大气污染控制基础知识

1、第四章 大气污染物控制的基础知识,主要介绍大气中污染物颗粒物和气态污染物的特性和控制的基础理论知识。 重点：颗粒的粒径和颗径分布、净化装置的性能 难点：物料衡算与能量衡算、气体中的颗粒动力学,第一节 气体的物理性质,一、气体的状态方程,PV=mR0T/M（一般形式） R=R0/M PV=mRT（工程上应用的形式） 式中：m气体的总质量，kg; M气体的摩尔质量，kg /mol; P压力，Pa; R0=8.314J/(mol.K); 干空气的气体常数R287.0J/(kg.K);,应用条件：理想气体。 实际工程应用中，只要压力不太大，温度不接近气体液化点时，也可应用上述方程。,注意： 当压力单位

2、取Pa时， R0=8.314Pa.m3/(mol.K) ； 当压力单位取kg/m2时， R0=0.848kg.m/(mol.K),二、气体的基本物理性质,1、湿度 表示气体中水蒸气含量的多少。 （1）绝对湿度: 指单位体积气体中所含的水蒸气质量，等于水蒸气分压下的水蒸气密度。 （2）相对湿度: 指气体的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度之比。 （3）含湿量： 单位质量的气体中所含液态蒸汽量。,2、密度,理想气体混合物的平均密度： =m/V PV=mR0T/M,式中： a, i 空气和气态污染物的体积分数； a, i混合物总压下空气和污染物的密度,kg/m3,单位质量（物质的量）物质温度升高1K

3、所需要的热量，分恒压比热（Cp）和恒容比热（Cv）, 对于理想气体 Cp= Cv +R（R=R0/M）,空气、气态污染物和颗粒混合物的平均比热是混合物各组分比热的加权平均值。,3、比热,wa, wi 空气和气态污染物的质量分数； Cp, Cv恒压、恒容比热，J/kgK,4、粘度,定义式： =（ F/A ）/（d/dy） F内摩擦力，N A层间的接触面积, m2 d层间的相对速度, m/s dy层间的垂直距离 动力粘度，简称粘度,气体污染物与空气混合物的平均粘度在低压下可用右式计算：,粘度产生的原因： 一是气体分子间的引力，二是分子不规则的热运动而交换动量的结果。 动力粘度（）与运动粘度（ ）的

4、关系 = / 式中：气体密度，kg/m3 注意：在大气污染控制工程中，一般以空气的粘度来代替混合气体的粘度，可从有关的手册中查到。,第二节 物料衡算与能量衡算,一、物料衡算,1、物料衡算式 理论依据：质量守恒定律 物料衡算的一般形式： 输入的物料量 反应生成或消耗的物料量 =输出的物料量+积累的物料量,2、物料衡算的基本方法,搜集计算数据，如输入和输出物料的流量、温度、压力、浓度、密度等，使用统一的单位制； 画出物料流程简图，标示所有物料线，注明所有已知和未知变量； 确定衡算体系； 写出化学反应方程式包括主反应和副反应，如无化学反应可省去； 选择合适的计算基准。对连续流动体系，通常用时间作基准

5、； 列出物料衡算式，进行数学求解。,例题：脱硫系统如图所示，烟气流量为3105m3/h，烟气中含SO25.0g/m3。新鲜石灰石中CaO含量为92%，系统在钙硫比（ Ca/S ）为1.4时，使尾气中SO2降到了1.0g/m3。 计算石灰的消耗量。,解： 系统中CaO和SO2发生如下反应： CaO+ SO2+1/2O2 CaSO4,据题意进行物料衡算 1）进入系统的SO2量为5.010-33105kg/h ; 1500 2）流出系统的SO2量为1.010-33105kg/h ; 300 3）系统内无SO2 生成（即A积累量为0）,4）SO2的消耗量为1200kg/h= 18.75kmol/h，等

6、于CaO的反应量 5）稳态过程，GA0。则石灰石的消耗量 18.75kmol/h56kg/kmol1.4/0.92 1598kg/h,二、热量恒算 依据能量守恒定律。连续稳定过程热量衡算的基本关系式如下：,单位时间内随物料进入系统的总热量，kJ/s； 单位时间内随物料离开系统的总热量，kJ/s；,单位时间内向环境散失的总热量，kJ/s。,教材例题3-2：需要说明的一个问题 在例题中 Q2=（ njCpj）T = Q2=（343.04+0.13T-27.17410-6 T2)(T-298) 转化过程：Cp与温度间存在如下关系： Cp=a+bT+cT2+dT3 上述四种气体的有关参数如下：,？,上

