大氣污染控制工程-顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

第5章

顆粒(kēlì)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)1共六十五頁(yè)教學(xué)內(nèi)容§1粉塵的粒徑及粒徑分布(fēnbù)§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)第5章顆粒(kēlì)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)2共六十五頁(yè)1、教學(xué)要求要求理解和掌握顆粒物的粒徑分布及其他物理性質(zhì)、評(píng)價(jià)凈化裝置性能的技術(shù)指標(biāo)以及顆粒物捕集的動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)。2、教學(xué)重點(diǎn)要求了解(liǎojiě)除塵技術(shù)的理論基礎(chǔ)，掌握顆粒污染物的性質(zhì)。3、教學(xué)難點(diǎn)除塵技術(shù)的理論基礎(chǔ)以及顆粒物捕集的動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)。第5章顆粒(kēlì)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)3共六十五頁(yè)空氣污染物的性質(zhì)和存在狀態(tài)不同，其凈化機(jī)理、方法及所選用的裝置也各不相同?？諝馕廴疚锓譃闅馊苣z（顆粒物）污染物和氣態(tài)污染物。以后各章將介紹顆粒物的處理方法。氣溶膠（AEROPAL）是非均相污染物，主要污染物是分散于氣體介質(zhì)中的顆粒物（固體、液體），可用除塵技術(shù)把粒狀物從氣體介質(zhì)中分離出來(lái)，分離方法一般采用物理法。依據(jù)：氣、固、液體粒子在物理性質(zhì)上的差異將其分離。機(jī)械法：利用重力、慣性力、離心力分離。過(guò)濾介質(zhì)分離：利用粒子的尺寸、重量較氣體分子大分離。濕式洗滌分離法：利用粒子易被水潤(rùn)濕(rùnshī)，凝拼增大而被捕獲的特性。電除塵：利用荷電性、靜電力分離。等等。第5章顆粒(kēlì)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)4共六十五頁(yè)§1顆粒(kēlì)的粒徑及粒徑分布一、顆粒的粒徑定義：在實(shí)際中，因顆粒大小、形狀各異，故表示方法有所不同。一般分為兩類：?jiǎn)我涣剑簡(jiǎn)蝹€(gè)粒子的直徑；平均粒徑：粒子群的直徑。球形顆粒：d=直徑

單一粒徑分成

投影徑

非球形顆粒：

幾何(jǐhé)當(dāng)量徑

物理當(dāng)量徑5共六十五頁(yè)§1顆粒(kēlì)的粒徑及粒徑分布一、顆粒的粒徑（1）顯微鏡法定向直徑dF，也稱菲雷特（Feret直徑）：為各顆粒在投影圖中同一方向(fāngxiàng)上的最大投影長(zhǎng)度定向面積等分直徑dM，也稱馬?。∕artin直徑）：為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(zhǎng)度投影面積直徑dA，也稱黑烏德（Heywood直徑）：為與顆粒投影面積相等的圓的直徑

