第五章--颗粒污染物控制技术基础知识分享

第五章颗粒污染物控制技术基础
第一节颗粒的粒径及粒径分布
一、颗粒的粒径
大气污染中涉及到的颗粒物，一般指粒径介于0.01～100μm的粒子。

颗粒的大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的影响甚大，因此颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一。

实际颗粒的形状多是不规则的，所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒大小的代表性尺寸，作为颗粒的直径，简称为粒径。

下面介绍几种常用的粒径定义方法。

1.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
（ Heywood测定分析表明，同一颗粒的dF>dA>dM）显微镜法观测粒径直径的三种方法
a-定向直径 b-定向面积等分直径 c-投影面积直径
2.筛分法
筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度（筛孔的大小用目表示－每英寸长度上筛孔的个数）
3.光散射法
等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径
4.沉降法
斯托克斯（Stokes）直径ds：同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体直径
空气动力学当量直径da：在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度（1g/cm3）的球体的直径
斯托克斯直径和空气动力学当量直径与颗粒的空气动力学行为密切相关，是除尘技术中应用最多的两种直径
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)
某些颗粒的圆球度
二、粒径分布
粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，也称粒子的分散度。

有个数分布、表面积分布、质量分布等，除尘技术中多采用质量分布。

粒径分布的表示方法有列表法、图示法和函数法。

下面以粒径分布测定数据的整理过程来说明粒径分布的表示方法及相应定义。

1.个数分布
个数分布:每一间隔内的颗粒个数
（1）个数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比
（2）个数筛下累积频率：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。

个数筛下累积频率分布曲线
（3）个数频率密度：为单位粒径间隔（即1μm）时的频率。

个数频率密度分布曲线
粒数众径－频度p 最大时对应的粒径，此时
0dd d dd d 2p
2p p
==F 粒数中位径（NMD ）为累计频率F=0.5时对应的粒径。

2.质量分布
以颗粒的质量表示不同粒径范围内的颗粒的质量所占的比例。

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，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 ）
右图是频数分布直方图（a）、频度分布的直方图（b）和筛上累积分布及筛下累积分布的曲线（c）。

筛上累积分布和筛下累积分布相等(R=D=50%)时的粒径为中位径，记作d50，即 (c) 中R（F）与D两曲线交点处对应的粒径。

中位径是除尘技术中常用的一种表示粉尘粒径分布特性的简明方法。

(b)中频度分布达到最大值时相对应的粒径称作众径，记作dd。

三、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，除此之外，再给出几种常用的平均粒径：
（1）长度平均直径
（2）表面积平均直径
（3）体积平均直径
（4）体积－表面积平均直径
（5）几何平均直径
对于频率密度分布曲线对称的分布，众径d d 、中位径d 50 和算术平均直径L _
d 相等
L _
50d d d d ==，频率密度非对称的分布，L _
50d d d d 〈〈
单分散气溶胶，；否则，。

四、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 1.正态分布 频率密度：
筛下累积频率
标准差
（1）正态分布是最简单的分布函数，它的个数频率密度p 分布曲线是关于算术平均粒径p -d 的对称性钟形曲线，因而p -
d 值与中位粒径d 50和众径d d 皆相等，即
L _
50d d d d ==
（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
正态分布的个数筛下累积频率分布曲线
从曲线中我们可以得出：
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。

2.对数正态分布
大多数粒子的粒径分布在矩形坐
标图中是偏态的，若横坐标用对数坐标
（ln dp）代替，可转化为近似正态分
布的对称性钟型曲线。

对数正态分布的主要特点是：如果
某种粉尘的粒径分布遵从对数正态分
布，则无论是以质量表示还是以个数或
表面积表示的粒径分布，都遵从对数正
态分布，且几何标准差相等。

式中:11
5015050d d d 、、分别是以粒子的质量、个数和表面积表示的对数正态分布的
中位径。

（1）以lndp 代替dp 得到的正态分布的频度曲线
（2）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
对数正态分布的累积频率分布曲线
可见几何标准差为两个粒径之比，量纲为一，且1g ≥σ。

当1g =σ时，则成为单分散的粉尘。

若用MMD 表示质量中位粒径，NMD 表示个数中位粒径，SMD 表示面积中位粒径，则三者的换算关系：
可用g σ、MMD 和NMD 计算出各种平均直径：
式中：L _
d ln 为算术平均粒径、S —
d ln 为表面积平均粒径、—
V d ln 为体积平均粒径。

例题：
经测定某城市大气中飘尘的质量粒径分布遵从对数正态分布规律，其中中位径d50=5.7μm ，筛上累积分布R=15.87％时，粒径d15.87=9.0μm 。

