第5章 顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

第五章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)1.粉塵的粒徑及粒徑分布2.粉塵的物理性質(zhì)3.凈化裝置的性能4.顆粒捕集理論基礎(chǔ)掌握顆粒粒徑分布特點(diǎn)，學(xué)會(huì)計(jì)算平均粒徑；掌握粉塵物理性質(zhì)；掌握除塵系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，學(xué)會(huì)計(jì)算除塵效率；理解顆粒捕集的理論基礎(chǔ)。第一節(jié)顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑顯微鏡法定向直徑dF（Feret直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向上的最大投影長(zhǎng)度定向面積等分直徑dM（Martin直徑）：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(xiàn)段長(zhǎng)度投影面積直徑dA（Heywood直徑）：與顆粒投影面積相等的圓的直徑

Heywood測(cè)定分析表明，同一顆粒的dF>dA>dM顆粒的直徑顯微鏡法觀測(cè)粒徑直徑的三種方法a-定向直徑b-定向面積等分直徑c-投影面積直徑顆粒的直徑篩分法篩分直徑：顆粒能夠通過(guò)的最小方篩孔的寬度篩孔的大小用目表示－每英寸長(zhǎng)度上篩孔的個(gè)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(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑da：在空氣中與顆粒沉降速度相等的單位密度（1g/cm3）的球體的直徑斯托克斯直徑和空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑與顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)行為密切相關(guān)，是除塵技術(shù)中應(yīng)用最多的兩種直徑顆粒的直徑粒徑的測(cè)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Φs

：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比（Φs<1）正立方體Φs＝0.806，圓柱體Φs＝2.62（l/d）2/3/(1+2l/d)顆粒的直徑某些顆粒的圓球度粒徑分布粒徑分布指不同粒徑范圍內(nèi)顆粒的個(gè)數(shù)（或質(zhì)量或表面積）所占的比例個(gè)數(shù)分布:每一間隔內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)頻率：第i個(gè)間隔中的顆粒個(gè)數(shù)ni與顆?？倲?shù)Σni之比粒徑分布個(gè)數(shù)篩下累積頻率：小于第i個(gè)間隔上限粒徑的所有顆粒個(gè)數(shù)與顆粒總個(gè)數(shù)之比個(gè)數(shù)中位徑d50（NMD）累計(jì)頻率F=0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑粒徑分布個(gè)數(shù)頻率密度個(gè)數(shù)眾徑dd頻度p最大時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑粒徑分布粒數(shù)分布的測(cè)定及計(jì)算粒徑分布質(zhì)量分布類(lèi)似于個(gè)數(shù)分布，也有質(zhì)量頻率、質(zhì)量篩下累積頻率、質(zhì)量頻率密度等在所有顆粒具有相同密度、顆粒質(zhì)量與粒徑立方成正比的假設(shè)下，個(gè)數(shù)分布與質(zhì)量分布可以相互換算同樣的，也有質(zhì)量眾徑和質(zhì)量中位徑（MMD）平均粒徑前面定義的眾徑和中位徑是常用的平均粒徑之一算術(shù)（長(zhǎng)度）平均直徑表面積平均直徑體積平均直徑體積－表面積平均直徑平均粒徑（續(xù)）幾何平均直徑對(duì)于頻率密度分布曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的分布，眾徑、中位徑和算術(shù)平均直徑相等頻率密度非對(duì)稱(chēng)的分布，單分散氣溶膠，；否則，粒徑分布函數(shù)用一些半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)描述一定種類(lèi)氣溶膠的粒徑分布正態(tài)分布頻率密度篩下累積頻率標(biāo)準(zhǔn)差粒徑分布函數(shù)正態(tài)分布（續(xù)）正態(tài)分布是最簡(jiǎn)單的分布函數(shù)，對(duì)稱(chēng)性曲線(xiàn)（1）（2）累計(jì)頻率曲線(xiàn)在正態(tài)概率坐標(biāo)紙上為一條直線(xiàn)，其斜率取決于（3）正態(tài)分布函數(shù)很少用于描述粉塵的粒徑分布，因?yàn)榇蠖鄶?shù)粉塵的頻度曲線(xiàn)向大顆粒方向偏移描述單分散的實(shí)驗(yàn)粉塵、花粉和孢子粒徑分布函數(shù)正態(tài)分布的累積頻率分布曲線(xiàn)粒徑分布函數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布以lndp代替dp得到的正態(tài)分布的曲線(xiàn)粒徑分布函數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布（續(xù)）對(duì)數(shù)正態(tài)分布在對(duì)數(shù)概率坐標(biāo)紙上為一直線(xiàn)，斜率決定于粒徑分布函數(shù)羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）

