第五章第五章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础主要内容：主要内容：1.颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布2.粉尘的物理性质粉尘的物理性质3.净化装置的性能净化装置的性能4.颗粒捕集理论基础颗粒捕集理论基础学习要求：学习要求：掌握颗粒粒径分布特点，学会计算平均粒径；掌握粉尘物理性质；掌掌握颗粒粒径分布特点，学会计算平均粒径；掌握粉尘物理性质；掌握除尘系统的关键参数，学会计算除尘效率；掌握颗粒捕集的理论基础，握除尘系统的关键参数，学会计算除尘效率；掌握颗粒捕集的理论基础，学会计算几种主要作用力及分级除尘效率学会计算几种主要作用力及分级除尘效率第一节第一节 颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径及粒径分布n颗粒的粒径颗粒的粒径显微镜法显微镜法定向直径定向直径dF（Feret 直径）：各颗粒在投影图中同一方直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度向上的最大投影长度定向面积等分直径定向面积等分直径dM（Martin直径）：各颗粒在投影图直径）：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投影面积直径dA（Heywood直径）：与颗粒投影面积相直径）：与颗粒投影面积相等的圆的直径等的圆的直径 Heywood测定分析表明，同一颗粒的测定分析表明，同一颗粒的dFdAdM颗粒的直径颗粒的直径n显微镜法观测粒径直径的三种方法显微镜法观测粒径直径的三种方法a-定向直径定向直径b-定向面积等分直径定向面积等分直径c-投影面积直径投影面积直径颗粒的直径颗粒的直径筛分法筛分法筛分直径：颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度筛分直径：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筛孔的大小用目表示每英寸长度上筛孔的个数光散射法光散射法等体积直径等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径：与颗粒体积相等的球体的直径沉降法沉降法斯托克斯（斯托克斯（Stokes）直径）直径ds：同一流体中与颗粒密度相：同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体直径同、沉降速度相等的球体直径空气动力学当量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：在空气中与颗粒沉降速度相等的单位密度（的单位密度（1g/cm3）的球体的直径）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切相关，是除尘技术中应用最多的两种直径颗粒的直径颗粒的直径n粒径的测定结果与颗粒的形状有关粒径的测定结果与颗粒的形状有关n圆球度圆球度表示颗粒形状与球形不一致的程度表示颗粒形状与球形不一致的程度n圆球度：与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表圆球度：与颗粒体积相等的球体的表面积和颗粒的表面积之比面积之比s（s1时，近似于对数正态分布；时，近似于对数正态分布；n3时，更适合于时，更适合于正态分布正态分布p1lgln()lglg1ndG第二节第二节 粉尘的物理性质粉尘的物理性质n粉尘的密度粉尘的密度单位体积粉尘的质量，单位体积粉尘的质量，kg/m3或或g/cm3粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙真密度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用堆积体积计算堆积密度堆积密度空隙率空隙率粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比积之比bp(1)bp粉尘的安息角与滑动角粉尘的安息角与滑动角n安息角：粉尘从漏斗连续落下自然堆积形成的圆锥体母线安息角：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与地面的夹角n滑动角：自然堆积在光滑平板上的粉尘随平板做倾斜运动滑动角：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时粉尘开始发生滑动的平板倾角n安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标n安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形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、粉尘粘性状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性粉尘的比表面积粉尘的比表面积n单位体积粉尘所具有的