1 第五章 颗粒污染物控制技术基础 一、粉尘的粒径及粒径分布 二、粉尘的物理性质 三、净化装置的性能 四、颗粒捕集理论基础 2 第一节 颗粒的粒径及粒径分布  一、颗粒的粒径  1. 显微镜法  Heywood 测定分析表明,同一颗粒的d F >d A >d M a- 定向直径 b- 定向面积等分直径 c- 投影面积直径 3 一、颗粒的粒径  2. 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  3. 光散射法  等体积直径d V :与颗粒体积相等的球体的直径  4. 沉降法  斯托克斯(Stokes )直径d s :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d a :在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度(1g/cm 3 )的球体的直径 4 一、颗粒的粒径  圆球度:与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表面积之比Φ s ( ( Φ s <1 )  正立方体Φ s = =0.806 5 二、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 (一)个数分布: 每一间隔内的颗粒个数 1 、频率:第i 个间隔中的颗粒个数n i 与颗粒总数Σn i 之比 ii Ninfn 6 二、粒径分布 2 、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 iii NinFn 7 二、粒径分布 3 、频率密度:单位粒径间隔(即1μm m )时的频率。 p p( ) d /d  p d F dp i =f i /Δd pi 8 表 表5-2 个数分布的测定及计算 ii Ninfniii NinFnp i =f i /Δdpi 9 二、粒径分布  众径 -频度p 最大时对应的粒径,此时  中位径( (NMD )-累计频率F=0.5 时对应的粒径 22p pd d0d d p Fd d众径和中位径是常用的平均粒径之一 10 二、粒径分布 #2 、质量分布  类似于数量分布,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,粒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 ) 11 三、平均粒径  长度( 算数) 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 pL p  i ii iindd f dn2p 1/2 2 1/2S p[ ] ( )  i ii iindd f dn3p 1/3 3 1/3V p[ ] ( )  i ii iindd f dn3 3p pSV2 2p p   i i i ii i i ind f ddnd f d 12 三、平均粒径  几何 平均直径  对于频率密度分布曲线对称的分布, = =  频率密度非对称的分布,  例 例5-2 计算各种平均直径 3 1 21/g 1 2 3pg( ...)lnexp( ) 或 n n n Ni id d d dn ddNdd50dLdd 50 L  d d d 13 四、粒径分布函数  用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布 1 、正态分布 p 50 d  d d d84.1 50 50 15.9 84.1 15.91( )2d d d d d d        14 四、粒径分布函数  2. 对数正态分布  以 以lnd p 代替d p 得到的正态分布的频度曲线  对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线,斜率决定于 g1/284.1 50 84.1g50 15.9 15.9( )   d d dd d d 15 四、粒径分布函数  3 、罗辛-拉姆勒分布 ( (Rosin -Rammler) ) :  判断是否符合R -R 分布  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 p1lg[ln( )] lg lg1 n dGp1 exp( )   nG d  16 第二节 粉尘的物理性质 一、粉尘的密度  单位体积粉尘的质量,kg/m 3 或 或g/cm 3  真密度 -粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙  堆积密度 — 用堆积体积计算  空隙率 ε — 粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比 b p(1 )     bp真密度用在研究尘粒在气体中的运动、分离和去除等方面; 堆积密度用在贮仓或灰斗的容积确定等方面。 17 二、粉尘的安息角与滑动角  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: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 评价粉尘流动特性的重要指标; 设计除尘器灰斗的锥度和除尘管路倾斜度的主要依据 18 三、粉尘的比表面积  单位体积( 净体积) 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 2 3VSV6 (cm /cm )  SSV d2mp p SV6 (cm /g)  SSV d  2 3b VSV(1 ) 6(1 )(1 ) (cm /cm )    SS SV d 影响:尘粒的物理、化学活性以及通过颗粒层的流体阻力 19 四、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  吸湿现象 — 粉尘从周围吸收水分的能力 影响:粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性 20 五、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  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-  表 表5-7 粉尘对水的润湿性:绝对憎水、憎水、中等亲水、强亲水 2020(mm/min)20Lv影响:润湿性是选择湿式除尘器的主要依据 21 六、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过程中荷电  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 粉尘荷电后,将改变某些物理特性,如凝聚性、附着性、稳定性,同时对人体也会产生危害。 