第 5 章 颗粒污染物控制技术基础

1. 第5章颗粒污染物控制技术基础

2. 第5章 颗粒污染物控制技术基础 教学内容 §1 粉尘的粒径及粒径分布 §2 粉尘的物理性质 §3 净化装置的性能 §4 颗粒捕集理论基础

3. 第5章 颗粒污染物控制技术基础 • 1、教学要求 • 要求理解和掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性质、评价净化装置性能的技术指标以及颗粒物捕集的动力学理论基础。 • 2、教学重点 • 要求了解除尘技术的理论基础，掌握颗粒污染物的性质。 • 3、教学难点 • 除尘技术的理论基础以及颗粒物捕集的动力学理论基础。 学时数：4学时

4. 第5章 颗粒污染物控制技术基础 • 空气污染物的性质和存在状态不同，其净化机理、方法及所选用的装置也各不相同。空气污染物分为气溶胶（颗粒物）污染物和气态污染物。以后各章将介绍颗粒物的处理方法。 • 气溶胶（AEROPAL）是非均相污染物，主要污染物是分散于气体介质中的颗粒物（固体、液体），可用除尘技术把粒状物从气体介质中分离出来，分离方法一般采用物理法。 • 依据：气、固、液体粒子在物理性质上的差异将其分离。 • 机械法：利用重力、惯性力、离心力分离。 • 过滤介质分离：利用粒子的尺寸、重量较气体分子大分离。 • 湿式洗涤分离法：利用粒子易被水润湿，凝拼增大而被捕获的特性。 • 电除尘：利用荷电性、静电力分离。等等。

5. §1 颗粒的粒径及粒径分布 • 一、颗粒的粒径 • 定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有所不同。 • 一般分为两类： • 单一粒径：单个粒子的直径； • 平均粒径：粒子群的直径。 • 球形颗粒：d=直径 • 单一粒径分成投影径 • 非球形颗粒：几何当量径 • 物理当量径

6. §1颗粒的粒径及粒径分布 • 一、颗粒的粒径 • （1）显微镜法 • 定向直径dF，也称菲雷特（Feret 直径）：为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，也称马丁（Martin直径）：为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，也称黑乌德（Heywood直径）：为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

7. a-定向直径 b-定向面积等分直径 c-投影面积直径 一、颗粒的直径 • 显微镜法观测粒径直径的三种方法

8. 一、颗粒的直径 （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

9. 一、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)

10. 一、颗粒的直径 • 某些颗粒的圆球度

11. 二、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 • 1.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 ∑ƒi﹦1

12. 由计算结果可绘出频度分布f的直方图，

13. 二、粒径分布 • （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

14. 二、粒径分布 （3）个数频率密度

15. 用粒径间隔中值可绘出频度分布曲线，见图b。用粒径间隔中值可绘出频度分布曲线，见图b。 • 最大频度的粒径dom称为众径。

16. 二、粒径分布 • 粒数分布的测定及计算

17. 二、粒径分布 • 粒数众径－频度p最大时对应的粒径，此时 • 粒数中位径（NMD）－累计频率F=0.5时对应的粒径

18. 二、粒径分布 • 2.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 • 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）

19. 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 • 长度平均直径 • 表面积平均直径 • 体积平均直径 • 体积－表面积平均直径

20. 三、平均粒径（续） • 几何平均直径 • 对于频率密度分布曲线对称的分布，众径 、中位径 和算术平均直径 相等 • 频率密度非对称的分布， • 单分散气溶胶， ；否则，

21. 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

22. 四、粒径分布函数 • 1.正态分布（续） • 正态分布是最简单的分布函数 （1） （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） • 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

23. 四、粒径分布函数 • 正态分布的累积频率分布曲线

24. 四、粒径分布函数 • 2.对数正态分布 • 以lndp代替dp得到的正态分布的频度曲线

25. 四、粒径分布函数 • 2.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

26. 四、粒径分布函数 • 2.对数正态分布（续） • 可用 、MMD和NMD计算出各种平均直径

27. 四、粒径分布函数 • 对数正态分布的累积频率分布曲线

28. 四、粒径分布函数 • 3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler） • 若设 得到 • 一般 多选用质量中位径 或

29. 四、粒径分布函数 • 3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler） • 判断是否符合R－R分布 • 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

30. §2 粉尘的物理性质 • 一、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 • 用堆积体积计算——堆积密度 • 空隙率——粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比

31. 二、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 • 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

32. 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

33. 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 • 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

34. 五、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－ • 润湿性是选择湿式除尘器的主要依据

35. 六、粉尘的荷电性和导电性 • 1.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

36. 六、粉尘的荷电性和导电性 • 粉尘的导电性 • 比电阻 • 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

37. 六、粉尘的导电性和荷电性 • 典型温度－比电阻曲线

38. 六、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

39. 七、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

40. 存放过程中自然发热 热量积累 达到燃点 燃烧 八、粉尘的自燃性和爆炸性 • 1.粉尘的自燃性 • 自燃 • 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

41. 2.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

42. §3 净化装置的性能 • 一、评价净化装置性能的指标 1.技术指标 • 处理气体流量 • 净化效率 • 压力损失 2.经济指标 • 设备费 • 运行费 • 占地面积

43. 一、净化装置技术性能的表示方法 • 1.处理气体流量 • 漏风率 • 2.净化效率 • 3.压力损失

44. 二.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

45. 4.分级效率与总效率的关系 • （1）由总效率求分级效率 • （2）由分级效率求总效率

46. 5.多级串联的总净化效率 • 总分级通过率 • 总分级效率 • 总除尘效率

47. §4 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 • 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

48. 一、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

49. 一、流体阻力 • 流体阻力与雷诺数的函数关系

50. 一、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