表面积单位体积粉尘所具有的表面积n以质量表示的比表面积以质量表示的比表面积n以堆积体积表示的比表面积以堆积体积表示的比表面积23VSV6(cm/cm)SSVd2mppSV6(cm/g)SSVd23bVSV(1)6(1)(1)(cm/cm)SSSVd粉尘的含水率粉尘的含水率n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自由水分水分以及颗粒内部的以及颗粒内部的结合水分结合水分n含水率含水率水分质量与粉尘总质量之比水分质量与粉尘总质量之比n含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性n吸湿现象吸湿现象:溶液上方的水蒸汽压小于周围气体的水蒸汽压溶液上方的水蒸汽压小于周围气体的水蒸汽压,粉尘从粉尘从气体中吸收水蒸汽气体中吸收水蒸汽n平衡含水率平衡含水率:气体的每一相对湿度气体的每一相对湿度,都对应于粉尘的一定的含水率都对应于粉尘的一定的含水率粉尘的润湿性粉尘的润湿性n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度的性质n润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、温度、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。
粒与液体之间的粘附力和接触方式有关n粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降n润湿速度润湿速度n润湿性是选择湿式除尘器的主要依据润湿性是选择湿式除尘器的主要依据2020(mm/min)20Lv粉尘的荷电性和导电粉尘的荷电性和导电性性n粉尘的荷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、产生过程中荷子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦、产生过程中荷电电天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量的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，荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关且与化学组成有关粉尘的荷电性和导电性粉尘的荷电性和导电性n粉尘的导电性粉尘的导电性比电阻比电阻导电机制：导电机制：高温（高温（200oC以上），粉尘本体内部的电子和离子以上），粉尘本体内部的电子和离子体积比电阻体积比电阻低温（低温（100oC以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质表面以下），粉尘表面吸附的水分或其他化学物质表面比电阻比电阻中间温度，同时起作用中间温度，同时起作用比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围比电阻对电除尘器运行有很大影响，最适宜范围1041010d (cm)Vjcm粉尘的导电性和荷电性粉尘的导电性和荷电性n典型温度比电阻曲线典型温度比电阻曲线粉尘的粘附性粉尘的粘附性n粘附和自粘现象粘附和自粘现象n粘附力克服附着现象所需要的力粘附力克服附着现象所需要的力n粘附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力）粘附力：分子力（范德华力）、毛细力、静电力（库仑力）n断裂强度表征粉尘自粘性的指标，等于粉尘断裂所需的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除以其断裂的接触面积n分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性分类：不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性n粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性粒径、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和爆炸性n粉尘的自燃性粉尘的自燃性自燃自燃自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、发自然发热的原因氧化热、分解热、聚合热、发酵热酵热影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在影响因素：粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境状态和环境存放过程中自然发热存放过程中自然发热热量积累热量积累达到燃点达到燃点燃烧燃烧粉尘的爆炸性粉尘的爆炸性n粉尘发生爆炸必备的条件：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可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度的浓度最低可燃物浓度爆炸浓度下限最低可燃物浓度爆炸浓度下限最高可燃物浓度爆炸浓度上限最高可燃物浓度爆炸浓度上限存在能量足够的火源存在能量足够的火源第三节第三节 