颗粒物技术基础

第三章颗粒污染物控制技术基础1、颗粒的粒径及粒径分布2、粉尘的物理性质3、净化装置的性能4、颗粒捕集理论基础本章主要讨论1、颗粒的粒径分布；2、除尘装置性能表示方法；3、简要介绍粉尘颗粒在各种力场中的空气动力学行为——分离、沉降、捕集。大气污染控制中涉及到的颗粒物，一般是指所有大于分子的颗粒物，但实际的最小界限为0.01μm左右。颗粒物的存在状态，可单个地分散于气体介质中，也可能因凝聚等作用使多个颗粒集合在一起，成为集合体的状态颗粒物还能从气体介质中分离出来，呈堆积状态存在，或者本来就呈堆积状态。一般将这种呈堆积状态存在的颗粒物称为粉体（工程-粉尘）第三章颗粒污染物控制技术基础第三章颗粒污染物控制技术基础三模态大气气溶胶分布0.052.5第一节颗粒的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径颗粒的大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害也不同，而且对除尘装置的性能影响很大，所以颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一。若颗粒是球形的，则可用其直径作为颗粒的代表性尺寸。但实际颗粒的形状多是不规则的，所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒大小的代表性尺寸，作为颗粒物的直径，简称为粒经。粒径分单颗粒粒径和颗粒的平均粒径。一、颗粒的粒径小粒径，大消光4A2定向直径dF（Feret直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度定向面积等分直径dM（Martin直径）：各颗粒在投影图中同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度投影面积直径dA（Heywood直径）：与颗粒投影面积相等的圆的直径（一）单一颗粒粒径1、显微镜法21)1.128AdH(A4dH——等投影面积径，m；A——颗粒的投影面积，m2dFdAdMdH)1.24V筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度筛孔的大小用目表示－每英寸长度上筛孔的个数（一）单一颗粒粒径2、筛分法等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径3、光散射法1313d3VdV(V6V6V-颗粒的体积，m3。（一）单一颗粒粒径4、沉降法（物理当量径）任一流体&密度相同空气&密度为1除尘中应用最多的的两个直径（一）单一颗粒粒径颗粒的直径粒径的测定结果与颗粒的形状有关通常用圆球度表示颗粒形状与球形不一致的程度圆球度：与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表面积之比Φs（Φs1）圆球度越接近1，越接近于球体（一）单一颗粒粒径圆球度：与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表面积之比Φs（Φs1）圆球度越接近1，越接近于球体（粉尘中的）（二）颗粒的平均粒径可以理解为某种粒径大小和形状不同的粒子组成的实际粒子群，若与均匀的球形颗粒组成的假想粒子群具有相同的某一物理性质，则称此球形颗粒的直径为实际粒子的平均粒径。常用的平均粒径有：1、算术平均粒径又称长度平均直径，是所有单一颗粒的算术平均值。di：单一颗粒的粒径，m；ni：相应于该颗粒的粒子个数pinidnidL（二）颗粒的平均粒径2、平均平方根粒径（表面积平均粒径）dg(d123n3...)1/Ndd（二）颗粒的平均粒径5、几何平均粒径6、众径、中位粒径)n1n2pidgexp(nilndN或二、粒径分布粒径分布：不同粒径范围内的颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例粒数分布（个数分布）：每一粒径间隔内颗粒的个数所占的比例质量分布：每一粒径间隔内颗粒的质量所占的比例除尘技术中多采用粒径的质量分布。粒径分布的表示方法：表格法，图形法，函数法f（一）粒数分布1.粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比粒径由dP至dP+dP之间的颗粒个数ni与颗粒总个数N=ni之比(或百分比)ininfi1NinnFifiFNfi1（一）粒数分布个数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比iNiiFi或iN类似的可以将大于第i间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比（或百分比）称为筛上累计频率。个数中位粒径d50：累积频率达到50%的点对应的那个粒径（一）个数分布粒数频率密度：单位粒径间隔的粒数频率，单位为μm-1众径dd：在频率曲线上，频率最大值对应的那个直径（一）个数分布0.4250.0003（一）个数分布（二）质量分布类似于粒数分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、质量频率密度等在所有颗粒具有相同密度、颗粒质量与粒径立方成正比的假设下，粒数分布与质量分布可以相互换算同样的，也有质量众径和质量中位径（MMD）二、粒径分布•对于频度分布曲线对称性的分布，如正态分布，其众径dd、中位直径d50和算术平均直径dL相等，即dd=d50=dL；•对于频度密度分布曲线是非对称性的分布，Ddd50dL。•对于单分散气溶胶，所有颗粒的粒径相同，dL=dg；否则dLdg。三、粒径分布函数用一些半经验函数描述一定种类颗粒物的粒径分布粉尘颗粒粒径分布可用正态分布、对数正态分布、罗辛-拉姆勒（Rosin-Rammler）分布等数学函数表示。μ算术平均粒径宽&高221、正态分布（高斯分布）函数频率密度标准差式中，dp：粉尘的算术平均粒径，m；dP：粉尘的粒径，m；：标准差，是衡量dP的测定值与均值偏差的量度，m。]12(dpdp)22p(dp)exp[]ddp12(dpdp)22筛下累积频率F(dp)exp[dp0]1/2[ni(dpidp)2N1式中，N为粉尘粒子的总个数。和dp为正态分布的两个特征数，和dp一定，函数f（dp）即确定。