第五颗粒污染物控制技术基础

牛顿区
u s1 .7 4 [dp(p)g/ ]1/2
Stokes直径
ds
18 us pgC
空气动力学直径
da
18us 1000gCa
离心沉降
力平衡关系
FD
FC
π6dp3p
ut2 R
Stokes颗粒的末端沉降速度
uc
dp2p 18
ut2 R
C
acC
Sm
S
pV
6
pdSV
(cm2/g)
以堆积体积表示的比表面积
S bS(1 V )(1 )S V6 (1 d S V )(cm 2/cm 3)
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 含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性 吸湿现象 平衡含水率
频率密度非对称的分布，dd d50 dL
单分散气溶胶，d L d g ；否则，d L d g
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
正态分布
➢ 频率密度
p(dp)12πexp[(dp2d2p)2]
➢ 筛下累积频率
1 dp
F(dp)2π0
exp[(dp2 d 2p)2]ddp
➢ 标准差
[ ni(dpi dp)2]1/2
N1
粒径分布函数
正态分布（续）
➢ 正态分布是最简单的分布函数
（1） dp d50 dd
（2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率 取决于σ
（3）
1 d 8 4 .1 d 5 0 d 5 0 d 1 5 .92(d 8 4 .1 d 1 5 .9)
(mm/min)
润湿性是选择湿式除尘器的主要依据
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、产生过程中荷 电 ➢ 天然粉尘和人工粉尘的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
1 S2i S1i
分割粒径－除尘效率为50％的粒径
分级效率与总效率的关系
由总效率求分级效率
i
S 3g 3i S1g i
g 3i g 1i
i
1
S 2g 2i S 1g 1i
1
P
g 2i g 1i
i
P g 2i /
g 3i
由分级效率求总效率
i g1i
i
1
i dG1 iq1dd p
颗粒的直径
某些颗粒的圆球度
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
粒数分布:每一间隔内的颗粒个数 粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比
fi
ni
N
ni
粒径分布
粒数筛下累积频率：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
d50
d63.2
d500.6931/nd63.2
dd(nn1)1/nd63.2
粒径分布函数
罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）
➢ 判断是否符合R－R分布
➢
lg[ln(1 1G)]lgnlgdp 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
粉尘的荷电性和导电性
粉尘的导电性
➢ 比电阻
d
V
j
(Ωcm)
➢ 导电机制：
✓ 高温（200oC以上），粉尘本体内部的电子和离子—体积比电阻
✓ 低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质－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
Rep1（层流）时 CDR2e4p 得到
Stokes公式：FD3πdpu (N)
1R ep500湍 流 过 渡 区C DR 1e 8 p .0 5 .6
R ep500湍 流 区 （ 牛 顿 区 ）C D0.44
F D0.055πdp2u2
流体阻力
流体阻力与雷诺数的函数关系
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
i
ni
Fi N
ni
粒径分布
粒数频率密度
p(dp)dF/ddp
粒径分布
粒数分布的测定及计算
粒径分布
粒数众径－频度p最大时对应的粒径，此时
dp dd p
d2F dd p2
0
粒数中位径（NMD）－累计频率F=0.5时对应的粒径
粒径分布
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
体积平均直径
dV[nindipi3]1/3(fidpi3)1/3
体积－表面积平均直径
dSV
nidpi3 nidpi2
fidpi3 fidpi2
平均粒径（续）
几何平均直径
dg (d1n1d2n2d3n3...)1/N 或
dg exp(
ni lndpi ) N
对于频率密度分布曲线对称的分布，众径 d d 、中位径d 5 0 和算术平均直径 d L 相等
Heywood测定分析表明，同一颗粒的dF>dA>dM
颗粒的直径
粒径的测定结果与颗粒的形状有关 通常用圆球度表示颗粒形状与球形不一致的程度 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，圆柱体Φs＝2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)
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 度的性质
润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、温度、 含水率、表面粗糙度及荷电性有关，还与液体的表面张力及尘 粒与液体之间的粘附力和接触方式有关。
粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降
润湿速度－
v20
L20 20
粉尘的导电性和荷电性
典型温度－比电阻曲线
粉尘的导电性和荷电性
温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响
较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（420K）左右达到最大值
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 粘附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力） 断裂强度－表征粉尘自粘性的指标，等于粉尘断裂所需的力
g
d84.1 d50
d50 d15.9
(d84.1)1/2 d15.9
g 1(= 1 时 为 单 分 散 气 溶 胶 ）
平均粒径的换算关系