净化装置的性能净化装置的性能n评价净化装置性能的指标评价净化装置性能的指标技术指标技术指标处理气体流量处理气体流量净化效率净化效率压力损失压力损失经济指标经济指标设备费设备费运行费运行费占地面积占地面积净化装置技术性能的表示方法净化装置技术性能的表示方法n处理气体流量处理气体流量漏风率漏风率n压力损失压力损失1N3N2NN1()(m/s)2Q1N2N1N100 (%)Q21 (Pa)2vP总净化效率的表示方法总净化效率的表示方法n总净化效率：同一时间内净化去除的污染物数量与进总净化效率：同一时间内净化去除的污染物数量与进入装置的污染物数量之比入装置的污染物数量之比n通过率：通过率：n分级除尘效率分级除尘效率n分割粒径分级除尘效率为分割粒径分级除尘效率为50的粒径的粒径22N2N11N2N11 SQSQ22N2N11N1N1 SQPSQ32111 iiiiiSSSS分级效率与总效率的关系分级效率与总效率的关系n由总效率求分级效率由总效率求分级效率n由分级效率求总效率由分级效率求总效率333112221112311/iiiiiiiiiiiiiS ggS ggS ggPS ggPgg1111p00ddiiiiigGq d多级串联的总净化效率多级串联的总净化效率n总分级通过率总分级通过率n总分级效率总分级效率n总除尘效率总除尘效率12iTiiinPP PP1211(1)(1)(1)iTiTiiinP 121(1)(1)(1)Tn 第四节第四节 颗粒捕集的理论基础颗粒捕集的理论基础n对颗粒施加外力使颗粒相对气流产生一定位移并从气流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中分离n颗粒捕集过程中需要考虑的作用力：外力、流体阻力、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、外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等泳力等颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略流体阻力流体阻力n流体阻力形状阻力摩擦阻力流体阻力形状阻力摩擦阻力n阻力的方向和速度向量方向相反阻力的方向和速度向量方向相反n n n 2DDpDpp1 (N)2()pFC AuduCf ReRepDpDp241 Stokes3 (N)ReCReFd u（层流）时 得到公式：pD0.6p18.51500 ReCRe湍流过渡区 pD22Dp500 0.440.055 ReCFd u湍流区（牛顿区）流体阻力流体阻力n流体阻力与雷诺数的函数关系流体阻力与雷诺数的函数关系 流体阻力流体阻力n颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动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坎宁汉修正pDp31.1011.2570.400exp()2/8 (m),(m/s)0.499 其中努森数d uFCCKnKndKnRTvMv4.5 4.5 试计算下列条件下，球形粉尘粒子在静止空试计算下列条件下，球形粉尘粒子在静止空气中的沉降阻力：气中的沉降阻力：（1 1）（2 2）（3 3）解：由题给空气温度，查附录解：由题给空气温度，查附录6 6，当，当t=20t=20时，时，=1.81=1.811010-5-5pa.spa.s，=1.20kg/m=1.20kg/m3 3,t=100,t=100时，时，=2.1g=2.1g1010-5-5pa.spa.s，=0.947kg/m=0.947kg/m3 3PapCtmkgmdopp53100.1,20,/1000,80PapCtmkgmdopp53100.1,20,/1000,40351,1000/,100,1.0 10oppdmkg m tC pPa（1 1）若雷诺数）若雷诺数Rep1Rep1，在斯托克斯区，在斯托克斯区 由式由式4.264.26，由式由式4.124.12，R Repep=d=dp p u/u/=1 =1 假设正确。
由式假设正确由式4.144.14 smgdupps/19.0182)(1059.239NudFpD（2 2）当）当d dp p=40=40m m时时 由由4.26 4.26 R Repep=d=dp p u/u/=0.231=0.231 smgdupps/108.41822)(1027.3310NudFpD(3)(3)当当d dp p=1.0m=1.0m时时 由式由式4.274.27，其中由式其中由式4.184.18计算计算 smCgdupps/101.31852)10.1exp(400.0257.1 1nnkkCsmMRTu/4.516/8mmuM281093.81093.8499.0 k kn n=2/d=2/d =2 =28.93/1.08.93/1.0 =0.179 =0.179 R Repep=d=dp p u/u/=1.35=1.351010-4-4 1 1 225.1)179.010.1exp(400.0257.1 