第5章 颗粒污染物控制技术基础

第五章颗粒污染物控制技术基础1.粉尘的粒径及粒径分布2.粉尘的物理性质3.净化装置的性能4.颗粒捕集理论基础掌握颗粒粒径分布特点，学会计算平均粒径；掌握粉尘物理性质；掌握除尘系统的关键参数，学会计算除尘效率；理解颗粒捕集的理论基础。第一节颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径显微镜法定向直径dF（Feret直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度定向面积等分直径dM（Martin直径）：各颗粒在投影图中按同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度投影面积直径dA（Heywood直径）：与颗粒投影面积相等的圆的直径

Heywood测定分析表明，同一颗粒的dF>dA>dM颗粒的直径显微镜法观测粒径直径的三种方法a-定向直径b-定向面积等分直径c-投影面积直径颗粒的直径筛分法筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度筛孔的大小用目表示－每英寸长度上筛孔的个数光散射法等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径沉降法斯托克斯（Stokes）直径ds：同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体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位密度（1g/cm3）的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关，是除尘技术中应用最多的两种直径颗粒的直径粒径的测定结果与颗粒的形状有关通常用圆球度表示颗粒形状与球形不一致的程度圆球度Φs

：与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表面积之比（Φs<1）正立方体Φs＝0.806，圆柱体Φs＝2.62（l/d）2/3/(1+2l/d)颗粒的直径某些颗粒的圆球度粒径分布粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例个数分布:每一间隔内的颗粒个数个数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比粒径分布个数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比个数中位径d50（NMD）累计频率F=0.5时对应的粒径粒径分布个数频率密度个数众径dd频度p最大时对应的粒径粒径分布粒数分布的测定及计算粒径分布质量分布类似于个数分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、质量频率密度等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，个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（MMD）平均粒径前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一算术（长度）平均直径表面积平均直径体积平均直径体积－表面积平均直径平均粒径（续）几何平均直径对于频率密度分布曲线对称的分布，众径、中位径和算术平均直径相等频率密度非对称的分布，单分散气溶胶，；否则，粒径分布函数用一些半经验函数描述一定种类气溶胶的粒径分布正态分布频率密度筛下累积频率标准差粒径分布函数正态分布（续）正态分布是最简单的分布函数，对称性曲线（1）（2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于（3）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描述单分散的实验粉尘、花粉和孢子粒径分布函数正态分布的累积频率分布曲线粒径分布函数对数正态分布以lndp代替dp得到的正态分布的曲线粒径分布函数对数正态分布（续）对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于粒径分布函数罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）

若设得到一般多选用质量中位径或粒径分布函数罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）判断是否符合R－R分布双对数坐标上应为一条直线R－R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分布指数n>1时，近似于对数正态分布；n>3时，更适合于正态分布第二节粉尘的物理性质粉尘的密度单位体积粉尘的质量，kg/m3或g/cm3粉尘体积不包括颗粒内部和颗粒之间的缝隙－真密度用堆积体积计算——堆积密度空隙率——粉尘颗粒之间和颗粒内部空隙的体积与堆积总体积之比粉尘的安息角与滑动角（动）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滑动角（静安息角）：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安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标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、粉尘粘性粉尘的比表面积单位体积粉尘所具有的表面积以质量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以及颗粒内部的结合水分含水率－水分质量与粉尘总质量之比含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性吸湿现象粉尘的润湿性润湿性－粉尘颗粒与液体接触后能够互相附着或附着的难易程度的性质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粒与液体之间的粘附力和接触方式有关。粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降润湿速度－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天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷荷电因素－电离辐射、高压放电、高温产生的离子或电子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦产生静电。天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量的1/10荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关粉尘的荷电性和导电性粉尘的导电性比电阻导电机制：高温（200oC以上），粉尘本体内部的电子和离子—体积比电阻低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质－表面积比电阻中间温度，同时起作用比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围104～1010粉尘的导电性和荷电性典型温度－比电阻曲线粉尘的粘附性粘附和自粘现象粘附力－克服附着现象所需要的力粘附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力）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分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性粒径、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自燃自然发热的原因－氧化热、分解热、聚合热、发酵热影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境存放过程中自然发热热量积累达到燃点燃烧粉尘的爆炸性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的浓度最低可燃物浓度－爆炸浓度下限爆炸浓度上限存在能量足够的火源第三节净化装置的性能评价净化装置性能的指标技术指标处理气体流量净化效率压力损失经济指标设备费运行费占地面积净化装置技术性能的表示方法处理气体流量漏风率压力损失总净化效率的表示方法总净化效率通过率分级除尘效率分割粒径－除尘效率为50％的粒径分级效率与总效率的关系由总效率求分级效率由分级效率求总效率例题1根据对某旋风除尘器的现场测试得到：除尘器进口的气流量为10000m3/h，含尘浓度为4.2g/m3，除尘器出口的气流量为12000m3/h，含尘浓度为340mg/m3。试计算该除尘器的处理气体流量，漏风率和除尘效率（分别按漏风和不漏风两种情况计算）例题2某燃煤电厂电除尘器的进口和出口的烟尘粒径分布数据如下表所示，若除尘总效率为98%，试绘出分级效率曲线。例题3某种粉尘的粒径分布和分级除尘效率数据如下，试确定总除尘效率。平均粒径/um0.251.02.03.04.05.06.07.08.010.014.020.0>23.5质量频率/%0.10.49.520.020.015.011.08.55.55.54.00.80.2分级效率83047.56068.575818689.5959899100多级串联的总净化效率总分级通过率总分级效率总除尘效率例题4有一两级除尘系统，已知系统的流量为2.22m3/s，工艺设备产生粉尘量为2.22g/s，各级除尘效率分别为80%和95%。试计算该除尘系统的总除尘效率、粉尘排放浓度和排放量。第四节颗粒捕集的理论基础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、颗粒间相互作用力外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略流体阻力流体阻力＝形状阻力＋摩擦阻力阻力的方向和速度向量方向相反

流体阻力流体阻力与雷诺数的函数关系

流体阻力颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动——坎宁汉修正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重力沉降力平衡关系Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）湍流过渡区牛顿区Stokes直径空气动力学直径离心沉降力平衡关系Stokes颗粒的末端沉降速度静电沉降力平衡关系静电沉降的末端速度习惯上成为驱进速度，用表示，对于Stokes粒子：惯性沉降颗粒接近靶时的运动情况惯性碰撞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准数描述颗粒对捕集体的附着，通常假定为100％拦截直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内拦截效率用直接拦截比R表示对于惯性大的颗粒对于惯性