标准差σ-宽度68.26%95.44%1、正态分布（高斯分布）函数正态分布的累积频率分布曲线exp[()])]d(lndp)2、对数正态分布函数以lndp代替dp得到的正态分布的频度曲线频率密度筛下累积频率标准差]1/2lng[ni(lndpi/dg)2N1212lnglndp/dg2lngF(dp)exp[(lndpdF(dp)ddp1lndp/dg22dplng2lngp(dp)dg——几何平均粒径，可用中位径d50表示：dg=d50；g——几何标准差2、对数正态分布函数对数正态分布的频率密度分布曲线g()2、对数正态分布函数对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于σgd84.1d50d84.11/2d50d15.9d15.9平均粒径的换算关系lnMMDlnNMD3ln2lnSMDlnNMD2ln22、对数正态分布函数3、罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）3、罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）常用的仪器第二节粉尘的物理性质1、粉尘的密度单位体积粉尘的质量，kg/m3或g/cm3粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙－真密度p用堆积体积计算--堆积密度b空隙率--粉尘颗粒之间和内部空隙的体积与堆积总体积之比b(1)p2、粉尘的安息角与滑动角安息角：粉尘从漏斗连续落下自然堆积形成的圆锥体母线与地面的夹角，一般为35°~55°。越大，越不流动滑动角：自然堆积在光滑平板上的粉尘随平板做倾斜运动时粉尘开始发生滑动的平板倾角，一般为40°~55°。安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性3、粉尘的比表面积单位体积粉尘所具有的表面积以质量表示的比表面积以堆积体积表示的比表面积(cm2/cm3)S6VdSVSV(cm2/g)S6pVpdSVSm4、粉尘的含水率粉尘中的水分包括附在颗粒表面和包含在凹坑和细孔中的自由水分以及颗粒内部的结合水分含水率W：水分质量与粉尘总质量之比含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性吸湿现象平衡含水率5、粉尘的润湿性润湿性－粉尘颗粒与液体接触后能够互相附着或附着的难易程度的性质润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、温度、含水率、表面粗糙度及荷电性有关，还与液体的液体的表面张力及尘粒与液体之间的粘附力和接触方式有关。粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降润湿速度：润湿性是选择湿式除尘器的主要依据L2020(mm/min)v206、粉尘的荷电性和导电性天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷荷电因素－电离辐射、高压放电、高温产生的离子或电子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦、产生过程中荷电天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量的1/10荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关粉尘的荷电性6、粉尘的荷电性和导电性粉尘的导电性比电阻：导电机制：高温（200℃以上），粉尘本体内部的电子和离子—体积比电阻低温（100℃以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质－表面积比电阻中间温度，同时起作用Vjd(cm)比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围104～1010cm6、粉尘的荷电性和导电性粉尘的导电性较为干燥的粉尘的比电阻在420K左右达到最大值6、粉尘的荷电性和导电性7、粉尘的粘附性粘附和自粘现象粘附力——克服附着现象所需要的力粘附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力）断裂强度－表征粉尘自粘性的指标，等于粉尘断裂所需的力除以其断裂的接触面积分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性8、粉尘的自燃性和爆炸性粉尘的自燃性自燃自然发热的原因：氧化热、分解热、聚合热、发酵热影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境热量积累达到燃点存放过程中自然发热燃烧8、粉尘的自燃性和爆炸性粉尘的爆炸性粉尘发生爆炸必备的条件：可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度最低可燃物浓度－爆炸浓度下限爆炸浓度上限存在能量足够的火源第三节净化装置的性能一、净化装置技术性能的表示方法技术指标处理气体流量净化效率压力损失经济指标设备费运行费占地面积QN(Q1NQ2N)(mN3/s)Q1NQ2N一、净化装置技术性能的表示方法处理气体流量代表装置处理气体能力大小的指标。漏风率净化效率装置净化污染物效果的重要技术指标。对于除尘装置称为除尘效率，对于吸收装置称为吸收效率，对于吸附装置则称为吸附效率。压力损失装置的进口和出口气流全压之差，其大小取决于装置的种类、结构型式和处理气体流量大小。12100(%)Q1N(Pa)v122P式中，：净化装置的压损系数；v1：装置进口气流速度，m/s；：气体的密度，kg/m3。二、净化效率的表示方法Q1N——装置进口的气体流量，m3N/s；S1——污染物流量，g/s；1N——污染物浓度，g/m3；Q2N——装置出口的相应量为，m3N/s；S2——污染物流量，g/s；2N——污染物浓度，g/m3N；S3——装置捕集的污染物流量，g/s。S1S2S3S11NQ1NS22NQ2N净化效率计算式中有关符号S22NQ2N二、净化效率的表示方法总效率/总净化效率η指在同一时间内净化装置去除的污染物数量与进入装置的污染物数量之比。11S11NQ2N若净化装置本体不漏气，即Q1N=Q2N，于是2N1N1二、净化效率的表示方法通过率P分级除尘效率分级除尘效率系指除尘装置对某一粒径dpi或粒径间隔dp内粉12NQ2N1NQ1NS2S1P尘的除尘效率，简称分级效率。分级效率可以用表格、曲线图或显函数的形式表示。这里dpi代表某一粒径或粒径间隔。若设除尘器进口、出口和捕集的dpi颗粒质量流量分别为S1i、S2i和S3i，则该除尘器对dpi颗粒的分级效率为：S2iS1iS3iS1i1i除尘器的分割粒径dc：除尘效率为50％的粒径（i=50%）3i1P2i二、净化效率的表示方法分级效率与总除尘效率的关之间的关系由总效率求分级效率——除尘器实验由分级效率求