Heywood測(cè)定分析表明，同一顆粒的dF>dA>dM6共六十五頁(yè)一、顆粒(kēlì)的直徑顯微鏡法觀測(cè)(guāncè)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7共六十五頁(yè)一、顆粒(kēlì)的直徑（2）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)（3）光散射法等體積直徑dV：與顆粒體積相等的球體的直徑（4）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)(jìshù)中應(yīng)用最多的兩種直徑8共六十五頁(yè)一、顆粒(kēlì)的直徑粒徑的測(cè)定結(jié)果與顆粒(kēlì)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Φs（Φs<1）正立方體Φs＝0.806，圓柱體Φs＝2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)9共六十五頁(yè)一、顆粒(kēlì)的直徑某些(mǒuxiē)顆粒的圓球度10共六十五頁(yè)二、粒徑分布(fēnbù)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1.個(gè)數(shù)分布:每一間隔內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)（1）個(gè)數(shù)頻率(pínlǜ)：第i個(gè)間隔中的顆粒個(gè)數(shù)ni與顆?？倲?shù)Σni之比∑?i﹦111共六十五頁(yè)由計(jì)算結(jié)果可繪出頻度(píndù)分布f的直方圖，12共六十五頁(yè)二、粒徑分布(fēnbù)（2）個(gè)數(shù)篩下累積頻率：小于第i個(gè)間隔上限(shàngxiàn)粒徑的所有顆粒個(gè)數(shù)與顆?？倐€(gè)數(shù)之比13共六十五頁(yè)二、粒徑分布(fēnbù)（3）個(gè)數(shù)頻率(pínlǜ)密度14共六十五頁(yè)用粒徑間隔中值可繪出頻度分布曲線(qūxiàn)，見(jiàn)圖b。最大頻度的粒徑dom稱為眾徑。15共六十五頁(yè)二、粒徑分布(fēnbù)粒數(shù)分布(fēnbù)的測(cè)定及計(jì)算16共六十五頁(yè)二、粒徑分布(fēnbù)粒數(shù)眾徑－頻度p最大時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑，此時(shí)粒數(shù)中位徑（NMD）－累計(jì)(lèijì)頻率F=0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑17共六十五頁(yè)二、粒徑分布(fēnbù)2.質(zhì)量分布類似于數(shù)量分布，也有質(zhì)量頻率、質(zhì)量篩下累積頻率、質(zhì)量頻率密度(mìdù)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，粒數(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）18共六十五頁(yè)三、平均(píngjūn)粒徑前面定義的眾徑和中位徑是常用的平均粒徑之一長(zhǎng)度平均直徑(zhíjìng)表面積平均直徑體積平均直徑體積－表面積平均直徑19共六十五頁(yè)三、平均(píngjūn)粒徑（續(xù)）幾何平均直徑對(duì)于頻率密度分布曲線對(duì)稱的分布，眾徑、中位徑和算術(shù)平均直徑相等(xiāngděng)頻率密度非對(duì)稱的分布，單分散氣溶膠，；否則，20共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)用一些半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)描述一定種類(zhǒnglèi)粉塵的粒徑分布1.正態(tài)分布頻率密度篩下累積頻率標(biāo)準(zhǔn)差21共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)1.正態(tài)分布（續(xù)）正態(tài)分布(fēnbù)是最簡(jiǎn)單的分布(fēnbù)函數(shù)（1）（2）累計(jì)頻率曲線在正態(tài)概率坐標(biāo)紙上為一條直線，其斜率取決于σ（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)粉塵的頻度曲線向大顆粒方向偏移22共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)正態(tài)分布(fēnbù)的累積頻率分布(fēnbù)曲線23共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)2.對(duì)數(shù)正態(tài)分布以lndp代替(dàitì)dp得到的正態(tài)分布的頻度曲線24共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)2.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(zhíxiàn)，斜率決定于25共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)2.對(duì)數(shù)(duìshù)正態(tài)分布（續(xù)）可用、MMD和NMD計(jì)算出各種平均直徑26共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的累積頻率(pínlǜ)分布曲線27共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)3.羅辛－拉姆勒分布(fēnbù)（Rosin－Rammler）

