顆粒物技術基礎說課材料

第三章顆粒(kēlì)污染物控制技術基礎1、顆粒的粒徑及粒徑分布2、粉塵的物理性質(zhì)3、凈化裝置(zhuāngzhì)的性能4、顆粒捕集理論基礎第一頁，共71頁。本章主要(zhǔyào)討論1、顆粒(kēlì)的粒徑分布；2、除塵裝置性能(xìngnéng)表示方法；3、簡要介紹粉塵顆粒在各種力場中的空氣動力學行為——分離、沉降、捕集。第二頁，共71頁。大氣污染控制中涉及到的顆粒物，一般是指所有(suǒyǒu)大于分子的顆粒物，但實際的最小界限為0.01μm左右。顆粒物的存在狀態(tài)，可單個地分散(fēnsàn)于氣體介質(zhì)中，也可能因凝聚等作用使多個顆粒集合在一起，成為集合體的狀態(tài)顆粒物還能從氣體介質(zhì)中分離出來，呈堆積狀態(tài)存在，或者本來就呈堆積狀態(tài)。一般將這種呈堆積狀態(tài)存在的顆粒物稱為粉體（工程-粉塵）第三章顆粒(kēlì)污染物控制技術基礎第三頁，共71頁。第三章顆粒(kēlì)污染物控制技術基礎三模態(tài)大氣(dàqì)氣溶膠分布0.052.5第四頁，共71頁。第一節(jié)顆粒(kēlì)的粒徑及粒徑分布 一、顆粒(kēlì)的粒徑

顆粒的大小不同，其物理、化學特性不同，對人和環(huán)境的危害也不同，而且對除塵裝置的性能影響很大，所以顆粒的大小是顆粒物的基本特性之一。 若顆粒是球形的，則可用其直徑作為顆粒的代表性尺寸。 但實際顆粒的形狀多是不規(guī)則的，所以需要按一定(yīdìng)的方法 確定一個表示顆粒大小的代表性尺寸，作為顆粒物的直徑， 簡稱為粒經(jīng)。粒徑分單顆粒粒徑和顆粒的平均粒徑。第五頁，共71頁。一、顆粒(kēlì)的粒徑小粒徑，大消光(xiāoɡuānɡ)第六頁，共71頁。4A

2定向直徑dF（Feret直徑）：各顆粒(kēlì)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(kēlì)在投影圖中同一方向?qū)㈩w粒(kēlì)投影面積二等分的線段長度投影面積直徑dA（Heywood直徑）：與顆粒投影面積相等(xiāngděng)的圓的直徑 （一）單一(dānyī)顆粒粒徑1、顯微鏡法2

1)

1.128

AdH

(A4dH——等投影面積徑，m；A——顆粒的投影面積，m2dF>dA>dMdH第七頁，共71頁。)

1.24V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(biǎoshì)－每英寸長度上篩孔的個數(shù) （一）單一(dānyī)顆粒粒徑2、篩分法等體積直徑dV：與顆粒(kēlì)體積相等的球體的直徑3、光散射法1313d

3VdV

(V

6V

6V-顆粒的體積，m3。第八頁，共71頁。 （一）單一(dānyī)顆粒粒徑4、沉降法（物理當量徑）任一流體&密度(mìdù)相同空氣(kōngqì)&密度為1除塵中應用最多的的兩個直徑第九頁，共71頁。 （一）單一(dānyī)顆粒粒徑顆粒(kēlì)的直徑粒徑的測定結(jié)果與顆粒(kēlì)的形狀有關通常用圓球度表示顆粒(kēlì)形狀與球形不一致的程度圓球度：與顆粒(kēlì)體積相等的球體的表面積和顆粒(kēlì)的表面積之比Φs（Φs<1）圓球度越(dùyuè)接近1，越接近于球體第十頁，共71頁。 （一）單一(dānyī)顆粒粒徑圓球度：與顆粒體積(tǐjī)相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比Φs（Φs<1）圓球度越(dùyuè)接近1，越接近于球體（粉塵中的）第十一頁，共71頁。 （二）顆粒的平均粒徑可以理解為某種粒徑大小和形狀不同的粒子組成的實際粒子群，若與均勻的球形顆粒組成的假想粒子群具有相同的某一物理性質(zhì)，則稱此球形顆粒的直徑為實際粒子的平均粒徑。常用的平均粒徑有：1、算術平均粒徑 又稱長度平均直徑，是所有單一(dānyī)顆粒的算術平均值。di：單一顆粒的粒徑，m；ni：相應(xiāngyīng)于該顆粒的粒子個數(shù)pinid

