均粒徑；（dSV）幾何平均粒徑；（d）對于頻率密度分布曲線是對稱性的分布（如正態(tài)分布），其眾徑彳、中位直徑d和算術(shù)平均直徑dL相等，即d=d=dL；對于頻率密度

分布曲線是非對稱性的分布，dd<d50<~dL；例5-2計(jì)算顆粒群的各種平均粒徑；四、粒徑分布函數(shù)5.2粉塵的物理性質(zhì)目的要求：了解粉塵的八種物理性質(zhì)，理解相關(guān)概念；重點(diǎn)：無授課方式：講授、自學(xué)一、粉塵的密度單位體積粉塵的質(zhì)量稱為粉塵的密度，單位為kg/m3或g/cm3。粉塵的真密度（Pp）：不包括粉塵顆粒之間和顆粒內(nèi)部的空隙體積，而是粉塵自身所占的真實(shí)體積，以此真實(shí)體積求得的密度稱為粉塵的真密度；粉塵的堆積密度（P.）：呈堆積狀態(tài)存在的粉塵，它的堆積體積包括顆粒之間和顆粒內(nèi)部的空隙體積，以此堆積體積求得的密度稱為粉塵的堆積密度；若將粉體顆粒間和內(nèi)部空隙的體積與堆積粉體的總體積之比稱為空隙率，用￡表示，則空隙率￡與P和P之間的關(guān)系為：P=（1-￡）p；pbbp對于一定種類的粉塵，其真密度為一定值，堆積密度則隨空隙率而變化；二、粉塵的安息角與滑動角粉塵的安息角：粉塵從漏斗連續(xù)落到水平面上，自然堆積成一個圓錐體，圓錐體母線與水平面的夾角稱為粉塵的安息角，也稱動安息角或堆積角等，一般為35°-55°。粉塵的滑動角：自然堆放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)生滑動時的平板傾斜角，也稱靜安息角，一般為40°-55°。粉塵的安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的一個重要指標(biāo)；影響粉塵安息角和滑動角的因素主要有：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒表面光滑程度及粉塵粘性等。三、粉塵的比表面積粉塵的比表面積定義為單位體積（或質(zhì)量）粉塵所具有的表面積。（1）以粉塵自身體積（即凈體積）表示的比表面積七，用顯微鏡法測得的定義為：

S=S/V=6/dsv（cm2/cm3）（5-38）式中：S粉塵的平均表面積，cm2；V——粉塵的平均凈體積，cm3；dsv一粉塵的表面積-體積平均直徑，cm；（2）以粉塵質(zhì)量表示的比表面積S:mS——=一（cm2/g）（5-39）mpVPdsv（3）以堆積體積表示的比表面積S:bcS（1f）小、c6（1-8）Sbv（I*）Svd（cm2/cm3）（5-40）sv四、粉塵的含水率粉塵的含水率W表示粉塵中的水分含量，是指粉塵中所含水分質(zhì)量與粉塵總質(zhì)量（包括干粉塵與水分）之比；五、粉塵的潤濕性粉塵顆粒與液體接觸后能否相互附著或附著難以程度的性質(zhì)稱為粉塵的潤濕性。當(dāng)塵粒與液體接觸時，如果接觸面能擴(kuò)大而相互附著，則稱為潤濕性粉塵；如果接觸面趨于縮小而不能附著，則稱為非潤濕性粉塵；粉塵的潤濕性與粉塵的種類、粒徑和形狀、生成條件、組分、溫度、含水率、表面粗糙度及荷電性等性質(zhì)有關(guān)；粉塵的潤濕性可以用液體對試管中粉塵的潤濕速度來表征。通常取潤濕時間為20min，測出此時的潤濕高度L20（mm），于是潤濕速度為：v20=L20/20（mm/min）（5-41）按潤濕速度v20作為評定粉塵潤濕性的指標(biāo)，可將粉塵分為四類：絕對憎水、憎水、中等親水、強(qiáng)親水；粉塵的潤濕性是選用濕式除塵器的主要依據(jù)。六、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性1、粉塵的荷電性粉塵的荷電在除塵中有重要作用，如電除塵器就是利用粉塵荷電而除塵的，在袋式除塵器和濕式除塵器中也可利用粉塵或液滴荷電來進(jìn)一

