空气污染控制工程第5章fdngjyuli

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第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础 1、教学要求、教学要求 要求理解和掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性要求理解和掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性质、评价净化装置性能的技术指标以及颗粒物捕质、评价净化装置性能的技术指标以及颗粒物捕集的动力学理论基础。集的动力学理论基础。 2、教学重点、教学重点 要求了解除尘技术的理论基础，掌握颗粒污染物要求了解除尘技术的理论基础，掌握颗粒污染物的性质。的

2、性质。 3、教学难点、教学难点 除尘技术的理论基础以及颗粒物捕集的动力学理除尘技术的理论基础以及颗粒物捕集的动力学理论基础。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1.1 颗粒的粒径颗粒的粒径 概念：实际颗粒的形状多是不规则的，需按一定的方法概念：实际颗粒的形状多是不规则的，需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。称为粒径。 几种粒径定义方法：几种粒径定义方法： 显微法：定向直径显微法：定向直径dF（菲雷特直径）（菲雷特直径） 定向面积等分直径定向面积等分直径dM（ 马丁直径）马丁直径

3、） 投影面积直径投影面积直径dA（黑乌德直径）（黑乌德直径） 筛分直径筛分直径 等体积直径（光散射法）等体积直径（光散射法）dV 沉降法：斯托克斯直径沉降法：斯托克斯直径dS、空气动力学当量直径、空气动力学当量直径da。41.1 颗粒的粒径颗粒的粒径(1)显微镜法观测粒径直径的三种方法显微镜法观测粒径直径的三种方法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5（2）筛分法）筛分法 筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度 筛孔的大小用目表示筛孔的大小用目表示每英

4、寸长度上筛孔的个数每英寸长度上筛孔的个数（3）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（4）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同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体直径相同、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：在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度（等的单位密度（1g/cm3）的球体的直径）的球体的直径 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1.1 颗粒的粒径颗粒的粒径1.2 粒径分布粒径分布 概念：指不同粒径

5、范围内德颗粒的个数（或质量、概念：指不同粒径范围内德颗粒的个数（或质量、表面积）所占的比例。表面积）所占的比例。 个数分布：个数频率个数分布：个数频率 个数筛下累积频率个数筛下累积频率 个数频率密度个数频率密度 众径众径dD 中位粒径（中位粒径（NMD) 质量分布：以颗粒个数给出的粒径分布数据，可以质量分布：以颗粒个数给出的粒径分布数据，可以转换为以颗粒质量表示的粒径分布数据，或进行相反的转换为以颗粒质量表示的粒径分布数据，或进行相反的换算。换算。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7个数分布个数分布:每一粒径间隔内的颗粒个数每一粒径间隔内的颗粒个数（1）个数频率：第）个数频

6、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（2）个数筛下累积频率：小于第）个数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比有颗粒个数与颗粒总个数之比iiNinfni1iiiNinFnFi=iFN=i=1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1.2 粒径分布粒径分布8（3）个数频率密度）个数频率密度（4）粒数众径频度）粒数众径频度p最大时对应的粒径，此时最大时对应的粒径，此时（5）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22ppdd0ddpFddpp()d/

7、dp dFd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1.2 粒径分布粒径分布第一节第一节 颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布1.3 平均粒径平均粒径 概念：表示颗粒群的某一物理特性和平均尺寸的概念：表示颗粒群的某一物理特性和平均尺寸的大小。大小。 几种常用的平均粒径几种常用的平均粒径 众径众径 中位直径中位直径 长度平均粒径（算术平均）长度平均粒径（算术平均） 表面积平均粒径表面积平均粒径 体积平均粒径体积平均粒径 表面积表面积-体积平均粒径体积平均粒径 几何平均粒径几何平均粒径第一节第一节 颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布1.4 粒径分布函数粒径分布函数 正态分布

8、（高斯分布）正态分布（高斯分布） 对数正态分布对数正态分布 罗辛罗辛-拉姆勒分布拉姆勒分布111.4 粒径分布函数粒径分布函数 用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布 1.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2ppp2()1()exp22ddp dp2pppp20()1()expd22dddF dd2pp1/2()1iin ddN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12 1.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

