5《大气污染控制工程》教案-第五章.

第五章颗粒物燃物控制技术基础为了深入理解各种除尘器的除尘机理和性能，正确设计、选择和应用各种除尘器，必须了解粉尘的物理性质和除尘器性能的表示方法及粉尘性质和除尘器性能之间的关系。第一节粉尘的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径粉尘颗粒大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的性能影响很大，所以颗粒的大小是粉尘的基本特性之一。若颗粒是大小均匀的球体，则可用其直径作为颗粒大小的代表性尺寸。但实际上，不仅颗粒的大小不同，而且形状也各种各样。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，作为颗粒的直径，简称为粒径。下面介绍几种常用的粒径定义方法。（1）用显微镜法．．．．观测颗粒时，采用如下几种粒径表示方法：①定向直径dF，也称菲雷待(Feret)直径；为各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度，如图5—1(a)所示。②定向面积等分直径dM，也称马丁(Martin)直径，为各颗粒在投影图上按同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度，如图5—1(b)所示。③投影面积直径dA，也称黑乌德(Heywood)直径，为与颗粒投影面积相等的圆的直径，如图5一l(c)所示。若颗粒投影面积为A，则dA＝(4A／π)1/2。根据黑乌德测定分析表明，同一颗粒的dF＞dA＞dM。（2）用筛分法．．．测定时可得到筛分直径，为颗粒能够通过的最小方孔的宽度。（3）用光散射法．．．．测定时可得到等体积直径dV，为与颗粒体积相等的球的直径。若颗粒体积为V,则dV＝(6V／π)1/3。（4）用沉降法．．．测定时，一殷采用如下两种定义：①斯托克斯(stokes)直径dS，为在同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速度相等的球的直径。②空气动力学当量直径da，为在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度（ρp=1g/cm3）的球的直径。斯托克斯直径和空气动力学当量直径是除尘技术中应用最多的两种直径，原因在于它们与颗粒在流体中的动力学行为密切相关。综上所述，粒径的测定和定义方法可归纳为两类：一类是按颗粒的几何性质来直接测定和定义的，如显微镜法和筛分法；另一类则是按照颗粒的某种物理性质间接测定和定义的。如斯托克斯直径、等体积直径等。粒径的测定方法不同，其定义方法也不同，得到的粒径数值往往差别很大，很难进行比较，因而实际中多是根据应用目的来选择粒径的测定和定义方法。此外，粒径的测定结果还与颗粒的形状密切相关。通常用圆球度来表示颗粒形状与球形颗粒不一致程度的度量。圆球度是与颗粒体积相等的圆球的表面积和颗粒表面积之比。以ФS表示，它的值总是小于1。（数值越接受1，表示越接近球形）二、粒径分布粒径分布是指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。也称粉尘的分散度。以颗粒的个数表示所占的比例时，称为个数分布；以颗粒的质量表示所占比例时，称为质量分布。以颗粒的表面积表示所占比例时，称为表面积分布。除尘技术中多采用粒径的质量分布。下面以粒径分布测定数据的整理过程来说明粒径分布的表示方法及相应定义。1.个数分布(1)个数频率：第i粒径间隔中的颗粒个数ni与颗粒总个数∑ni之比（或百分比），即：iiinƒ......................(51)n（2）个数筛下累积频率：为小于第i间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之经（或百分比），即：iiiNinF......................(52)n注：F=0.5时所对应的粒径d50称为个数中位粒径（NMD）（3）个数频率密度：指单位粒径间隔时的个数频率。iipiƒPd注：个数频率密度最大时所对应的粒径称为个数众径（dd）2．质量分布假设所有颗粒具有相同的密度，颗粒的质量与其粒径的立方成正比。则颗粒以个数表示的粒径分布，可以转换为以颗粒的质量表示的粒径分布。质量频率：3ipiiiN3iipindmg................(56)mnd质量筛下累积频率：小于第i间隔上限粒径的所有颗粒发生的质量频率，即质量筛下累积频率：i3ipiiiiN3ipindGg...........(57)nd质量频率密度：指单位粒径间隔时的质量频率。pdGqdd同理，质量筛下累积频率G=0.5时对应的粒径d50，称为质量中位粒径（MMD）；质量频率密度最大时所对应的粒径称为质量众径。为了更好地理解上述概念，请看例题5-1。3.平均粒径为了更加简明地表示颗粒的某一物理特性和平均尺寸的大小，往往需要求出颗粒群的平均粒径，下面给出几种常用的平均粒径表示方法：①长度（算术）平均粒径i2ipipiLipiii3pigndddfd...............(510)gndi2piipii3pigdƒdgd证明过程：由式(5-6)可知，3ipiiN3ipindgnd，所以：3ipiipiiNN2233pipiipiipindndg1ddndnd；3ipiiiNN3333pipiipiipindgn1ddndnd。因此，i2piipiipiii3pigdndfdgnd。②表面积平均粒径2111ipiipi2222sipi3iipindg/dd()(fd)()................(511)ng/d③体积平均粒径3111ipi3333vipi3iipind1d()(fd)()................(512)ng/d④体积－表面积平均粒径33ipiipisv22ipiipiipindfd1d......................