大氣污染控制 第五章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

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1、第五章第五章 顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)氣溶膠：氣態(tài)為連續(xù)相，固、液態(tài)為分散相的多相流體。 工程中為區(qū)別于清潔空氣，俗稱“含塵氣體” 。 按形成過程可分為：機械分散系和凝結(jié)分散系。機械分散系：固體經(jīng)破碎、研磨等機械分散作用形成的顆?；蚍勰腋∮跉怏w介質(zhì)中。凝結(jié)分散系：固體或液體經(jīng)過高溫燃燒或直接升華或蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，當(dāng)溫度下降或過飽和而凝結(jié)為固體或液體微粒并懸浮于氣體介質(zhì)中。 按照氣溶膠顆粒的物態(tài)也可分為固態(tài)分散系和液態(tài)分散系。除塵技術(shù)：通過一些技術(shù)措施分離捕集氣溶膠中的固態(tài)或液態(tài)顆粒。 第一節(jié)第一節(jié) 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布 一、粒徑一、粒徑 氣溶膠顆粒的大

2、小對除塵器的除塵機制和性能影響很大，是粉塵的基本特征之一。 1. 單一粒徑單一粒徑粒徑的測定和定義方法不同，所得粒徑值也不同。按顆粒幾何性質(zhì)來直接測定和定義：光學(xué)顯微鏡(0.5100um) 、電子顯微鏡(0.0010.5um) 、篩分法(40um以上) 。按顆粒的某種物理性質(zhì)間接測定和定義：沉降法(移液管、沉降天平、光電沉降法，150um) 、庫爾特塵粒分柝儀(0.6075um) 。 常見粒徑名稱：顯微鏡定向徑dF、沉降法斯托克斯粒徑ds、空氣動力粒徑da、分割粒徑dc。 2. 平均粒徑平均粒徑為簡明地表示顆粒群的某一物理特性和平均尺寸的大小，常用平均粒徑表示。長度平均長度平均(或算術(shù)平均)粒

3、徑幾何平均粒徑：單一粒徑的幾何平均值。面積長度平均粒徑面積長度平均粒徑：表面積總和除以直徑的總和。 體面積平均粒徑體面積平均粒徑：全部粒子的體積除以總表面積。 體積平均粒徑體積平均粒徑：與粒子總個數(shù)和總體積相等的均一球徑 中位直徑中位直徑：為粒徑分布的累積頻率等于50的粒徑 d50nngddddd1321)(ndnddsl/223/ndnddvs313)/(nnddvnnddl/ 二、粒徑分布二、粒徑分布粒徑分布：指某一粒子群中不同粒徑的粒子所占的比例，也稱粒子的分散度。若以粒子的個數(shù)所占的比例表示時稱為個數(shù)分布個數(shù)分布；以粒子的表面積表示時稱為表面積分布表面積分布；以粒子的質(zhì)量表示時稱為質(zhì)量

4、分布質(zhì)量分布。 除塵技術(shù)中多用質(zhì)量分布。 1. 粒徑分布的表示方法粒徑分布的表示方法：表格法、圖形法、函數(shù)法。 粒徑分布有以下幾種： (1) 頻率分布g() ：粒徑dp至dp+dp之間的塵樣質(zhì)量占塵樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，即： 并有 (2) 頻率密度分布 ：簡稱頻度分布，指單位粒徑間隔寬度時的頻率分布： )(10000ommg00100gdpgq)(100m)(100mq粒徑的頻率分布粒徑的頻率分布粒徑頻度分布粒徑頻度分布粒徑的累積分布粒徑的累積分布 (3) 篩下累積頻率分布G() ：簡稱篩下累積分布，指小于某一粒徑dp的塵樣質(zhì)量占塵樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，即： ()反之，篩上累積分布： () 2. 粒徑

5、分布函數(shù) 采用某種數(shù)學(xué)函數(shù)來描述粒徑分布曲體。 常用：正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、羅辛-拉姆勒(Rosin-Ramler) 分布等。dpdpdpqgG00dpdpdpqgR (1) 正態(tài)分布 正態(tài)分布函數(shù)： 式中 、 為正態(tài)分布的兩個特征數(shù)。 為平均粒徑，可用算術(shù)平均直徑或中位徑或眾徑表示。 為標(biāo)準(zhǔn)差，定義為： 正態(tài)分布的頻率密度分布曲線為對稱的鐘形曲線，累計分布曲線在概率坐標(biāo)圖中為一直線。 粒子粒徑形成正態(tài)分布是很少的，在冷凝之類的物理過程中產(chǎn)生的粒子有這種情況。222exp21)(dpdpdpfdpdp2121Ndpdpnii (2) 對數(shù)正態(tài)分布大多數(shù)粒子(如許多分散在空氣中的塵和霧) 的粒