7、述四种气体的定压摩尔热容,随意输入T1000，如图。 显然T 1000K不是方程的解,已知Q2=（343.04+0.13T-27.17410-6 T2)(T-298) 求T？,使用EXCEL进行试差法求解,在EXCEL表格B2单元格输入公式=(343.04+0.13*A2-0.000027174*A22)*(A2-298),第三节 颗粒粒径及粒径分布,一、粒径,颗粒的大小不同，其物、化特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的影响甚大，因此颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一。 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最佳代表性尺寸，作为颗粒的直径，简称为粒径

8、。 一般将粒径反映单个颗粒的单一粒径和反映由不同颗粒组成的颗粒群的平均粒径,（一）单一颗粒的粒径,1、投影直径 粉尘颗粒在显微镜下所观测到的某一直线尺寸 定向直径dF， 定向面积等分直径dM， 投影面积直径dA,2、筛分径 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(每英寸长度上筛孔的个数)表示,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 分割直径（dc50）：除尘器分级效率为50%的颗 粒

9、的 直径,3、当量直径,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,算术平均径（d10） 中位径（d50）（重点） 众径（dd） 几何平均径（dg） 加权平均径（d40）,（二）粒子群的平均粒径,平均粒径,质量中位径（d50）：粒子群中把颗粒质量平分一半时的颗粒的直径。,表3-2 颗粒群平均粒径的表示方法,1、粒径分布又称颗粒的分散度：指某一颗粒群中各种粒径的颗粒所占的比例。如以颗粒所占的个数来表示，称为粒数分布；如以颗粒的质量所占比例来表示，称为质量分布。 粒径分布的表示方法 表格法、图形法、函数法,二、粒径分布的表示方法,取一粉尘试样，其

10、质量 m0=4.28g，测定得到各粒径范围dp内的质量为m(g)。测定如下表所列。,表33 粒径分布测定和计算结果,图3-4 粒径的频率、频度及累计频率分布,（1）频率分布D （相对频数分布）,粒径由dp至dpdp之间的粒子质量占尘样总质量的百分数，即 D= （m/ m0）100%,如粒径1014m的粉尘的频率分布为,D= （0.098/ 4.28）100%2.29%,（2）频率密度分布f （频度分布，%.m-1）,指单位粒径间隔时的频率分布，即dp=1 m时的尘样质量占尘样总质量的百分数，因此 f = D/ dp,如粒径1014m的粉尘的频度分布为,f = 2.29 % / 40.57 （%

11、.m-1）,（3）筛上累计频率分布R （%）,简称筛上累计分布，系指大于某一粒径dp的全部粒子质量占尘样总质量的百分数，即,（4）筛下累计频率分布D （%）,简称筛下累计分布，系指小于某一粒径dp的全部粒子质量占尘样总质量的百分数，即,筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒质量占总颗粒质量的百分比 筛上累积频率：大于 第i个间隔上限粒径的所有颗粒 质量占总颗粒质量的百分比 筛上分布为减函数； 筛下分布为增函数。,表33 粒径分布测定和计算结果,若已知分布曲线函数，可计算特定粒径 1）加权平均径指f（dP）曲线下形心位置的的直径，为常用平均粒径。,2） 众径dd位于f（dP）曲线最高点的

12、直径 3） 中位径d50 R=D50%所对应的直径,三、粒径分布函数,由上可见，粒径分布曲线均有一定的规律性：如频率密度曲线大致呈钟型；累积频率曲线呈“S”型。因此，目前，对于描述一定种类粉尘的粒径分布，已经找到一些半经验函数形式。,1、正态分布 粉尘粒径的正态分布是最简单的呈对称的分布，正态分布的频率密度函数为：,其特征数为：d10算术平均粒径； 几何标准差。,特点：图形对称，众位径dd=中位径d50=平均粒径,图 3-5 正态分布曲线及其特征值估计,2、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曲线，以lndp代替dp就可以将其转化为近似正态分布曲线的对称性钟形曲线。,特

13、征数：几何平均粒径dg=d50， 几何标准差g,对数分布的特点： 无论是以质量分布还是以个数或表面积表示的粒径分布，都遵从对数正态分布，且几何标准差相等，其中位径的换算式为：,以个数表示时的中位径,以质量表示时的中位径,以表面积表示时的中位径,算术平均径：,算术平均径,个数中位径,质量中位径,例题：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21.5m，dpD=15.87%=9.8 m ，试确定以个数表示时对数正态分布函数的特征数和算术平均粒径。,解：对数正态分布函数的特征数是中位径和几何标准差。由于以个数和质量表示时的几何标准差相等，所以按式（3-23）有