nid

L第十二頁，共71頁。 （二）顆粒(kēlì)的平均粒徑2、平均平方根粒徑（表面積平均粒徑）第十三頁，共71頁。dg

(d1

2

3n3...)1/Nd

d （二）顆粒(kēlì)的平均粒徑5、幾何平均粒徑6、眾徑、中位粒徑)n1

n2pidg

exp(ni

lnd

N或第十四頁，共71頁。 二、粒徑分布粒徑分布：不同粒徑范圍內(nèi)的顆粒的個數(shù)（或質(zhì)量(zhìliàng)或表面積）所占的比例粒數(shù)分布（個數(shù)分布）：每一粒徑間隔內(nèi)顆粒的個數(shù)所占的比例質(zhì)量分布：每一粒徑間隔內(nèi)顆粒的質(zhì)量所占的比例除塵技術中多采用粒徑的質(zhì)量分布。粒徑分布的表示方法：表格(biǎogé)法，圖形法，函數(shù)法第十五頁，共71頁。

f（一）粒數(shù)分布(fēnbù)1.粒數(shù)頻率(pínlǜ)：第i個間隔中的顆粒個數(shù)ni與顆粒總數(shù)Σni之比粒徑由dP至dP+dP之間的顆粒(kēlì)個數(shù)ni與顆粒(kēlì)總個數(shù)N=ni之比(或百分比)i

ninfi

1Ni第十六頁，共71頁。nnFi

fiFN

fi

1（一）粒數(shù)分布(fēnbù)個數(shù)篩下累積頻率(pínlǜ)：小于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆?？倐€數(shù)之比

iNiiFi

或iN類似的可以將大于第i間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆粒總個數(shù)之比（或百分比）稱為(chēnɡwéi)篩上累計頻率。個數(shù)中位粒徑d50：累積頻率達到50%的點對應的那個粒徑第十七頁，共71頁。（一）個數(shù)分布(fēnbù)粒數(shù)頻率密度(mìdù)：單位粒徑間隔的粒數(shù)頻率，單位為μm-1眾徑dd：在頻率曲線上，頻率最大值對應的那個(nàge)直徑第十八頁，共71頁。（一）個數(shù)分布(fēnbù)0.4250.0003第十九頁，共71頁。（一）個數(shù)分布(fēnbù)第二十頁，共71頁。（二）質(zhì)量(zhìliàng)分布類似于粒數(shù)分布，也有質(zhì)量頻率、質(zhì)量篩下累積頻率、質(zhì)量頻率密度等在所有顆粒具有相同密度、顆粒質(zhì)量與粒徑立方成正比的假設下，粒數(shù)分布與質(zhì)量分布可以相互換算(huànsuàn)同樣的，也有質(zhì)量眾徑和質(zhì)量中位徑（MMD）第二十一頁，共71頁。二、粒徑分布(fēnbù)?對于頻度分布(fēnbù)曲線對稱性的分布(fēnbù)，如正 態(tài)分布(fēnbù)，其眾徑dd、中位直徑d50和算術 平均直徑dL相等，即dd=d50=dL；對于頻度密度分布(fēnbù)曲線是非對稱性的分布(fēnbù)，Dd<d50<dL。?