6、徑分布在矩形坐標(biāo)中是偏態(tài)的，若橫坐標(biāo)用對數(shù)坐標(biāo)代替，則形同正態(tài)，稱之為對數(shù)正態(tài)分布：式中：dg為幾何平均粒徑； 為幾何標(biāo)準(zhǔn)差。 特點：如果某種粉塵的粒徑分布遵從對數(shù)正態(tài)分布的話，則無論是以質(zhì)量表示還是以個數(shù)或表面積表示的粒徑分布，皆遵從對數(shù)正態(tài)分布，且?guī)缀螛?biāo)準(zhǔn)差相等。 (3) 羅辛-拉姆勒(R-R)分布對破碎、研磨、篩分過程中產(chǎn)生的細(xì)粒子及分布很廣的各種粉塵，常采用適用范圍更廣的羅辛拉姆勒分布： 式中：n為分布指數(shù)；為分布系數(shù)。 ggdgdpdpdpq22ln2lnlnexpln21)(g2121lnlnlnNdpdpngiig)exp(100)(ndpdpR第二節(jié)第二節(jié) 粉塵的物理性質(zhì)粉塵的

7、物理性質(zhì)一、粉塵的密度真密度真密度 ：將吸附在粒子表面和內(nèi)部的空氣排除以后測得顆粒自身的密度。 (或)堆積密度堆積密度 ：包括粉體粒子間氣體空間在內(nèi)的粉體密度。 空隙率空隙率：顆粒之間的空間體積與包含空間的粉塵總體積之比。 二、粉塵的比表面積單位體積(或質(zhì)量) 粉塵具有的表面積稱為粉塵的比表面積。 式中： 粉塵的平均表面積，cm2 ； 粉塵自身的平均體積，cm2 ； 粉塵的體積表面積平均直徑，cm； 粉塵的卡門形狀系數(shù)。球形，不規(guī)則如：細(xì)砂平均 ， 細(xì)煤粉 ，熔凝態(tài)煙塵 ，纖維塵 塵粒愈細(xì)，比表面積愈大。 p3/mkg3/cmgbpb)1 ( VScdVSa6)/(32cmcmSVVSdc75

8、. 0c73. 0c55. 0c30. 0c 三、粉塵的潤濕性 粉塵粒子能否與液體相互附著或附著難易的性質(zhì)稱為粉塵的潤濕性。容易被水潤濕的稱為親水性物質(zhì)；難以被水潤濕的稱為疏水性物質(zhì)。粉塵的潤濕性與粉塵的粒徑、生成條件、溫度、壓力、含水率、表面粗糙度及荷電性有關(guān)，還與液體的表面張力、對塵粒的粘附力及相對于塵粒的運動速度有關(guān)。各種濕式除塵器是依靠粉塵與水的潤濕作用來捕集粉塵。但如水泥、熟石灰、白云石粉塵等遇水硬化結(jié)垢，稱為水硬性，不適宜采用濕式除塵。 四、粉塵的荷電性及導(dǎo)電性 1.荷電性 粉塵在其生產(chǎn)及運動過程中，由于相互碰撞、摩擦、放射線照射、電暈放電及接觸帶電體等原因，幾乎都帶有一定的電荷。

9、 2. 比電阻 大小與粉塵的成份、測定條件有關(guān)，只作相互比較用，用電阻率表示( )。 cm粉塵的導(dǎo)電機理： (1) 容積導(dǎo)電：在高溫(約高于200) 情況下，粉塵主要靠自身內(nèi)部的電子或離子進(jìn)行的導(dǎo)電。溫度比電阻 (2) 表面導(dǎo)電：在低溫(約低于100) 情況下，粉塵主要靠其表面的吸附層導(dǎo)電。溫度表面吸附水比電阻 (3) 綜合導(dǎo)電：在溫度100200, 比電阻是上述兩者之和，其值最大。 五、粘附性塵粒附著在固體表面上或塵粒彼此相互附著的現(xiàn)象稱為粘附?？朔街F(xiàn)象所需要的力稱為粘附力。該力垂直作用在塵粒重心上。粘附力的種類：范得華力、靜電引力和毛細(xì)力等。 粉塵粒徑小、形狀不規(guī)則、表面粗糙、含水率高

