大气污染控制基础知识.ppt

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 MPV 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R 287 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 VPV 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 kg K 4 粘度 定义式 F A d dy F 内摩擦力 NA 层间的接触面积 m2d 层间的相对速度 m sdy 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 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3 105m3 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 0 10 3 3 105kg h 15002 流出系统的SO2量为1 0 10 3 3 105kg h 3003 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 等于CaO的反应量5 稳态过程 GA 0 则石灰石的消耗量 18 75kmol h 56kg kmol 1 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 27 174 10 6T2 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 上述四种气体的定压摩尔热容 随意输入T 1000 如图 显然T 1000K不是方程的解 已知Q2 343 04 0 13T 27 174 10 6T2 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 A2 2 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 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3 3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dp dp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10 14 m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10 14 m的粉尘的频度分布为 f 2 29 4 0 57 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3 3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 曲线最高点的直径3 中位径d50 R D 50 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 5 m dp D 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 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 3 26 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1 m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1 m的颗粒所占的比例为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 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 104 1010影响导电性的因素有温度 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35 55 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 30 r 38 可以自由流动粉体 38 r 45 可以流动粉体 45 r 55 粘性粉体 55 r 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 8 10 2 m 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 3 dp s C 对常压下的气体可用卡尔弗特式进行计算 C 1 6 21 10 10T dp注 当dp 1 m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 90 m 0 90m s T 293k p 101 33kPa 干空气粘度 1 81 10 5Pa 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dvs dt 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F mg d3p pg 6 代入前式得 例题 颗粒直径为0 25 m 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 5 m时 vt 4 21 10 4m s 理论上1h沉降1 5m 四 离心沉降 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 mr 2 d3p pr 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F qp E 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Stk 0 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 2 1 气体处理量 漏风率 Q1N Q2N 100 Q1N 指净化装置进口与出口静压之差 它是分离过程所必须耗损的能量 用 P表示 净化装置的压降与它的结构形式 操作条件 如气体粘度 气流速度等 有关 2 压降 流体密度 kg m3 流体速度 m s 阻力系数 与分离器结构形式 尺寸 表面粗糙度及雷诺数等有关 单位时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物量之百分比 用 表示 除尘装置 除尘效率 吸收装置 吸收效率 吸附装置 吸附效率 3 净化效率 一 净化总效率 以下图 除尘装置为例 qV 1N 1N qm 1 入口管 出口管 捕集粉尘 qV 气体流量 mN3 s qm 污染物流量 g s N 污染物浓度 g mN3 qV 2N 2N qm 2 qm 3 1 单级净化装置 qm 3 qm 1 1 qm 2 qm 1或 1 2NqV 2N 1NqV 1N 1 2N 1N 不漏风 2 多级净化装置 通过率 指未被捕集的污染物量占进入装置的污染物量的百分数 即P qm 2 qm 1 1 二 分级效率 i 指除尘装置对某一粒径dpi或粒径间隔dpi dp内的颗粒物的除尘效率 分级效率可用表格 曲线图和函数形式表示 分割粒径 当 i 50 所对应的粒径 用dc50表示 di qm 3i qm 1i 1 qm 2i qm 1i 若以 D1i D2i D3i f1i f2i f3i 分别代表进口 出口和捕集颗粒物的相对频数分布 粒径频率密度 三 分级效率与总除尘效率的关系1 由总效率求分级效率 2 由分级效率求总效率 di D1i 例 某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 di d 解 T Di d 10 0 0 4 48 0 7 6 69 0 25 100 0 1 1 79 59 表3 5分级效率计算实例 90 8