22 六、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(200 o C 以上)— 体积比电阻  低温(100 o C 以下)- 表面比电阻  中间温度,同时起作用 d (Ω cm)  Vjcm  比电阻对电除尘器运行有很大影响,最适宜范围10 4 ~ ~10 10 23 六、粉尘的导电性和荷电性  典型温度-比电阻曲线 24 七、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( 分子力、毛细力、静电力)  断裂强度:粉尘层断裂所需的力除以其断裂的接触面积  粉尘分类:不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性  粒径、润湿性、荷电量、形状、表面粗糙度均影响粘附性 影响:颗粒的捕集和含尘气体的输送 25 八、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 存放过程中自然发热 热量积累 达到燃点 燃 烧 烧 影响:粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境 26 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-爆炸下限  最高可燃物浓度-爆炸上限  存在能量足够的火源 影响:除尘方式的选择和操作条件的选取 27 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 28 一、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 1N3N 2N N1( ) (m /s)2  Q Q Q1N 2N1N100 (%) Q QQ21 (Pa)2vP   29 二、总净化效率的表示方法  总效率  通过率  分级除尘效率  串联的总除尘效率 2 2N 2N1 1N 1N1    S QPS Q3 21 11   i iii iS SS SN NN NQQSSSS1 12 212131 1     1 21 (1 )(1 ) (1 )T n          30 第四节 颗粒捕集的理论基础  除尘机理: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  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、热力等  颗粒间相互作用力:颗粒浓度不高时可以忽略 31 一、流体阻力  流体阻力=形状阻力+摩擦阻力    2D DpD p p1 (N)2( ) pF C A ud uC f Re Re p DpD p241 Stokes 3π (N) Re CReF d u  (层流)时 得到公式:p D0.6p18.51 500 Re CRe   湍流过渡区 p D2 2D p500 0.440.055π Re CF d u  湍流区(牛顿区) 32 流体阻力与雷诺数的函数关系  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 33 一、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 pDp3π1.101 [1.257 0.400exp( )] 2 /8 (m) , (m/s)π 0.499     其中努森数d uFCC Kn Kn dKnRTvM v 34 例5-4 计算流体阻力 35 二、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u 0 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 3 22p pp D D2Dp pπ πd6 d 4 2d 3 d 4        即d du uF Ctu uCt d2P p2P pd 18 d 18    其中 =du uut d  /0 e (m/s)tu u/0 0( ) (1 e )   tx u u u /0(1 e ) t Cx u Cs 0 x u C  36 三、重力沉降  力平衡关系  Stokes 区  湍流过渡区  牛顿区 2p ps18 du gC gC1.14 0.714 0.714p ps0.428 0.2860.153 ( ) d gu  1/2s p p1.74[ ( ) / ]   u d g   gdpp) (6F - F F3B G D    37 例题5-5 38 四、离心沉降  力平衡关系  Stokes 颗粒的末端沉降速度 23tD C p pπ6 uF F dR22p ptc c2tc18    其中 =duu C a CRuaR 39 五、静电沉降  力平衡关系  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: D E  F F qEp3πqECd 40 六、惯性沉降  颗粒接近靶时的运动情况 41 1 、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Re D 衡量  颗粒运动轨迹,用Stokes 准数描述: 颗粒的停止距离与捕集体直径之比  颗粒对捕集体的附着,通常假定为100 % 0Dcu DRe2p p 0s 0c c c18  d u Cx C u CStD D D 42 2 、拦截  直接拦截发生在颗粒距捕集体表面d p /2 的距离内  拦截效率用直接拦截比R 表示 pcdRD) (R f DI   43 七、扩散沉降  1 、扩散系数和均方根位移  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) 2p (m /s)3πCkTDd 22p4 8 (m /s)3π πkT RTDd P M2 x Dt  44 标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较 45 2 、扩散沉降效率  皮克莱数Pe :由惯性力产生的颗粒的迁移量与布朗扩散产生的颗粒的迁移量之比。  从理论上讲, 是可能的 0 cu DPeDBD1  Re) f(Pe,  BD  46 惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较 47 复习题  1 。测定单个颗粒粒径有哪些方法?  2 。什么是斯托克斯直径?什么是空气动力学当量直径?为什么这两种直径在除尘技术中应用最多?  3 。粒径分布有哪几种表示方法?  4 。平均粒径有哪几种?  5 。众径?中位径?算术平均直径?对于个数频率分布为正态分布的颗粒物,这三种直径有什么关系?非对称分布呢? 48  6 。粉尘的物理性质。  7 。粉尘的导电机制有哪两种?温度对粉尘比电阻有什么样的影响?  8 。净化装置的性能指标主要有哪些?  9 。颗粒物在流体中的运动阻力主要与哪些因素有关?阻力系数与蕾诺数有什么样的关系?  10 。什么是坎宁汉修正系数?在什么情况下修正?为什么?  11 。对不同的颗粒大小起作用的捕集机理怎么不同?  作业: 5.5;5.7;5.12. 复习题