9、纸上为一条直线，）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于其斜率取决于（3） 正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为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大多数粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移p50dddd84.1505015.984.115.91()2dddddd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1.4 粒径分布函数粒径分布函数13 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1.4 粒径分布函数粒径分布函数141.4 粒径分布函数粒径分布函数 2.对

10、数正态分布对数正态分布 以以lndp代替代替dp得到的正态分布的频度曲线得到的正态分布的频度曲线2pg1/2g(ln/)ln1iinddNplnpg2ppggln/1()exp () d(ln)2 ln2lndddF ddppg2pppggd ()ln/1()exp () d2ln2lnF dddp ddd2pg1/2g(ln/)ln1iinddNplnpg2ppggln/1()exp () d(ln)2 ln2lndddF ddppg2pppggd ()ln/1()exp () d2ln2lnF dddp ddd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15 2.对数正态分布（续

11、）对数正态分布（续） 对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于决定于g1/284.15084.1g5015.915.9()ddddddg1 (=1时为单分散气溶胶）2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平平均均粒粒径径的的换换算算关关系系2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平平均均粒粒径径的的换换算算关关系系第一节第一节 颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布1.4 粒径分布函数粒径分布函数第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质2.1 粉尘的密度粉尘的密度 概念：单位体积粉尘的质量（概念：

12、单位体积粉尘的质量（kg/m3、g/cm3） 真密度真密度P ：根据粉尘的真实体积（不包括颗粒之：根据粉尘的真实体积（不包括颗粒之间和内部的空隙）求得的密度。间和内部的空隙）求得的密度。 堆积密度堆积密度b ：根据粉尘堆积体积（包括颗粒之间：根据粉尘堆积体积（包括颗粒之间和内部的空隙）求得的密度。和内部的空隙）求得的密度。 b （1-） P 空隙率：空隙率： 1- b/ P 1- VP / Vb第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质2.2 粉尘的安息角与滑动角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

13、与水平面的夹角称为粉尘积成一个圆锥体，圆锥体母线与水平面的夹角称为粉尘的安息角的安息角 滑动角：指自然对方在光滑平板上的粉尘，随平滑动角：指自然对方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平板的倾斜角。板做倾斜运动时，粉尘开始发生滑动时平板的倾斜角。也称为静安息角。也称为静安息角。 影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度及粉尘粘性。表面光滑程度及粉尘粘性。第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质2.3 粉尘的比表面积粉尘的比表面积 概念：单位体积（或质量）粉尘所具有的表面积。概念：单位体积（或质量）粉尘所具有的表面积

14、。 粉状物料的许多理化性质，往往与其表面积大小粉状物料的许多理化性质，往往与其表面积大小有关，细颗粒表现出显著的物理、化学活性。有关，细颗粒表现出显著的物理、化学活性。 颗粒层的流体阻力因细颗粒的表面积增大而增大；颗粒层的流体阻力因细颗粒的表面积增大而增大； 氧化、溶解、蒸发、吸附、催化及生理效应等都氧化、溶解、蒸发、吸附、催化及生理效应等都因表面积增大而加速；因表面积增大而加速； 粉尘的爆炸性、毒性随粒径的减小而增加粉尘的爆炸性、毒性随粒径的减小而增加 体积比表面积体积比表面积 Sv、质量比表面积、质量比表面积Sm、堆积体积比、堆积体积比表面积表面积Sb第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理

15、性质2.4 粉尘的含水率粉尘的含水率 粉尘中所含水分质量与粉尘总质量的比值粉尘中所含水分质量与粉尘总质量的比值 粉尘中含的水分包括：附着水、自由水、内部结合水。粉尘中含的水分包括：附着水、自由水、内部结合水。 粉尘的含水率与粉尘的吸湿性、平衡含水率粉尘的含水率与粉尘的吸湿性、平衡含水率2.5 粉尘的润湿性粉尘的润湿性 粉尘颗粒与液体接触后能否互相附着或附着难易程度粉尘颗粒与液体接触后能否互相附着或附着难易程度的性质称为粉尘的润湿性。是选用湿式除尘器的依据的性质称为粉尘的润湿性。是选用湿式除尘器的依据 与粉尘的种类、形状和粒径、生成条件、组分、温度、与粉尘的种类、形状和粒径、生成条件、组分、温度