對于單分散氣溶膠，所有顆粒的粒徑相同，dL=

dg；否則dL>dg。第二十二頁，共71頁。三、粒徑分布(fēnbù)函數(shù)用一些半經(jīng)驗(jīngyàn)函數(shù)描述一定種類顆粒物的粒徑分布粉塵顆粒粒徑分布可用正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、羅辛-拉姆勒（Rosin-Rammler）分布等數(shù)學函數(shù)表示。

μ算術平均粒徑寬&高第二十三頁，共71頁。221、正態(tài)分布（高斯分布）函數(shù)(hánshù)頻率(pínlǜ)密度標準差 式中，dp：粉塵的算術平均粒徑，m；dP：粉塵的粒徑，m；：標準差，是衡量(héngliáng)dP的測定值與均值偏差的量度，m。]

1

2(dp

dp)2

2p(dp)

exp[]ddp

1

2(dp

dp)2

2篩下累積頻率

F(dp)

exp[dp

0]1/2

[ni(dpi

dp)2

N

1

式中，N為粉塵粒子的總個數(shù)。和

dp

為正態(tài)分布的兩個特征數(shù)，和

dp一定，函數(shù)f（dp）即確定。第二十四頁，共71頁。標準差σ-寬度(kuāndù)68.26%95.44%第二十五頁，共71頁。1、正態(tài)分布（高斯分布）函數(shù)(hánshù)正態(tài)分布的累積(lěijī)頻率分布曲線第二十六頁，共71頁。exp[(

)

])

]d(lndp)2、對數(shù)(duìshù)正態(tài)分布函數(shù)以lndp代替dp得到(dédào)的正態(tài)分布的頻度曲線頻率(pínlǜ)密度篩下累積頻率標準差]1/2ln

g

[ni(lndpi

/dg)2

N

12

12

ln

glndp

/dg

2ln

gF(dp)

exp[(lndp

dF(dp)

ddp

1

lndp

/dg

22dp

ln

g

2ln

gp(dp)

dg——幾何平均粒徑，可用中位徑d50表示：

dg=

d50；g

——幾何標準差第二十七頁，共71頁。2、對數(shù)(duìshù)正態(tài)分布函數(shù)對數(shù)正態(tài)分布的頻率(pínlǜ)密度分布曲線第二十八頁，共71頁。

g

(

)2、對數(shù)(duìshù)正態(tài)分布函數(shù)對數(shù)(duìshù)正態(tài)分布在對數(shù)(duìshù)概率坐標紙上為一直線，斜率決定于σgd84.1d50d84.11/2 d50d15.9d15.9 平均(píngjūn)粒徑的換算關系 lnMMDlnNMD3ln2 lnSMDlnNMD2ln2

第二十九頁，共71頁。2、對數(shù)(duìshù)正態(tài)分布函數(shù)第三十頁，共71頁。3、羅辛－拉姆勒分布(fēnbù)（Rosin－Rammler）第三十一頁，共71頁。3、羅辛－拉姆勒分布(fēnbù)（Rosin－Rammler）第三十二頁，共71頁。常用(chánɡyònɡ)的儀器第三十三頁，共71頁。 第二節(jié)粉塵的物理性質(zhì)(wùlǐxìngzhì)1、粉塵的密度單位(dānwèi)體積粉塵的質(zhì)量，kg/m3或g/cm3粉塵體積不包括顆粒內(nèi)部和之間的縫隙－真密度p用堆積體積計算--堆積密度b空隙率--粉塵顆粒之間和內(nèi)部空隙的體積與堆積總體積之比 b(1)p第三十四頁，共71頁。2、粉塵的安息(ānxī)角與滑動角安息角：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，一般為35°~55°。越大，越不流動滑動角：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，一般為40°~55°。安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標安息角和滑動角的影響(yǐngxiǎng)因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性第三十五頁，共71頁。3、粉塵(fěnchén)的比表面積單位(dānwèi)體積粉塵所具有的表面積以質(zhì)量(zhìliàng)表示的比表面積以堆積體積表示的比表面積(cm2