试确定以个数表示时对数正态分布函数的特征数和算术平均粒径。

解：对数正态分布函数的特征数是中位径d50和几何标准差σg 。

由于对数正态分布中以个数和质量表示的几何标准差相等，故
58
.17
.50
.95087.15===d d g
σ
个数表示的中位径为
)(04.3)
58.1ln 3exp(7
.5)ln 3exp(2
25050m d d g μσ==='
该飘尘的算术平均粒径为
m d d g μσ375.3)58.1ln 5.0exp(04.3)ln 5.0exp(2250
1=='=
3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin －Rammler ）
罗辛-拉姆勒分布简称为R-R 分布，质量筛下累积频率表达式为：
式中：n----分布指数 β-------分布系数
若设，则得到
一般P
d 多选用质量中位径d 50或d 63.2
判断粒径分布数据是否符合R －R 分布
若得到一条直线，则说明粒径分布数据符合R-R 分布，由直线的截距求出常数β，由直线的斜率求出指数n 。

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。

某种粉尘的粒径分布究竟适合上述三种中的哪一种，只需将该粉尘的累积分布(R 或D)测定值同时标绘在正态概率纸、对数正态概率纸和R-R 分布纸上，当实验值的标点在哪种概率纸上形成一条直线时，则此粉尘的粒径分布就服从哪种分布。

第二节粉尘的物理性质
本节主要以粉尘的密度、流动性（安息角、滑动角）、比表面积、润湿性、荷电性、导电性及粘附性等物理性质为主，以通过粉尘特性选择合适的除尘方式。

影响选型的因素还有粉尘的如：燃烧性、自燃性、爆炸性、水解性等化学性质。

对某些特定场合，还需考虑其放射性。

一、粉尘的密度
ρ，单位kg/m3或g/cm3
单位体积粉尘的质量——
P
粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙－—真密度
ρ
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ε
粉尘越细，吸附的空气越多，ε值越大；充填过程加压或振动，则ε值减小 对一定的粉尘一般认为P ρ为定值，而b ρ随ε变化。

二、粉尘的安息角与滑动角
粉尘自漏斗连续落到水平面上，堆积成圆锥体。

圆锥体的母线同水平面的夹角称为该粉尘的安息角，也叫休止角、堆积角等。

粉尘的滑动角系指自然堆放在光滑平面上的粉尘，随光滑平板做倾斜运动时,平板上粉尘开始发生滑动的平板倾斜角。

也称静安息角。

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。

粉尘的安息角及滑动角是评价粉尘流动性的一个重要指标。

安息角小的粉尘，流动性好，安息角大的粉尘，其流动性就差。

粉尘的安息角和滑动角是设计除尘器灰斗(或料仓)的锥度、除尘管路或输灰管路斜度的重要依据。

三、粉尘的比表面积
单位体积粉尘所具有的表面积：
以质量表示的比表面积：
以堆积体积表示的比表面积：
四、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：
%
100⨯+=d
W W
m m m ω
含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等特性。

吸湿现象：如果溶液上方的水蒸气分压小于周围气体中的水蒸气分压，该物质将从气体中吸收水蒸汽，这就形成了吸湿现象。

平衡含水率——与气体相对湿度（水蒸气分压）对应。

五、粉尘的润湿性
1）尘粒能否与液体相互附着或附着难易的性质称为粉尘的润湿性。

当固体粒子与液体接触时,如果接触面能扩大而相互附着,就是能润湿；如果接触面趋于缩小而不能附着,则是不能润湿。

2）容易被水润湿的物质称为亲水性物质，难以被水润湿的物质称为疏水性物质。

3）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、接触方式及相对于尘粒的运动速度等有关。

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——
4）润湿性是选择湿式除尘器的主要依据
对于5μm以下特别是1μm以下的尘粒，即使是亲水的，也很难被水润湿，这是由于细粉的比表面积大，对气体的吸附作用强，尘粒和水滴表面都有一层气膜，因此只有在尘粒与水滴之间具有较高的相对运动速度时（如文丘里喉管中），才会被润湿。

水硬性粉尘如水泥粉尘、熟石灰及白云石砂等不宜采用湿式洗涤器净化。

六、粉尘的荷电性和导电性
1.粉尘的荷电性
1)天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷
2）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。

3）天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量的1/10
4）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
5）粉尘荷电后，凝聚性、附着性、稳定性等都发生变化，对人体危害增强。

6）利用粉尘荷电后的性质变化，实现除尘——电除尘（布袋除尘、湿法除尘补集细小颗粒）
2.粉尘的导电性
粉尘的导电性通常用电阻率来表示：
V——通过粉尘层的电压，V；J——通过粉尘层的电流密度，A/cm2； ——粉尘层的厚度，cm。

粉尘的导电机制有两种，取决于粉尘、气体的温度和组成成分。

1）容积导电：高于200℃时，粉尘自身电子和离子进行；
2）表面导电：低于100 ℃时，靠尘粒表面吸附的水分和化学膜进行。

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
3）最适宜的电除尘器捕集的比电阻为104-1010Ω·cm。