14、,算术平均径为,以个数表示时的中位径为,3、罗辛-拉姆勒（R-R）分布,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。其函数表达式为,R（dp）=exp(-dnp),式中：n分布指数； 分布系数,对式（326）两端取两次对数可得,图 罗辛-拉姆勒 粒径分布,将中位径d50代入式（3-26）可求得，得到一个常用的R-R分布函数表达式,例题：已知炼钢电弧炉产生的烟尘遵从R-R分布，中位径为0.11 m，分布指数为0.50，试确定小于1m的颗粒在总烟尘中所占的比例。,又有R+D=100%，所以,解：由式（3-28）得：,D=1-R=87.6% 即：小于1m的颗粒所占的比例为

15、87.6%,第四节 粉尘颗粒的物理性质,1、真密度（p）：将粉尘颗粒表面和其内部的空气排出后测得的粉尘自身的密度，常用于研究尘粒在气体中的运动。 2、堆积密度（b）：包含粉尘颗粒间气体空间在内的粉体密度，用于计算粉体容积。 二者的关系： b=（1） p,式中：粉尘的空隙率,一、密度单位体积粉尘颗粒的质量,二、比表面积 单位体积（或质量）粉尘所具有的表面积。,粉尘表面积对于粉尘的物化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、蒸发、吸附和催化效应增强，爆炸性和毒性增大。,以粉尘体积表示的比表面积 以粉尘质量表示的比表面积,三、颗粒的润湿性,粉尘颗粒与液体附着难易程度的

16、性质。,润湿性与粉尘的粒径、形状、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、粘附力及固液接触方式有关。,一般而言，颗粒物形状越不规则，粒径越大，表面越粗糙，越易湿润。 例如球形颗粒的润湿性比形状不规则表面粗糙的颗粒差；又如石英的润湿性虽好，但粉碎成粉末后润湿性大为降低。,粉尘润湿性能分类： 亲水性粉尘 憎水性粉尘,当尘粒与液体一旦接触就能扩大湿润表面而相互附着的粉尘称为湿润性（亲水性）粉尘；如水泥、飞灰、石灰；适于湿式除尘。 反之，称为非湿润性（疏水性）粉尘；如煤粉、石墨粉.；不适于湿式除尘。,可通过在水中加入某种浸湿剂来改善颗粒润湿性,粉尘对水的润湿性,1、颗粒的荷电性

17、：颗粒在其产生和运动过程 中由于粒子间的碰撞、粒子与器壁间的摩擦使颗粒带电的现象称为颗粒荷电。 粉尘荷电后其物理特性等将被改变；如凝聚性、附着 性及其在气体中的稳定性等，对人体危害也将增加。 颗粒荷电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，袋式除尘器和湿式除尘器也可以利用粉尘或液滴荷电而增加捕集效率。,四、颗粒的荷电性与导电性,2、颗粒的导电性 指颗粒由于内部的电子或离子的运动，或者由于表面吸附的水分和化学膜而发生导电的现象，用比电阻来表示，。比电阻越大，则导电性越差。,粉尘的导电性是判断是否使用电除尘器的依据，一般最适合电除尘器运行的比电阻范围为： 1041010 影响导电性

18、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。,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，一般为3555。 是评价粉尘流动特性的重要指标，安息角越小，粉尘流动性越好；也是除尘器灰斗、管路斜度设计的重要依据。 影响因素：粉体粒径、含水率、粒子形状、粒子表面光滑程度、粉尘的粘性等。,五、颗粒的休止角（安息角，堆积角）,用休止角r来判断颗粒的流动性,r 30：易于自由流动粉体,30r 38：可以自由流动粉体,38r 45：可以流动粉体,45r 55：粘性粉体,55r ：十分粘性粉体,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。 粉尘粘附性对除尘过程的

19、影响是双方面的 一方面粉尘相互粘附使粒径增大，有利于颗粒物的分离，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；但另一方面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。,六、颗粒的粘附性能,七、粉尘的自燃性和爆炸性,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,粉尘的自燃性,爆炸性：可燃物-剧烈氧化-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 可燃物爆炸的两个基本条件： 可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度 存在能量足够的火源,第五节 颗粒捕集的理论基础,一、流体阻力,流体阻力形状阻力摩擦阻力 阻力的

20、方向和速度向量方向相反,颗粒物的流体阻力是指流体绕过粒子时，所发生的阻力。,FD流体阻力，N；fr颗粒的形状阻力，N； fd颗粒的摩擦阻力,N； CD阻力系数； Ap颗粒在运动方向上的投影面积，m2 ； 流体的密度，kg/m3 ； vS 相对运动速度，m/s 流体粘度，Pa s,球形颗粒,当颗粒为球形时,确定流体的运动状态,选择相应的计算公式,先计算雷诺数,关于阻力系数CD的确定,流体阻力与雷诺数的函数关系,63,流体阻力与雷诺数的函数关系,斯托克斯公式,在层流区，当颗粒尺寸接近于气体分子自由程(标况下约6.810-2m)时，颗粒产生滑动，阻力减小，常采用康宁汉系数C修正：,64,努森数：,气