步提高對細(xì)土粒的捕集性能。天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定的電荷，也有中性的。使粉塵荷電的因素很多，諸如電離輻射、高壓放電或高溫產(chǎn)生的離子或電子被顆粒所捕獲，固體顆粒相互碰撞或它們與壁面發(fā)生摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電。實(shí)際中，由于粉塵天然荷電量很小，并且有兩種極性，所以一般多米用高壓電暈放電等方法來實(shí)現(xiàn)粉塵荷電的。2、粉塵的導(dǎo)電性粉塵的導(dǎo)電性通常用比電阻P來表示：dP=V/j（Qcm）（5-42）d式中：V——通過粉塵層的電壓，V；j——通過粉塵層的電流密度，（A/cm2）；5——粉塵層的厚度，cm；粉塵的導(dǎo)電機(jī)制有兩種：本體導(dǎo)電（高溫，一般在200r以上）：主要依靠粉塵本體內(nèi)部的電子或離子進(jìn)行，這種本體導(dǎo)電占優(yōu)勢的粉塵比電阻稱為體積比電阻；表面導(dǎo)電（低溫，一般在100°c以下）：主要依靠塵粒表面吸附的水分或其他化學(xué)物質(zhì)中的離子進(jìn)行，這種表面導(dǎo)電占優(yōu)勢的粉塵比電阻稱為表面比電阻；在中間溫度范圍內(nèi)，兩種導(dǎo)電機(jī)制皆起作用，粉塵比電阻是表面和體積比電阻的合成。粉塵比電阻對電除塵器的運(yùn)行有很大影響，最適宜于電除塵器運(yùn)行的比電阻范圍為104-1010Q?cm，當(dāng)比電阻值超出這一范圍時，則需采取措施進(jìn)行調(diào)節(jié)。七、粉塵的粘附性粉塵顆粒附著在固體表面上，或者顆粒彼此相互附著的現(xiàn)象稱為粘附。附著的強(qiáng)度，即克服附著現(xiàn)象所需要的力稱為粘附力。粉塵顆粒之間的粘附力分為三種（不包括化學(xué)粘附力）：分子力（范德華力）、毛細(xì)力和靜電力；八、粉塵的自燃性和爆炸性1、粉塵的自燃性粉塵的自燃是指粉塵在常溫下存放過程中自然發(fā)熱，此熱量經(jīng)常時間的積累，達(dá)到該粉塵的燃點(diǎn)而引起燃燒的現(xiàn)象。引起粉塵自然發(fā)熱的原因有：氧化熱、分解熱、聚合熱和發(fā)酵熱；2、粉塵的爆炸性這里所說的爆炸主要指化學(xué)爆炸；爆炸濃度下限和爆炸濃度上限；5.3凈化裝置的性能目的要求：了解凈化裝置性能的表示方法，理解凈化效率的計(jì)算；重點(diǎn)：凈化效率授課方式：講授評價凈化裝置性能的指標(biāo)，包括技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩方面。技術(shù)指標(biāo)主要有處理氣體流量、凈化效率和壓力損失等，本節(jié)以凈化效率為主介紹凈化裝置技術(shù)性能的表示方法。一、凈化裝置技術(shù)性能的表示方法1、處理氣體流量處理氣體流量是代表凈化裝置處理氣體能力大小的指標(biāo)，一般以體積流量表示。實(shí)際運(yùn)行的凈化裝置，用裝置進(jìn)口和出口氣體流量的平均值作為處理氣體流量的代表：八—八、Qn-2（Q1n+Q2N）（mN3/s）（5-43）式中：Qin和Q溢分別代表裝置進(jìn)口和出口處的氣體流量；Q-Q凈化裝置漏風(fēng)率5=一?x100%（5-44）1N2、凈化效率凈化效率是表示裝置凈化污染物效果的重要指標(biāo)。對于除塵裝置稱為除塵效率，對于吸收裝置稱為吸收效率，對于吸附裝置稱為吸附效率。除塵效率后面重點(diǎn)介紹；3、壓力損失壓力損失代表裝置能耗大小的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，系指裝置的進(jìn)口和出口氣流全壓之差，凈化裝置壓力損失的大小，不僅取決于裝置的種類和

