第四章大气污染的控制与治理

第四章大气污染的控制与治理第一节颗粒污染物的分离方法大气污染物主要来源于工业废气的排放，可以采用各种方法控制和治理废气。按废气来源分类可分为工艺生产尾气治理方法、燃料燃烧废气治理方法、汽车尾气治理方法等；按废气中污染物的物理形态可分为颗粒污染物治理(除尘)方法和气态污染物治理方法。一、颗粒污染物的物理性质颗粒污染物的治理通常采用除尘技术。除尘技术是应用各种除尘装置捕集分离气溶胶中的固态颗粒。为了深入理解各种除尘机理，首先应了解颗粒污染物的各种物理性质，才能提高除尘的效果，正确掌握除尘系统的设计、选择和运行操作。气溶胶中包含固体颗粒和液体颗粒。根据除尘技术的需要，这里只介绍固体颗粒的主要性质。考虑到一般工程技术中的习惯，用“粉尘”一词泛指固体颗粒。1.几何特性颗粒污染物的几何特性包括粉尘的粒径、形状、比表面积等。（1）粒径。粉尘粒子的粒径一般分为代表粒子群中各单个粒子大小的单一粒径和代表由不同大小粒子组成的粒子群的平均粒径，单位一般以μm表示。1）单一粒径。按不同的测定方法，如投影法、筛分法、沉降法等，有不同的定义及表示方法，除尘技术中常用的粒径有：定向粒径dF，也称菲雷特(Feret)直径，为各粒子平面投影图中同一方向上的最大投影距离。斯托克斯粒径ds，系与被测粒子密度相同、终末沉降速度相等的球的直径。粒子雷诺数Re＜1时，按斯托克斯(Stokes)定律可得：18/sspdg（4－1）式中μ—流体的动力粘度，Pa·s；vs—粒子在重力场中的终末沉降速度，m/s；ρp及ρ—粒子及流体的密度，kg／m3。空气动力学粒径da，系在空气中与被测粒子的沉降速度相等的单位密度(ρp＝1g／cm3)的球的直径。单位为微米(空气)，记为μmA，计算式为，式中ρp单位为g／cm3。分割粒径dc，也称临界粒径，为某除尘器的分级效率为50％时的粒径。2）平均粒径。如果由形状和大小各异的粒子组成的实际粒子群与由均一的球形粒子组成的假想粒子群具有相同的某一物理性质，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。平均粒径的计算方法有多种，如长度平均粒径(算术平均粒径)dl＝∑nd/∑n；体积平均粒径dv＝∑(nd3/∑n)1/3；质量平均粒径dm＝∑nd4/∑nd3等，式中d为实际粒子群中不同粒子的粒径，n为相应不同粒径的粒子个数。粒径的计算方法应根据粉尘的理化性质和装置的任务来确定。3）粒径分布。某一粒子群中不同粒径的粒子所占比例称为粒径分布，即指粒子的分散度。粒径分布有粒数分布或质量分布，前者为粒子的个数百分数，后者用粒子的质量分数来表示。粒径分布的表示方法有表格法、图形法和函数法，常用的数学函数法有正态分布函数、对数分布函数、罗辛—拉姆勒（Rosin-Rammler）分布函数。除尘技术中多采用质量分布，通常有频率分布、频度分布以及筛上累积频率分布三种：频率分布（相对频数）ω为粒径dp至dp＋Δdp之间的粒子质量ΔM占粉尘试样总质量M的质量分数，定义为：/100%MM（4－2）频度分布（频率密度）f为单位粒径间隔宽度Δdp时的频率分布，取Δdp＝1μm时粒子质量占粉尘试样总质量的百分数，定义为：/%/pfdm（4－3）频率分布f达到最大值时相对应的粒径dd称为众径。筛上累积频率分布（筛上累积分布）Rs为大于某一粒径dp的全部粒子质量占粉尘试样总质量的质量分数，定义为：maxmax%ppddspddRfd（4－4）反之，小于某一粒径dp的全部粒子质量占粉尘试样总质量的质量分数称为筛下累计频率分布（筛下累计分布）Rx，即：minmin%ppddxpddRfd（4－5）筛上累计分布和筛下累计分布相等(Rs＝Rx50％)时的粒径d50称为中位径，也是除尘技术中常用的一种表示粉尘粒径分布特性的方法。频度分布f可用微分式表示，累计分布R可用积分式表示。以上三种粒径分布均可根据计算结果绘出频率（或频度）分布的直方图，并按照各组粒径间隔的平均粒径值，可以得到一条光滑的分布曲线。