10、、潤濕性好和荷電量大時，易于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。 六、爆炸性指可燃物的劇烈氧化作用，在瞬間產(chǎn)生大量的熱和燃燒產(chǎn)物。遇水即有爆炸危險的粉塵(如鎂粉、電石粉) 不能采用濕法除塵；遇火源有爆炸危險的粉塵(如硫磺粉、煤粉等) ；相互接觸或混合(如溴與磷、鋅粉與鎂粉的接觸混合) 。 第三節(jié)第三節(jié) 凈化裝置的性能凈化裝置的性能 包括：技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：處理氣體流量、凈化效率和壓力損失等。 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：設(shè)備費、運行費和占地面積等。 還應(yīng)考慮還應(yīng)考慮：裝置安裝、操作、檢修的難易等因素。 一、凈化裝置技術(shù)性能的表示方法 1. 處理氣體流量 裝置進(jìn)、出口氣體流量的平均值 裝置漏風(fēng)率可按下式表

11、示： 2. 凈化效率 表示裝置凈化污染物的重要技術(shù)指標(biāo)。如：除塵效率、吸收效率、吸附效率等。 )(2121NNNQQQsmN/3 100121NNNQQQ00 3. 壓力損失P 流體流經(jīng)除塵器時所消耗的總機械能。 Pa式中：凈化裝置的壓力損失系數(shù)；1裝置進(jìn)口氣流速度，m/s；氣體的密度，kg/m3 主要與流速、流動狀態(tài)、流體性質(zhì)以及流道大小和形狀有關(guān)。一般除塵裝置壓力損失為1-2kPa (風(fēng)機具有2kPa左右的壓力) 。壓力再高，不但風(fēng)機造價高，難以選到，且通風(fēng)機的噪聲變大，又增加了消聲問題。 二、凈化效率的表示方法 1. 總效率 指同一時間內(nèi)凈化裝置去除的污染物數(shù)量與進(jìn)入裝置的污染物數(shù)量之比

12、。221P污染物流量：S1= S2 + S3 g/sS1=C1NQ1N， S2=C2N Q2N總凈化效率： 或 若凈化裝置不漏氣，則： ， 12131SSSSNNNNQCQC11221NNQQ21nNCC221 2. 通過率(排放率)P 3. 分級除塵效率 指除塵裝置對某一粒徑dp或粒徑間隔dp至dp+dp內(nèi)粉塵的除塵效率。 重要值： ，與之相對應(yīng)的粒徑稱為除塵器的分割粒徑，用dc表示。4. 分級效率與總除塵效率之間的關(guān)系(1)由總效率求分級效率NNNNQCQCSSP112212iiiiiSSSS121310050i,333,222,111iiiiiigSSgSSgSSiiiiigggSgS1

13、31133或：或：(2) 由分級效率求總除塵效率5. 多級串聯(lián)運行時的總凈化效率多級系統(tǒng)總除塵效率iiiiiggPgSgS12112211iiigPg32/iiig3)1 ()1)(1 (1121iniiiTiTPiniiiTPPPP21)1 ()1)(1 (1121nTTP第四節(jié)第四節(jié) 顆粒捕集的理論基礎(chǔ)顆粒捕集的理論基礎(chǔ)除塵機理：除塵機理：將含塵氣體引入具有一種或幾種力作用的除塵器，使顆粒相對其運載氣流產(chǎn)生一定的位移，并從氣流中分離出來，最后沉降到捕集表面上。作用力：作用力：外力、流體阻力和顆粒間的相互作用力。外力：外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、泳力等。作用在運動顆粒上的

14、流體阻力流體阻力是捕集過程中最基本的作用力。顆粒間的相互作用力在顆粒濃度不高時皆忽略。一、一、 流體阻力流體阻力 由于其具有一定的形狀，運動時必須排開周圍的流體，導(dǎo)致阻力阻力 顆粒前后產(chǎn)生壓力差，產(chǎn)生形狀阻力形狀阻力。 顆粒表面與周圍液體之間摩擦而產(chǎn)生摩擦阻力摩擦阻力。阻力大小取決于阻力大小取決于：顆粒的形狀、粒徑、表面特性、運動速度和流體特性。阻力F：式中：當(dāng) 時， 斯托克斯區(qū)， 斯托克斯(Stokes)阻力定律： 時，艾倫區(qū)， 時，牛頓區(qū)，當(dāng)顆粒尺寸小到與氣體分子平均自由程大小差不多時： )(212NuACFPDDuddAPPPPRe421Re104PPDCRe24500Re1P6 . 0

