第五章--顆粒污染物控制技術基礎知識分享

1、第五章顆粒污染物控制技術基礎第一節(jié) 顆粒的粒徑及粒徑分布一、顆粒的粒徑大氣污染中涉及到的顆粒物，一般指粒徑介于0.01100仙m的粒子。顆粒的大小不同，其物理、化學特性不同，對人和環(huán)境的危害亦不同，而且對除塵裝 置的影響甚大，因此顆粒的大小是顆粒物的基本特性之一。實際顆粒的形狀多是 不規(guī)則的，所以需要按一定的方法確定一個表示顆粒大小的代表性尺寸，作為顆粒的直徑，簡稱為粒徑。下面介紹幾種常用的粒徑定義方法。1. 顯微鏡法定向直徑dF （Feret直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向上的最大投影長度定向面積等分直徑dM（ Martin直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向將顆粒投 影面積二等分的線段長度投影

2、面積直徑dA （HeywoodS徑）：與顆粒投影面積相等的圓的直徑（Heywood測定分析表明，同一顆粒的dF>dA>dM顯微鏡法觀測粒徑直徑的三種方法圖定向直徑 定向面枳普分宜銀d投影面枳宜桂a-定向直徑b-定向面積等分直徑c-投影面積直徑2. 篩分法篩分直徑： 顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度 (篩孔的大小用目表示每英寸長度上篩孔的個數(shù))3. 光散射法等體積直徑dV：與顆粒體積相等的球體的直徑4. 沉降法斯托克斯(Stokes)直徑ds：同一流體中與顆粒密度相同、沉降速度相等的球體直徑空氣動力學當量直徑da： 在空氣中與顆粒沉降速度相等的單位密度( 1g/cm3)的球體的直徑斯托

3、克斯直徑和空氣動力學當量直徑與顆粒的空氣動力學行為密切相關， 是除塵技術中應用最多的兩種直徑粒徑的測定結果與顆粒的形狀有關， 通常用圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程度圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比s (s<1)正立方體 s = 0.806,圓柱體 s=2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)某些顆粒的圓球度粒種類之砂 粒0.5347.628鐵催化劑'0,578煙域0.625次乙酰整料().861破碎的固體0.63二氧化盛(1.554-0.628粉煤0.696二、粒徑分布粒徑分布是指某一粒子群中不同粒徑的粒子所占的比例，也稱粒子的分散度o 有個數(shù)分布、表

4、面積分布、質量分布等，除塵技術中多采用質量分布。粒徑分布 的表示方法有列表法、圖示法和函數(shù)法。下面以粒徑分布測定數(shù)據的整理過程來 說明粒徑分布的表示方法及相應定義。1.個數(shù)分布 個數(shù)分布：每一間隔內的顆粒個數(shù)(1)個數(shù)頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù)ni與顆?？倲?shù)2 ni之比(2)個數(shù)篩下累積頻率：小于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆粒總個數(shù)之比。I i22NX-個數(shù)篩下累積頻率分布曲線(3)個數(shù)頻率密度：為單位粒徑間隔(即 lm)時的頻率。p(dp) = dF/ddpOJ01 I J HU LJ 1_0020304050粒徑/rhi個數(shù)頻率密度分布曲線粒數(shù)眾徑-頻度p最大時對應的粒徑，此時

5、*襄0 粒數(shù)中位徑（NMD為累計頻率F=0.5時對應的粒徑。2.質量分布以顆粒的質量表示不同粒徑范圍內的顆粒的質量所占的比例。類似于數(shù)量分布，也有質量頻率、質量篩下累積頻率、質量頻率密度等，在 所有顆粒具有相同密度、顆粒質量與粒徑立方成正比的假設下， 粒數(shù)分布與質量 分布可以相互換算，同樣的，也有質量眾徑和質量中位徑（ MMD右圖是頻數(shù)分布直方圖（a）、 頻度分布的直方圖（b）和篩上累積分 布及篩下累積分布的曲線（c）。篩上累積分布和篩下累積分布相 等（R=D=50%時的粒徑為中位徑，記作 d50,即（c） 中R （F）與D兩曲線交 點處對應的粒徑。中位徑是除塵技術 中常用的一種表示粉塵粒徑分