若設(shè)得到一般多選用質(zhì)量中位徑或粒徑分布函數(shù)羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）判斷是否符合R－R分布雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上應(yīng)為一條直線(xiàn)R－R的適用范圍較廣，特別對(duì)破碎、研磨、篩分過(guò)程產(chǎn)生的較細(xì)粉塵更為適用分布指數(shù)n>1時(shí)，近似于對(duì)數(shù)正態(tài)分布；n>3時(shí)，更適合于正態(tài)分布第二節(jié)粉塵的物理性質(zhì)粉塵的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)部和顆粒之間的縫隙－真密度用堆積體積計(jì)算——堆積密度空隙率——粉塵顆粒之間和顆粒內(nèi)部空隙的體積與堆積總體積之比粉塵的安息角與滑動(dòng)角（動(dòng)）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(xiàn)與地面的夾角滑動(dòng)角（靜安息角）：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)粉塵開(kāi)始發(fā)生滑動(dòng)的平板傾角安息角與滑動(dòng)角是評(píng)價(jià)粉塵流動(dòng)特性的重要指標(biāo)安息角和滑動(dòng)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(dòng)性等物理特性吸濕現(xiàn)象粉塵的潤(rùn)濕性潤(rùn)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(rùn)濕性與粉塵的種類(lèi)、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(rùn)濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降潤(rùn)濕速度－潤(rùn)濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù)粉塵的荷電性和導(dǎo)電性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)生靜電。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)粉塵的荷電性和導(dǎo)電性粉塵的導(dǎo)電性比電阻導(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)－表面積比電阻中間溫度，同時(shí)起作用比電阻對(duì)電除塵器運(yùn)行有很大影響，最適宜范圍104～1010粉塵的導(dǎo)電性和荷電性典型溫度－比電阻曲線(xiàn)粉塵的粘附性粘附和自粘現(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(kù)侖力）斷裂強(qiáng)度－表征粉塵自粘性的指標(biāo)，等于粉塵斷裂所需的力除以其斷裂的接觸面積分類(lèi)：不粘性、微粘性、中等粘性、強(qiáng)粘性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤(rùn)濕性、荷電量均影響粘附性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)境存放過(guò)程中自然發(fā)熱熱量積累達(dá)到燃點(diǎn)燃燒粉塵的爆炸性粉塵發(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第三節(jié)凈化裝置的性能評(píng)價(jià)凈化裝置性能的指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)處理氣體流量?jī)艋蕢毫p失經(jīng)濟(jì)指標(biāo)設(shè)備費(fèi)運(yùn)行費(fèi)占地面積凈化裝置技術(shù)性能的表示方法處理氣體流量漏風(fēng)率壓力損失總凈化效率的表示方法總凈化效率通過(guò)率分級(jí)除塵效率分割粒徑－除塵效率為50％的粒徑分級(jí)效率與總效率的關(guān)系由總效率求分級(jí)效率由分級(jí)效率求總效率例題1根據(jù)對(duì)某旋風(fēng)除塵器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到：除塵器進(jìn)口的氣流量為10000m3/h，含塵濃度為4.2g/m3，除塵器出口的氣流量為12000m3/h，含塵濃度為340mg/m3。試計(jì)算該除塵器的處理氣體流量，漏風(fēng)率和除塵效率（分別按漏風(fēng)和不漏風(fēng)兩種情況計(jì)算）例題2某燃煤電廠電除塵器的進(jìn)口和出口的煙塵粒徑分布數(shù)據(jù)如下表所示，若除塵總效率為98%，試?yán)L出分級(jí)效率曲線(xiàn)。例題3某種粉塵的粒徑分布和分級(jí)除塵效率數(shù)據(jù)如下，試確定總除塵效率。平均粒徑/um0.251.02.03.04.05.06.07.08.010.014.020.0>23.5質(zhì)量頻率/%0.10.49.520.020.015.011.08.55.55.54.00.80.2分級(jí)效率83047.56068.575818689.5959899100多級(jí)串聯(lián)的總凈化效率總分級(jí)通過(guò)率總分級(jí)效率總除塵效率例題4有一兩級(jí)除塵系統(tǒng)，已知系統(tǒng)的流量為2.22m3/s，工藝設(shè)備產(chǎn)生粉塵量為2.22g/s，各級(jí)除塵效率分別為80%和95%。試計(jì)算該除塵系統(tǒng)的總除塵效率、粉塵排放濃度和排放量。第四節(jié)顆粒捕集的理論基礎(chǔ)對(duì)顆粒施加外力使顆粒相對(duì)氣流產(chǎn)生一定位移并從氣流中分離顆粒捕集過(guò)程中需要考慮的作用力：外力、流體阻力、顆粒間相互作用力外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、泳力等顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時(shí)可以忽略流體阻力流體阻力＝形狀阻力＋摩擦阻力阻力的方向和速度向量方向相反

流體阻力流體阻力與雷諾數(shù)的函數(shù)關(guān)系

流體阻力顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時(shí)，顆粒發(fā)生滑動(dòng)——坎寧漢修正阻力導(dǎo)致的減速運(yùn)動(dòng)根據(jù)牛頓第二定律若僅考慮Stokes區(qū)域積分得速度由u0減速到u所遷移的距離若引入坎寧漢修正系數(shù)C停止距離－馳豫時(shí)間或松弛時(shí)間重力沉降力平衡關(guān)系Stokes顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響）湍流過(guò)渡區(qū)牛頓區(qū)Stokes直徑空氣動(dòng)力學(xué)直徑離心沉降力平衡關(guān)系Stokes顆粒的末端沉降速度靜電沉降力平衡關(guān)系靜電沉降的末端速度習(xí)慣上成為驅(qū)進(jìn)速度，用表示，對(duì)于Stokes粒子：慣性沉降顆粒接近靶時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況慣性碰撞慣性碰撞的捕集效率取決于三個(gè)因素氣流速度在靶周?chē)姆植?，用ReD衡量顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，用Stokes準(zhǔn)數(shù)描述顆粒對(duì)捕集體的附著，通常假定為100％攔截直接攔截發(fā)生在顆粒距捕集體dp/2的距離內(nèi)攔截效率用直接攔截比R表示對(duì)于慣性大的顆粒對(duì)于慣性