第四讲 颗粒污染物控制技术基础

上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学第四讲 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.颗粒捕集理论基础上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学一、颗粒的粒径及粒径分布n颗粒的粒径颗粒的粒径显微镜法显微镜法定向直径定向直径dF（Feret 直径）：各颗粒在投影图中同一方向上直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度的最大投影长度定向面积等分直径定向面积等分直径dM（Martin直径）：各颗粒在投影图中直径）：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投影面积直径dA（Heywood直径）：与颗粒投影面积相等直径）：与颗粒投影面积相等的圆的直径的圆的直径 Heywood测定分析表明，同一颗粒的测定分析表明，同一颗粒的dFdAdM上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学颗粒的直径一、颗粒的粒径及粒径分布n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na-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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学筛分法筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度光散射法等体积直径dV：与颗粒体积相等的圆球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、沉降速度相等的圆球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/m3）的圆球的直径 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一、颗粒的粒径及粒径分布上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学一、颗粒的粒径及粒径分布n粒径的测定结果与颗粒的形状有关n通常用圆球度来表示颗粒形状与圆球形不一致的程度n圆球度：与颗粒体积相等的圆球的表面积和颗粒的表面积之比s（s dg上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学一、颗粒的粒径及粒径分布粒径分布函数n用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布n正态分布频率密度筛下累计频率标准差上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学n正态分布正态分布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，其斜率决定）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率决定于于（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频度曲线向大颗粒方向偏移一、颗粒的粒径及粒径分布粒径分布函数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学一、颗粒的粒径及粒径分布n正态分布的累积频率分布曲线粒径分布函数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学一、颗粒的粒径及粒径分布n对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粒径分布函数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学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，斜率决定于平均粒径的换算关系平均粒径的换算关系 一、颗粒的粒径及粒径分布粒径分布函数gg上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学n对数正态分布（续）对数正态分布（续）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一、颗粒的粒径及粒径分布粒径分布函数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学一、颗粒的粒径及粒径分布粒径分布函数n对数正态分布的累积频率分布曲线上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学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 或或一、颗粒的粒径及粒径分布粒径分布函数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学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RR分布分布 应为一条直线应为一条直线RR的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细粉尘更为适用粉尘更为适用分布指数分布指数n1时，近似于对数正态分布；时，近似于对数正态分布；n3时，更适合于正态分布时，更适合于正态分布一、颗粒的粒径及粒径分布粒径分布函数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、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真密度粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙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积粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比之比上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质粉尘的安息角与滑动角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粉尘流动特性的重要指标n安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质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比表面积上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质粉尘的含水率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以及颗粒内部的结合水分自由水分以及颗粒内部的结合水分n含水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n平衡含水率平衡含水率上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质粉尘的润湿性n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性质n润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、温度、含水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，还与液体的液体的表面张力及尘粒与率、表面粗糙度及荷电性有关，还与液体的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。液体之间的粘附力和接触方式有关。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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质n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、产生过程中荷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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质n粉尘的导电性粉尘的导电性比电阻比电阻导电机制：导电机制：高温（高温（200oC以上），粉尘本体内部的电子和离子以上），粉尘本体内部的电子和离子体积比电阻体积比电阻低温（低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质表面以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质表面积比电阻积比电阻中间温度，同时起作用中间温度，同时起作用比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围1041010粉尘的荷电性和导电性上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质粉尘的荷电性和导电性n典型温度比电阻曲线典型温度比电阻曲线上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质粉尘的粘附性n粘附和自粘现象n粘附力克服附着现象所需要的力n粘附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力）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以其断裂的接触面积n断裂强度分类：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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学n粉尘的自燃性自燃存放过程中自然发热 热量积累 达到燃点 燃烧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二、粉尘的物理性质粉尘的自燃性和爆炸性上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学二、粉尘的物理性质粉尘的自燃性和爆炸性n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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学三、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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学三、净化装置的性能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压力损失压力损失上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学n总净化效率n通过率n分级除尘效率n分割粒径除尘效率为50的粒径三、净化装置的性能总净化效率的表示方法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学三、净化装置的性能分级效率与总效率的关系n由总效率求分级效率n由分级效率求总效率上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学三、净化装置的性能例.某燃煤电厂除尘器的进口和出口的烟尘粒径分布数据如下，若除尘器总除尘效率为98%，试确定分级效率。粉尘间隔/m0.60.60.70.70.80.81.012233445566881010122030质量频率/%进口g12.00.40.40.73.56.024.013.02.02.03.011.08.0出口g27.01.02.03.014.016.029.06.02.02.02.58.57.0粉尘间隔/m23.5质量量频率率/%0.10.49.520.020.015.011.08.55.55.54.00.80.2分分级效率效率/%83047.56068.575818689.5959899100例.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。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学三、净化装置的性能多级串联的总净化效率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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础n除尘过程机理：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n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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础流体阻力n流体阻力形状阻力摩擦阻力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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础流体阻力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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础流体阻力n颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动坎宁汉修正上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础阻力导致的减速运动n根据牛顿第二定律n若仅考虑Stokes区域n积分得n速度由u0减速到u所迁移的距离n若引入坎宁汉修正系数Cn停止距离*使颗粒由初速度u0达到静止所需的时间是无限长的，但颗粒在静止之前所迁移的距离却是有限的上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学n力平衡关系nStokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）n湍流过渡区n牛顿区nStokes直径n空气动力学直径四、颗粒捕集的理论基础重力沉降上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础例.试确定某水泥粉尘排放源下风向无水泥沉降的最大距离。水泥粉尘是从离地面4.5m高处的旋风除尘器出口垂直排出的，水泥粒径范围为25500 ，真密度为1960kg/m3，风速为1.4m/s，气温293K，气压为101325Pa。解：粒径为25，应处于Stokes区域，考虑忽略坎宁汉修正：竖直方向上颗粒物运动近似按匀速考虑，则下落时间，因此L=vt=1.4122 m=171 m。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学n力平衡关系nStokes颗粒的末端沉降速度四、颗粒捕集的理论基础离心沉降若颗粒运动处于滑动区，还应乘以坎宁汉修正系数C离心加速度上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学n力平衡关系n静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用 表示，对于Stokes粒子：四、颗粒捕集的理论基础静电沉降若颗粒运动处于滑动区，还应乘以坎宁汉修正系数C上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础惯性沉降n颗粒接近靶时的运动情况颗粒接近靶时的运动情况上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础惯性沉降碰撞n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100上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础惯性沉降碰撞n惯性碰撞分级效率与 的关系上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础惯性沉降拦截n直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内n拦截效率用直接拦截比R表示n对于惯性大的颗粒n对于惯性小的颗粒上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础n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t秒钟）扩散沉降上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学四、颗粒捕集的理论基础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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回北京化工大学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Ren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，是可能的是可能的四、颗粒捕集的理论基础扩散沉降效率