6、布特性 的簡明方法。£ . :r>U 4 3 £ IQT昱康、邸口聞勘界契（b）中頻度分布達到最大值時相 對應的粒徑稱作眾徑，記作ddo、平均粒徑前面定義的眾徑和中位徑是常用的平均粒徑之一，除此之外，再給出幾種常用的平均粒徑：(1)長度平均直徑(2)表面積平均直徑1/2(3)體積平均直徑(4)體積-表面積平均直徑d -USV 一(5)幾何平均直徑(4F必產y % In 4Hexp(-)N對于頻率密度分布曲線對稱的分布，眾徑 dd中位徑d50和算術平均直徑dL相等 dd d50 dL,頻率密度非對稱的分布，dd d50 dL的八丑外尸味 dL - d,4 > 4單

7、分散氣浴月父，L 己；否則，L 是。四、粒徑分布函數(shù)用一些半經驗函數(shù)描述一定種類粉塵的粒徑分布1.正態(tài)分布頻率密度：R（4）=Texp_crV27t2 ct篩下累積頻率i *（4-否尸餌）=即j鍬仇一涓六闞U P 1口一 U標準差N . l J（1）正態(tài)分布是最簡單的分布函數(shù)，它的個數(shù)頻率密度 p分布曲線是關于算術 平均粒徑dP的對稱性鐘形曲線，因而dp值與中位粒徑d50和眾徑dd皆相等，即 dd dso dL（2）累計頻率曲線在正態(tài)概率坐標紙上為一條直線，其斜率取決于（T0【2 5 1030 50 70 9() 9H筒下累積頻率"%正態(tài)分布的個數(shù)篩下累積頻率分布曲線從曲線中我們可以

8、得出:正態(tài)分布函數(shù)很少用于描述粉塵的粒徑分布， 因為大多數(shù)粉塵的頻度曲線向 大顆粒方向偏移。2.對數(shù)正態(tài)分布大多數(shù)粒子的粒徑分布在矩形坐 標圖中是偏態(tài)的，若橫坐標用對數(shù)坐標 (ln dp )代替，可轉化為近似正態(tài)分 布的對稱性鐘型曲線。對數(shù)正態(tài)分布的主要特點是：如果 某種粉塵的粒徑分布遵從對數(shù)正態(tài)分 布，則無論是以質量表示還是以個數(shù)或 表面積表示的粒徑分布，都遵從對數(shù)正 態(tài)分布，且?guī)缀螛藴什钕嗟取? 02VL1Q1 2040 60九=J；oexp(3 In2 )乩0 cxp(0.51n2 crj式中：d5。、d；0、d50分別是以粒子的質量、個數(shù)和表面積表示的對數(shù)正態(tài)分布的 中位徑(1)以ln

9、dp代替dp得到的正態(tài)分布的頻度曲線J exp-( «In J Id , ?1靠丁即4)exp-()31、所(/)1HU = rs 二%二叫72嘰In /nQnd /dy21nb秘5 L N-1 J(2)對數(shù)正態(tài)分布在對數(shù)概率坐標紙上為一直線，斜率決定于115.9對數(shù)正態(tài)分布的累積頻率分布曲線oo o Q864 2 6 4 2 I可見幾何標準差為兩個粒徑之比，量綱為一，且g 1。當g 1時，則成為單分散的粉塵。若用MMDfe示質量中位粒徑，NMDft示個數(shù)中位粒徑，SMDg示面積中位粒徑， 則三者的換算關系：干均粒徑的映算關奉In NdTvlD In TSIN/TO I 3 ln b

10、 In STvTO = In >TZTn> + 2 In3 b可用g、MMW NM可算出各種平均直徑：1 -5 。Ind, - lii NMD In2 <7 InMMD -二In'(7l2 g2 sIn 乩,In NMD -bin2= In MMD 2 In2 trsg宮In - In NMD - -in' q - InMMD- - In7 cf2 g2 各 式中：In dL為算術平均粒徑、ln ds為表面積平均粒徑、ln dv為體積平均粒徑。例題:經測定某城市大氣中飄塵的質量粒徑分布遵從對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律，其中中位徑d50=5.7pmi篩上累積分布 R=15.