（2）形状。大多数粒子实际上是不规则形状，在测定粒径及研究粒子在流体中的运动时，通常把粒子假定为球形，因此出现理论计算与实际现象不符。（3）比表面积。单位体积或质量的粉尘具有的总表面积称为粉尘的比表面积，单位为m2/m3或m2/kg。比表面表示粉尘粒子群总体的细度，通常影响粉尘的润湿性和粘附性，用于研究通过粉尘层的流体阻力以及化学反应、传质、传热等现象。粉尘粒子越细，比表面积越大，其物理和化学活性越显著，通过颗粒层的流体阻力也随之增大。2.密度单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，单位为kg/m3。粉尘在不同的产生情况和实验条件具有不同的密度值，因此粉尘的密度分为真密度和堆积密度。粉尘的真密度是指将吸附在粉尘粒子凹凸表面、内部空隙以及粒子之间的空气排除以后测得颗粒自身的密度，用符号ρp表示；堆积密度是指包括粉尘粒子内部空隙和粉体粒子之间气体空间在内的粉体密度，用符号ρb表示。粉尘的真密度与堆积密度之间存在如下关系：1bp（4－6）式中，ε为空隙率，是指粉尘之间的空隙体积与包含空隙和粉体在内的总体积之比。可见，对同一种粉尘而言，ρb＜ρp。如硅酸盐水泥尘（0.7～91μm），其ρp＝3.12kg/cm3，ρb＝1.50kg/cm3；煤燃烧产生的飞灰粒子（0.7～5.6μm），其ρp＝2.20kg/cm3，ρb＝1.07kg/cm3。对一定种类的粉尘，ρp为定值，而ρb则随ε而变化。ε值与粉尘种类、粒径、充填方式等因素有关。粉尘越细，吸附的空气就越多，则ε值愈大；在挤压或振动过程中充填，ε值减小。粉尘的真密度应用于研究粉尘粒在废气中的运动以及除尘方式的选择，而堆积密度则用在灰斗容积或仓储的确定等方面。3.粘附性粉尘粒子附着在固体表面上或它们之间相互凝聚的可能性称为粉尘的粘附性。从微观上看，粉尘之间产生的各种粘附力主要有分子力（范德华力）、毛细力和静电力(库仑力)。通常，颗粒细小、表面粗糙且形状不规则、含水量高且润湿性好、含尘浓度高和荷电量大的粉尘，其粘附力增大。此外，粉尘粘附现象还与容器壁面粗糙度、周围介质性质及粉尘的气流运动状况有关，如在光滑无可溶性和粘性物质的固体表面上和低速气流中运动的粉尘粒子不易粘附，而在气体中的尘粒粘附要比液体中强得多。粉尘由于粘性力的的作用，在相互碰撞中会导致尘粒的凝聚变大，有助于提高对粉尘的捕集。由于电除尘器或袋式除尘器的除尘效率在很大程度上依赖于收尘极或滤料上捕集粉尘的能力，因此粘性力的影响尤为突出。但在除尘设备或含尘气流管道中，粉尘粘附在器壁上会造成装置和管道的堵塞或引起故障，需要加以防范。4.润湿性粉尘粒子与液体相互附着或附着难易程度称为粉尘的润湿性。粉尘的润湿性取决于液体分子的表面张力，表面张力越小的液体对粉尘的浸润性越强。例如，水的表面张力比酒精或煤油大，其对粉尘的浸润就较差。因此，各种粉尘对液体具有不同的亲和程度，当尘粒与液滴接触时，如果能扩大接触面而相互附着的粉尘称为亲水性粉尘，反之，接触面趋于缩小而不能相互附着的粉尘则称为疏水性粉尘。粒尘的润湿性还与粉尘的粒径大小、理化性质及所处状态等因素有关。例如，石英的亲水性好，但粉碎成粉末后亲水能力就大为降低。一般来说，小于5μm尤其是1μm以下的尘粒就难以被水润湿。这是由于细粉的比表面积大，对气体有很强的吸附作用，表面存在着一层气膜，只有当在尘粒与水滴之间以较高的相对速度运动而冲破气膜时，才会相互附着。此外，粉尘的润湿性还随液体表面张力增大而减小，随温度降低而增大，随压力升高而增强。各种湿式技术中，粉尘的浸润性是选择除尘设备的主要依据之一。对于疏水性粉尘可加入某些浸润剂(如皂角素等)，以减少固液之间的表面张力，增加粉尘的亲水性。对于某些遇水易形成不溶于水的硬垢的粉尘，如水泥、石灰、白云石砂等，会造成设备和管道结垢或堵塞，故不宜采用湿式除尘技术。5.电性粉尘的电性主要有粉尘的荷电性及比电阻。（1）荷电性。