大氣污染控制工程 第五章

1、編輯ppt第五章第五章 顆粒污染物控制技術基礎顆粒污染物控制技術基礎主要內容：主要內容：1.顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布2.粉塵的物理性質粉塵的物理性質3.凈化裝置的性能凈化裝置的性能4.顆粒捕集理論基礎顆粒捕集理論基礎學習要求：學習要求： 掌握顆粒粒徑分布特點，學會計算平均粒徑；掌握粉塵物理性質；掌掌握顆粒粒徑分布特點，學會計算平均粒徑；掌握粉塵物理性質；掌握除塵系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，學會計算除塵效率；掌握顆粒捕集的理論基礎，握除塵系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，學會計算除塵效率；掌握顆粒捕集的理論基礎，學會計算幾種主要作用力及分級除塵效率。學會計算幾種主要作用力及分級除塵效率。編輯ppt第一節(jié)第一節(jié)

2、 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度向上的最大投影長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將顆粒投影面積二等分的線段長度中同一方向將顆粒投影面積二等分的線段長度投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測定分析表明，同一顆粒的測定分析表明，同一顆粒的dFdAdM編輯ppt顆粒的直徑顆粒

3、的直徑n顯微鏡法觀測粒徑直徑的三種方法顯微鏡法觀測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編輯ppt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度上篩孔的個數(shù)篩孔的大小用目表示每英寸長度上篩孔的個數(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

4、的球體直徑空氣動力學當量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：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力學當量直徑與顆粒的空氣動力學行為密斯托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切相關，是除塵技術中應用最多的兩種直徑編輯ppt顆粒的直徑顆粒的直徑n粒徑的測定結果與顆粒的形狀有關粒徑的測定結果與顆粒的形狀有關n圓球度圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程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

5、體的表面積和顆粒的表面積之比面積之比s（ s1時，近似于對數(shù)正態(tài)分布；時，近似于對數(shù)正態(tài)分布；n3時，更適合于時，更適合于正態(tài)分布正態(tài)分布p1lgln()lglg1ndG編輯ppt第二節(jié)第二節(jié) 粉塵的物理性質粉塵的物理性質n粉塵的密度粉塵的密度單位體積粉塵的質量，單位體積粉塵的質量，kg/m3或或g/cm3粉塵體積不包括顆粒內部和之間的縫隙真密度粉塵體積不包括顆粒內部和之間的縫隙真密度用堆積體積計算用堆積體積計算堆積密度堆積密度空隙率空隙率粉塵顆粒間和內部空隙的體積與堆積總體粉塵顆粒間和內部空隙的體積與堆積總體積之比積之比bp(1) bp編輯ppt粉塵的安息角與滑動角粉塵的安息角與滑動角n安息

6、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滑動角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運動滑動角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運動時粉塵開始發(fā)生滑動的平板傾角時粉塵開始發(fā)生滑動的平板傾角n安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標n安息角和滑動角的影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形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、粉塵粘性狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性編輯ppt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

7、粉塵所具有的表面積n以質量表示的比表面積以質量表示的比表面積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編輯ppt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孔中的自由自由水分水分以及顆粒內部的以及顆粒內部的結合水分結合水分n含水率含水率水分質量與粉塵總質量之比水分質量與粉塵總質量之比n含水率影響粉塵的導電性、粘附性、流動性等物理特性含水率影響粉塵的導電性、粘附性、流動性等物

8、理特性n吸濕現(xiàn)象吸濕現(xiàn)象:溶液上方的水蒸汽壓小于周圍氣體的水蒸汽壓溶液上方的水蒸汽壓小于周圍氣體的水蒸汽壓,粉塵從粉塵從氣體中吸收水蒸汽氣體中吸收水蒸汽n平衡含水率平衡含水率:氣體的每一相對濕度氣體的每一相對濕度,都對應于粉塵的一定的含水率都對應于粉塵的一定的含水率編輯ppt粉塵的潤濕性粉塵的潤濕性n潤濕性潤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度的性質n潤濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、溫度、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含水率、表面粗

9、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和接觸方式有關。粒與液體之間的粘附力和接觸方式有關。n粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降n潤濕速度潤濕速度n潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù)潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù)2020(mm/min)20Lv編輯ppt粉塵的荷電性和導電性粉塵的荷電性和導電性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、高溫產生的離子或電荷電因素電離輻射、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

