1、第五章第五章 顆粒污染物控制技術基礎顆粒污染物控制技術基礎1.粉塵的粒徑及粒徑分布粉塵的粒徑及粒徑分布2.粉塵的物理性質粉塵的物理性質3.凈化裝置的性能凈化裝置的性能4.顆粒捕集理論基礎顆粒捕集理論基礎第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布n顆粒的粒徑顆粒的粒徑顯微鏡法顯微鏡法定向直徑定向直徑dF（Feret 直徑）：各顆粒在投影圖直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向上的最大投影長度中同一方向上的最大投影長度定向面積等分直徑定向面積等分直徑dM（Martin直徑）：各顆粒直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向將顆粒投影面積二等分的在投影圖中同一方向將顆粒投影面積二等分的線段長度線段長度投

2、影面積直徑投影面積直徑dA（Heywood直徑）：與顆粒投直徑）：與顆粒投影面積相等的圓的直徑影面積相等的圓的直徑 Heywood測定分析表明，同一顆粒的測定分析表明，同一顆粒的dFdAdM顆粒的直徑顆粒的直徑n顯微鏡法觀測粒徑直徑的三種方法顯微鏡法觀測粒徑直徑的三種方法a-定向直徑定向直徑 b-定向面積等分直徑定向面積等分直徑 c-投影面積直徑投影面積直徑顆粒的直徑顆粒的直徑篩分法篩分法篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度篩分采用的普通篩子是用平織的金屬絲網制成篩分采用的普通篩子是用平織的金屬絲網制成篩孔的大小用目表示每英寸長度上篩孔的個篩孔的大小

3、用目表示每英寸長度上篩孔的個數數我國常用泰勒標準篩我國常用泰勒標準篩顆粒的直徑顆粒的直徑光散射法光散射法等體積直徑等體積直徑dV：與顆粒體積相等的球體的直徑：與顆粒體積相等的球體的直徑沉降法沉降法斯托克斯（斯托克斯（Stokes）直徑）直徑ds：同一流體中與顆：同一流體中與顆粒密度相同、沉降速度相等的球體直徑粒密度相同、沉降速度相等的球體直徑空氣動力學當量直徑空氣動力學當量直徑da：在空氣中與顆粒沉降：在空氣中與顆粒沉降速度相等的單位密度（速度相等的單位密度（1g/cm3）的球體的直徑）的球體的直徑 斯托克斯直徑和空氣動力學當量直徑與顆粒的空斯托克斯直徑和空氣動力學當量直徑與顆粒的空氣動力學行

4、為密切相關，是除塵技術中應用最多氣動力學行為密切相關，是除塵技術中應用最多的兩種直徑的兩種直徑3/1)/6(Vdv顆粒的直徑顆粒的直徑n粒徑的測定結果與顆粒的形狀有關粒徑的測定結果與顆粒的形狀有關n通常用圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程度通常用圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程度n圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比面積之比s（ s1）n正立方體正立方體s0.806，圓柱體，圓柱體s2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)顆粒的直徑顆粒的直徑n某些顆粒的圓球度某些顆粒的圓球度粒徑分布粒徑分布n粒徑分布指不同粒徑范圍內顆粒的個數

5、（或粒徑分布指不同粒徑范圍內顆粒的個數（或質量或表面積）所占的比例質量或表面積）所占的比例n個數分布個數分布:每一間隔內的顆粒個數每一間隔內的顆粒個數n個數頻率：第個數頻率：第i個間隔中的顆粒個數個間隔中的顆粒個數ni與顆粒與顆?？倲悼倲祅i之比之比iiNinfn粒徑分布粒徑分布n個數篩下累積頻率：小于第個數篩下累積頻率：小于第i個間隔上限粒徑個間隔上限粒徑的所有顆粒個數與的所有顆粒個數與 顆?？倐€數之比顆?？倐€數之比iiiNinFn粒徑分布粒徑分布n個數頻率密度個數頻率密度pp()d/dp dFd粒徑分布粒徑分布n粒數分布的測定及計算粒數分布的測定及計算粒徑分布粒徑分布n個數眾徑頻度個數眾徑