粉尘在其产生和运动过程中，由于碰撞、摩擦、放射线照射、电晕放电以及接触带电体等原因带有一定的电荷称为粉尘的荷电性。其中，有些粉尘带负电荷，有些带正电荷，还有一些不带电荷。粉尘荷电后，某些物理性质，如凝聚性、附着性及在气体中的稳定性等将发生改变，并增加对人体的危害。粉尘随着比表面积增大、含水量减少及温度升高，其荷电量增加。（2）比电阻。粉尘的比电阻表现粉尘的导电性能，其表示方法和金属导线相同，也用电阻率来表示，单位为Ω·cm。粉尘的比电阻除取决于它的化学成分外，还与测定条件有关，如温度、湿度以及粉尘的粒度和松散度等，仅是一种可以相互比较的表观电阻率。粉尘的比电阻包括容积比电阻和表面比电阻：容积比电阻为粉尘依靠其内部的电子或离子进行的颗粒本体的容积导电；表面比电阻为粉尘依靠其表面因吸附水分或其他化学物质而形成的化学膜进行表面导电。对于电阻率高的粉尘，在较高温度(＞200℃)时，以容积导电为主；在较低温度(＜100℃)时，表面导电占主导地位；在中间温度范围内，粉尘的比电阻是两种比电阻的合成，其值最高。比电阻是粉尘的重要特性之一，对电除尘器性能有重要影响。6.爆炸性可燃物形成粉尘(如硫矿粉、煤尘等)后，由于总表面积增加，粉体的表面自由能相应增加，从而提高了粉尘的化学活性。当粉尘达到自燃温度时，在一定的条件下会转化为燃烧状态。如果在封闭空间内，可燃性悬浮粉尘的剧烈氧化燃烧会在瞬间产生大量的热量和燃烧产物，当粉尘的放热反应速度超过系统的排热速度，将在空间内造成很高的压力和温度，形成化学爆炸。可燃性粉尘的的浓度只是在一定的范围内才会发生爆炸，这一浓度称为爆炸极限。能发生爆炸的粉尘最低浓度称为爆炸下限，而其最高浓度称为爆炸上限。低于爆炸下限或高于爆炸上限时的粉尘无爆炸危险，处于两者之间的粉尘均属于爆炸危险性粉尘。除尘装置中通常只需考虑爆炸下限，因为一般粉尘的爆炸上限值很大，多数场合下难以达到。影响粉尘自燃和爆炸的因素很多。一般颗粒细小、分散度高、惰性尘粒(不燃尘粒)少、湿度低以及含有挥发性可燃气体的粉尘，其自燃和爆炸的可能性增大。此外，有些粉尘(如镁粉、碳化钙粉尘)与水接触后会引起自然爆炸，对于这种粉尘不能采用湿式除尘方法，还有一些粉尘互相接触或混合后（如溴与磷、锌粉与镁粉）也会发生爆炸。对于有爆炸和火灾危险的粉尘，在进行除尘设计时，必须充分考虑粉尘自燃和爆炸性能，并对爆炸危险性粉尘采取必要的防范措施。7.安息角粉尘通过小孔连续落到水平板上，堆积成的锥体母线与水平面小于90°的夹角称为粉尘的安息角，也叫静止角或堆积角。安息角是粉尘的动力特性之一，用于评价粉尘的流动特性。安息角愈小，粉尘的流动性愈好，多数粉尘的安息角的平均值在35°左右。一般情况，粒径大、表面光滑、接近球形、湿度低及粘性小的粉尘，其安息角减小。粉尘的安息角是设计除尘设备灰斗及管道倾斜度的主要依据。二、除尘过程机理除尘过程的机理就是含尘气流在某种力的作用下使尘粒相对气流产生一定的位移，最终脱离气流沉降于捕集表面。粒子沉积过程受到外力、流动阻力和相互作用力的作用，后者一般忽略不计。外力一般包括重力、惯性力、离心力、静电力、磁力、热力等。主要分离机理有以下几种。1.重力分离在重力场的作用下，粒子在静止流体中作自由沉降运动。假设粒子为球形，直径为dp。粒子受到重力Fw以及流体的浮升力Fb和阻力Fd的共同作用，其合力为F＝Fw―Fb―Fd，其中：36wbppFFdg（4－7）22dfpvFCA(4－8)式中ρp及ρ—粒子及流体的密度，kg／m3；Cf—流体的阻力系数；v—粒子对流体的相对运动速度，m／s；Ap—粒子垂直于气流方向的投影面积，对于球形颗粒，Ap＝πdp2/4，m2。粒子在重力作用下，克服流体的浮升力和阻力从起始位置开始作加速下降运动，即F＞0。由于流体阻力Fd随加速沉降速度v的不断增加大而增大，当Fd增大到使合力F＝0时，加速过程结束，尘粒开始作均速下降运动。此时的尘粒沉降速度达到了恒定的最大值vs，称为终末沉降速度，简称沉降速度。由式（4－7）和(4－8)可