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1、第五章第五章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础1.粉尘的粒径及粒径分布粉尘的粒径及粒径分布2.粉尘的物理性质粉尘的物理性质3.净化装置的性能净化装置的性能4.颗粒捕集理论基础颗粒捕集理论基础第一节第一节 颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布n大气污染中涉及到的颗粒物，一般指粒径介于大气污染中涉及到的颗粒物，一般指粒径介于0.01100m的粒子。颗粒的大小不同，其物理、化学特性不的粒子。颗粒的大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的影响同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的影响甚大，因此甚大，因此颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一颗粒的大小是颗
2、粒物的基本特性之一。n实际颗粒的形状多是不规则的，所以需要按一定的方法实际颗粒的形状多是不规则的，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，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。简称为粒径。n一一般般将将粒粒径径反反映映单单个个颗颗粒粒的的单单一一粒粒径径和和反反映映由由不不同同颗颗粒粒组成的颗粒群的组成的颗粒群的平均粒径平均粒径n单一颗粒的粒径单一颗粒的粒径投影径投影径定向直径定向直径dF（Feret 直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度最大投影长度定向面积等分直径定向面积等分直径dM（Mar
3、tin直径）：各颗粒在投影图中同一直径）：各颗粒在投影图中同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度方向将颗粒投影面积二等分的线段长度投影面积直径投影面积直径dA(Heywood直径直径):与颗粒投影面积相等的圆的直与颗粒投影面积相等的圆的直径径 a-定向直径定向直径 b-定向面积等分直径定向面积等分直径c-投影面积直径投影面积直径Heywood测定分析表明，测定分析表明，同一颗粒的同一颗粒的dFdAdM筛分径筛分径筛分直径：颗粒能够通过的最小筛分直径：颗粒能够通过的最小方方方方筛孔的宽度筛孔的大小，筛孔的宽度筛孔的大小，用目用目(每英寸长度上筛孔的个数每英寸长度上筛孔的个数)表示表示当量直径当量
4、直径光散射法光散射法等体积直径等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径与颗粒体积相等的球体的直径沉降法沉降法斯托克斯（斯托克斯（Stokes）直径直径ds：同一流体中与颗粒密度相同、同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体直径沉降速度相等的球体直径空气动力学当量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在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度（位密度（1g/cm3）的）的球体的直径球体的直径 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关，是除尘技术中应用最多的两种直
5、径粒径分布粒径分布n粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）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。所占的比例。除尘技术中多采用粒径的质量分布除尘技术中多采用粒径的质量分布。n粒数分布粒数分布:每一粒径间隔内的颗粒个数分布。每一粒径间隔内的颗粒个数分布。n粒数频率：第粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数与颗粒总数ni之比之比n粒数筛下累积频率：小于第粒数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个个间隔上限粒径的所有颗粒个数占总颗粒数的百分比数占总颗粒数的百分比n粒数筛上累积频率：大于粒数筛上累积频率：大于第第i个间隔上限粒径
6、的所有颗粒个间隔上限粒径的所有颗粒个数占总颗粒数的百分比个数占总颗粒数的百分比筛上分布为减函数；筛上分布为减函数；筛下分布为增函数。筛下分布为增函数。n粒数频率密度（粒数频率密度（粒数频度粒数频度）单位粒径间隔时的频率单位粒径间隔时的频率n粒数分布的测定及计算粒数分布的测定及计算0.425n粒数众径粒数众径频度频度p最大时对应的粒径，此时最大时对应的粒径，此时n粒数中位径（粒数中位径（NMD）累计频率累计频率F=0.5时对应的粒径时对应的粒径F粒径粒径粒径分布粒径分布n质量分布质量分布类似于数量分布，也有质量频率类似于数量分布，也有质量频率(gi)、质量筛下累积、质量筛下累积频率频率(Gi)、
