第05章颗粒污染物控制技术基础20138

第五章颗粒污染物控制技术基础1.粉尘的粒径及粒径分布2.粉尘的物理性质3.净化装置的性能4.颗粒捕集理论基础第一节颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径显微镜法定向直径dF（Feret直径）定向面积等分直径dM（Martin直径）投影面积直径dA（Heywood直径）筛分法光散射法沉降法斯托克斯（Stokes）直径ds：空气动力学当量直径da：粒径分布粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例粒数分布:每一间隔内的颗粒个数粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比iiNinfn粒径分布粒数分布的测定及计算粒径分布粒数筛下累积频率：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iiiNinFn粒径分布粒数频率密度pp()d/dpdFd粒径分布粒数众径－频度p最大时对应的粒径，此时粒数中位径（NMD）－累计频率F=0.5时对应的粒径22ppdd0ddpFdd粒径分布质量分布类似于数量分布，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）平均粒径前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一长度平均直径表面积平均直径体积平均直径体积－表面积平均直径pLpiiiiinddfdn2p1/221/2Sp[]()iiiiinddfdn3p1/331/3Vp[]()iiiiinddfdn33ppSV22ppiiiiiiiindfddndfd平均粒径（续）几何平均直径对于频率密度分布曲线对称的分布，众径、中位径和算术平均直径相等频率密度非对称的分布，单分散气溶胶，；否则，3121/g123pg(...)lnexp()或nnnNiiddddnddNdd50dLdd50LdddLgddLgdd粒径分布函数用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布正态分布频率密度筛下累积频率标准差2ppp2()1()exp[]22πddpdp2pppp20()1()exp[]d22πdddFdd2pp1/2()[]1iinddN粒径分布函数正态分布（续）正态分布是最简单的分布函数（1）（2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于σ（3）正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为大多数粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移（离）p50dddd粒径分布函数正态分布（续）正态分布是最简单的分布函数（1）（2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于σ（3）正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为大多数粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移（离）p50dddd粒径分布函数正态分布的累积频率分布曲线粒径分布函数正态分布（续）正态分布是最简单的分布函数（1）（2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于σ（3）p50dddd84.1505015.984.115.91()2dddddd正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为大多数粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移（离）粒径分布函数对数正态分布以lndp代替dp得到的正态分布的频度曲线2pg1/2g(ln/)ln[]1iinddNplnpg2ppggln/1()exp[()]d(ln)2πln2lndddFddppg2pppggd()ln/1()exp[()]d2πln2lnFdddpddd2pg1/2g(ln/)ln[]1iinddNplnpg2ppggln/1()exp[()]d(ln)2πln2lndddFddppg2pppggd()ln/1()exp[()]d2πln2lnFdddpddd粒径分布函数对数正态分布（续）对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于g1/284.15084.1g5015.915.9()ddddddg1(=1时为单分散气溶胶）2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平均粒径的换算关系2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平均粒径的换算关系粒径分布函数对数正态分布（续）可用、MMD和NMD计算出各种平均直径22Lgg22Sgg22Vgg15lnlnNMDlnlnMMDln22lnlnNMDlnlnMMD2ln33lnlnNMDlnlnMMDln22dddg粒径分布函数对数正态分布的累积频率分布曲线粒径分布函数罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）若设得到一般多选用质量中位径或p1exp()nGd1/p(1/)ndpp1exp[()]ndGdpd50d63.2dpp5063.21/5063.21/d63.21exp[0.693()]1exp[()]...RRS0.6931()或分布函数nnnnddGGddddnddn粒径分布函数罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）判断是否符合R－R分布应为一条直线R－R的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细粉尘更为适用分布指数n1时，近似于对数正态分布；n3时，更适合于正态分布p1lg[ln()]lglg1ndG第二节粉尘的物理性质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用堆积体积计算——堆积密度空隙率——粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比bp(1)bp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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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23VSV6(cm/cm)SSVd2mppSV6(cm/g)SSVd23bVSV(1)6(1)(1)(cm/cm)SSSVd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－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2020(mm/min)20Lv粉尘的荷电性和导电性粉尘的荷电性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和导电性粉尘的导电性比电阻导电机制：高温（200oC以上），粉尘本体内部的电子和离子—体积比电阻低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质－表面比电阻中间温度，同时起作用比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围104～1010d(Ωcm)Vjcm粉尘的导电性和荷电性典型温度－比电阻曲线粉尘的导电性和荷电性温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（420K）左右达到最大值粉尘的黏附性黏附和自黏现象黏附力－克服附着现象所需要的力黏附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力）断裂强度－表征粉尘自黏性的指标，等于粉尘断裂所需的力除以其断裂的接触面积分类：不黏性、微黏性、中等黏性、强黏性粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响黏附性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存放过程中自然发热热量积累达到燃点燃烧粉尘的爆炸性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评价净化装置性能的指标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占地面积净化装置技术性能的表示方法处理气体流量漏风率压力损失1N3N2NN1()(m/s)2QQQ1N2N1N100(%)QQQ21(Pa)2vP总净化效率的表示方法总净化效率通过率分级除尘效率分割粒径－除尘效率为50％的粒径22N2N11N2N11SQSQ22N2N11N1N1SQPSQ32111iiiiiSSSS分级效率与总效率的关系由总效率求分级效率由分级效率求总效率333112221112311/iiiiiiiiiiiiiSggSggSggPSggPgg1111p00ddiiiiigGqd多级串联的总净化效率总分级通过率总分级效率总除尘效率12iTiiinPPPP1211(1)(1)(1)iTiTiiinP121(1)(1)(1)Tn第四节颗粒捕集的理论基础对颗粒施加外力使颗粒相对气流产生一定位移并从气流中分离颗粒捕集过程中需要考虑的作用力：外力、流体阻力、颗粒间相互作用力外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略流体阻力流体阻力＝形状阻力＋摩擦阻力阻力的方向和速度向量方向相反2DDpDpp1(N)2()pFCAuduCfReRepDpDp241Stokes3π(N)ReCReFdu（层流）时得到公式：pD0.6p18.51500ReCRe湍流过渡区pD22Dp5000.440.055πReCFdu湍流区（牛顿区）流体阻力流体阻力与雷诺数的函数关系流体阻力颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动——坎宁汉修正pDp3π1.101[1.2570.400exp()]2/8(m),(m/s)π0.499其中努森数duFCCKnKndKnRTvMv阻力导致的减速运动根据牛顿第二定律若仅考虑Stokes区域积分得速度由u0减速到u所迁移的距离若引入坎宁汉修正系数C停止距离－驰豫时间或松弛时间322pppDD2Dppππd6d42d3d4即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18d18其中＝duuutd/0e(m/s)tuu/00()(1e)txuuu/0(1e)tCxuCs0xuC重力沉降力平衡关系Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）湍流过渡区牛顿区Stokes直径空气动力学直径2pDGBpπ()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74[()/]udgssp18udgCsaa181000udgC离心沉降力平衡关系S