气溶胶及其特性

第三章气溶胶污染物控制理论气溶胶的基本特性气溶胶动力学气溶胶凝并止于至善粉尘是固态气溶胶，粒径最小可达0.01μm。粉尘的来源：火电工业、钢铁工业、冶金工业、建材工业等，此外还有大量的民用生活炉窑，工地扬尘、沙尘暴。固态气溶胶控制技术（除尘技术）：利用粉尘的物理、化学、空气动力学等特性，采用一定的设备装置，实现气、固分离的过程。气溶胶（aerosol）——固态或液态粒子在气体介质中形成的分散体系。第一节气溶胶及其特性定义及其分类单一粒径的定义方法粒径分布及平均粒径粒径分布函数固态气溶胶的基本物性止于至善第一节气溶胶及其特性一、定义及分类气溶胶由于工业过程所排放的颗粒污染物以固态气溶胶为主，故重点介绍固体气溶胶——粉尘。液体气溶胶固体气溶胶止于至善⒈液态气溶胶——雾（fog,mist,smog,spray）由水蒸气及其他气体凝结而成的悬浮液滴，或者由液体直接喷雾而成。自然雾的粒径大小为5μm—100μm，毛毛雨的粒径大于100μm。⒉固态气溶胶——粉尘固体物质的细小颗粒在气体中的分散体系，粒径通常小于100μm。①粉尘（dust）——因机械过程（破碎、筛分、运输）而产生的微细粒子。粒径范围在0.1μm到几百μm之间，是固态气溶胶的通称。止于至善②烟尘（fume）——在物理化学过程（冶炼、燃烧、金属焊接）中，由于升华及冷凝而形成的微细固体粒子。特点：粒度较细，在1μm以下。③烟雾（smoke）——燃烧草料、木柴、油、烟形成的黑烟，粒径在0.5μm以下。④粉末（powder）——工艺生产中的粉料，粒径一般较粗。⑥微粒（fineparticulates）——微细固态气溶胶的统称。各国的定义有所区别，一般指10μm以下的固体气溶胶。在我国用PM10表示。⑤飞灰（flyash）——专指电厂锅炉燃煤产生的颗粒物，粒径100μm。止于至善⒊粉尘的分类①无机粉尘:包括矿物性粉尘、金属粉尘、人工无机粉尘。②有机粉尘:包括植物性粉尘、动物性粉尘、人工有机性粉尘③混合性粉尘:各种粉尘的混合物。④可见粉尘:粒径大于10μm，肉眼可见。⑤显微粉尘:粒径为0.25μm—10μm，普通显微镜可分辨。⑥超显微粉尘:粒径小于0.25μm，电子显微镜可分辨。止于至善二、单一粒径的大小及定义方法（常用）通常情况下，很少有球型颗粒。对于不规则粉尘颗粒，可根据其三个方向（长、宽、高）的比例划分为三类：①各向同长的粒子---尘粒在三向总长度大致相同。②平板状粒子---二个方向上长度比第三个方向长得多。③针状粒子---一个方向上长度比另二个方向的长度长得多。止于至善⒈投影径---尘粒在显微镜下所观察到的粒径。⒉几何当量径---取颗粒的某一几何量(面积、体积）相同时的球形粒子的直径。⒊筛分径---用筛分法测定时的直径（工业上应用），为颗粒能够通过的最小方孔的宽度。一般用目表示，（用于粒径60µm的场合）。止于至善目---1英寸长度上开孔的数目。常用标准分样筛直径为200mm，高度为50mm。测定时用手工或机械振动，过尘速度为0.05g/min。mmmAm3048.014.391101100英尺英寸10m1m254002.54cm1英寸位：粉尘常用的长度度量单6-mmdp67.8430025400300目筛下粒子的粒径：止于至善⒋物理当量径---取与颗粒的某一物理量相同时的球形粒子的直径。①斯托克斯（Stokes）直径ds在同一流体中，与颗粒密度相同、沉降速度相等的球的直径。F1重力F2浮力F3阻力gVsdsVsgdsdsVsgdsgdsPPP)(183)(6136161233层流区流体阻力止于至善②空气动力学当量直径da在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度（）的球的直径。