結(jié)構(gòu)型式，還與處理氣體流量大小有關(guān)。通常壓力損失與裝置進(jìn)口氣流PV2（5-45）的動壓成正比，即：AP=&卜（（5-45）二、凈化效率的表示方法1、總效率總效率指在同一時間內(nèi)凈化裝置去除的污染物數(shù)量與進(jìn)入裝置的污染物數(shù)量之比。n=S=（i-§）X100%i1（5-46）門=（1-「2^gN）X100%

HQ（5-47）式中：Q1n、Q2n——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下裝置進(jìn)出口氣體流量，mN3/s；S］、S2——裝置進(jìn)出口粉塵流量，g/s；P懷、P2N——裝置進(jìn)出口氣流中粉塵濃度，g/m3；S3——裝置捕集的粉塵流量，g/s；若凈化裝置不漏氣，則Q1n=Q2n，則n=1-Pn（5-48）P1N2、通過率當(dāng)凈化效率很高時，或?yàn)榱苏f明污染物的排放量，有時也可以用未被捕集的粉塵量占進(jìn)入裝置總量的百分?jǐn)?shù)來表示，稱之為通過率，用P表示：P=土=、2n°2N=1-n（5-49）S1P1NQ1N3、分級除塵效率分級除塵效率指除塵裝置對某一粒徑氣或粒徑間隔Ad?內(nèi)粉塵的除塵效率，簡稱分級效率；若設(shè)除塵器進(jìn)口、出口和捕集的d顆粒質(zhì)量流量分別為S、S和i1i2iS3j，則該除塵器對dpi顆粒的分級效率為：

S一S門=f=1—f（5-50）iS^S^其中分級效率中，一個非常重要的值是門=50%,與此值相對應(yīng)的i粒徑稱為除塵器的分割粒徑，一般用dc表示；4、分級效率與總除塵效率之間的關(guān)系（1）由總效率求分級效率由質(zhì)量頻率定義式（5-6）和分級頻率定義式（5-50）有：門=肇蘇=n土（5-51）iS]g]jgii一Sg一_g或門=1一22i=1一P-^i（5-52）g^g^門或n-=n+Pg/g（5-53）2i3i（2）由分級效率求總除塵效率由分級效率計(jì)算式（5-51）有門g3i=，％，等式兩端對各種粒徑間隔求和，并考慮到￡g3i=1，便得到計(jì)算總除塵效率的公式n=￡n.g].（5-54）i5、多級串聯(lián)運(yùn)行時的總凈化效率若多級除塵器中每一級的運(yùn)行性能是獨(dú)立的，凈化第i級粉塵的分級通過率分別為p,p，?…p，或分級效率分別為門m..門，則此多i1i2ini1i2in級除塵器凈化第i級粉塵的總分級通過率為P=PP....P（5-56）iTi1i2in或總分級效率為：n=1—P=1一（1一門）（1一不）...（1一門）（5-57）iTiTi1i2in計(jì)算出總分級效率后，由除塵系統(tǒng)總進(jìn)口的粉塵粒徑分布數(shù)據(jù)，按式（5-54）計(jì)算多級除塵系統(tǒng)的總除塵效率。