若設(shè)得到一般多選用質(zhì)量中位徑或28共六十五頁(yè)四、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)3.羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）判斷是否(shìfǒu)符合R－R分布應(yīng)為一條直線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29共六十五頁(yè)§2粉塵(fěnchén)的物理性質(zhì)一、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)部和之間的縫隙(fèngxì)－真密度用堆積體積計(jì)算——堆積密度空隙率——粉塵顆粒間和內(nèi)部空隙的體積與堆積總體積之比30共六十五頁(yè)二、粉塵的安息(ānxī)角與滑動(dòng)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(dòng)角：自然堆積在光滑(guānghuá)平板上的粉塵隨平板做傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)粉塵開始發(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31共六十五頁(yè)三、粉塵(fěnchén)的比表面積單位(dānwèi)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32共六十五頁(yè)四、粉塵(fěnchén)的含水率粉塵中的水分包括(bāokuò)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)象平衡含水率33共六十五頁(yè)五、粉塵(fěnchén)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(zhǒnglèi)、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)34共六十五頁(yè)六、粉塵(fěnchén)的荷電性和導(dǎo)電性1.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(mócā)、產(chǎn)生過(guò)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)35共六十五頁(yè)六、粉塵(fěnchén)的荷電性和導(dǎo)電性粉塵(fěnchén)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104～101036共六十五頁(yè)六、粉塵(fěnchén)的導(dǎo)電性和荷電性典型溫度(wēndù)－比電阻曲線37共六十五頁(yè)六、粉塵(fěnchén)的導(dǎo)電性和荷電性溫度和相對(duì)濕度對(duì)粉塵比電阻(diànzǔ)的影響較為干燥的粉塵的比電阻在3000F（420K）左右達(dá)到最大值38共六十五頁(yè)七、粉塵(fěnchén)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(děngyú)粉塵斷裂所需的力除以其斷裂的接觸面積分類：不粘性、微粘性、中等粘性、強(qiáng)粘性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤(rùn)濕性、荷電量均影響粘附性39共六十五頁(yè)八、粉塵(fěnchén)的自燃性和爆炸性1.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(yīnsù)：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40共六十五頁(yè)2.粉塵(fěnchén)的爆炸性粉塵發(fā)生爆炸必備的條件：可燃物與空氣(kōngqì)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41共六十五頁(yè)§3凈化(jìnghuà)裝置的性能一、評(píng)價(jià)(píngjià)凈化裝置性能的指標(biāo)1.技術(shù)指標(biāo)處理氣體流量?jī)艋蕢毫p失2.經(jīng)濟(jì)指標(biāo)設(shè)備費(fèi)運(yùn)行費(fèi)占地面積42共六十五頁(yè)一、凈化(jìnghuà)裝置技術(shù)性能的表示方法1.處理氣體流量(liúliàng)漏風(fēng)率2.凈化效率3.壓力損失43共六十五頁(yè)二.凈化(jìnghuà)效率的表示方法1.總凈化(jìnghuà)效率2.通過(guò)率3.分級(jí)除塵效率分割粒徑－除塵效率為50％的粒徑44共六十五頁(yè)4.分級(jí)效率(xiàolǜ)與總效率(xiàolǜ)的關(guān)系（1）由總效率(xiàolǜ)求分級(jí)效率(xiàolǜ)（2）由分級(jí)效率求總效率45共六十五頁(yè)5.多級(jí)串聯(lián)的總凈化(jìnghuà)效率總分級(jí)通過(guò)率總分級(jí)效率(xiàolǜ)總除塵效率46共六十五頁(yè)§4顆粒(kēlì)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(liútǐ)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47共六十五頁(yè)一、流體(liútǐ)阻力流體阻力＝形狀阻力＋摩擦阻力阻力的方向和速度向量(xiàngliàng)方向相反

48共六十五頁(yè)一、流體(liútǐ)阻力流體阻力與雷諾數(shù)的函數(shù)(hánshù)關(guān)系

49共六十五頁(yè)一、流體(liútǐ)阻力顆粒尺寸與氣體平均自由程接近(jiējìn)時(shí)，顆粒發(fā)生滑動(dòng)——坎寧漢修正50共六十五頁(yè)二、阻力導(dǎo)致(dǎozhì)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(xiūzhèng)系數(shù)C停止距離－馳豫時(shí)間或松弛時(shí)間51共六十五頁(yè)三、重力(zhònglì)沉降力平衡關(guān)系Stokes顆粒的重力沉降末端(mòduān)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52共六十五頁(yè)四、離心(líxīn)沉降力平衡關(guān)系(guānxì)Stokes顆粒的末端沉降速度53共六十五頁(yè)五、靜電(jìngdiàn)沉降力平衡關(guān)系靜電沉降的末端速度習(xí)慣上稱為驅(qū)進(jìn)速度，用表示(biǎoshì)，對(duì)于Stokes粒子：54共六十五頁(yè)六、慣性(guànxìng)沉降顆粒(kēlì)接近靶時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況55共六十五頁(yè)1.慣性(guànxìng)碰撞慣性碰撞的捕集效率取決于三個(gè)因素氣流(qìliú)速度在靶周圍的分布，用ReD衡量顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，用Stokes數(shù)描述顆粒對(duì)捕集體的附著，通常假定為100％56共六十五頁(yè)1.慣性(guànxìng)碰撞慣性碰撞分級(jí)效率(xiàolǜ)與的關(guān)系57共六十五頁(yè)2.攔截(lánjié)直接攔截發(fā)生在顆粒(kēlì)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)于慣性小的顆粒58共六十五頁(yè)七、擴(kuò)散(kuòsàn)沉降1.擴(kuò)散系數(shù)和均方根位移顆粒的擴(kuò)散類似于氣體分子(fēnzǐ)的擴(kuò)散對(duì)于粒徑約等于