16、、含水率、表面粗糙度、荷电性等有关。含水率、表面粗糙度、荷电性等有关。2.6 荷电性和导电性（电除尘器：比电阻荷电性和导电性（电除尘器：比电阻104-1010m） 导致颗粒荷电的因素：电离辐射、高压放电、高温产生导致颗粒荷电的因素：电离辐射、高压放电、高温产生离子或电子被捕获、固体颗粒碰撞或表面摩擦产生静电。离子或电子被捕获、固体颗粒碰撞或表面摩擦产生静电。 粉尘荷电后会改变其某些物理特性。荷电量随温度增高、粉尘荷电后会改变其某些物理特性。荷电量随温度增高、表面积增大、含水率减小而增加表面积增大、含水率减小而增加 粉尘的荷电对电除尘器、袋式除尘器、湿式除尘器有关粉尘的荷电对电除尘器、袋式除尘器

17、、湿式除尘器有关 粉尘导电机制：粉尘导电机制： 本体导电：高温，粉尘内部电子或离子进行，体积比电阻本体导电：高温，粉尘内部电子或离子进行，体积比电阻 表面导电：表面吸附的水分或其它化学物质中的离子，表表面导电：表面吸附的水分或其它化学物质中的离子，表面比电阻面比电阻第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质2.7 粉尘的粘附性粉尘的粘附性 粉尘颗粒附着在固体表面上，或者颗粒彼此互相附着粉尘颗粒附着在固体表面上，或者颗粒彼此互相附着的现象称为附着，附着强度，及克服附着现象所需的力称为的现象称为附着，附着强度，及克服附着现象所需的力称为附着力。附着力。 从捕集的角度看，粘附性越大越好，从管道输送的

18、角从捕集的角度看，粘附性越大越好，从管道输送的角度看，粘附性越小越好。度看，粘附性越小越好。 粘附力：分之力（范德华力）、毛细力和静电力（库粘附力：分之力（范德华力）、毛细力和静电力（库仑力）仑力） 自粘性表征指标：断裂强度（粉尘断裂所需的力除以自粘性表征指标：断裂强度（粉尘断裂所需的力除以断裂的接触面积）：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性断裂的接触面积）：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质2.8 粉尘的自燃性和爆炸性粉尘的自燃性和爆炸性 自燃：粉尘在常温下存放过程中自然发热，此热量经自燃：粉尘在常温下存放过程中自然发热，此热量经长时间积累，达到该粉尘的

19、燃点而引起燃烧的现象。长时间积累，达到该粉尘的燃点而引起燃烧的现象。 诱发原因：氧化热、分解热、聚合热。诱发原因：氧化热、分解热、聚合热。 爆炸：可燃物的剧烈氧化作用，在瞬间产生大量的热爆炸：可燃物的剧烈氧化作用，在瞬间产生大量的热量和燃烧产物，在空间造成很高的温度和压力，称为化学爆量和燃烧产物，在空间造成很高的温度和压力，称为化学爆炸炸 爆炸条件：可燃物与空气或氧混合达到一定比例；存在爆炸条件：可燃物与空气或氧混合达到一定比例；存在能量足够的火源。爆炸上限、下限。能量足够的火源。爆炸上限、下限。第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质233.1 净化装置技术性能的表示方法净化装置技术性能的