11、87%時，粒徑d15.87=9.0仙mi試確定以個 數(shù)表示時對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的特征數(shù)和算術平均粒徑。解：對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的特征數(shù)是中位徑 d50和幾何標準差go由于對 數(shù)正態(tài)分布中以個數(shù)和質量表示的幾何標準差相等，故d 15 .87d 509.05.71 .58個數(shù)表示的中位徑為d50d502exp(3ln g)5.7exp(3ln21.58)3.04( m)該飄塵的算術平均粒徑為22 .d1 d50 exp(0.5ln a) 3.04exp(0.5ln 1.58) 3.3753.羅辛拉姆勒分布(Rosin Rammler)羅辛-拉姆勒分布簡稱為R-R分布，質量篩下累積頻率表達式為:G = l

12、-exp(-Z?J；)式中：n-分布指數(shù),分布系數(shù)4 = (1/0 嚴 若設，G=1yxp-的4一般dP多選用質量中位徑d50或d63.2G1佇沖0-693(5或G=l-exp(小)%RRS分布函數(shù) %)% 24n =0.693,"n判斷粒徑分布數(shù)據是否符合 R- R分布1g 111(-) = 1g /7 + 1g1 Cj若得到一條直線，則說明粒徑分布數(shù)據符合 R-R分布，由直線的截距求出常數(shù)B,由直線的斜率求出指數(shù)n0R- R的適用范圍較廣，特別對破碎、研磨、篩分過程產生的較細粉塵更為適用分布指數(shù)n>1時，近似于對數(shù)正態(tài)分布；n>3時，更適合于正態(tài)分布。某種粉塵的粒徑分

13、布究竟適合上述三種中的哪一種， 只需將該粉塵的累積分 布(R或D)測定值同時標繪在正態(tài)概率紙、對數(shù)正態(tài)概率紙和 R-R分布紙上，當 實驗值的標點在哪種概率紙上形成一條直線時，則此粉塵的粒徑分布就服從哪種 分布。第二節(jié) 粉塵的物理性質本節(jié)主要以粉塵的密度、 流動性 （安息角、 滑動角） 、 比表面積、 潤濕性、荷電性、 導電性及粘附性等物理性質為主， 以通過粉塵特性選擇合適的除塵方式。影響選型的因素還有粉塵的如：燃燒性、自燃性、爆炸性、水解性等化學性質。對某些特定場合，還需考慮其放射性。、粉塵的密度單位體積粉塵的質量P ，單位 kg/m3 或 g/cm3粉塵體積不包括顆粒內部和之間的縫隙真密度用

14、堆積體積計算空空堆積密度b空隙率粉塵顆粒間和內部空隙的體積與堆積總體積之比£Pb=(l E)Pp粉塵越細，吸附的空氣越多，e值越大；充填過程加壓或振動，則e值減小對一定的粉塵一般認為 p為定值，而b隨e變化。、粉塵的安息角與滑動角粉塵自漏斗連續(xù)落到水平面上，堆積成圓錐體。圓錐體的母線同水平面的火 角稱為該粉塵的安息角，也叫休止角、堆積角等。粉塵的滑動角系指自然堆放在光滑平面上的粉塵， 隨光滑平板做傾斜運動時 平板上粉塵開始發(fā)生滑動的平板傾斜角。也稱靜安息角。安息角和滑動角的影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性。粉塵的安息角及滑動角是評價粉塵流動性的一個 重

