大氣污染控制工程第5章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

1、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),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（Heywood直徑）：與顆粒投影面積相等的圓的直徑 Heywood測(cè)定

2、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,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分采用的普通篩子是用平織的金屬絲網(wǎng)制成篩孔的大小用目表示－每英寸長(zhǎng)度上篩孔的個(gè)數(shù)我國(guó)常用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩,顆粒的直徑,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d

3、a：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：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),顆粒的

4、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?？倐€(gè)數(shù)之比,粒徑分布,個(gè)數(shù)頻率密度,粒徑分布,粒數(shù)分布的測(cè)定及計(jì)算,粒徑分布,個(gè)數(shù)眾徑－頻度p最大時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑，此時(shí)個(gè)數(shù)中位徑（NMD）－累計(jì)頻率F=0.5時(shí)對(duì)應(yīng)

5、的粒徑,粒徑分布,質(zhì)量分布類(lèi)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，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）,平均粒徑,前面定義的質(zhì)量眾徑和質(zhì)量中位徑是常用的平均粒徑之一長(zhǎng)度平均（算數(shù)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（算數(shù)平均）直徑對(duì)于頻率密度分

6、布曲線對(duì)稱的分布，眾徑 、中位徑 和算術(shù)平均直徑 相等頻率密度非對(duì)稱的分布，,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)粉塵的粒徑分布正態(tài)分布對(duì)數(shù)正態(tài)分布羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）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,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)部和之間的縫隙－真密度用堆積體積

7、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,粉塵的安息角與滑動(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

8、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,粉塵的含水率,吸濕現(xiàn)象7%RH，硝酸與碳酸鈣顆粒反應(yīng)。從8%開(kāi)始，碳酸鈣和硝酸鈣混合顆粒開(kāi)始吸濕。10-11%，吸濕更強(qiáng)，與純硝酸鈣顆粒類(lèi)似。 平衡含水率-每一相對(duì)濕度，都相應(yīng)于粉塵一定的含水率,粉塵的潤(rùn)濕性,潤(rùn)濕性－粉塵顆

9、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)濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù),,,超疏水表面黏附力,聚合物表面，上圖a，高黏附表面由3.5-6μm的微球粒組成；低黏附表面為葉子形狀。微球結(jié)構(gòu)表面，連接的球粒能夠被處理成光滑正弦表面，這樣更

10、容易接收水（上圖b左）。對(duì)應(yīng)的，葉子形狀有尖銳的邊界（上圖b右），這個(gè)結(jié)構(gòu)防止水浸入葉子縫隙，空氣進(jìn)入縫隙后阻隔表面和液體接觸，大大降低了液-固黏附。,,,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

11、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(電阻率)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104～1010,V—通過(guò)粉塵層電壓J—通過(guò)粉塵層的電流密度δ—粉塵層的厚度,粉塵的導(dǎo)電性和荷電性,典型溫度－比電阻曲線,粉塵的導(dǎo)電性和荷電性,溫度和相對(duì)濕度對(duì)粉

12、塵比電阻的影響,,粉塵的黏附性,黏附和自黏現(xiàn)象黏附力－克服附著現(xiàn)象所需要的力黏附力：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)：不黏性、微黏性、中等黏性、強(qiáng)黏性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤(rùn)濕性、荷電量均影響?zhàn)じ叫?粉塵的自燃性和爆炸性,粉塵的自燃性自燃自燃發(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)

13、和環(huán)境懸浮和堆積,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,qv,2Nρ2Nqm,2g2,qv,1Nρ1Nqm,1g1,qm,3

14、 g3 捕集粉塵,,凈化裝置技術(shù)性能的表示方法,壓力損失污染物濃度,qv,2Nρ2Nqm,2g2,qv,1Nρ1Nqm,1g1,qm,3 g3 捕集粉塵,,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：對(duì)某一粒徑或粒徑間隔的粉塵除塵效率分割粒徑－除塵效率為50％的粒徑,幾種除塵器分級(jí)效率,,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,,多級(jí)串聯(lián)的總

15、凈化效率,總分級(jí)通過(guò)率總分級(jí)效率總除塵效率,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、泳力等阻力：最基本作用力顆粒間相互作用力：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,500<Rep<2×1

16、05,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

17、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)慣上稱為驅(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數(shù)描述顆粒對(duì)捕集體的附著，通常假定為100％,慣性碰撞,慣性碰撞分級(jí)效率與 的關(guān)系,攔截,直接攔截發(fā)生在顆粒距捕集體dp/2的距

18、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 ηDI-攔截引起的捕集效率增量對(duì)于慣性小的顆粒,ηDI=2R+R2≈2R 球形捕集體,擴(kuò)散沉降,擴(kuò)散系數(shù)和均方根位移布朗擴(kuò)散作用對(duì)于小粒子的捕集影響較大顆粒的擴(kuò)散類(lèi)似于氣體分子的擴(kuò)散 D-擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于粒徑約等于或大于氣體分子平均自由程的顆粒對(duì)于粒徑大于分子但小于氣體平均自由程的顆粒顆粒的均方根位移（時(shí)間t秒鐘）,擴(kuò)散沉降,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下布朗擴(kuò)散平均位

19、移與重力沉降的比較,隨著粒徑的減小，在相同時(shí)間內(nèi)布朗擴(kuò)散的平均位移比重力沉降距離大的多。,擴(kuò)散沉降效率,擴(kuò)散沉降效率取決于皮克萊數(shù)Pe和雷諾數(shù)ReD粘性流單個(gè)圓柱體的效率勢(shì)流單個(gè)圓柱體效率孤立球形捕集體從理論上講， 是可能的,擴(kuò)散沉降效率,慣性碰撞、直接攔截和布朗擴(kuò)散的比較,粒徑分布（針對(duì)顆粒群）,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之比個(gè)數(shù)篩下累積頻