(513)ndfdg/d⑤几何平均粒径用每一个粒子粒径表示：1Ng123d(ddd....)............(514)用粒径间隔粒子平均粒径表示：3121nnnNg123d(ddd....)............(514a)如按lndg表示几何平均粒径：ipignlndlnd.......(515)N或者ipignlnddexp().......(515a)N注：对于频率密度分布曲线对称的分布，其众径dd、中位直径d50、几何平均直径Ld相等；而对于非对称性分布的，有dd＜d50＜Ld。讲解例题5-2。四、粒径分布函数1、正态分布正态分布也称高斯分布。①频率密度p或(q)函数为：2ppp2(dd)1p(d)exp[].............(516)22②筛下累积频率F（或G）：2dppppp20(dd)1F(d)exp[]dd.............(517)22③标准差：21pip2n(dd)[]................(518)N1④正态分布是最简单的函数形式，它的个数频率密度p分布曲线是关于算术平均粒径Ld的对称性钟形曲线，因而有Ld=d50=dd。⑤它的F曲线在正态概率坐标纸上是一条直线，其斜率取决于标准偏差σ值，其值可以从F曲线查出并按下式计算：84.1505015.984.115.91dddd(dd)............(519)22、对数正态分布如果以粒径的对数lndp代替粒径dp对频率密度p（或q）作曲线，得到一像正态分布一样的对称性钟形曲线，则可认为该粉尘粒径分布符合对数正态分布。①筛下累积频率F（或G）表达式：pglndpg2ppglnd/d1F(d)exp[()]d(lnd).........(520)2ln2ln②频率密度函数：gppg2pppgdF(d)lnd/d1p(d)exp[()]............(521)dd2dln2ln式中：dg——几何平均粒径。σg——几何标准偏差，定义为：③21iig2gn(lndp/d)ln[]............(522)N1④累积频率曲线在对数概率坐标纸上为一直线，斜率σg取决于：1/284.15084.1g5015.915.9ddd()..............(523)ddd⑤平均粒径的换算关系为：（MMD质量中位粒径、NMD个数中位粒径、SMD面积中位粒径）lnMMD=lnNMD+3ln2σg……………..(5-24)lnSMD=lnNMD+2ln2σg……………...(5-25)⑥可由σg、MMD（或NMD）计算出各种平均粒径。表面积-体积平均粒径：2SVgg51lndlnNMDlnlnMMDln2222Lgg22Sgg22Vgg15lnlnNMDlnlnMMDln22lnlnNMDlnlnMMD2ln33lnlnNMDlnlnMMDln22ddd3、罗辛－拉姆勒分布（自学）第二节粉尘的物理性质本节主要介绍粉尘的物理性质，包括粉尘的密度、安息角、滑动角、比表面积、含水率、润湿性、荷电性、导电性、黏附性、自燃性和爆炸性。一、粉尘的密度单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，单位kg/m3或g/cm3。根据粉尘测定条件及应用条件的不同，可分为真密度和堆积密度。(1)真密度：不包括粉尘颗粒之间和颗粒内部的空隙体积，而是粉尘自身所占的真实体积，则以此真实体积求得的密度，称为粉尘的真密度，以ρp表示。(2)堆积密度：包括物体颗粒之间和颗粒内部的空隙体和会求得的密度称为堆积密度，用ρb表示。若将粉体颗粒间和内部空隙的体积与堆积粉尘的总体积之比称为空隙率，用ε表示，则空隙率ε与ρb和ρp之间的关系为：ρb=(1-ε)ρp…………………..（5-37）（请同学们课下推导此公式）二、粉尘的安息角与滑动角安息角：粉尘从漏斗连续落到水平面上，自然堆积成一个圆锥体，圆锥体母线与水平面的夹角称为粉尘的安息角。也称动安息角或堆积角。滑动角：指自然堆放在光滑平板上的粉尘，随平板做倾斜运动时，粉尘开始发生滑动时的平板倾斜角；也成静安息角。影响粉尘安息角和滑动角的因素主要有：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度及粉尘粘性等。对于一种粉尘，粒径越小，安息角越大；粉尘含水率增加，安息角增大；表面越光滑和越接近球形的颗粒，安息角越小。粉尘的安息角与滑动角是评价粉尘流动性的一个重要指标。安息角小的粉尘，其流动性好；安息角大的粉尘，其流动性差。粉尘的安息角与滑动角是设计除尘器灰斗（或粉料仓）的锥角及除尘管路或输灰管路倾斜角的主要依据。三、粉尘的比表面积粉状物料的许多理化性质，往往与其表面积大小有关，细颗粒往往表现出显著的物理、化学活动性。比表面积：单位体积(或质量)粉尘所具有的表面积。①以粉尘自身体积(即净体积)为基准表示的比表面积SV，定义为：23vsvS6Scm/cm538Vd（）式中：S——粉尘的平均表面积，cm2；svd——粉尘的表面积体积平均粒径，cm。V——粉尘的平均体积，cm3；②以粉尘质量为基准表示的比表面积Sm，定义为：2msvppS6S(cm/g).............(539)Vd式中:ρp——粉尘真密度，g/cm3。③以粉尘堆积体积为基准表示的比表面积Sb，定义为：23bvsvS(1)6(1)S(1)S(cm/cm)........(540)Vd注：堆积体积Vb=(1-ε)Vp，按照定义可得到5-40式。四、粉尘的含水率粉尘中的水分包括附着在颗粒表面上的和包含在凹坑处与细孔中的自由水分，以及紧密结合在颗粒内部的结合水分。粉尘中的水分含量，用含水率w表示，指粉尘中所含水分质量与粉尘总质量（包括干粉尘与水分）之比。粉尘含水率的大小，会影响到粉尘的其他物理性质，如导电性、黏附性、流动性等，所有这些在设计除尘装置时都必须加以考虑。五、粉尘的润湿性粉尘颗粒能否与液体相互附着或附着难易程度的性质称为粉尘的润湿性。当尘粒与液体接触时，接触面能扩大而相互附着，就是能润湿；反之，接触面趋于缩小而不能附着，则是不能润湿。一般根据粉尘能被液体润湿的程度将粉尘大致分为两类：容易被水润湿的亲水性粉尘（润湿