15、要指標。安息角小的粉塵，流動性好，安息角大的粉 塵，其流動性就差。粉塵的安息角和滑動角是設計除塵 器灰斗（或料倉）的錐度、除塵管路或輸灰管路斜度的重 要依據。三、粉塵的比表面積單位體積粉塵所具有的表面積:(cm /cm )y %以質量表示的比表面積:以堆積體積表示的比表面積:s SQ £)Sl-F"= (1- =6(1 2)3 /2 /3-=(cm /cm )四、粉塵的含水率粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和細孔中的自由水分以及顆 粒內部的結合水分。含水率一一水分質量與粉塵總質量之比：mwmw m d100 %含水率影響粉塵的導電性、粘附性、流動性等特性。吸濕現(xiàn)象：

16、如果溶液上方的水蒸氣分壓小于周圍氣體中的水蒸氣分壓，該物質將從氣體中吸收水蒸汽，這就形成了吸濕現(xiàn)象。平衡含水率一一與氣體相對濕度（水蒸氣分壓）對應。五、粉塵的潤濕性1）塵粒能否與液體相互附著或附著難易的性質稱為粉塵的潤濕性。當固體粒子與液體接觸時，如果接觸面能擴大而相互附著，就是能潤濕；如果 接觸面趨于縮小而不能附著，則是不能潤濕2）容易被水潤濕的物質稱為親水性物質，難以被水潤濕的物質稱為疏水性 物質。3）潤濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、溫度、含水率、 表面粗糙度及荷電性有關，還與液體的表面張力及塵粒與液體之間的粘附力、接觸方式及相對于塵粒的運動速度等有關。粉塵的潤濕性隨壓力增

17、大而增大，隨溫度升高而下降濕濕速度一一20(inniliun)4）潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據對于5pm以下特別是1 pm以下的塵粒，即使是親水的，也很難被水潤濕， 這是由于細粉的比表面積大，對氣體的吸附作用強，塵粒和水滴表面都有一層氣 膜，因此只有在塵粒與水滴之間具有較高的相對運動速度時（如文丘里喉管中）， 才會被潤濕。水硬性粉塵如水泥粉塵、熟石灰及白云石砂等不宜采用濕式洗滌器凈化。六、粉塵的荷電性和導電性2 .粉塵的荷電性1）天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定的電荷2）荷電因素一電離輻射、高壓放電、高溫產生的離子或電子被捕獲、顆粒 間或顆粒與壁面間摩擦、產生過程中荷電。3）天然粉塵和人工

18、粉塵的荷電量一般為最大荷電量的1/104）荷電量隨溫度增高、表面積增大及含水率減小而增加，且與化學組成有5）粉塵荷電后，凝聚性、附著性、穩(wěn)定性等都發(fā)生變化，對人體危害增強6）利用粉塵荷電后的性質變化，實現(xiàn)除塵一一電除塵（布袋除塵、濕法除 塵補集細小顆粒）3 .粉塵的導電性粉塵的導電性通常用電阻率來表示：V、P （dcm）V 通過粉塵層的電壓，V; J 通過粉塵層的電流密度， A/cm2;粉塵層的厚度，cm。粉塵的導電機制有兩種，取決于粉塵、氣體的溫度和組成成分。1）容積導電：高于200c時，粉塵自身電子和離子進行；2）表面導電：低于100 C時，靠塵粒表面吸附的水分和化學膜進行。局溫（200o

19、C以上）,粉塵本 體內部的電子和離子一體積 比電阻溫度"嚇70 LOO ISO 250 SOO 400600 KOU ICMKr2IO低溫（100oC以下），粉塵表 面吸附的水分或其他化學物 質一表面比電阻中間溫度，同時起作用3)最適宜的電除塵器捕集的比電阻為 104-1010Q - cm。在高溫(>200C)條件下，溫度升高，粉塵內部會發(fā)生電子的熱激化作用，使 容積比電阻下降。在低溫(<100C)條件下，溫度升高，粉塵表面吸附的水分減少，使表面比電 阻升高。(如下圖)EWb J nfl 只姓叩白巾二吃 3 rd rTGisurfi wnLenl an electncju