179.01C)(102.5/315NCudFpD阻力导致的减速运动阻力导致的减速运动n根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律n若仅考虑若仅考虑Stokes区域区域n积分得积分得 或或 n速度由速度由u0减速到减速到u所迁移的距离所迁移的距离n若引入坎宁汉修正系数若引入坎宁汉修正系数Cn停止距离停止距离驰豫时间或松弛时间驰豫时间或松弛时间322pppDD2Dppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(1e)txuuu/0(1e)tCxu Cs0 xu Cuut/ln0重力沉降重力沉降n力平衡关系力平衡关系nStokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）n湍流过渡区湍流过渡区n牛顿区牛顿区nStokes直径直径n空气动力学直径空气动力学直径2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74()/udgssp18udgCsaa181000udgC离心沉降离心沉降n力平衡关系力平衡关系nStokes颗粒的末端沉降速度颗粒的末端沉降速度23tDCpp6uFFdR22pptcc2tc18 其中duuCa CRuaR静电沉降静电沉降n力平衡关系力平衡关系n静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用 表示，表示，对于对于Stokes粒子：粒子：DEFFqEp3qECd惯性沉降惯性沉降n颗粒接近靶时的运动情况颗粒接近靶时的运动情况惯性碰撞惯性碰撞n惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素气流速度在靶周围的分布，用气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量衡量颗粒运动轨迹，用颗粒运动轨迹，用Stokes数描述数描述颗粒对捕集体的附着，通常假定为颗粒对捕集体的附着，通常假定为1000DcuDRe2pp0s0ccc18du Cx Cu CStDDD惯性碰撞惯性碰撞n惯性碰撞分级效率惯性碰撞分级效率与与 的关系的关系St拦截拦截n直接拦截发生在颗粒距捕集体直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内的距离内n拦截效率用直接拦截比拦截效率用直接拦截比R表示表示n对于惯性大的颗粒对于惯性大的颗粒n对于惯性小的颗粒对于惯性小的颗粒pcdRDDI2DI2DIDDD22DI112 (R0.1)11(1)3 (R0.1)11(2)(1)ln(1)(R0.07,0.5)2.002ln2(1)2.002ln3(1)13(1)(R0.1)22(1)2RRRRRRRRRRRReReRReRRRR 圆柱体势流球体势流圆柱体粘性流球体粘性流222DIDIRRRR球形捕集体圆柱形捕集体扩散沉降扩散沉降n扩散系数和均方根位移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约等于或大于气体分子平均自由程的颗粒用爱因斯坦公式计算：用爱因斯坦公式计算：对于粒径大于分子但小于气体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由朗格缪尔公式计算：由朗格缪尔公式计算：颗粒的均方根位移（时间颗粒的均方根位移（时间t秒钟）秒钟）222222()nnnnDtxyz2p (m/s)3CkTDd22p48 (m/s)3kTRTDd PM2xDt扩散沉降扩散沉降n标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较扩散沉降效率扩散沉降效率n扩散沉降效率取决于皮克莱数扩散沉降效率取决于皮克莱数Pe和雷诺数和雷诺数ReDnPe是由惯性力产生的颗粒的迁移量与布朗扩散产生的颗粒的迁移量之是由惯性力产生的颗粒的迁移量与布朗扩散产生的颗粒的迁移量之比，是捕集过程中扩散沉降重要性的量度。
比，是捕集过程中扩散沉降重要性的量度n粘性流单个圆柱体的效率粘性流单个圆柱体的效率n势流单个圆柱体效率势流单个圆柱体效率n孤立球形捕集体孤立球形捕集体n从理论上讲，从理论上讲，是可能的，因为布朗扩散可能导致来自是可能的，因为布朗扩散可能导致来自Dc距离之外的颗粒与捕集体碰撞距离之外的颗粒与捕集体碰撞0cu DPeD2/3BD1/3D1.71(2ln)PeReBD1/23.19Pe1/85/8BDD82.23RePePeBD1扩散沉降效率扩散沉降效率n惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较n由上例可见，对于大颗粒的捕集，布朗扩散的作由上例可见，对于大颗粒的捕集，布朗扩散的作用很小，主要靠惯性碰撞作用；反之，对于很小用很小，主要靠惯性碰撞作用；反之，对于很小的颗粒，惯性碰撞的作用微乎其微，主要是靠扩的颗粒，惯性碰撞的作用微乎其微，主要是靠扩散沉降在惯性碰撞和扩散沉降都无效的粒径范散沉降在惯性碰撞和扩散沉降都无效的粒径范围内（围内（0.2-1微米）捕集效率最低微米）捕集效率最低。