6、頻度p最大時對最大時對應的粒徑，此時應的粒徑，此時n個數中位徑（個數中位徑（NMD）累）累計頻率計頻率F=0.5時對應的粒徑時對應的粒徑22ppdd0ddpFdd粒徑分布粒徑分布n質量分布質量分布類似于數量分布，也有質量頻率、質量篩下累積類似于數量分布，也有質量頻率、質量篩下累積頻率、質量頻率密度等頻率、質量頻率密度等在所有顆粒具有相同密度、顆粒質量與粒徑立方在所有顆粒具有相同密度、顆粒質量與粒徑立方成正比的假設下，粒數分布與質量分布可以相互成正比的假設下，粒數分布與質量分布可以相互換算換算同樣的，也有質量眾徑和質量中位徑（同樣的，也有質量眾徑和質量中位徑（MMD）平均粒徑平均粒徑n前面定義的

7、質量眾徑和質量中位徑是常用的平均粒徑之一前面定義的質量眾徑和質量中位徑是常用的平均粒徑之一n長度平均（算數平均）直徑長度平均（算數平均）直徑n表面積平均直徑表面積平均直徑n體積平均直徑體積平均直徑n體積表面積平均直徑體積表面積平均直徑pLp iiiiinddf dn2p1/22 1/2Sp() iiiiinddf dn3p1/33 1/3Vp() iiiiinddf dn33ppSV22ppiiiiiiiindf ddndf d平均粒徑（續）平均粒徑（續）n幾何平均（算數平均）直徑幾何平均（算數平均）直徑n對于頻率密度分布曲線對稱的分布，眾徑對于頻率密度分布曲線對稱的分布，眾徑 、中位徑、中位

8、徑 和算術平均直徑和算術平均直徑 相等相等n頻率密度非對稱的分布，頻率密度非對稱的分布，3121/g123pg(.)lnexp() 或 nnnNiiddddnddNdd50dLdd50Lddd粒徑分布函數粒徑分布函數n用一些半經驗函數描述一定種類粉塵的粒徑分布用一些半經驗函數描述一定種類粉塵的粒徑分布n正態分布正態分布n對數正態分布對數正態分布n羅辛拉姆勒分布（羅辛拉姆勒分布（RosinRammler）RR的適用范圍較廣，特別對破碎、研磨、篩分的適用范圍較廣，特別對破碎、研磨、篩分過程產生的較細粉塵更為適用過程產生的較細粉塵更為適用第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質n粉塵的密度粉塵的密

9、度單位體積粉塵的質量，單位體積粉塵的質量，kg/m3或或g/cm3粉塵體積不包括顆粒內部和之間的縫隙真密度粉塵體積不包括顆粒內部和之間的縫隙真密度用堆積體積計算用堆積體積計算堆積密度堆積密度空隙率空隙率粉塵顆粒間和內部空隙的體積與堆積粉塵顆粒間和內部空隙的體積與堆積總體積之比總體積之比bp(1) bp粉塵的安息角與滑動角粉塵的安息角與滑動角n安息角：粉塵從漏斗連續落下自然堆積形成的圓錐體安息角：粉塵從漏斗連續落下自然堆積形成的圓錐體母線與地面的夾角母線與地面的夾角n滑動角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜滑動角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運動時粉塵開始發生滑動的平板傾角運動時

10、粉塵開始發生滑動的平板傾角n安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標n安息角和滑動角的影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆安息角和滑動角的影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性粒形狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性粉塵的比表面積粉塵的比表面積n單位體積粉塵所具有的表面積單位體積粉塵所具有的表面積n以質量表示的比表面積以質量表示的比表面積n以堆積體積表示的比表面積以堆積體積表示的比表面積23VSV6 (cm /cm )SSVd2mppSV6 (cm /g)SSVd23bVSV(1)6(1)(1) (cm /cm )SSSVd粉塵的含水率

