第05章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

1、第五章第五章 顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)1.粉塵的粒徑及粒徑分布粉塵的粒徑及粒徑分布2.粉塵的物理性質(zhì)粉塵的物理性質(zhì)3.凈化裝置的性能凈化裝置的性能4.顆粒捕集理論基礎(chǔ)顆粒捕集理論基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布n顆粒的粒徑顆粒的粒徑顯微鏡法顯微鏡法定向直徑定向直徑dF（Feret 直徑）：各顆粒在投影圖中同一方直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向上的最大投影長(zhǎng)度向上的最大投影長(zhǎng)度定向面積等分直徑定向面積等分直徑dM（Martin直徑）：各顆粒在投影圖直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向?qū)㈩w粒投影面積二等分的線段長(zhǎng)度中同一方向?qū)㈩w粒投影面積二等分的線段長(zhǎng)度投

2、影面積直徑投影面積直徑dA（Heywood直徑）：與顆粒投影面積相直徑）：與顆粒投影面積相等的圓的直徑等的圓的直徑 Heywood測(cè)定分析表明，同一顆粒的測(cè)定分析表明，同一顆粒的dFdAdM顆粒的直徑顆粒的直徑n顯微鏡法觀測(cè)粒徑直徑的三種方法顯微鏡法觀測(cè)粒徑直徑的三種方法a-定向直徑定向直徑b-定向面積等分直徑定向面積等分直徑c-投影面積直徑投影面積直徑顆粒的直徑顆粒的直徑篩分法篩分法篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度篩分直徑：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(zhǎng)度上篩孔的個(gè)數(shù)篩孔的大小用目表示每英寸長(zhǎng)度上篩孔的個(gè)數(shù)光散射法光散射法等體積直徑等體積直徑dV：與顆粒體積

3、相等的球體的直徑：與顆粒體積相等的球體的直徑沉降法沉降法斯托克斯（斯托克斯（Stokes）直徑）直徑ds：同一流體中與顆粒密度相：同一流體中與顆粒密度相同、沉降速度相等的球體直徑同、沉降速度相等的球體直徑空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑da：在空氣中與顆粒沉降速度相等：在空氣中與顆粒沉降速度相等的單位密度（的單位密度（1g/cm3）的球體的直徑）的球體的直徑 斯托克斯直徑和空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑與顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)行為密斯托克斯直徑和空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑與顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)行為密切相關(guān)，是除塵技術(shù)中應(yīng)用最多的兩種直徑切相關(guān)，是除塵技術(shù)中應(yīng)用最多的兩種直徑顆粒的直徑顆粒的直徑n粒徑的測(cè)定結(jié)果與顆粒的形

4、狀有關(guān)粒徑的測(cè)定結(jié)果與顆粒的形狀有關(guān)n通常用圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程度通常用圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程度n圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比面積之比s（ s1時(shí)，近似于對(duì)數(shù)正態(tài)分布；時(shí)，近似于對(duì)數(shù)正態(tài)分布；n3時(shí)，更適合于時(shí)，更適合于正態(tài)分布正態(tài)分布p1lgln()lglg1ndG第二節(jié)第二節(jié) 粉塵的物理性質(zhì)粉塵的物理性質(zhì)n粉塵的密度粉塵的密度單位體積粉塵的質(zhì)量，單位體積粉塵的質(zhì)量，kg/m3或或g/cm3粉塵體積不包括顆粒內(nèi)部和之間的縫隙真密度粉塵體積不包括顆粒內(nèi)部和之間的縫隙真密度用堆積體積計(jì)算用堆積體積計(jì)

5、算堆積密度堆積密度空隙率空隙率粉塵顆粒間和內(nèi)部空隙的體積與堆積總體粉塵顆粒間和內(nèi)部空隙的體積與堆積總體積之比積之比bp(1) bp粉塵的安息角與滑動(dòng)角粉塵的安息角與滑動(dòng)角n安息角：粉塵從漏斗連續(xù)落下自然堆積形成的圓錐體母線安息角：粉塵從漏斗連續(xù)落下自然堆積形成的圓錐體母線與地面的夾角與地面的夾角n滑動(dòng)角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)粉塵開始發(fā)生滑動(dòng)的平板傾角時(shí)粉塵開始發(fā)生滑動(dòng)的平板傾角n安息角與滑動(dòng)角是評(píng)價(jià)粉塵流動(dòng)特性的重要指標(biāo)安息角與滑動(dòng)角是評(píng)價(jià)粉塵流動(dòng)特性的重要指標(biāo)n安息角和滑動(dòng)角的影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形安息角和