21、体分子自由程：,气体分子算术平均速度：,此时，斯托克斯公式变为：FD=3dps/C,对常压下的气体可用卡尔弗特式进行计算： C=1+6.211010 T/dp 注：当dp1m时，不进行修正,例题：试确定某一球形颗粒在静止干空气中的阻力。已知：dp=90m, =0.90m/s, T=293k, p=101.33kPa.（干空气粘度 =1.8110-5 Pa.s，密度=1.205kg/m3）,解,静止状态的颗粒在外力作用下作加速运动，随着速度加快，流体阻力不断增大，直到外力与阻力相等时，颗粒达到其终端速度，并保持这一速度作匀速运动。 在大气污染控制工程中，我们主要关注颗粒达到终端沉降速度的时间、通

22、过的距离及颗粒的终端沉降速度。,二、受外力作用的球形颗粒在流体中的运动,设颗粒的运动方向与外力作用方向一致，则上式可表示成下列方程：,当加速度dvsdt，即颗粒运动达平衡时，则颗粒达到恒速状态，vt为一定值，这时的速度称为终端速度vt。,三、重力沉降,在重力场中，悬浮颗粒会在重力的作用下发生沉降。在斯托克斯区，重力Fmgd3ppg/6，代入前式得：,例题：颗粒直径为0.25m，密度为2250kg/m3，在重力作用下，在20常压空气中降落，试计算其终端速度。,解：常压下空气的康宁汉修正因子为,终端速度为,同理，颗粒直径为2.5m时， vt4.2110-4m/s,理论上1h沉降1.5m,四、离心沉

23、降,在离心力作用下，颗粒在斯托克斯沉降区内匀速运动时，颗粒受到的离心力与流体阻力相互平衡。 颗粒在旋转半径为r的轨道以角速度运动时，其所受的离心力为mr2d3ppr 2，代入前式得到：,在除尘装置中，离心力的运用非常普遍。旋风分离器就主要根据离心原理实现气固分离的。,五、静电沉降,在强电场中，如在电除尘器中，如忽略重力和惯性力等的作用，荷电颗粒所受作用力主要是静电力和气流阻力。 当颗粒的荷电量为qp，电场强度为时，则颗粒所受的电场力为FqpE，代入上式得到：,六、惯性沉降,含尘气流通过捕集体（靶子）时，气体将沿气流流线绕过捕集体，而粉尘颗粒则因具有更大的惯性力而脱离气体流线，沿虚线向前运动，并

24、与捕集体相撞而被捕获，这种捕获称为惯性沉降。,1惯性碰撞,惯性碰撞的沉降效率又称中靶效率，主要取决于捕集体周围的气流速度分布及粉尘颗粒的运动轨迹等因素。,式中：v0气流未扰动时的颗粒初速度，m/s； D捕集体的特征尺寸（如球和圆柱体的半径） ，m。,通常用斯托克斯准数Stk（又称惯性碰撞参数）表征颗粒运动特征,在Stk0.1的区域内，有势流动的情况下，球面捕集体的沉降效率，可用下式确定：,流体中粉尘粒子的Stk数达到一定值后，颗粒将偏离流线与捕集体相撞。,当含尘气流中粉尘粒子的Stk大于临界斯托克斯准数Stkcr时，粉尘粒子会被捕集，反之则不会被捕集。,2拦截捕集,拦截捕集能够捕集流线与捕集体

25、表面距离小于或等于颗粒半径的所有颗粒。拦截沉降效率取决于拦截参数R=dP/D；其定义为颗粒直径与捕集体直径之比。,当流体为有势流时，拦截捕集效率g可由下式进行计算：,对球形捕集体：,对圆柱形捕集体：,七、扩散沉降,利用惯性沉降捕集颗粒时，由于颗粒的布朗运动，一些不在靶体有效捕集范围内的颗粒也会运动到靶体附近发生捕集或拦截，这一过程增加了除尘效率，导致这种现象发生的机制叫做扩散沉降。,粒径小的颗粒在气体中一般都存在布朗运动,由表可见，随着粒径的减小，相同时间内布朗扩散的平均位移比重力沉降大得多,下表给出了单位密度的球形颗粒在1秒钟内布朗扩散的平均距离及重力沉降距离,第六节 净化装置的性能,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,代表装置处理能力的指标，常用体积流量来表示。 由于实际运行中处理装置漏气等原因，导致装置进出口的气体流量不同，因此用两者的平均值来代表气体的处理流量： QN=（Q1N+Q2N