大气污染的控制与治理

第四章大气污染的控制与治理

第一节颗粒污染物的分离方法

大气污染物主要来源于工业废气的排放，可以采用各种方法控制和治理废气。按废气来源分类可分为工艺生产尾气治理方法、燃料燃烧废气治理方法、汽车尾气治理方法等；按废气中污染物的物理形态可分为颗粒污染物治理(除尘)方法和气态污染物治理方法。

一、颗粒污染物的物理性质

颗粒污染物的治理通常采用除尘技术。除尘技术是应用各种除尘装置捕集分离气溶胶中的固态颗粒。为了深入理解各种除尘机理，首先应了解颗粒污染物的各种物理性质，才能提高除尘的效果，正确掌握除尘系统的设计、选择和运行操作。

气溶胶中包含固体颗粒和液体颗粒。根据除尘技术的需要，这里只介绍固体颗粒的主要性质。考虑到一般工程技术中的习惯，用“粉尘”一词泛指固体颗粒。

1. 几何特性

颗粒污染物的几何特性包括粉尘的粒径、形状、比表面积等。

（1）粒径。粉尘粒子的粒径一般分为代表粒子群中各单个粒子大小的单一粒径和代表由不同大小粒子组成的粒子群的平均粒径，单位一般以μm表示。

1）单一粒径。按不同的测定方法，如投影法、筛分法、沉降法等，有不同的定义及表示方法，除尘技术中常用的粒径有：

定向粒径d F，也称菲雷特(Feret)直径，为各粒子平面投影图中同一方向上的最大投影距离。

斯托克斯粒径d s，系与被测粒子密度相同、终末沉降速度相等的球的直径。粒子雷诺数Re ＜1时，按斯托克斯(Stokes)定律可得：

（4－1）

式中μ—流体的动力粘度，Pa·s；

v s—粒子在重力场中的终末沉降速度，m/s；

ρp及ρ—粒子及流体的密度，kg／m3。

空气动力学粒径d a，系在空气中与被测粒子的沉降速度相等的单位密度(ρp＝1g／cm3)的球的直径。单位为微米(空气)，记为μmA，计算式为，式中ρp单位为g／cm3。

分割粒径d c，也称临界粒径，为某除尘器的分级效率为50％时的粒径。

2）平均粒径。如果由形状和大小各异的粒子组成的实际粒子群与由均一的球形粒子组成的假想粒子群具有相同的某一物理性质，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。平均粒径的计算方法有多种，如长度平均粒径(算术平均粒径)d l＝∑nd/∑n；体积平均粒径d v＝∑(nd3/∑n)1/3；质量平均粒径d m＝∑nd4/∑nd3等，式中d为实际粒子群中不同粒子的粒径，n为相应不同粒径的粒子个数。粒径的计算方法应根据粉尘的理化性质和装置的任务来确定。

3）粒径分布。某一粒子群中不同粒径的粒子所占比例称为粒径分布，即指粒子的分散度。粒径分布有粒数分布或质量分布，前者为粒子的个数百分数，后者用粒子的质量分数来表示。粒径分布的表示方法有表格法、图形法和函数法，常用的数学函数法有正态分布函数、对数分布函数、罗辛—拉姆勒（Rosin-Rammler）分布函数。除尘技术中多采用质量分布，通常有频率分布、频度分布以及筛上累积频率分布三种：

频率分布（相对频数）ω为粒径d p至d p＋Δd p之间的粒子质量ΔM占粉尘试样总质量M的质量分数，定义为：

（4－2）

频度分布（频率密度）f为单位粒径间隔宽度Δd p时的频率分布，取Δd p＝1μm时粒子质量占粉尘试样总质量的百分数，定义为：

（4－3）

频率分布f达到最大值时相对应的粒径d d称为众径。

筛上累积频率分布（筛上累积分布）R s为大于某一粒径d p的全部粒子质量占粉尘试样总质量的质量分数，定义为：

（4－4）

反之，小于某一粒径d p的全部粒子质量占粉尘试样总质量的质量分数称为筛下累计频率分布（筛下累计分布）R x，即：

（4－5）

筛上累计分布和筛下累计分布相等(R s＝R x 50％)时的粒径d50称为中位径，也是除尘技术中常用的一种表示粉尘粒径分布特性的方法。

频度分布f可用微分式表示，累计分布R可用积分式表示。

以上三种粒径分布均可根据计算结果绘出频率（或频度）分布的直方图，并按照各组粒径间隔的平均粒径值，可以得到一条光滑的分布曲线。

（2）形状。大多数粒子实际上是不规则形状，在测定粒径及研究粒子在流体中的运动时，通常把粒子假定为球形，因此出现理论计算与实际现象不符。

（3）比表面积。单位体积或质量的粉尘具有的总表面积称为粉尘的比表面积，单位为m2/m3或m2/kg。比表面表示粉尘粒子群总体的细度，通常影响粉尘的润湿性和粘附性，用于研究通过粉尘层的流体阻力以及化学反应、传质、传热等现象。粉尘粒子越细，比表面积越大，其物理和化学活性越显著，通过颗粒层的流体阻力也随之增大。

2. 密度

单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，单位为kg/m3。粉尘在不同的产生情况和实验条件具有不同的密度值，因此粉尘的密度分为真密度和堆积密度。粉尘的真密度是指将吸附在粉尘粒子凹凸表面、内部空隙以及粒子之间的空气排除以后测得颗粒自身的密度，用符号ρp表示；堆积密度是指包括粉尘粒子内部空隙和粉体粒子之间气体空间在内的粉体密度，用符号ρb表示。粉尘的真密度与堆积密度之间存在如下关系：

（4－6）

式中，ε为空隙率，是指粉尘之间的空隙体积与包含空隙和粉体在内的总体积之比。可见，对同一种粉尘而言，ρb＜ρp。如硅酸盐水泥尘（0.7～91μm），其ρp＝3.12 kg/cm3，ρb＝1.50 kg/cm3；煤燃烧产生的飞灰粒子（0.7～5.6μm），其ρp＝2.20 kg/cm3，ρb＝1.07 kg/cm3。

对一定种类的粉尘，ρp为定值，而ρb则随ε而变化。ε值与粉尘种类、粒径、充填方式等因素有关。粉尘越细，吸附的空气就越多，则ε值愈大；在挤压或振动过程中充填，ε值减小。

粉尘的真密度应用于研究粉尘粒在废气中的运动以及除尘方式的选择，而堆积密度则用在灰斗容积或仓储的确定等方面。

3. 粘附性