11、粉塵的含水率n粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和細孔粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和細孔中的中的自由水分自由水分以及顆粒內部的以及顆粒內部的結合水分結合水分n含水率水分質量與粉塵總質量之比含水率水分質量與粉塵總質量之比n含水率影響粉塵的導電性、粘附性、流動性等物理特含水率影響粉塵的導電性、粘附性、流動性等物理特性性粉塵的含水率粉塵的含水率n吸濕現象吸濕現象7%RH，硝酸與碳酸鈣顆粒反應。，硝酸與碳酸鈣顆粒反應。從從8%開始，碳酸鈣和硝酸鈣混合顆粒開始吸濕。開始，碳酸鈣和硝酸鈣混合顆粒開始吸濕。10-11%，吸濕更強，與純硝酸鈣顆粒類似。，吸濕更強，與純硝酸鈣顆粒類似。 n平衡

12、含水率平衡含水率-每一相對每一相對濕度，都相應于粉塵一定濕度，都相應于粉塵一定的含水率的含水率粉塵的潤濕性粉塵的潤濕性n潤濕性潤濕性粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相附著或附著粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相附著或附著的難易程度的性質的難易程度的性質n潤濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、潤濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、溫度、含水率、表面粗糙度及荷電性有關，還與液體溫度、含水率、表面粗糙度及荷電性有關，還與液體的表面張力及塵粒與液體之間的粘附力和接觸方式有的表面張力及塵粒與液體之間的粘附力和接觸方式有關。關。n粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降粉塵的潤濕性隨壓力增大

13、而增大，隨溫度升高而下降n潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據2020(mm/min)20Lv超疏水表面黏附力超疏水表面黏附力n聚合物表面，上圖聚合物表面，上圖a，高黏附表面由，高黏附表面由3.5-6m的微球粒組成；低的微球粒組成；低黏附表面為葉子形狀。黏附表面為葉子形狀。n微球結構表面，連接的球粒能夠被處理成光滑正弦表面，這樣微球結構表面，連接的球粒能夠被處理成光滑正弦表面，這樣更容易接收水（上圖更容易接收水（上圖b左）。對應的，葉子形狀有尖銳的邊界（左）。對應的，葉子形狀有尖銳的邊界（上圖上圖b右），這個結構防止水浸入葉子縫隙，空氣進入縫隙后阻右），這個結構防止

14、水浸入葉子縫隙，空氣進入縫隙后阻隔表面和液體接觸，大大降低了液隔表面和液體接觸，大大降低了液-固黏附。固黏附。 粉塵的荷電性和導電性粉塵的荷電性和導電性n粉塵的荷電性粉塵的荷電性天然粉塵和工業粉塵幾乎都帶有一定的電荷天然粉塵和工業粉塵幾乎都帶有一定的電荷荷電因素電離輻射、高壓放電、高溫產生的離荷電因素電離輻射、高壓放電、高溫產生的離子或電子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、子或電子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、產生過程中荷電產生過程中荷電天然粉塵和人工粉塵的荷電量一般為最大荷電量天然粉塵和人工粉塵的荷電量一般為最大荷電量的的1/10荷電量隨溫度增高、表面積增大及含水率減小而荷電量隨溫度增高

15、、表面積增大及含水率減小而增加，且與化學組成有關增加，且與化學組成有關粉塵的荷電性和導電性粉塵的荷電性和導電性n粉塵的導電性粉塵的導電性比電阻比電阻(電阻率電阻率)導電機制：導電機制：高溫（高溫（200oC以上），粉塵本體內部的電子和離子以上），粉塵本體內部的電子和離子體積比體積比電阻電阻低溫（低溫（100oC以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學物質以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學物質表面比電阻表面比電阻中間溫度，同時起作用中間溫度，同時起作用比電阻對電除塵器運行有很大影響，最適宜范圍比電阻對電除塵器運行有很大影響，最適宜范圍1041010d ( cm)VjcmV通過粉塵層電壓J通過粉塵層