7、质量频率密度、质量频率密度(q)等等在所有颗粒具有相同密度、颗粒质量与粒径立方成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（同样的，也有质量众径和质量中位径（MMD）平均粒径平均粒径n前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一n长度平均直径长度平均直径n表面积平均直径表面积平均直径n体积平均直径体积平均直径n体积表面积平均直径体积表面积平均直径粒径分布函数粒径分布函数n用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布用一些半经验函数描述一
8、定种类粉尘的粒径分布n正态分布正态分布频率密度频率密度筛下累积频率筛下累积频率标准差标准差n 算术平均粒径；算术平均粒径；dp粒径；粒径；n标准差，标准差，N粉尘粒子的总个数。粉尘粒子的总个数。n其特征数为：其特征数为：，。n特点：图形对称，众位径特点：图形对称，众位径dd=中位径中位径d50=平均粒径平均粒径o o 大大o o粒径分布函数粒径分布函数n正态分布（续）正态分布（续）正态分布是最简单的分布函数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）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于决于（3）正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分
9、布，因为大多数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粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移粒径分布函数粒径分布函数n正态分布的累积频率分布曲线正态分布的累积频率分布曲线n对数正态分布对数正态分布粉尘粒径分布曲线很少像正态分布那样成对称的钟形粉尘粒径分布曲线很少像正态分布那样成对称的钟形曲线，曲线，以以lndp代替代替dp就可以将其转化为近似正态分布就可以将其转化为近似正态分布曲线的对称性钟形曲线。曲线的对称性钟形曲线。特征数：几何平均粒径特征数：几何平均粒径dg=d50，（几何标准差）几何标准差）粒径分布函数粒径分布函数n对数正态分布的累积频率分布曲线对数正态
10、分布的累积频率分布曲线n对数正态分布对数正态分布对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于可用可用 、MMD和和NMD计算出各种平均直径计算出各种平均直径MMD：质量中位直径：质量中位直径NMD：个数中位直径：个数中位直径SMD：表面积中位直径：表面积中位直径例例 某粉煤燃烧产生的飞灰的粒径分布遵从对数正态分布，当以质量表示某粉煤燃烧产生的飞灰的粒径分布遵从对数正态分布，当以质量表示其粒径分布时，中位径为其粒径分布时，中位径为21.5m，dp（D=15.87%）=9.8m。试确定以。试确定以及个数表示时对数正态分布函数的特征值和算术平均
11、粒径。及个数表示时对数正态分布函数的特征值和算术平均粒径。解：对数正态分布函数的特征数是中位径和几何标准差。解：对数正态分布函数的特征数是中位径和几何标准差。由于对数正态分布以个数和质量表示的几何标准差相等，故即为以个由于对数正态分布以个数和质量表示的几何标准差相等，故即为以个数表示的几何标准差。数表示的几何标准差。NMDm m 粒径分布函数粒径分布函数n罗辛拉姆勒分布（罗辛拉姆勒分布（RosinRammler）n n若设若设 得到得到 一般一般 多选用质量中位径多选用质量中位径 或或粒径分布函数粒径分布函数n罗辛拉姆勒分布（罗辛拉姆勒分布（RosinRammler）判断是否符合判断是否符合R
12、R分布分布 应为一条直线应为一条直线该直线的斜率为该直线的斜率为n，截距为截距为lg RR的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细粉尘更为适用的较细粉尘更为适用，第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质n粉尘的密度粉尘的密度单位体积粉尘的质量，单位体积粉尘的质量，kg/m3或或g/cm3粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙真密度真密度用堆积体积计算用堆积体积计算堆积密度堆积密度空隙率空隙率粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比积之比粉尘的安息角与滑动角粉尘的安息角
13、与滑动角n安息角：粉尘从漏斗连续落下自然堆积形成的圆锥体母线安息角：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与地面的夹角n滑动角：自然堆积在光滑平板上的粉尘随平板做倾斜运动滑动角：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时粉尘开始发生滑动的平板倾角n安息角与滑动角是评价安息角与滑动角是评价粉尘流动特性粉尘流动特性的重要指标的重要指标n安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形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、粉尘粘性状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性粉尘的比表面积粉尘的比表面积n粉尘表面积对于粉尘的物理、化学