20、 鵬主席 nlTy &f 孤 立&3 Moi J ure ccnditbOHning of cement kriki dust： tb ertect 8 學5 fuirniKftty in mcreasing I3ie conductivity q a typical ft/ dw. Scuim. H J a片（卡時351Mty 胃口 口時 it: hi ElectrcrsUtic Pre0PM"qHJ /“PWTu Cchig，3G 24 lApri 1974 314J溫度和相對濕度對粉塵比電阻的影響如圖所知，較為干燥的粉塵的比電阻在 3000F （420K）左右達

21、到最大值七、粉塵的粘附性1）粉塵顆粒附著在固體表面上、或者顆粒彼此相互附著的現(xiàn)象稱為粘附。后者也稱為自粘。附著的強度，即克服附著現(xiàn)象所需要的力稱為粘附力。粘附力：分子力（范德華力） 、毛細力、靜電力（庫侖力）2）斷裂強度表征粉塵自粘性的指標，等于粉塵斷裂所需的力除以其斷裂的接觸面積。分類：不粘性、微粘性、中等粘性、強粘性3）粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響粘附性。八、粉塵的自燃性和爆炸性1 .粉塵的自燃性存放過程中自然發(fā)熱 熱量積累 達到燃點 燃燒自然發(fā)熱的原因氧化熱、分解熱、聚合熱、發(fā)酵熱影響因素：粉塵的結構和物化特性、粉塵的存在狀態(tài)和環(huán)境2 .粉塵的爆炸性粉塵發(fā)生爆炸必備的條件

22、：1）可燃物與空氣或氧氣構成的可燃混合物達到一定的濃度 最低可燃物濃度爆炸濃度下限爆炸濃度上限2）存在能量足夠的火源在封閉空間內可燃性懸浮粉塵的燃燒只有在一定濃度范圍內才會導致化學爆炸。 能夠引起爆炸的濃度范圍叫作爆炸極限， 引起爆炸的最高濃度叫做爆炸上限 ,最低的濃度叫做爆炸下限。在低于爆炸濃度下限或高于爆炸濃度上限的燃燒都屬于正常的安全燃燒， 不會發(fā)生爆炸。由于多數(shù)粉塵的爆炸上限濃度很高， 在多數(shù)情況下達不到這個濃度,因而粉塵的爆炸上限濃度無實際意義。有些粉塵（如鎂粉、碳化鈣粉）與水接觸后會引起自燃或爆炸，稱這種粉塵為具有爆炸危險性粉塵。-這類粉塵不能采用濕法除塵。有些粉塵（如硫礦粉、煤塵

23、等）在空氣中達到一定濃度時，在外界的高溫、摩擦、 震動、 碰撞以及放電火花等作用下會引起爆炸， 這些粉塵亦稱為具有爆炸危險性粉塵。-這類粉塵能否采用電除塵除塵？。有些粉塵互相接觸或混合， 如溴與磷、 鋅粉與鎂粉接觸混合， 也會引起爆炸。-多系統(tǒng)管路設計時注意第三節(jié)凈化裝置的性能評價凈化裝置性能的指標，包括技術指標和經濟指標兩方面。技術指標：處理氣體流量、凈化效率和壓力損失等經濟指標：設備費、運行費和占地面積等。一、凈化裝置技術性能的表示方法1、處理氣體流量On =+ Q2N)2.漏風率捕集粉塵5二%二2如嵐00(%)3 .壓力損失必二7， (Pa)、總凈化效率的表示方法1 .總凈化效率AnQk

24、t2 .通過率尸工一旦追£ 1一43 .分級除塵效率分割粒徑-除塵效率為50%的粒徑4 .分級效率與總除塵效率之間的關系 1)由總效率求分級效率-Sag" _ 竹 g節(jié) 一 H Sg gi_ j _ 邑g- - F g加Su_ :n + Pg" g'2）由分級效率求總效率?=E% 勒 i 1oo=J/ dGI二何國叫 005 .多級串聯(lián)的總凈化效率1）總分級通過率-=?島42）總分級效率,方二 1一47二 1一（1"也）。"已）（1"班）3）總除塵效率% 二1一（1一名）（1-么）（1 一%）第四節(jié)顆粒捕集的理論基礎除塵機理：

