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－每英寸長度上篩孔的個數(shù)我國常用泰勒標(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力學(xué)當(dāng)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,,顆粒的直徑,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)顆粒的個數(shù)（或質(zhì)量或表面積）所占的比例個數(shù)分布:每一間隔內(nèi)的顆粒個數(shù)個數(shù)頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù)ni與顆?？倲?shù)Σni之比,粒徑分布,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 顆粒總個數(shù)之比,粒徑分布,個數(shù)頻率密度,粒徑分布,粒數(shù)分布的測定及計算,粒徑分布,個數(shù)眾徑－頻度p最大時對應(yīng)的粒徑，此時個數(shù)中位徑（NMD）－累計頻率F=0.5時對應(yīng)

5、的粒徑,粒徑分布,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）直徑對于頻率密度分

6、布曲線對稱的分布，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)描述一定種類粉塵的粒徑分布正態(tài)分布對數(shù)正態(tài)分布羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）R－R的適用范圍較廣，特別對破碎、研磨、篩分過程產(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角：自然堆積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(biāo)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,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%開始，碳酸鈣和硝酸鈣混合顆粒開始吸濕。10-11%，吸濕更強(qiáng)，與純硝酸鈣顆粒類似。 平衡含水率-每一相對濕度，都相應(yīng)于粉塵一定的含水率,粉塵的潤濕性,潤濕性－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)。粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降潤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）。對應(yīng)的，葉子形狀有尖銳的邊界（上圖b右），這個結(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，同時起作用比電阻對電除塵器運(yùn)行有很大影響，最適宜范圍104～1010,V—通過粉塵層電壓J—通過粉塵層的電流密度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,溫度和相對濕度對粉

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：不黏性、微黏性、中等黏性、強(qiáng)黏性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、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,評價凈化裝置性能的指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)處理氣體流量凈化效率壓力損失經(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,總凈化效率通過率分級除塵效率：對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,幾種除塵器分級效率,,分級效率與總效率的關(guān)系,由總效率求分級效率由分級效率求總效率,,多級串聯(lián)的總

15、凈化效率,總分級通過率總分級效率總除塵效率,第四節(jié) 顆粒捕集的理論基礎(chǔ),對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產(chǎn)生一定位移并從氣流中分離顆粒捕集過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，顆粒發(fā)生滑動——坎寧漢修正,阻力導(dǎo)致的減速運(yùn)動,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,－馳豫時間或松弛時間,,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）湍流過渡區(qū)牛頓區(qū)Stokes直徑空氣動力學(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，對于Stokes粒子：,慣性沉降,顆粒接近靶時的運(yùn)動情況,慣性碰撞,慣性碰撞的捕集效率取決于三個因素氣流速度在靶周圍的分布，用ReD衡量顆粒運(yùn)動軌跡，用Stokes數(shù)描述顆粒對捕集體的附著，通常假定為100％,慣性碰撞,慣性碰撞分級效率與 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表示對于慣性大的顆粒 ηDI-攔截引起的捕集效率增量對于慣性小的顆粒,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)散作用對于小粒子的捕集影響較大顆粒的擴(kuò)散類似于氣體分子的擴(kuò)散 D-擴(kuò)散系數(shù)對于粒徑約等于或大于氣體分子平均自由程的顆粒對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粘性流單個圓柱體的效率勢流單個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（針對顆粒群）,個數(shù)分布:每一間隔內(nèi)的顆粒個數(shù)個數(shù)頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù)ni與顆?？倲?shù)Σni之比個數(shù)篩下累積頻