若已知各級除塵器的除塵效率為氣m2??門〃，也可計(jì)算多級除塵系統(tǒng)的總除塵效率：nr=1—(1一氣)(1一門2)...(1一門〃)(5-58)5.4顆粒捕集的理論基礎(chǔ)目的要求：了解顆粒物在各種力場中的空氣動力學(xué)行為一一分離、沉降、捕集等，掌握除塵過程中顆粒物的捕集機(jī)理，掌握流體阻力及其與顆粒雷諾數(shù)之間的關(guān)系；重點(diǎn)：除塵過程中顆粒物的捕集機(jī)理，流體阻力及其與顆粒雷諾數(shù)之間的關(guān)系；授課方式：講授、自學(xué)除塵過程的機(jī)理就是，將含塵氣體引入具有一種或幾種力作用的除塵器，使顆粒相對其運(yùn)載氣流產(chǎn)生一定的位移，并從氣流中分離出來，最后沉降到捕集表面上。顆粒捕集過程所要考慮的作用力有外力、流體阻力和顆粒間的相互作用力。外力一般包括重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、泳力等；作用在運(yùn)動顆粒上的流體阻力，對所有捕集過程來說都是最基本的作用力；顆粒間的相互作用力，在顆粒濃度不高時是可以忽略的。一、流體阻力在不可壓縮的連續(xù)流體中，穩(wěn)定運(yùn)動的顆粒受到的流體阻力的作用是由形狀阻力和摩擦阻力兩種現(xiàn)象引起的。阻力的大小決定于顆粒的形狀、粒徑、表面特征、運(yùn)行速度及流體的種類和性質(zhì)。阻力的方向總是和速度向量的方向相反，其大小如下式：F=1CApu2(N)(5-59)D2DP式中：CD——由實(shí)驗(yàn)確定的阻力系數(shù)，(無因此)；Ap——顆粒在其運(yùn)動方向上的投影面積，m2；P——流體的密度，kg/m3；u顆粒與流體之間的相對運(yùn)動速度，m/s；阻力系數(shù)是顆粒雷諾數(shù)的函數(shù)，即CD=f(Rep)，其中

Re=dp〃/日，d為顆粒的定性尺寸(m),R為流體的粘度(Pas)0由圖5-14可知，匕隨Re,變化的曲線分為三個區(qū)域：當(dāng)Re,W1時，顆粒運(yùn)動處于層流狀態(tài)，二者呈直線關(guān)系：C=蘭(5-60)dReP對于球形顆粒：FD=3叫du(5-61)(5-61)式就是著名的斯托克斯(Stokes)阻力定律。通常把Re,W1的區(qū)域稱為斯托克斯區(qū)域。當(dāng)1VRe,<500時，顆粒運(yùn)動處于湍流過渡區(qū)，二者呈曲線關(guān)系，CD的計(jì)算式有多種，如伯德(Bird)公式：C=^8^(5-62)DRe0.6P當(dāng)500WRe,<2X105時，顆粒運(yùn)動處于湍流狀態(tài)，CD幾乎不隨Re,變化，近似取CD0.44，是通常所說的牛頓區(qū)域，流體阻力公式為：FD=0.05夕pd2u2(5-63)當(dāng)顆粒尺寸小到與氣體分子平均自由程大小差不多時，顆粒開始脫離與氣體分子接觸，顆粒運(yùn)動發(fā)生所謂的“滑動”，這時流體阻力將減小，為了對這種滑動條件進(jìn)行修正，將坎寧漢(Cunningham)系數(shù)引入斯托克斯公式，則流體阻力計(jì)算公式為：3兀pdudC(5-64)坎寧漢系數(shù)的值取決于努森(Kundsen)數(shù)Kn=2人/d,，可用戴維斯建議的公式計(jì)算：C=1+Kn[1.257+0.400exp(-些)](5-65)Kn