20、表示方法 1.处理气体流量处理气体流量 漏风率漏风率 2.净化效率净化效率 3.压力损失压力损失1N3N2NN1() (m/s)2QQQ1N2N1N100 (%)QQQ21 (Pa)2vP第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能3.2 净化效率的表示方法净化效率的表示方法 总效率总效率 通过率通过率 分级除尘效率分级除尘效率 分级效率与总除尘效率之间的关系分级效率与总除尘效率之间的关系 总总分；分分；分总总 多级串连运行时的总净化效率多级串连运行时的总净化效率第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能253.2 净化效率的表示方法净化效率的表示方法 1.总净化效率总净化效率 2.通过率通过率

21、 3.分级除尘效率分级除尘效率 分割粒径除尘效率为分割粒径除尘效率为50的粒径的粒径22 N2 N11N2 N11SQSQ22 N2 N11N1N1SQPSQ32111iiiiiSSSS第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能26 4.分级效率与总效率的关系分级效率与总效率的关系 （1）由总效率求分级效率）由总效率求分级效率 （2）由分级效率求总效率）由分级效率求总效率333112221112311/iiiiiiiiiiiiiS ggS ggS ggPS ggP gg1111p00ddiiiiigGqd第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能3.2 净化效率的表示方法净化效率的表示方法27

22、 总分级通过率总分级通过率 总分级效率总分级效率 总除尘效率总除尘效率12iTiiinPP PP1211(1)(1)(1)iTiTiiinP 121 (1)(1)(1)Tn 3.2 净化效率的表示方法净化效率的表示方法 5.多级串联的总净化效率多级串联的总净化效率第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础 除尘过程的机理：将含尘气体引入具有一种或除尘过程的机理：将含尘气体引入具有一种或几种力作用的除尘器，使颗粒相对其运载气流产生几种力作用的除尘器，使颗粒相对其运载气流产生一定的位移，并从气流中分离出来，最后沉降到捕一定的位移，并从气流中分离出来

23、，最后沉降到捕集表面上。集表面上。 捕集所考虑的捕集所考虑的作用力作用力有：有： 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。 流体阻力流体阻力 颗粒间相互作用力颗粒间相互作用力第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础4.1 流体阻力流体阻力 流体阻力形状阻力摩擦阻力流体阻力形状阻力摩擦阻力 阻力的大小取决于颗粒的形状、粒径、表面特性、运阻力的大小取决于颗粒的形状、粒径、表面特性、运动速度及流体的种类和性质动速度及流体的种类和性质 阻力系数：阻力系数： ReP1： 斯托克斯区域斯托克斯区域 1 ReP 500： 湍

24、流过度区湍流过度区 500 ReP 2105：牛顿区域：牛顿区域 坎宁汉修正系数坎宁汉修正系数C：与气体的温度、压力和颗粒大小有：与气体的温度、压力和颗粒大小有关，温度越高，压力越低、粒径越小，关，温度越高，压力越低、粒径越小，C值越大。值越大。304.2 阻力导致的减速运动阻力导致的减速运动 根据牛顿第二定律 若仅考虑Stokes区域 积分得 速度由u0减速到u所迁移的距离 若引入坎宁汉修正系数C 停止距离驰豫时间或松弛时间驰豫时间或松弛时间322pppDD2Dppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(

25、1 e)txuuu第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础314.3 重力沉降重力沉降 力平衡关系力平衡关系 Stokes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） 湍流过渡区湍流过渡区 牛顿区牛顿区 Stokes直径直径 空气动力学直径空气动力学直径2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp18udgCsaa181000udgC第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础

26、4.4 离心沉降离心沉降 离心沉降的末端速度：离心沉降的末端速度：pdqE34.5 静电沉降静电沉降 离心沉降的末端速度离心沉降的末端速度(颗粒的驱进速度颗粒的驱进速度)：ctppcaRudu2218第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础4.6 惯性沉降惯性沉降 颗粒接近靶时的运动情况颗粒接近靶时的运动情况 惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素 气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量 颗粒运动轨迹，用Stokes数描述 颗粒对捕集体的附着，通常假定为100340DcuDRe2pp0s0ccc18du Cx Cu CStDDD1.惯性碰撞惯性碰撞第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础4.6 惯性沉降惯性沉降 352.拦截拦截 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d