5.分割粒径dc（临界粒径）对应于除尘器的分级除尘效率为50%时的粒径（代表除尘器性能的一个重要参数）。3/1cmgP止于至善三、粉尘的粒径分布及平均粒径分散度---某种粉尘中，各种颗粒的个数（质量或表面积）所占的比例。测定粉尘分散度的方法：显微镜法（投影径）筛分法（筛分径）液体沉降法（沉降天平法）Stokes沉降粒径。气体沉降法（巴柯粒度分级仪）细孔通过法（库尔特计数仪）等体积径、等面积径在除尘技术的研究中常采用质量分布表示粒径分散度止于至善离心式粒度分析仪型号：SA-CP3生产厂家：日本岛津制作所技术数据：测量粒度范围：0.02～150μm转速：500～5000rpm功能:测定颗粒密度及粒度分布(累计、分项)、平均粒径等。止于至善巴柯粒度分析仪止于至善1.频率分布g（%）（或相对频数）定义：粒径段dP至dP+ΔdP之间的尘粒质量占总尘样质量的百分数。%1000mmg100g05.010.015.020.022.5频率g（%）0510152030405060123456789粒径dP（µm）频率分布曲线（g）止于至善2.频率密度分布q（%/µm），又称频度分布定义：单位粒径间隔01.02.03.04.04.5频度q（%/µm）051015203040506012345678粒径dP（µm）宽度时的频率分布)(%1mdgqP频率密度分布曲线（q）dd=3.9µmd50=13µm返回止于至善3.筛下累积频率分布G（%）定义：小于某一粒径dP的尘样质量占尘样总质量的百分比(%)00PPdPddqgG020406080100筛下累积频率G(%)051015203040506012345678粒径dP（µm）筛下累积分布曲线d50=13µm返回止于至善⒋粉尘平均粒径的意义Ld①算术平均直径:定义：所有颗粒直径之和与颗粒总数之比（又称长度平均直径）颗粒总数。n颗粒群总长度；dn颗粒数；为中值的粒径间隔内的以dniiiiiiiiLndnd止于至善②中位径d50定义：粒径分布的累积频率（G或R）等于50%的颗粒的粒径。③众径dd定义：频率密度分布曲线中，q值最大时对应的粒径。④几何平均直径dg定义：N个颗粒的粒径之积的N次方根。NNgdddd121)(止于至善四、粉尘粒度的分布函数：常用的粒径分布函数：正态分布函数对数正态分布函数Rosin-Rammler分布函数粒径分布函数——颗粒粒度分布与粒径关系的数学表达式具有粒径上限的对数正态分布函数Weibull概率分布函数止于至善1.正态分布（Gauss分布）——颗粒粒度的正态分布是相对于频率密度q最大的粒径成对称分布，其函数形式为：222exp21)(PPPdddqd50LPd50LPPdddd因为在正态分布时，或表示，、d、dd为平均粒径。可用d数。为正态分布的二个特征d式中：σ、止于至善粒子总数。i粒径段内粒子个数；i粒径段的代表粒径；式中：其值取决于频度分布）粒径，为正态分布标准偏差（NndNddniPiPPii2121止于至善如何回归某一类粉尘的正态分布函数？Pd如何确定和呢？已知在正态分布时，那么，唯一要确定的就是正态分布标准偏差了。以dx表示筛下累积分布G为x%时所对应的颗粒粒径根据正态分布规律，在（）到（）范围内，即范围内，包含了68.26%质量的颗粒。dLPdddd50PdPd284.135015.8750dσ或：ddσ即：d止于至善d50-σd50d50+σ68.26%15.87%15.87%2σq(%/µm)粒径(µm)d15.87d84.13那么，就可以根据筛下累积分布Ｇ来计算σ5013.8487.1513.8487.1513.84505022dddddddd15.875015.8784.13dd或σ对应的粒径；15.87%时Gd对应的粒径；84.13%时Gd——符合正态分布的粉尘极少见，但其是研究分布函数的基础。