6、滑動(dòng)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、粉塵粘性狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性粉塵的比表面積粉塵的比表面積n單位體積粉塵所具有的表面積單位體積粉塵所具有的表面積n以質(zhì)量表示的比表面積以質(zhì)量表示的比表面積n以堆積體積表示的比表面積以堆積體積表示的比表面積23VSV6 (cm /cm )SSVd2mppSV6 (cm /g)SSVd23bVSV(1)6(1)(1) (cm /cm )SSSVd粉塵的含水率粉塵的含水率n粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和細(xì)孔中的粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和細(xì)孔中的自由水分自由水分以及顆粒內(nèi)部的以及顆粒內(nèi)部的結(jié)合水分結(jié)合水

7、分n含水率水分質(zhì)量與粉塵總質(zhì)量之比含水率水分質(zhì)量與粉塵總質(zhì)量之比n含水率影響粉塵的導(dǎo)電性、粘附性、流動(dòng)性等物理特性含水率影響粉塵的導(dǎo)電性、粘附性、流動(dòng)性等物理特性n吸濕現(xiàn)象吸濕現(xiàn)象n平衡含水率平衡含水率粉塵的潤(rùn)濕性粉塵的潤(rùn)濕性n潤(rùn)濕性潤(rùn)濕性粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相附著或附著的難易程粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相附著或附著的難易程度的性質(zhì)度的性質(zhì)n潤(rùn)濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、溫度、潤(rùn)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(guān)，還與液體的表面張力及塵含水率、表面粗糙度及荷電性有關(guān)，還與液體的表面張力及塵粒與液體之間的粘附力和接觸方式有關(guān)

8、。粒與液體之間的粘附力和接觸方式有關(guān)。n粉塵的潤(rùn)濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降粉塵的潤(rùn)濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降n潤(rùn)濕速度潤(rùn)濕速度n潤(rùn)濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù)潤(rùn)濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù)2020(mm/min)20Lv粉塵的荷電性和導(dǎo)電性粉塵的荷電性和導(dǎo)電性n粉塵的荷電性粉塵的荷電性天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定的電荷天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定的電荷荷電因素電離輻射、高壓放電、高溫產(chǎn)生的離子或電荷電因素電離輻射、高壓放電、高溫產(chǎn)生的離子或電子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、產(chǎn)生過程中荷子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、產(chǎn)生過程中荷電電天然粉塵和人工粉塵

9、的荷電量一般為最大荷電量的天然粉塵和人工粉塵的荷電量一般為最大荷電量的1/10荷電量隨溫度增高、表面積增大及含水率減小而增加，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(xué)組成有關(guān)且與化學(xué)組成有關(guān)粉塵的荷電性和導(dǎo)電性粉塵的荷電性和導(dǎo)電性n粉塵的導(dǎo)電性粉塵的導(dǎo)電性比電阻比電阻導(dǎo)電機(jī)制：導(dǎo)電機(jī)制：高溫（高溫（200oC以上），粉塵本體內(nèi)部的電子和離子以上），粉塵本體內(nèi)部的電子和離子體積比電阻體積比電阻低溫（低溫（100oC以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學(xué)物質(zhì)表面以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學(xué)物質(zhì)表面比電阻比電阻中間溫度，同時(shí)起作用中間溫度，同時(shí)起作用比電阻對(duì)電除塵器運(yùn)行有很大影

10、響，最適宜范圍比電阻對(duì)電除塵器運(yùn)行有很大影響，最適宜范圍1041010d ( cm)Vjcm粉塵的導(dǎo)電性和荷電性粉塵的導(dǎo)電性和荷電性n典型溫度比電阻曲線典型溫度比電阻曲線粉塵的導(dǎo)電性和荷電性粉塵的導(dǎo)電性和荷電性n溫度和相對(duì)濕度對(duì)粉塵比電阻的影響溫度和相對(duì)濕度對(duì)粉塵比電阻的影響n 較為干燥的粉塵的比電阻在較為干燥的粉塵的比電阻在3000F（420K）左右達(dá)到最大值）左右達(dá)到最大值粉塵的粘附性粉塵的粘附性n粘附和自粘現(xiàn)象粘附和自粘現(xiàn)象n粘附力克服附著現(xiàn)象所需要的力粘附力克服附著現(xiàn)象所需要的力n粘附力：分子力（范德華力）、毛細(xì)力、靜電力（庫侖力）粘附力：分子力（范德華力）、毛細(xì)力、靜電力（庫侖力）n