14、和生物活性有重要影响，粉尘表面积对于粉尘的物理、化学和生物活性有重要影响，比表面积大的粉尘通过捕集体的阻力增加，氧化、溶解、比表面积大的粉尘通过捕集体的阻力增加，氧化、溶解、蒸发、吸附和催化效应增强，爆炸性和毒性增大。蒸发、吸附和催化效应增强，爆炸性和毒性增大。n单位体积粉尘所具有的表面积单位体积粉尘所具有的表面积n以质量表示的比表面积以质量表示的比表面积n以堆积体积表示的比表面积以堆积体积表示的比表面积粉尘的含水率粉尘的含水率n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自由水分以及颗粒内部的以及颗粒内部的结合水分结合水分n含水
15、率水分质量与粉尘总质量之比含水率水分质量与粉尘总质量之比n含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性n吸湿现象吸湿现象粉尘的润湿性粉尘的润湿性n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度的性质n润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、温度、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。粒与液体之间的粘附力和接触方
16、式有关。n粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降n润湿速度润湿速度n润湿性是选择湿式除尘器的主要依据润湿性是选择湿式除尘器的主要依据粉尘的荷电性和导电性粉尘的荷电性和导电性n粉尘的荷电性粉尘的荷电性粉尘的荷电性即粉尘带电量大小，它对除尘过程有重要意粉尘的荷电性即粉尘带电量大小，它对除尘过程有重要意义，电除尘器就通过粉尘荷电而将其捕集，袋式除尘器和义，电除尘器就通过粉尘荷电而将其捕集，袋式除尘器和湿式除尘器也可以利用粉尘或液滴荷电而增加捕集效率。湿式除尘器也可以利用粉尘或液滴荷电而增加捕集效率。天然粉尘和工业粉尘几乎都有一定的电荷。使粉尘带电
17、天然粉尘和工业粉尘几乎都有一定的电荷。使粉尘带电的过程叫做荷电过程，包括的过程叫做荷电过程，包括自然荷电自然荷电和和人工荷电人工荷电过程。过程。荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关与化学组成有关粉尘的荷电性和导电性粉尘的荷电性和导电性n粉尘的导电性粉尘的导电性粉尘的导电性是判断是否使用电除尘器的依据，可以用比电粉尘的导电性是判断是否使用电除尘器的依据，可以用比电阻表征：阻表征：比电阻比电阻比电阻越大，则导电性越差。一般最适合电除尘器运行的比比电阻越大，则导电性越差。一般最适合电除尘器运行的比电阻范围为：电阻范围为：1
18、041010 影响导电性的因素有温度、粉尘和气体组成。不同温度范围影响导电性的因素有温度、粉尘和气体组成。不同温度范围内，粉尘导电的机制各异。内，粉尘导电的机制各异。粉尘的粘附性粉尘的粘附性n粉尘颗粒附着在固体表面上，或颗粒彼此相互附着的现象称为粉尘颗粒附着在固体表面上，或颗粒彼此相互附着的现象称为粘附。粘附。n粉尘粘附性对除尘过程的影响是双面的：一些除尘器的捕集机粉尘粘附性对除尘过程的影响是双面的：一些除尘器的捕集机制就是依靠尘粒在捕集表面上被粘附；但尘粒在气体管道和净制就是依靠尘粒在捕集表面上被粘附；但尘粒在气体管道和净化设备壁面上的粘附又能引起管道堵塞。化设备壁面上的粘附又能引起管道堵塞
19、。n附着的强度称为附着的强度称为粘附力粘附力，其大小可用，其大小可用断裂强度断裂强度来判断。来判断。n断裂强度表征粉尘自粘性的指标，等于粉尘断裂所需的力除断裂强度表征粉尘自粘性的指标，等于粉尘断裂所需的力除以其断裂的接触面积以其断裂的接触面积n分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性n粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性粉尘的自燃性和爆炸性粉尘的自燃性和爆炸性n粉尘的自燃性粉尘的自燃性自燃自燃自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、发自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、发酵热酵热影响因素：粉尘的
20、结构和物化特性、粉尘的存在影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境状态和环境存放过程中自然发热存放过程中自然发热热量积累热量积累达到燃点达到燃点燃烧燃烧粉尘的爆炸性粉尘的爆炸性n粉尘发生爆炸必备的条件：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可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度的浓度最低可燃物浓度爆炸浓度下限最低可燃物浓度爆炸浓度下限爆炸浓度上限爆炸浓度上限存在能量足够的火源存在能量足够的火源第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能n评价净化装置性能的指标评价净化装置性能的指标技术指标技术指标处理气体流量处理气体流量净化效率净化效率压力损失压