氣體分子平均自由程人可按下式進(jìn)行計(jì)算：x=―(5-66)0.499pv其中v是氣體分子的算術(shù)平均速度：-r8RTv=、一(5-67)V兀M式中：R——通用氣體常數(shù)，R=8.314J?mol-i?K-1；T——體溫度，K；M氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；坎寧漢系數(shù)作為粗略估算，在293K和101325Pa下，C=1+0.615/匕，其中dp單位用rm；例5-4計(jì)算球形顆粒在靜止干空氣中運(yùn)動時的阻力；二、阻力導(dǎo)致的減速運(yùn)動對于在接近靜止的氣體中，以某一初速速u0運(yùn)動的球形顆粒，除了氣體阻力外再無其他力作用時，顆粒不能相對于氣體作穩(wěn)態(tài)運(yùn)動，只能作非穩(wěn)態(tài)的減速運(yùn)動。若只考慮斯托克斯區(qū)域顆粒的減速運(yùn)動，則有：du18Rudt―d2pU="T(5-70)pp參數(shù)T=dp2pp/18R是顆粒-氣體系統(tǒng)的一個基本特征參數(shù)，稱為顆粒的弛豫時間。在時間t=0時運(yùn)動速度為U0的顆粒，減速到u所需的時間t，由上式作定積分得t=TlnU0(5-71)u在時間t時顆粒的速度u=ue-t/T(5-72)0對于顆粒由初速度u0減速到u所遷移的距離X，利用u=dx/dt，變換

式（5-70）,積分得到：x=T（u—u）=Tu（1-e-t/t）（5-73）弛豫時間t的物理意義可以敘述為：由于流體阻力使顆粒的運(yùn)動速度減小到它的初速度的1/e（約0.368倍）時所需的時間。處于滑動區(qū)域的顆粒，則應(yīng)引入坎寧漢修正系數(shù)C，相應(yīng)的遷移時間和遷移距離為t=tCln約（5-74）ux=tC（u-u）=tCu（1-e-t/t）（5-75）00使顆粒由初始速度u達(dá)到靜止所需的時間是無限長的，但顆粒在靜0止之前所遷移的距離卻是有限的，這個距離稱為顆粒的停止距離：x=tu或x=tuC（5-76）s0s0三、重力沉降靜止流體中的單個球形顆粒，在重力作用下沉降時，所受作用力有重力、流體浮力和流體阻力，三力平衡關(guān)系式為：F=F-F=*（p-p）g（5-77）DGB6P1、對于斯托克斯區(qū)域的顆粒，代入阻力計(jì)算式（5-61），得到顆粒的重力沉降末端速度：u=dp2（Pp~P）g（5-78）s18旦當(dāng)流體介質(zhì)是氣體時，PpP，可忽略浮力的影響，則沉降速度公式簡化為u=dp2Ppg=Tg（5-79）s18旦對于坎寧漢滑動區(qū)域的小顆粒，應(yīng)修正為u=d之睛C=tgC（5-80）s18旦

此時的顆粒直徑稱為斯托克斯直徑：7|18叫d—Is-，qppgc【空氣動力學(xué)直徑又稱氣體動力學(xué)當(dāng)量直徑。表述粒子運(yùn)動的一種“假想”粒度。斯托伯(W.Stober)把它定義為：單位密度(p0=1g/cm3)的球體，在靜止空氣中作低雷諾數(shù)運(yùn)動時，達(dá)到與實(shí)際粒子相同的最終沉降速度(Vs)時的直徑。也就是將實(shí)際的顆粒粒徑換成具有相同空氣動力學(xué)特性的等效直徑(或等當(dāng)量直徑)。由于通常不能測得實(shí)際顆粒的粒徑和密度，而空氣動力學(xué)直徑則可直接由動力學(xué)的方法測量求得，這樣可使具有不同形狀、密度、光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)的顆粒粒徑有了統(tǒng)一的量度。大氣顆粒物(或氣溶膠粒子)的粒徑(直徑或半徑)均應(yīng)指空氣動力直徑。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，粒子在空氣中的氣體動力學(xué)直徑為0.5pm，比重為2時，其真實(shí)直徑只有0.34pm，而比重為0.5時，卻為0.74pm。d-J八，則空氣動力學(xué)直徑與斯托克斯直徑之間的關(guān)系為ay1000gCd=d()1/2】；asCa2、對于較大的球形