11、斷裂強(qiáng)度表征粉塵自粘性的指標(biāo)，等于粉塵斷裂所需的力斷裂強(qiáng)度表征粉塵自粘性的指標(biāo)，等于粉塵斷裂所需的力除以其斷裂的接觸面積除以其斷裂的接觸面積n分類：不粘性、微粘性、中等粘性、強(qiáng)粘性分類：不粘性、微粘性、中等粘性、強(qiáng)粘性n粒徑、形狀、表面粗糙度、潤(rùn)濕性、荷電量均影響粘附性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤(rùn)濕性、荷電量均影響粘附性粉塵的自燃性和爆炸性粉塵的自燃性和爆炸性n粉塵的自燃性粉塵的自燃性自燃自燃自然發(fā)熱的原因氧化熱、分解熱、聚合熱、發(fā)自然發(fā)熱的原因氧化熱、分解熱、聚合熱、發(fā)酵熱酵熱影響因素：粉塵的結(jié)構(gòu)和物化特性、粉塵的存在影響因素：粉塵的結(jié)構(gòu)和物化特性、粉塵的存在狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)和環(huán)境存放過程中自然

12、發(fā)熱存放過程中自然發(fā)熱熱量積累熱量積累達(dá)到燃點(diǎn)達(dá)到燃點(diǎn)燃燒燃燒粉塵的爆炸性粉塵的爆炸性n粉塵發(fā)生爆炸必備的條件：粉塵發(fā)生爆炸必備的條件：可燃物與空氣或氧氣構(gòu)成的可燃混合物達(dá)到一定可燃物與空氣或氧氣構(gòu)成的可燃混合物達(dá)到一定的濃度的濃度最低可燃物濃度爆炸濃度下限最低可燃物濃度爆炸濃度下限爆炸濃度上限爆炸濃度上限存在能量足夠的火源存在能量足夠的火源第三節(jié)第三節(jié) 凈化裝置的性能凈化裝置的性能n評(píng)價(jià)凈化裝置性能的指標(biāo)評(píng)價(jià)凈化裝置性能的指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)處理氣體流量處理氣體流量?jī)艋蕛艋蕢毫p失壓力損失經(jīng)濟(jì)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)設(shè)備費(fèi)設(shè)備費(fèi)運(yùn)行費(fèi)運(yùn)行費(fèi)占地面積占地面積凈化裝置技術(shù)性能的表示方法凈化裝置技術(shù)性

13、能的表示方法n處理氣體流量處理氣體流量漏風(fēng)率漏風(fēng)率n壓力損失壓力損失1N3N2NN1() (m/s)2QQQ1N2N1N100 (%)QQQ21 (Pa)2vP總凈化效率的表示方法總凈化效率的表示方法n總凈化效率總凈化效率n通過率通過率n分級(jí)除塵效率分級(jí)除塵效率n分割粒徑除塵效率為分割粒徑除塵效率為50的粒徑的粒徑22N2N11N2N11 SQSQ22N2N11N1N1 SQPSQ32111 iiiiiSSSS分級(jí)效率與總效率的關(guān)系分級(jí)效率與總效率的關(guān)系n由總效率求分級(jí)效率由總效率求分級(jí)效率n由分級(jí)效率求總效率由分級(jí)效率求總效率333112221112311/iiiiiiiiiiiiiS gg

14、S ggS ggPS ggPgg1111p00ddiiiiigGq d多級(jí)串聯(lián)的總凈化效率多級(jí)串聯(lián)的總凈化效率n總分級(jí)通過率總分級(jí)通過率n總分級(jí)效率總分級(jí)效率n總除塵效率總除塵效率12iTiiinPP PP1211(1)(1)(1)iTiTiiinP 121 (1)(1)(1)Tn 第四節(jié)第四節(jié) 顆粒捕集的理論基礎(chǔ)顆粒捕集的理論基礎(chǔ)n對(duì)顆粒施加外力使顆粒相對(duì)氣流產(chǎn)生一定位移并從氣流對(duì)顆粒施加外力使顆粒相對(duì)氣流產(chǎn)生一定位移并從氣流中分離中分離n顆粒捕集過程中需要考慮的作用力：外力、流體阻力、顆粒捕集過程中需要考慮的作用力：外力、流體阻力、顆粒間相互作用力顆粒間相互作用力外力：重力、離心力、慣性力