16、的電流密度粉塵層的厚度粉塵的導電性和荷電性粉塵的導電性和荷電性n典型溫度比電阻曲線典型溫度比電阻曲線粉塵的導電性和荷電性粉塵的導電性和荷電性n溫度和相對濕度對粉塵比電阻的影響溫度和相對濕度對粉塵比電阻的影響粉塵的黏附性粉塵的黏附性n黏附和自黏現象黏附和自黏現象n黏附力克服附著現象所需要的力黏附力克服附著現象所需要的力n黏附力：分子力黏附力：分子力(范德華力范德華力)、毛細力、靜電力、毛細力、靜電力(庫侖力庫侖力)n斷裂強度表征粉塵自粘性的指標，等于粉塵斷裂所斷裂強度表征粉塵自粘性的指標，等于粉塵斷裂所需的力除以其斷裂的接觸面積需的力除以其斷裂的接觸面積n分類：不黏性、微黏性、中等黏性、強黏性分

17、類：不黏性、微黏性、中等黏性、強黏性n粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響黏粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響黏附性附性粉塵的自燃性和爆炸性粉塵的自燃性和爆炸性n粉塵的自燃性粉塵的自燃性自燃自燃自燃發熱的原因氧化熱、分解熱、聚合熱、發自燃發熱的原因氧化熱、分解熱、聚合熱、發酵熱酵熱影響因素：粉塵的結構和物化特性、粉塵的存在影響因素：粉塵的結構和物化特性、粉塵的存在狀態和環境狀態和環境懸浮和堆積懸浮和堆積存放過程中存放過程中自燃自燃發熱發熱熱量積累熱量積累達到燃點達到燃點燃燒燃燒粉塵的爆炸性粉塵的爆炸性n粉塵發生爆炸必備的條件：粉塵發生爆炸必備的條件：可燃物與空氣或氧氣構成的可

18、燃混合物達到一定可燃物與空氣或氧氣構成的可燃混合物達到一定的濃度的濃度最低可燃物濃度爆炸濃度下限最低可燃物濃度爆炸濃度下限爆炸濃度上限爆炸濃度上限存在能量足夠的火源存在能量足夠的火源第三節第三節 凈化裝置的性能凈化裝置的性能n評價凈化裝置性能的指標評價凈化裝置性能的指標技術指標技術指標處理氣體流量處理氣體流量凈化效率凈化效率壓力損失壓力損失經濟指標經濟指標設備費設備費運行費運行費占地面積占地面積凈化裝置技術性能的表示方法凈化裝置技術性能的表示方法n處理氣體流量處理氣體流量漏風率漏風率;/N;/N)(2/132,31 ,2,1 ,smqsmqqqqNVNVNVNVNV裝置出口氣體流量裝置進口氣體

19、流量(%)1001 ,1 ,2,NVNVNVqqq3 ,2,1 ,mmmqqqqv,2N2Nqm,2g2qv,1N1Nqm,1g1qm,3 g3 捕集粉塵凈化裝置技術性能的表示方法凈化裝置技術性能的表示方法n壓力損失壓力損失n污染物濃度污染物濃度3 ,2,1 ,mmmqqqqv,2N2Nqm,2g2qv,1N1Nqm,1g1qm,3 g3 捕集粉塵NvNmqq1 ,11 ,3 ,2,1 ,mmmqqqNvNmqq2,22,21 (Pa)2vP總凈化效率的表示方法總凈化效率的表示方法n總凈化效率總凈化效率n通過率通過率n分級除塵效率：對某一粒徑或粒徑間隔的粉塵除分級除塵效率：對某一粒徑或粒徑間隔

20、的粉塵除塵效率塵效率n分割粒徑除塵效率為分割粒徑除塵效率為50的粒徑的粒徑NvNNvNmmmmqqqqqq1 , 12, 21 ,2,1 ,3 ,1111 , 12 , 21 ,2 ,NvNNvNmmqqqqPimimimimiqqqq1 ,2 ,1 ,3 ,1幾種除塵器分級效率幾種除塵器分級效率分級效率與總效率的關系分級效率與總效率的關系n由總效率求分級效率由總效率求分級效率n由分級效率求總效率由分級效率求總效率imimgqq11 ,1 ,1111p00ddiiiiigGq dimimgqq33 ,3 ,imimgqq22 ,2 ,iiiiimimiiiimimigPgggPgqgqgggq

