环境工程基础2012-5

本节内容3.3颗粒物污染控制技术3.3.1颗粒污染物性质表征3.3.2机械除尘技术3.3.3电除尘技术3.3.4湿式除尘技术3.3.5过滤除尘技术3.3.6除尘器的选择3.3.1颗粒污染物性质表征1、颗粒粒径A、显微镜观测法粒径测量：显微镜法观测粒径直径的三种方法：a-定向直径b-定向面积等分直径c-投影面积直径B、筛分法筛分直径：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C、光散射法等体积直径de：与颗粒体积相等的球体的直径D、沉降法斯托克斯（Stokes）直径ds：同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体直径空气动力学当量直径da：在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度（1g/cm3）的球体的直径斯托克斯直径和空气动力学当量直径与颗粒的空气动力学行为密切相关，是除尘技术中应用最多的两种直径2、粒径分布描述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11100%NiiiNiiinggn111iiiiiiNiiinGgn连续化描述频率分布：粒径dp到dp+Δdp之间的尘样质量占总尘样质量的百分数，即频率密度分布：即单位粒径间隔宽度的频率分布筛下累积频率分布：小于某一粒径dp的尘样占尘样总质量的百分数0100%mfm()ppfpdd0()()()pdpppFdpddd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3、平均粒径•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[]()iiiiinddfdn1/3331/3v()ipiipiinddfdn33ppSV22ppiiiiiiiindfddndfd4、粉尘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ρp用堆积体积计算——堆积密度ρb空隙率——粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比εbp(1)5、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6、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7、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8、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润湿性是选择湿式除尘器的主要依据9、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10、粉尘的导电性–比电阻：表征粉尘的导电性指标，以电阻率表示。由于其电阻率与测定时的条件有关，只是一种可以相互比较的表观电阻率，通常称为比电阻，单位Ωm。–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，适宜范围104～1010Ωm典型温度－比电阻曲线11、粉尘的粘附性粘附和自粘现象:粉尘粘附在固体表面，或颗粒彼此相互附着现象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）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有利的方面：有利于粉尘颗粒的捕集不利的方面：管道或设备堵塞12、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13.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3.3.2机械除尘技术机械除尘器通常指利用质量力（重力、惯性力和离心力）的作用使颗粒物与气体分离的装置，常用的有：–重力沉降室–惯性除尘器–旋风除尘器1、重力沉降室重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置气流进入重力沉降室后，流动截面积扩大，流速降低，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降层流式和湍流式两种重力沉降室原理沉降室的长宽高分别为L、W、H，处理烟气量为Q气流在沉降室内的停留时间在t时间内粒子的沉降距离该粒子的除尘效率0vsu0/LWHtLvQsscs0uLuLWHhutvQcssc0()ihuLuLWhHHvHQc1.0()ihH层流式重力沉降室对于stokes粒子，重力沉降室能100%捕集的最小粒子的dmin计算chH2pps18dgu2pp18即dgLWHHQminp18QdgWL重力沉降室提高沉降室效率的主要途径–降低沉降室内气流速度–增加沉降室长度–降低沉降室高度沉降室内的气流速度一般为0.3～2.0m/s重力沉降室重力沉降室的优点–结构简单–投资少–压力损失小（一般为50～100Pa）–维修管理容易缺点–体积大–效率低–仅作为高效除尘器的预除尘装置，除去较大和较重的粒子2、惯性除尘器机理–沉降室内设置各种形式的挡板，含尘气