/cm3)

S

6V

dSVSV

(cm2

/

g)

S

6pV

pdSVSm

第三十六頁，共71頁。4、粉塵(fěnchén)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(nèi)部的結(jié)合水分含水率W：水分質(zhì)量與粉塵總質(zhì)量之比含水率影響(yǐngxiǎng)粉塵的導電性、粘附性、流動性等物理特性吸濕現(xiàn)象平衡含水率第三十七頁，共71頁。5、粉塵(fěnchén)的潤濕性潤濕性－粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相(hùxiāng)附著或附著的難易程度的性質(zhì)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。粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降潤濕(rùnshī)速度：潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù)L20

20(mm/min)v20

第三十八頁，共71頁。 6、粉塵(fěnchén)的荷電性和導電性天然粉塵和工業(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(chǎnshēng)的離子或電子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、產(chǎn)生(chǎnshēng)過程中荷電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，且與化學組成有關粉塵(fěnchén)的荷電性第三十九頁，共71頁。 6、粉塵(fěnchén)的荷電性和導電性粉塵(fěnchén)的導電性比電阻：導電(dǎodiàn)機制：高溫（200℃以上），粉塵本體內(nèi)部的電子和離子—體積比電阻低溫(dīwēn)（100℃以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學物質(zhì)－表面積比電阻中間溫度，同時起作用Vjd

(cm)比電阻對電除塵器運行有很大影響，最適宜范圍104～1010

cm第四十頁，共71頁。6、粉塵(fěnchén)的荷電性和導電性粉塵(fěnchén)的導電性第四十一頁，共71頁。較為干燥的粉塵的比電阻(diànzǔ)在420K左右達到最大值 6、粉塵(fěnchén)的荷電性和導電性

第四十二頁，共71頁。7、粉塵(fěnchén)的粘附性粘附(zhānfù)和自粘現(xiàn)象粘附(zhānfù)力——克服附著現(xiàn)象所需要的力粘附(zhānfù)力：分子力（范德華力）、毛細力、靜電力（庫侖力）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、強粘性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響粘附(zhānfù)性第四十三頁，共71頁。 8、粉塵(fěnchén)的自燃性和爆炸性粉塵(fěnchén)的自燃性自燃(zìrán)自然發(fā)熱(fārè)的原因：氧化熱、分解熱、聚合熱、發(fā)酵熱影響因素：粉塵的結(jié)構和物化特性、粉塵的存在狀態(tài)和環(huán)境熱量積累達到燃點存放過程中自然發(fā)熱

燃燒第四十四頁，共71頁。 8、粉塵(fěnchén)的自燃性和爆炸性粉塵(fěnchén)的爆炸性粉塵(fěnchén)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的濃度 最低可燃物濃度－爆炸濃度下限 爆炸濃度上限存在能量(néngliàng)足夠的火源第四十五頁，共71頁。第三節(jié)凈化裝置的性能 一、凈化裝置技術性能的表示(biǎoshì)方法技術指標處理氣體流量凈化效率壓力(yālì)損失經(jīng)濟指標設備(shèbèi)費運行費占地面積第四十六頁，共71頁。QN

(Q1N

Q2N)

(mN3/s)Q1N

Q2N一、凈化裝置技術性能(xìngnéng)的表示方法處理(chǔlǐ)氣體流量代表(dàibiǎo)裝置處理氣體能力大小的指標。

漏風率凈化效率裝置凈化污染物效果的重要技術指標。對于除塵裝置稱為除塵效率，對于吸收裝置稱為吸收效率，對于吸附裝置則稱為吸附效率。壓力損失裝置的進口和出口氣流全壓之差，其大小取決于裝置的種類、結(jié)構型式和處理氣體流量大小。

1

2

100

(%)