在高温(>200℃)条件下，温度升高，粉尘内部会发生电子的热激化作用，使容积比电阻下降。

在低温(<100℃)条件下，温度升高，粉尘表面吸附的水分减少，使表面比电阻升高。

（如下图）
温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响
如图所知，较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（420K）左右达到最大值
七、粉尘的粘附性
1）粉尘颗粒附着在固体表面上、或者颗粒彼此相互附着的现象称为粘附。

后者也称为自粘。

附着的强度，即克服附着现象所需要的力称为粘附力。

粘附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力）
2）断裂强度——表征粉尘自粘性的指标，等于粉尘断裂所需的力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
3）粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性。

八、粉尘的自燃性和爆炸性
1.粉尘的自燃性
存放过程中自然发热⇒热量积累⇒达到燃点⇒燃烧
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
2.粉尘的爆炸性
粉尘发生爆炸必备的条件：
1）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
2）存在能量足够的火源
在封闭空间内可燃性悬浮粉尘的燃烧只有在一定浓度范围内才会导致化学爆炸。

能够引起爆炸的浓度范围叫作爆炸极限，引起爆炸的最高浓度叫做爆炸上限,最低的浓度叫做爆炸下限。

在低于爆炸浓度下限或高于爆炸浓度上限的燃烧都属于正常的安全燃烧，不会发生爆炸。

由于多数粉尘的爆炸上限浓度很高，在多数情况下达不到这个浓度,因而粉尘的爆炸上限浓度无实际意义。

有些粉尘(如镁粉、碳化钙粉)与水接触后会引起自燃或爆炸，称这种粉尘为具有爆炸危险性粉尘。

---这类粉尘不能采用湿法除尘。

有些粉尘(如硫矿粉、煤尘等)在空气中达到一定浓度时，在外界的高温、摩擦、震动、碰撞以及放电火花等作用下会引起爆炸，这些粉尘亦称为具有爆炸危险性粉尘。

---这类粉尘能否采用电除尘除尘？。

有些粉尘互相接触或混合，如溴与磷、锌粉与镁粉接触混合，也会引起爆炸。

---多系统管路设计时注意
第三节净化装置的性能
评价净化装置性能的指标，包括技术指标和经济指标两方面。

技术指标：处理气体流量、净化效率和压力损失等
经济指标：设备费、运行费和占地面积等。

一、净化装置技术性能的表示方法
1、处理气体流量
2.漏风率
3.压力损失
二、总净化效率的表示方法
1.总净化效率
2.通过率
3.分级除尘效率
分割粒径－除尘效率为50％的粒径
4.分级效率与总除尘效率之间的关系
1）由总效率求分级效率
2）由分级效率求总效率
5.多级串联的总净化效率
1）总分级通过率
2）总分级效率
3）总除尘效率
第四节颗粒捕集的理论基础
除尘机理：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。

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
一、流体阻力
流体阻力＝形状阻力＋摩擦阻力
流体阻力的大小决定于颗粒的形状、粒径、表面特性、运行速度及流体的种类和性质，且阻力的方向和速度向量方向相反。

式中：——
C D——由实验确定的阻力系数，量纲为一；
A P——颗粒在其运动方向上的投影面积，m2；
u——颗粒与流体之间的相对运动速度，m/s；
d p——颗粒的定性尺寸，m，对球形颗粒为其直径；
μ——流体的粘度，Pa*s。

流体阻力与雷诺数的函数关系
颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动——坎宁汉修正系数C
式中：
V——气体分子的算术平均速度；
R——摩尔气体常数
T——气体温度,K；
M——气体的摩尔质量，kg/mol
二、阻力导致的减速运动
对于在接近静止的气体中，以某一处速度v0运动的球形颗粒，除了气体阻力外再无其他力作用时，颗粒不能相对气体作稳态运动，只能作非稳态减速运动。

根据牛顿第二定律：
若只考虑Stokes区域：
积分得
速度由u0减速到u所迁移的距离
若引入坎宁汉修正系数C
停止距离
三、重力沉降
力平衡关系
Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）
湍流过渡区
牛顿区
Stokes直径
空气动力学直径
四、离心沉降
力平衡关系
Stokes颗粒的末端沉降速度
五、静电沉降
力平衡关系
静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用 表示，对于Stokes粒子：
六、惯性沉降
颗粒接近靶时的运动情况
1.惯性碰撞
惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素：1）气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量
2）颗粒运动轨迹，用Stokes数描述
3）颗粒对捕集体的附着，通常假定
为100％
右图为惯性碰撞分级效率
St的关系
与
2、拦截
直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内，拦截效率用直接拦截比R表示
对于惯性大的颗粒
对于惯性小的颗粒
七、扩散沉降
1、扩散系数和均方根位移
布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大
颗粒的扩散类似于气体分子的扩散：
对于粒径约等于或大于气体分子平均自由程的颗粒
对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒
颗粒的均方根位移（时间t秒钟）
标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较
2、扩散沉降效率
扩散沉降效率取决于皮克莱数Pe和雷诺数ReD
粘性流单个圆柱体的效率
势流单个圆柱体效率
孤立球形捕集体
从理论上讲，是可能的。

惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较。