21、力损失经济指标经济指标设备费设备费运行费运行费占地面积占地面积净化装置技术性能的表示方法净化装置技术性能的表示方法n处理气体流量处理气体流量漏风率漏风率n压力损失压力损失总净化效率的表示方法总净化效率的表示方法n总净化效率总净化效率n通过率通过率n分级除尘效率分级除尘效率指除尘装置对某一粒径指除尘装置对某一粒径dpi 或粒径或粒径间隔间隔dp内粉尘的除尘效率。内粉尘的除尘效率。n分割粒径除尘效率为分割粒径除尘效率为50时所对应的粒径时所对应的粒径分级效率与总效率的关系分级效率与总效率的关系n由总效率求分级效率由总效率求分级效率n由分级效率求总效率由分级效率求总效率多级串联的总净化效率多级串联的
22、总净化效率n总分级通过率总分级通过率n总分级效率总分级效率n总除尘效率总除尘效率第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础n对颗粒施加外力使颗粒相对气流产生一定位移并从气流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中分离n颗粒捕集过程中需要考虑的作用力：外力、流体阻力、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、外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等泳力等颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略流体阻力流体阻力n流体阻力形状阻力摩擦阻力
23、流体阻力形状阻力摩擦阻力n阻力的方向和速度向量方向相反阻力的方向和速度向量方向相反n n n 对于球形颗粒，得到对于球形颗粒，得到n流体阻力与雷诺数的函数关系流体阻力与雷诺数的函数关系 流体阻力流体阻力n颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动，此颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动，此时流体阻力将减小时流体阻力将减小需作坎宁汉修正需作坎宁汉修正n对大于对大于1m的的粒子，在常温常压下的空气中运动时一般可忽粒子，在常温常压下的空气中运动时一般可忽略滑动修正。略滑动修正。n温度越高、压力越低、粒径越小，温度越高、压力越低、粒径越小，C值越大。值越大。阻力导致的减速运动阻力导致的减速运
24、动n根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律n若仅考虑若仅考虑Stokes区域区域n积分得积分得n速度由速度由u0减速到减速到u所迁移的距离所迁移的距离n若引入坎宁汉修正系数若引入坎宁汉修正系数Cn停止距离停止距离驰豫时间或松弛时间驰豫时间或松弛时间重力沉降重力沉降n力平衡关系力平衡关系nStokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）n湍流过渡区湍流过渡区n牛顿区牛顿区nStokes直径直径n空气动力学直径空气动力学直径离心沉降离心沉降n力平衡关系力平衡关系nStokes颗粒的末端沉降速度颗粒的末端沉降速度静电沉降静电沉降n力平衡关系力平衡关系n静电沉降的末端
25、速度习惯上称为驱进速度，用静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用 表示，表示，对于对于Stokes粒子：粒子：惯性沉降惯性沉降n颗粒接近靶时的运动情况颗粒接近靶时的运动情况惯性碰撞惯性碰撞n惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素气流速度在靶周围的分布，用气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量衡量颗粒运动轨迹，用颗粒运动轨迹，用Stokes数描述数描述颗粒对捕集体的附着，通常假定为颗粒对捕集体的附着，通常假定为100惯性碰撞惯性碰撞n惯性碰撞分级效率惯性碰撞分级效率与与 的关系的关系拦截拦截n直接拦截发生在颗粒距捕集体直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内的距离内n
26、拦截效率用直接拦截比拦截效率用直接拦截比R表示表示n对于惯性大的颗粒对于惯性大的颗粒n对于惯性小的颗粒对于惯性小的颗粒扩散沉降扩散沉降n扩散系数和均方根位移扩散系数和均方根位移布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大颗粒的扩散类似于气体分子的扩散颗粒的扩散类似于气体分子的扩散对于粒径约等于或大于气体分子平均自由程的颗粒对于粒径约等于或大于气体分子平均自由程的颗粒对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒颗粒的均方根位移（时间颗粒的均方根位移（时间t秒钟）秒钟）扩散沉降扩散沉降n标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较扩散沉降效率扩散沉降效率n扩散沉降效率取决于皮克莱数扩散沉降效率取决于皮克莱数Pe和雷诺数和雷诺数ReDn粘性流单个圆柱体的效率粘性流单个圆柱体的效率n势流单个圆柱体效率势流单个圆柱体效率n孤立球形捕集体孤立球形捕集体n从理论上讲，从理论上讲，是可能的是可能的扩散沉降效率扩散沉降效率n惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较