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离惯性除尘器应用–一般净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘–净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘，捕集10～20µm以上的粗颗粒–压力损失100～1000Pa3、旋风除尘器利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置旋风除尘器内气流与尘粒的运动普通旋风除尘器是由进气管、筒体、锥体和排气管等组成气流沿外壁由上向下旋转运动：外涡旋少量气体沿径向运动到中心区域旋转气流在锥体底部转而向上沿轴心旋转：内涡旋气流运动包括切向、轴向和径向：切向速度、轴向速度和径向速度旋风除尘器气流与尘粒的运动切向速度决定气流质点离心力大小，颗粒在离心力作用下逐渐移向外壁到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗上涡旋－气流从除尘器顶部向下高速旋转时，一部分气流带着细小的尘粒沿筒壁旋转向上，到达顶部后，再沿排出管外壁旋转向下，最后从排出管排出分离机理–在内、外旋涡的交界面上，作用在粒子上的离心力FC＝mvt2/r–向心运动气流作用于尘粒上的阻力FD＝μAvr•若FCFD，颗粒移向外壁•若FCFD，颗粒进入内涡旋•当FC=FD时，有50%的可能进入外涡旋，既除尘效率为50%影响旋风分离器效率的因素结构尺寸：直径，錐角内外旋涡分界烟尘物性：气体粘度，颗粒密度操作条件：进风量（切向线速度）旋风分离器设计考虑关键因素分离效率气体压降3.3.3电除尘技术旋风除尘器对于dp5μm的粒子效率低，必须借助外力（电场力等）捕集更小的粒子使尘粒荷电并在电场力的作用下沉积在集尘极上与其他除尘器的根本区别在于，分离力直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上具有耗能小、气流阻力小的特点1、电除尘器的工作原理三个基本过程–悬浮粒子荷电－高压直流电晕–带电粒子在电场内迁移和捕集－延续的电晕电场（单区电除尘器）或光滑的不放电的电极之间的纯静电场（双区电除尘器）–捕集物从集尘表面上清除－振打除去接地电极上的粉尘层并使其落入灰斗电除尘器的工作原理荷电迁移与捕集电晕放电金属丝放出的电子迅速向正极移动，与气体分子撞击使之离子化气体分子离子化的过程又产生大量电子－雪崩过程远离金属丝，电场强度降低，气体离子化过程结束，电子被气体分子捕获气体离子化区域－电晕区自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源电晕放电机理电晕放电正、负电晕极在空气中的电晕电流一电压曲线电晕区范围逐渐扩大致使极间空气全部电离－电场击穿；相应的电压－击穿电压在相同电压下通常负电晕电极产生较高的电晕电流，且击穿电压也高得多工业气体净化倾向于采用稳定性强，操作电压和电流高的负电晕极；空气调节系统采用正电晕极，好处在于其产生臭氧和氮氧化物量低电晕放电影响电晕特性的因素–电极的形状、电极间距离–气体组成、压力、温度•不同气体对电子的亲合力、迁移率不同•气体温度和压力的不同影响电子平均自由程和加速电子及能产生碰撞电离所需要的电压–气流中要捕集的粉尘的浓度、粒度、比电阻以及在电晕极和集尘极上的沉积–电压的波形粒子荷电两种机理–电场荷电或碰撞荷电－离子在静电力作用下做定向运动，与粒子碰撞而使粒子荷电–扩散荷电－离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程；依赖于离子的热能，而不是依赖于电场粒子的主要荷电过程取决于粒径–大于0.5m的微粒，以电场荷电为主–小于0.15m的微粒，以扩散荷电为主–介于之间的粒子，需要同时考虑这两种过程。一般粒子的荷电时间仅为0.1s，相当于气流在除尘器内流动10～20cm所需要的时间，一般可以认为粒子进入除尘器后立刻达到了饱和电荷异常荷电现象沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集尘极发生反电晕现象,破坏正常电晕过程气流中微小粒子的浓度高时，荷电尘粒所形成的电晕电流不大，可是所形成的空间电荷却很大，严重抑制着电晕电流的产生当含尘量大到某一数值时，电晕现象消失，尘粒在电场中根本得不到电荷，电晕电流几乎减小到零，失去除尘作用，即电晕闭塞粉尘的趋进速度力平衡关系取t=0,ω=0边界条件，积分得到iiiidmqEAdt3(1exp())3iiiiqEdtdm颗粒捕集效率捕集效率一德意希公式（ωi－粒子趋进速度）除尘效率与颗粒趋进速度与集尘板面积正相关，与烟气流量负相关。–德意希公式的假定:•除尘器中气流为湍流状态•在垂直于集尘表面的任一横断面上粒子浓度和气流分布是均匀的•粒子进入除尘器后立即完成了荷电过程•忽略电风、气流分布不均匀、被捕集粒子重新进入气流等影响2111exp()iiiiCACQ被捕集粉尘的清除电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性，一般方法采取振打清灰方式清除从集尘极清除已沉积的粉尘的主要目的是防止粉尘重新进入气流–在湿式电除尘器中，用水冲洗集尘极板–在干式电除尘器中，一般用机械撞击或电极振动产生的振动力清灰影响电除尘因素：粉尘比电阻通常所需要的粉尘的最小导电率是10－10（Ωcm）－1高比电阻粉尘－导电率低于大约10－10（Ωcm）