10、、產生過程中荷子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、產生過程中荷電電天然粉塵和人工粉塵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，且與化學組成有關且與化學組成有關編輯ppt粉塵的荷電性和導電性粉塵的荷電性和導電性n粉塵的導電性粉塵的導電性比電阻比電阻導電機制：導電機制：高溫（高溫（200oC以上），粉塵本體內部的電子和離子以上），粉塵本體內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物質表面以下），粉塵表面吸附的水分或其

11、他化學物質表面比電阻比電阻中間溫度，同時起作用中間溫度，同時起作用比電阻對電除塵器運行有很大影響，最適宜范圍比電阻對電除塵器運行有很大影響，最適宜范圍1041010d ( cm)Vjcm編輯ppt粉塵的導電性和荷電性粉塵的導電性和荷電性n典型溫度比電阻曲線典型溫度比電阻曲線編輯ppt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）、毛細力、靜電力（庫侖力）粘附力：分子力（范德華力）、毛細力、靜電力（庫侖力）n斷裂強度表征粉塵自粘性的指標，等于粉塵斷裂所需的力斷裂強度表征粉塵自粘性的指標，等于粉塵斷裂所需

12、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、強粘性分類：不粘性、微粘性、中等粘性、強粘性n粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響粘附性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響粘附性編輯ppt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：粉塵的結構和物化特性、粉塵的存在影響因素：粉塵的結構和物化特性、粉塵的存在狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)和環(huán)境存放過程中自然發(fā)熱存放過程中自然發(fā)熱熱量積累熱量積累達到燃點達到燃點燃燒燃燒編輯ppt粉塵的爆炸性粉

13、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成的可燃混合物達到一定可燃物與空氣或氧氣構成的可燃混合物達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最高可燃物濃度爆炸濃度上限最高可燃物濃度爆炸濃度上限存在能量足夠的火源存在能量足夠的火源編輯ppt第三節(jié)第三節(jié) 凈化裝置的性能凈化裝置的性能n評價凈化裝置性能的指標評價凈化裝置性能的指標技術指標技術指標處理氣體流量處理氣體流量凈化效率凈化效率壓力損失壓力損失經濟指標經濟指標設備費設備費運行費運行費占地面積占地面積編輯ppt凈化裝置技術性能的表示方法凈化裝置技術性能的表示方法n處理氣體流量處

14、理氣體流量漏風率漏風率n壓力損失壓力損失1N3N2NN1() (m/s)2QQQ1N2N1N100 (%)QQQ21 (Pa)2vP編輯ppt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：同一時間內凈化去除的污染物數(shù)量與進總凈化效率：同一時間內凈化去除的污染物數(shù)量與進入裝置的污染物數(shù)量之比入裝置的污染物數(shù)量之比n通過率：通過率：n分級除塵效率分級除塵效率n分割粒徑分級除塵效率為分割粒徑分級除塵效率為50的粒徑的粒徑22N2N11N2N11 SQSQ22N2N11N1N1 SQPSQ32111 iiiiiSSSS編輯ppt分級效率與總效率的關系分級效率與總效率的關系n由總效率求分級效率由

15、總效率求分級效率n由分級效率求總效率由分級效率求總效率333112221112311/iiiiiiiiiiiiiS ggS ggS ggPS ggPgg1111p00ddiiiiigGq d編輯ppt多級串聯(lián)的總凈化效率多級串聯(lián)的總凈化效率n總分級通過率總分級通過率n總分級效率總分級效率n總除塵效率總除塵效率12iTiiinPP PP1211 (1)(1)(1)iTiTiiinP 121 (1)(1)(1)Tn 編輯ppt第四節(jié)第四節(jié) 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎n對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產生一定位移并從氣流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中分離n顆粒捕集過程

16、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、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：顆粒濃度不高時可以忽略顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時可以忽略編輯ppt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 得到公式：pD0

17、.6p18.51500 ReCRe湍流過渡區(qū) pD22Dp500 0.440.055 ReCFd u湍流區(qū)（牛頓區(qū)） 編輯ppt流體阻力流體阻力n流體阻力與雷諾數(shù)的函數(shù)關系流體阻力與雷諾數(shù)的函數(shù)關系 編輯ppt流體阻力流體阻力n顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時，顆粒發(fā)生滑動顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時，顆粒發(fā)生滑動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編輯ppt4.5 4.5 試計算下列條件下，球形粉塵粒子在靜止空試計算下列條件下，球形粉塵粒子在靜止空氣中的沉降阻力：氣中的