25、對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產生一定位移并從氣流中分離。顆粒捕集過程中需要考慮的作用力：外力、流體阻力、顆粒間相互作用力外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、泳力等顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時可以忽略一、流體阻力流體阻力=形狀阻力+摩擦阻力流體阻力的大小決定于顆粒的形狀、粒徑、表面特性、運行速度及流體的種 類和性質，且阻力的方向和速度向量方向相反。G=/（g）砥=如必式中：CD由實驗確定的阻力系數(shù)，量綱為一；Ap一顆粒在其運動方向上的投影面積，m2；u顆粒與流體之間的相對運動速度，m/s;dp顆粒的定性尺寸，m,對球形顆粒為其直徑；流體的粘度，Pa*4流體阻力與雷諾數(shù)的函數(shù)關系A

26、S<1 (層流)時 CD = 得至IJ0Stokes公式：二 3冗以4亞(N)1 < /? < 500湍流過渡區(qū)CD =R > 500湍流區(qū)(牛頓區(qū))CD =0.44Fd - 0.055Md顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時，顆粒發(fā)生滑動一一坎寧漢修正系數(shù)C3itLid iiFd = C -1 + Kn .257 + 0.100exp(-H9) 其中努森數(shù) Kn-2A/dp2 XR7 f f、Z- (ni) , v - , (nus)0.499pv.兀M式中:V氣體分子的算術平均速度；R摩爾氣體常數(shù)T氣體溫度，K;M氣體的摩爾質量，kg/mol二、阻力導致的減速運動對于在接

27、近靜止的氣體中，以某一處速度 vo運動的球形顆粒，除了氣體阻 力外再無其他力作用時，顆粒不能相對氣體作穩(wěn)態(tài)運動，只能作非穩(wěn)態(tài)減速運動。根據牛頓第二定律：du 3廣 pCm J 也4 口6小若只考慮Stokes區(qū)域：曲二學二，其中戶必山dp T18"積分得u =(m/s)速度由U0減速到u所遷移的距離工二武,一h)二五0Q 一”)若引入坎寧漢修正系數(shù)C停止距離三、重力沉降力平衡關系x = riC(-e-tfzC)Stokes顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響）笳gC"gc湍流過渡區(qū)0.153-144 =(Pp-p)07Hg07W0.4250.23(5牛頓區(qū)% = 1744（

28、凡-p）g/0產Stokes直徑空氣動力學直徑四、離心沉降力平衡關系Stokes顆粒的末端沉降速度2"t 口 _ c 18/1 五 一其中五、靜電沉降力平衡關系FD = FE=qE靜電沉降的末端速度習慣上稱為驅進速度，用表示，對于Stokes粒子:六、慣性沉降 顆粒接近靶時的運動情況氣流準線1.慣性碰撞慣性碰撞的捕集效率取決于三個因素：1)氣流速度在靶周圍的分布，用 ReD衡量N2)顆粒運動軌跡，用Stokes數(shù)描述勺 Cdp 4%(A £ =-= = =&&18皿3)顆粒對捕集體的附著，通常假定為 100%右圖為慣性碰撞分級效率與. St的關系-X* 軍駕*If* 挈«圖516 同性諦11分緞效率與的關系I.問囿蒞哽射門，向中陽醬磴射門.同行體，A,用- |5G,fi.= *0.f Rrn = U. 2i4. M除,5.率陰電體,6,策悵2、攔截直接攔截發(fā)生在顆粒距捕集體 dp/2的距離內，攔截效率用直接攔截比 R表示對于慣性大的顆粒為i=R 圓柱形捕集體%=爐球形捕集體對于慣性小的顆粒-1