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 1 第一节 颗粒的粒径及粒径分布 ? 一、颗粒的粒径 ? 1.显微镜法 a-定向直径 b-定向面积等分直径 c-投影面积直径 ? Heywood测定分析表明,同一颗粒的dF>dA>dM 2 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dV:与颗粒体积相等的球体的直径 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 ? 4.沉降法 ? ? 3 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Φs( Φs<1) ? 正立方体Φs=0.806 4 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ni与颗粒总数Σni之比 fi ? ni ?n N i 5 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 Fi ? ?n ?n N i i i 6 二、粒径分布 3、频率密度:单位粒径间隔(即1μm)时的频率。 p(d p ) ? dF / dd p pi=f i /Δdpi 7 fi ? ni ?n N ?n 表5-2 个数分布的测定及计算 i i Fi ? ?n N i i pi=f i /Δdpi 8 二、粒径分布 ? 众径-频度p最大时对应的粒径,此时 dp d 2 F ? ?0 2 dd p dd p ? 中位径(NMD)-累计频率F=0.5时对应的粒径 众径和中位径是常用的平均粒径之一 9 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) 10 三、平均粒径 ? 长度(算数)平均直径 dL ? ?ni d pi ?ni ? ?f i d pi ? 表面积平均直径 dS ? [ dV ? [ ?ni d pi 2 ?ni ?ni ]1/ 2 ? (?f i d pi 2 )1/ 2 ? 体积平均直径 ?ni d pi 3 ]1/ 3 ? (?f i d pi 3 )1/ 3 ? 体积-表面积平均直径 d SV ? ?ni d pi 3 ?ni d pi 2 ? ?f i d pi 3 ?f i d pi 2 11 三、平均粒径 ? 几何平均直径 d g ? (d1n1 d 2 n2 d 3n3 ...)1/ N dg n ln d ? ? exp( i pi 或 N ) ? ? 对于频率密度分布曲线对称的分布,d d = d50 = d L 频率密度非对称的分布, d d ? d50 ? d L ? 例5-2 计算各种平均直径 12 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 d p ? d 50 ? d d 1 ? ? d84.1 ? d50 ? d50 ? d15.9 ? (d84.1 ? d15.9 ) 2 13 四、粒径分布函数 ? 2.对数正态分布 ? ? 以lndp代替dp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 d 84.1 d 50 d 84.1 1/ 2 ?g ? ? ?( ) d 50 d15.9 d15.9 14 四、粒径分布函数 ? 3、罗辛-拉姆勒分布(Rosin-Rammler) : G ? 1 ? exp(? ? d pn ) ? 判断是否符合R-R分布 ? 1 lg[ln( )] ? lg ? ? n lg d p 1? G 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 ? 15 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/m3或g/cm3 真密度 ? p -粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙 堆积密度 ? b —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 ? (1 ? ? ) ? 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。 16 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 17 三、粉尘的比表面积 ? 单位体积(净体积)粉尘所具有的表面积 SV ? S 6 ? (cm2 /cm3 ) V dSV ? 以质量表示的比表面积 Sm ? S 6 ? (cm2 /g) ? pV ? p dSV ? 以堆积体积表示的比表面积 Sb ? S (1 ? ? ) 6(1 ? ? ) ? (1 ? ? ) SV ? (cm2 /cm3 ) V dSV 影响:尘粒的物理、化学活性以及通过颗粒层的流体阻力 18 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 19 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 L20 v ? (mm/min) 润湿速度- 20 20 表5-7 粉尘对水的润湿性:绝对憎水、憎水、中等亲水、强亲水 影响:润湿性是选择湿式除尘器的主要依据 20 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。 21 六、粉尘的荷电性和导电性 ? 粉尘的导电性 ? ? 比电阻 ?d ? V j? (Ω ? cm) 导电机制: ? ? ? 高温(200oC以上)—体积比电阻 低温(100oC以下)-表面比电阻 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104~1010? ? cm 22 六、粉尘的导电性和荷电性 ? 典型温度-比电阻曲线 23 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 24 八、粉尘的自燃性和爆炸性 ? 