15、、靜電力、磁力、熱力、外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、泳力等泳力等顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時(shí)可以忽略顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時(shí)可以忽略流體阻力流體阻力n流體阻力形狀阻力摩擦阻力流體阻力形狀阻力摩擦阻力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n n n 2DDpDpp1 (N)2() pFC AuduCf ReRepDpDp241 Stokes3 (N) ReCReFd u（層流）時(shí) 得到公式：pD0.6p18.51500 ReCRe湍流過渡區(qū) pD22Dp500 0.440.055 ReCFd u湍流區(qū)（牛頓區(qū)） 流體阻力流體阻力n流體阻力與雷諾數(shù)

16、的函數(shù)關(guān)系流體阻力與雷諾數(shù)的函數(shù)關(guān)系 流體阻力流體阻力n顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時(shí)，顆粒發(fā)生滑動(dòng)顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時(shí)，顆粒發(fā)生滑動(dòng)坎寧漢修正坎寧漢修正pDp31.1011.2570.400exp() 2 /8 (m) , (m/s)0.499 其中努森數(shù)d uFCCKnKndKnRTvMv阻力導(dǎo)致的減速運(yùn)動(dòng)阻力導(dǎo)致的減速運(yùn)動(dòng)n根據(jù)牛頓第二定律根據(jù)牛頓第二定律n若僅考慮若僅考慮Stokes區(qū)域區(qū)域n積分得積分得n速度由速度由u0減速到減速到u所遷移的距離所遷移的距離n若引入坎寧漢修正系數(shù)若引入坎寧漢修正系數(shù)Cn停止距離停止距離馳豫時(shí)間或松弛時(shí)間馳豫時(shí)間或松弛時(shí)間322pppDD2D

17、ppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(1e)txuuu/0(1e)tCxu Cs0 xu C重力沉降重力沉降n力平衡關(guān)系力平衡關(guān)系nStokes顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響）顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響）n湍流過渡區(qū)湍流過渡區(qū)n牛頓區(qū)牛頓區(qū)nStokes直徑直徑n空氣動(dòng)力學(xué)直徑空氣動(dòng)力學(xué)直徑2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp18udgCsaa181000u

18、dgC離心沉降離心沉降n力平衡關(guān)系力平衡關(guān)系nStokes顆粒的末端沉降速度顆粒的末端沉降速度23tDCpp6uFFdR22pptcc2tc18 其中duuCa CRuaR靜電沉降靜電沉降n力平衡關(guān)系力平衡關(guān)系n靜電沉降的末端速度習(xí)慣上稱為驅(qū)進(jìn)速度，用靜電沉降的末端速度習(xí)慣上稱為驅(qū)進(jìn)速度，用 表示，表示，對(duì)于對(duì)于Stokes粒子：粒子：DEFFqEp3qECd慣性沉降慣性沉降n顆粒接近靶時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況顆粒接近靶時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況慣性碰撞慣性碰撞n慣性碰撞的捕集效率取決于三個(gè)因素慣性碰撞的捕集效率取決于三個(gè)因素氣流速度在靶周圍的分布，用氣流速度在靶周圍的分布，用ReD衡量衡量顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，用顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

19、，用Stokes數(shù)描述數(shù)描述顆粒對(duì)捕集體的附著，通常假定為顆粒對(duì)捕集體的附著，通常假定為1000DcuDRe2pp0s0ccc18du Cx Cu CStDDD慣性碰撞慣性碰撞n慣性碰撞分級(jí)效率慣性碰撞分級(jí)效率與與 的關(guān)系的關(guān)系St攔截?cái)r截n直接攔截發(fā)生在顆粒距捕集體直接攔截發(fā)生在顆粒距捕集體dp/2的距離內(nèi)的距離內(nèi)n攔截效率用直接攔截比攔截效率用直接攔截比R表示表示n對(duì)于慣性大的顆粒對(duì)于慣性大的顆粒n對(duì)于慣性小的顆粒對(duì)于慣性小的顆粒DI2DI 圓柱形捕集體 球形捕集體RRpcdRDDI2DI2DIDDD22DI112 (R0.1) 11(1)3 (R0.1) 11(2)(1)ln(1) (R0.07,0.5) 2.002ln2(1