21、gq321211 ,22,1311 ,33 ,/11多級串聯的總凈化效率多級串聯的總凈化效率n總分級通過率總分級通過率n總分級效率總分級效率n總除塵效率總除塵效率12iTiiinPP PP1211 (1)(1)(1)iTiTiiinP 121 (1)(1)(1)Tn 第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎n對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產生一定位移并從氣對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產生一定位移并從氣流中分離流中分離n顆粒捕集過程中需要考慮的作用力：外力、流體阻力、顆粒捕集過程中需要考慮的作用力：外力、流體阻力、顆粒間相互作用力顆粒間相互作用力外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、

22、外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、泳力等熱力、泳力等阻力：最基本作用力阻力：最基本作用力顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時可以忽略顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時可以忽略流體阻力流體阻力n流體阻力形狀阻力摩擦阻力流體阻力形狀阻力摩擦阻力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 2DDpDpp1 (N)2() pFC AuduCf ReRepDpDp241 Stokes3 (N) ReCReFd u（層流）時 得到公式：pD0.6p18.51500 ReCRe湍流過渡區 pD22Dp500 0.440.055 ReCFd u湍流區（牛頓區） 500Rep2105流體

23、阻力流體阻力n流體阻力與雷諾數的函數關系流體阻力與雷諾數的函數關系 流體阻力流體阻力n顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時，顆粒發顆粒尺寸與氣體平均自由程接近時，顆粒發生滑動生滑動坎寧漢修正坎寧漢修正pDp31.1011.2570.400exp() 2 /8 (m) , (m/s)0.499 其中努森數d uFCCKnKndKnRTvMv阻力導致的減速運動阻力導致的減速運動n根據牛頓第二定律根據牛頓第二定律n若僅考慮若僅考慮Stokes區域區域n積分得積分得n速度由速度由u0減速到減速到u所遷移的距離所遷移的距離n若引入坎寧漢修正系數若引入坎寧漢修正系數Cn停止距離停止距離馳豫時間或松弛時間馳豫時間

24、或松弛時間322pppDD2Dppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(1e)txuuu/0(1e)tCxu Cs0 xu C重力沉降重力沉降n力平衡關系力平衡關系nStokes顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響）顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響）n湍流過渡區湍流過渡區n牛頓區牛頓區nStokes直徑直徑n空氣動力學直徑空氣動力學直徑2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp1

25、8udgCsaa181000udgC離心沉降離心沉降n力平衡關系力平衡關系nStokes顆粒的末端沉降速度顆粒的末端沉降速度23tDCpp6uFFdR22pptcc2tc18 其中duuCa CRuaR靜電沉降靜電沉降n力平衡關系力平衡關系n靜電沉降的末端速度習慣上稱為驅進速度，用靜電沉降的末端速度習慣上稱為驅進速度，用 表示，表示，對于對于Stokes粒子：粒子：DEFFqEp3qECd慣性沉降慣性沉降n顆粒接近靶時的運動情況顆粒接近靶時的運動情況慣性碰撞慣性碰撞n慣性碰撞的捕集效率取決于三個因素慣性碰撞的捕集效率取決于三個因素氣流速度在靶周圍的分布，用氣流速度在靶周圍的分布，用ReD衡量衡

26、量顆粒運動軌跡，用顆粒運動軌跡，用Stokes數描述數描述顆粒對捕集體的附著，通常假定為顆粒對捕集體的附著，通常假定為1000DcuDRe2pp0s0ccc18du Cx Cu CStDDD慣性碰撞慣性碰撞n慣性碰撞分級慣性碰撞分級效率與效率與 的的關系關系St攔截攔截n直接攔截發生在顆粒距捕集體直接攔截發生在顆粒距捕集體dp/2的距離內的距離內n攔截效率用直接攔截比攔截效率用直接攔截比R表示表示n對于慣性大的顆粒對于慣性大的顆粒 DIDI- -攔截引起的捕集效率增量攔截引起的捕集效率增量n對于慣性小的顆粒對于慣性小的顆粒DI2DI 圓柱形捕集體 球形捕集體RRpcdRDDI=2R+R22R 球形捕集體球形捕集體DI2DI2DIDDD22DI112 (R0.1) 11(1)3 (R0.1) 11(2)(1)ln(1) (R0.07,0.5) 2.002ln2(1)2.002ln3(1)13(1)