粉尘的自燃性 ? 自燃 热量积累 达到燃点 存放过程中自然发热 燃烧 ? 自然发热的原因-氧化热、分解热、聚合热、发 酵热 影响:粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境 25 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 26 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 27 一、净化装置技术性能的表示方法 ? 处理气体流量 1 QN ? (Q1N ? Q2N ) 2 漏风率 Q1N ? Q2 N ?? ? 100 Q1N (m N 3/s) ? (%) ? 压力损失 ?P ? ? ? v12 2 (Pa) 28 二、总净化效率的表示方法 ? 总效率 S3 ? 2 N Q2 N S2 ? ? ? 1? ? 1? S1 S1 ?1N Q1N S2 ?2NQ2N P? ? ? 1 ?? S1 ?1NQ1N ? 通过率 ? 分级除尘效率 S3i S2 i ?i ? ? 1? S1i S1i ? 串联的总除尘效率 ?T ? 1 ? (1 ? ? 1 )(1 ? ?2 ) ??? (1 ? ?n ) 29 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 30 一、流体阻力 ? 流体阻力=形状阻力+摩擦阻力 FD ? 1 CD Ap ? u 2 2 (N) Rep ? dp ?u CD ? f ( Rep ) ? ? Rep ? 1 (层流)时 CD ? 24 Rep (N) 得到 Stokes公式:FD ? 3π? d pu ? 1 ? Rep ? 500 湍流过渡区 CD ? 18.5 Rep 0.6 ? Rep ? 500 湍流区(牛顿区) FD ? 0.055π? d p 2u 2 CD ? 0.44 31 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 32 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 3π? d pu C FD ? 1.10 C ? 1 ? Kn[1.257 ? 0.400exp( ? )] 其中努森数 Kn ? 2? / d p Kn ? 8RT ?? (m) , v ? (m/s) πM 0.499 ? v 33 例5-4 计算流体阻力 34 二、阻力导致的减速运动 ? 根据牛顿第二定律 πd p ? u 2 du ?p ? ? FD ? ?CD ? 6 dt 4 2 du 3 ? u2 即 ? ? CD ? ? dt 4 ?p d p πd p3 2 ? 若仅考虑Stokes区域 2 dP ?p du 18? u -驰豫时间或松弛时间 ?? 2 u?? 其中 ?= dt d P ?p ? 18? ? t /? (m/s) 积分得 u ? u0e ?t /? x ? ? ( u ? u ) ? ? u (1 ? e ) 速度由u0减速到u所迁移的距离 0 0 ? t /? C ) 若引入坎宁汉修正系数C x ? ? u0C (1 ? e 停止距离 x ? ? u C s 0 ? ? ? ? 35 三、重力沉降 ? 力平衡关系 Stokes区 FD ? FG - FB ? ?d p 3 6 (? p ? ? ) g ? us ? d p2 ?p 18? gC ? ? gC ? 湍流过渡区 us ? 0.153d p1.14 ( ? p ? ? )0.714 g 0.714 ? 0.428 ? 0.286 ? 牛顿区 us ? 1.74[d p ( ?p ? ? ) g / ? ]1/ 2 36 例题5-5 37 四、离心沉降 ? 力平衡关系 π 3 ut 2 FD ? FC ? d p ? p 6 R ? Stokes颗粒的末端沉降速度 d p 2 ? p ut 2 uc ? ? ? C ? ? acC 18? R 其中 ut 2 ac= R 38 五、静电沉降 ? 力平衡关系 FD ? FE ? qE ? 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: qE ?? C 3π? d p 39 六、惯性沉降 ? 颗粒接近靶时的运动情况 40 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ReD衡量 ReD ? ? u0 ? Dc ? 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 2 xsC u0? C d p ? pu0C St ? ? ? Dc Dc 18? Dc ? 颗粒对捕集体的附着,通常假定为100% 41 2、拦截 ? 直接拦截发生在颗粒距捕集体表面dp/2的距离内 ? 拦截效率用直接拦截比R表示 R? dp Dc ? f (R) 42 ? DI 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 D? CkT (m 2 /s) 3π? d p ? 对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒 D? 4kT 8RT 3πd p 2 P πM (m 2 /s) ? 颗粒的均方根位移(时间t秒钟) x ? 2Dt 43 标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较 44 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。 u0 Dc Pe ? D ? ? f(Pe,Re) BD ? 从理论上讲, ? BD ? 1 是可能的 45 惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较 46 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? 47 复习题 ? ? ? ? ? ? ? 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. 48