lnMMDlnNMD3ln2g lnSMDlnNMD2ln2g
粒径分布函数
对数正态分布（续）
➢ 可用 g 、MMD和NMD计算出各种平均直径
lndL lnNMD12ln2g lnMMD25ln2g lndS lnNMDln2g lnMMD2ln2g lndV lnNMD23ln2g lnMMD23ln2g
粒径分布函数
对数正态分布的累积频率分布曲线
粒径分布函数
罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）
G1exp(dpn)
若设 dp (1/ ຫໍສະໝຸດ 1/n 得到G 1exp[(dp )n] dp
➢ 一般 d p 多选用质量中位径 d 5 0 或 d 6 3 .2
G1exp[0.693(dp)n] 或G1exp[( dp )n] ...RRS分 布 函 数
➢ 正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为大多数 粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移
粒径分布函数
正态分布的累积频率分布曲线
粒径分布函数
对数正态分布
➢ 以lndp代替dp得到的正态分布的频度曲线
F (d p )
1
ln dp
2π ln g
exp[( ln d p / dg 2 ln g
FD
3πdpu
C
C1Kn[1.2570.400exp(1.10)] Kn
其中努森数Kn2/dp
(m) , v 8RT (m/s)
0.499v
πM
阻力导致的减速运动
根据牛顿第二定律
πdp3 6
p
du dt
FD
CD
πdp2 4
u2
2
即
du dt
3 4CD
p
u2 dp
若仅考虑Stokes区域
d du td 1P 8 2puu 其 中 ＝ d 1P 8 2p－驰豫时间或松弛时间 积分得 uu0et/ (m/s)
第五颗粒污染物控制技术基础
第一节 颗粒的粒径及粒径分布
颗粒的粒径
➢ 显微镜法
✓ 定向直径dF（Feret 直径）：各颗粒在投影图中同一方 向上的最大投影长度
✓ 定向面积等分直径dM（Martin直径）：各颗粒在投影图 中同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度
✓ 投影面积直径dA（Heywood直径）：与颗粒投影面积相 等的圆的直径
净化装置技术性能的表示方法
处理气体流量
QN1 2(Q1NQ2N) (mN3/s)
➢ 漏风率
Q1NQ2N100 (%)
Q1N
压力损失
P v12
(Pa)
2
总净化效率的表示方法
总净化效率
1S2 12NQ2N
S1
Q 1N 2N
通过率
PS2 2NQ2N 1
S1
Q 1N 1N
分级除尘效率
i
S3i S1i
0
0
多级串联的总净化效率
总分级通过率
PiTPi1Pi2Pin
总分级效率
i T 1 P i T 1 ( 1 i 1 ) ( 1 i 2 ) ( 1 i n )
总除尘效率
T 1 ( 1 1 ) ( 1 2 )( 1 n )
第四节 颗粒捕集的理论基础
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
除以其断裂的接触面积 分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性 粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性
粉尘的自燃性和爆炸性
粉尘的自燃性
➢ 自燃 存放过程中自然发热 燃烧
热量积累
达到燃点
➢ 自然发热的原因－氧化热、分解热、聚合热、发 酵热
➢ 影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在 状态和环境
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
安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标 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
粉尘的比表面积
单位体积粉尘所具有的表面积
SV
S V
6 dSV
(cm2/cm3)
以质量表示的比表面积
➢ 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）
平均粒径
前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一
长度平均直径
dL
nidpi ni
fidpi
表面积平均直径
dS[nidnipi2]1/2(fidpi2)1/2
第二节 粉尘的物理性质
粉尘的密度
➢ 单位体积粉尘的质量，kg/m3或g/cm3 ➢ 粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙－真密度 p ➢ 用堆积体积计算——堆积密度 b ➢ 空隙率——粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体
积之比
b (1)p
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
速度由u0减速到u所迁移的距离 x(u 0 u )u 0(1 e t/)
若引入坎宁汉修正系数C xu0C(1et/C)
停止距离 xsu0C
重力沉降
力平衡关系 FDFGFBπd6p2(p)g
Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）
us
dp2p 18
gC
gC
湍流过渡区
us 0.153dp1.140 (.428 p0.286 )0.714g0.714
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－爆炸浓度下限 ✓ 爆炸浓度上限
➢ 存在能量足够的火源
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
)2 ]d(ln d p )
p(d p )
dF (dp) dd p
1
exp[( ln d p / dg )2 ]
2πd p ln g
2 ln g
ln g [
ni (ln d pi / d g )2 ]1/ 2 N 1
粒径分布函数
对数正态分布（续）
➢ 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
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、 泳力等
➢ 颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略
流体阻力
流体阻力＝形状阻力＋摩擦阻力
阻力的方向和速度向量方向相反
FD
1 2
CD
Ap
u2
(N)
CD f (Rep)
Rep
dpu