18、沉降阻力：（1 1） （2 2） （3 3） 解：由題給空氣溫度，查附錄解：由題給空氣溫度，查附錄6 6，當，當t=20t=20時，時，=1.81=1.811010-5-5pa.spa.s，=1.20kg/m=1.20kg/m3 3,t=100,t=100時，時，=2.1g=2.1g1010-5-5pa.spa.s，=0.947kg/m=0.947kg/m3 3PapCtmkgmdopp53100 . 1,20,/1000,80PapCtmkgmdopp53100 . 1,20,/1000,40351,1000/,100,1.0 10oppdmkg m tC pPa編輯ppt （1 1）若雷諾

19、數(shù)）若雷諾數(shù)Rep1Rep1，在斯托克斯區(qū)，在斯托克斯區(qū) 由式由式4.264.26， 由式由式4.124.12，R Repep=d=dp p u/u/ =1 =1 假設正確。由式假設正確。由式4.144.14 smgdupps/19.0182)(1059. 239NudFpD編輯ppt （2 2）當）當d dp p=40m=40m時時 由由4.26 4.26 R Repep=d=dp p u/=0.231u/=0.231 smgdupps/108.41822)(1027. 3310NudFpD編輯ppt (3)(3)當當d dp p=1.0m=1.0m時時 由式由式4.274.27，其中由式其

20、中由式4.184.18計算計算 smCgdupps/101.31852)10. 1exp(400. 0257. 1 1nnkkCsmMRTu/4.516/8mmuM281093.81093.8499.0編輯ppt k kn n=2/d=2/d =2 =28.93/1.08.93/1.0 =0.179 =0.179 R Repep=d=dp p u/ =1.35u/ =1.351010-4-4 1 1 225.1)179.010.1exp(400.0257.1 179.01C)(102 .5/315NCudFpD編輯ppt阻力導致的減速運動阻力導致的減速運動n根據(jù)牛頓第二定律根據(jù)牛頓第二定律n若

21、僅考慮若僅考慮Stokes區(qū)域區(qū)域n積分得積分得 或或 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間或松弛時間馳豫時間或松弛時間322pppDD2Dppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(1e)txuuu/0(1e)tCxu Cs0 xu Cuut/ln0編輯ppt重力沉降重力沉降n力平衡關系力平衡關系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

22、頓區(qū)nStokes直徑直徑n空氣動力學直徑空氣動力學直徑2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp18udgCsaa181000udgC編輯ppt離心沉降離心沉降n力平衡關系力平衡關系nStokes顆粒的末端沉降速度顆粒的末端沉降速度23tDCpp6uFFdR22pptcc2tc18 其中duuCa CRuaR編輯ppt靜電沉降靜電沉降n力平衡關系力平衡關系n靜電沉降的末端速度習慣上稱為驅進速度，用靜電沉降的末端速度習慣上稱為驅進速度，用 表示，表示，對于對于Stokes

23、粒子：粒子：DEFFqEp3qECd編輯ppt慣性沉降慣性沉降n顆粒接近靶時的運動情況顆粒接近靶時的運動情況編輯ppt慣性碰撞慣性碰撞n慣性碰撞的捕集效率取決于三個因素慣性碰撞的捕集效率取決于三個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衡量衡量顆粒運動軌跡，用顆粒運動軌跡，用Stokes數(shù)描述數(shù)描述顆粒對捕集體的附著，通常假定為顆粒對捕集體的附著，通常假定為1000DcuDRe2pp0s0ccc18du Cx Cu CStDDD編輯ppt慣性碰撞慣性碰撞n慣性碰撞分級效率慣性碰撞分級效率與與 的關系的關系St編輯ppt攔截攔截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

24、距捕集體dp/2的距離內的距離內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對于慣性大的顆粒對于慣性大的顆粒n對于慣性小的顆粒對于慣性小的顆粒pcdRDDI2DI2DIDDD22DI112 (R0.1) 11(1)3 (R0.1) 11(2)(1)ln(1) (R0.07,0.5) 2.002ln2(1)2.002ln3(1)13(1) (R0.1) 22(1)2RRRRRRRRRRRReReRReRRRR 圓柱體勢流球體勢流圓柱體粘性流球體粘性流222DIDIRRRR球形捕集體圓柱形捕集體編輯ppt擴散沉降擴散沉降n擴散系數(shù)和均方根位移擴散系數(shù)和均方根位移布朗擴散作用對于小粒子的捕集影響較大布朗擴散作用對于小粒子的捕集影響較大顆粒的擴散類似于氣體分子的擴散顆粒的擴散類似于氣體分子的擴散對于粒徑約等于或大于氣體分子平均自由程的顆粒對于粒徑約等于或大于氣體分子平均自由程的顆粒用愛因斯坦公式計算：用愛因斯坦公式計算：對于粒徑大于分子