止于至善２．对数正态分布曲线对于空气中的气溶胶和生产性粉尘，颗粒的粒径为非正态分布对称，小直径粒子偏多。q（％／µm）dPq（％／µm）lndP止于至善其函数形式为：ggPgPdddq22ln2lnlnexpln21)(50ggggd为几何平均直径。dd特征数。为对数正态分布的二个、d式中：σ2121lnlnNddngPiigg：为几何标准偏差止于至善对于对数正态分布，根据筛下累积分布G计算σg：2187.1513.8487.15505013.84ddddddg止于至善3.具有粒径上限的对数正态分布由Mugele和Evans提出，用以描述喷雾及形成机理与其相似的气溶胶的粒径分布。该分布函数用最大粒径dpmax作为粒径分布的上限，假设筛下累计分布G或频率密度分布q与综合参数u符合对数正态分布规律。)/(maxPPddpdudpmax与各特性粒径的关系：1090250109010905050max2)(ddddddddddp13.8450,uu5013.84uug止于至善分布函数形式为：25050ln2/lnexpln2gguuuq50/ln0250)(lnln2/lnexpln21uugguduuG止于至善4.Weibull概率分布Weibull概率分布函数可以描述很多种粉尘的粒度分布。用筛上累计分布R表示的形式为：)(exp1PdR。——；—表示最小粒径粒径分布的发散程度;次方的某一特定粒径为常数；)(,,PPdd)exp(1xRPPddpdx/)(min止于至善5.Rosin—Rammler分布对数正态分布在数学解析上比较方便，但对破碎、研磨、筛分过程中产生的细粒子及分布很宽的各种粉尘，常有不吻合的情况。Rosin—Rammler分布是一种适应范围更广的粒径分布函数，表示的是筛下累积分布G与粒径dP之间的关系。止于至善其分布函数的表达式为：nPdGexp1nPd11设：nPPddGexp1：则得到式中：n—分布指数；β—分布系数。n63.2Pn50Pddexp1或Gdd0.693exp1G表达式变为：,（MMD）或d一般选用质量中位粒径d式中63.2%P2.63150693.0ddn粒径特性数止于至善五、固态气溶胶的物性除粉尘的形状和大小外，粉尘还具有许多不同的物理、化学性质，这些理化性质直接影响到除尘系统的设计和运行操作。主要的几个物理参数为：密度、比表面积、含水率、导电性、粘附性、爆炸性等。粉尘密度真密度ρP⒈粉尘的密度堆积密度ρb止于至善①真密度ρP将粉尘颗粒表面及其内部的空气排出后测得的自身密度。②堆积密度ρb（表观密度、假密度）呈自然堆积状态的粉尘，单位体积之粉体质量（包括颗粒间气体空间在内）。对于同一种粉尘：ρb≤ρPρb=（1-ε）ρPε—粉体空隙率（与粉体种类、粒径大小、充填方式有关）止于至善③充填率Φ——粉尘粒子的实际体积与粉尘所占的容积之比④空隙率ε——粉尘之间的空隙体积与整个容积之比充填率与空隙率之和为1粉尘占据的容积粉尘真密度粉尘质量1粉尘占据的容积粉尘的实际体积-粉尘占据的容积止于至善⒉粉尘的比表面积——单位体积或质量粉尘所具有的表面积粉尘的比表面积是用来表示粉尘总体细度的一种特性值。粉尘的细度大小，影响到粉尘的一系列物理、化学性质。止于至善以自身体积表示的比表面积Sv：体积平均直径，cm。粉尘的表面积d；m粉尘的平均净体积，cV；m粉尘的平均表面积，cS式中：VS32)/(632cmcmdVSSvSV以粉尘质量表示的比表面积Sm：。粉尘真密度，g/cm式中：ρ3P)/(62gcmdVSSsvPPm止