Q1N(Pa)v12

2P

式中，：凈化裝置的壓損系數(shù)；v1：裝置進口氣流速度，m/s；：氣體的密度，kg/m3。第四十七頁，共71頁。二、凈化(jìnghuà)效率的表示方法Q1N——裝置進口的氣體流量，m3N/s；S1——污染物流量(liúliàng)，g/s；1N——污染物濃度，g/m3；Q2N——裝置出口的相應量為，m3N/s；S2——污染物流量(liúliàng)，g/s；2N——污染物濃度，g/m3N；S3——裝置捕集的污染物流量，g/s。 S1S2S3 S11NQ1N S22NQ2N凈化效率計算(jìsuàn)式中有關符號

第四十八頁，共71頁。S2

2NQ2N二、凈化(jìnghuà)效率的表示方法總效率(xiàolǜ)/總凈化效率(xiàolǜ)η指在同一時間內(nèi)凈化裝置去除的污染(wūrǎn)物數(shù)量與進入裝置的污染(wūrǎn)物數(shù)量之比。 11 S11NQ2N若凈化裝置本體不漏氣，即Q1N=Q2N，于是2N1N

1第四十九頁，共71頁。二、凈化效率(xiàolǜ)的表示方法通過率P分級除塵(chúchén)效率分級(fēnjí)除塵效率系指除塵裝置對某一粒徑dpi或粒徑間隔dp內(nèi)粉12NQ2N

1NQ1NS2

S1P

塵的除塵效率，簡稱分級效率。分級效率可以用表格、曲線圖

或顯函數(shù)的形式表示。這里dpi代表某一粒徑或粒徑間隔。若設除塵器進口、出口和捕集的dpi顆粒質(zhì)量流量分別為S1i、S2i和S3i，則該除塵器對dpi顆粒的分級效率為：S2iS1iS3iS1i1i

除塵器的分割粒徑dc：除塵效率為50％的粒徑（i=50%）第五十頁，共71頁。

3i1

P

2i二、凈化效率(xiàolǜ)的表示方法分級效率與總除塵(chúchén)效率的關之間的關系由總效率求分級(fēnjí)效率——除塵器實驗由分級效率求總效率——除塵器設計

ig1i

i

1

i

dG1

iq1ddpgg1iS3g3i

S1g1ii

gg1iS2g2i

S1g1ii

1

Pg2i

/

g3ii

第五十一頁，共71頁。二、凈化(jìnghuà)效率的表示方法多級串聯(lián)(chuànlián)的總凈化率或總分級(fēnjí)效率為若已知各級除塵器的除塵效率為1，2，3，…..，n，也可仿i若凈化第i級粉塵的分級通過率分別為Pi1、Pi2、…..，Pin，或分級效率分別為i1，i2，….,

in，則此多級除塵器凈化第i級粉塵的總分級通過率為

P

iT

Pi1P2

P

iniT

1P

iT

1(1

i1)(1i2)(1in)再由除塵系統(tǒng)總進口的粉塵粒徑分布，可計算出多級除塵系統(tǒng)的總除塵效率。

照上式計算多級除塵系統(tǒng)的總除塵效率：

T

1(11)(12)(1n)但應指出，由于進入各級除塵器的粉塵粒徑越來越小，所以每級除塵器的除塵效率一般也越來越小。第五十二頁，共71頁。第四節(jié)顆粒物的捕集基礎(jīchǔ)對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產(chǎn)生一定(yīdìng)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(kēlì)間相互作用力：顆粒(kēlì)濃度不高時可以忽略第五十三頁，共71頁。一、流體(liútǐ)阻力第五十四頁，共71頁。一、流體(liútǐ)阻力阻力系數(shù)是顆粒雷諾數(shù)的函數(shù)，即CD=f(Rep) 式中，Rep=dpρu/μ；dp為顆粒的定性尺寸（m），對球形顆粒為其 直徑；