15、Re5 .18PDC5102Re500P44. 0DC)(3NudFPD)(055. 022NudFPDCudFPD3式中C為坎寧漢系數(shù)：二、阻力導(dǎo)致的減速運動二、阻力導(dǎo)致的減速運動前提：前提：除阻力外無其它作用力在斯托克斯區(qū)：減速距離：)10. 1exp(400. 0257. 1 1nnKKC)/(8, )(499. 0,2smMRTmdKPn246223udCFdtdudPDDPPPPDduCdtdu243,18,1822PPPPduuddtduteuuuut00,ln)1 ()(00teuuux三、三、 重力沉降重力沉降在斯托克斯區(qū)：在艾倫區(qū)：在牛頓區(qū)：斯托克斯直徑：gdFPPG61gd

16、FPB61gdFFFPPBGD)(63udFPD3)/(18)(2smgduPPS)/(Re)(27. 06 . 0smgdutPs2/1/)(74. 1gduPPS)()(18mgudPsS四、四、 離心沉降離心沉降慣性離心力 向心力阻力當(dāng)上述三力達(dá)平衡且在斯托克斯區(qū)時，可求得： 對同一顆粒在同一介質(zhì)中離心沉降速度與重力沉降速度之比為： KC稱之為離心分離因數(shù)RudtPP236RudtP2362422CPDudC)/(18)(22smRudutSPcctscKgRuuu2五、靜電沉降五、靜電沉降 在強電場中可忽略重力和慣性力的作用，荷電粒子所受的力主要是靜電力和氣體阻力。靜電力：顆粒驅(qū)進(jìn)速度

17、：六、慣性沉降六、慣性沉降當(dāng)有靶存在時，在慣性力作用下捕集粉塵。除塵機理：慣性碰撞和攔截1. 慣性碰撞：除塵效率取決于三個因素 氣流速度在捕集體(即靶)周圍的分布，它隨捕集體雷諾數(shù)而變化式中：u0為相對速度m/s，DC為捕集體尺寸m)(NqEFE)/(3smdqEPCDDu0Re 顆粒運動軌跡：它取決于顆粒的質(zhì)量、氣流阻力、捕集體的尺寸和形狀以及氣流速度等。 慣性碰撞參數(shù)St (斯托克斯準(zhǔn)數(shù)) 定義：顆粒的停上距離與捕集體半徑之比。 慣性碰撞效率 顆粒對捕集體的附著，通常假定為100%2. 攔截攔截：直接攔截剛好發(fā)生在顆粒距捕集體表面dP/2的距離內(nèi)，用直接攔截比R表示攔截效率。對捕集效率增量

18、 的影響： 對于慣性大沿直線運動的顆粒(St)時： 圓柱形捕集體： 球形捕集體：CPPCCStDCudDCuDCxS182/2/020CPDdR DIRDIRRRDI222St對于慣性小沿流線運動的顆粒(St0)時：對于繞過圓柱體的勢流：對于繞過球體的勢流：對于繞過圓柱體的粘性流：對于繞過球體的粘性流：) 1 . 0(2111RRRRDI) 1 . 0(311)1 (2RRRRDI)5 . 0Re,07. 0(Reln002. 2)1 (2)2()1ln()1(Reln002. 212DDDDIRRRRRRR) 1 . 0(23)1 (212)1 (3)1 (22RRRRRDI七、擴散沉降七、擴散沉降 擴散沉降用于估算捕集很小的粒子。擴散沉降效率取決于皮克萊(Peclet)數(shù)Pe和ReD。Pe值越大，擴散沉降越不重要。對于粘性流體，朗格謬爾公式：對于勢流，高ReD下的納坦森公式：對于孤立的球形捕集體，可用下式： 對大粒子，碰撞作用大，布朗擴散作用很小。反之，對微小粒子，慣性碰撞作用很小，主要靠擴散沉降。DDuPeC03132)Reln2(71. 1DBDPe2119. 3PeBD8581Re23. 28PePeDBD