第3章大气污染控制的基础知识

§3.大气污染控制基础知识•介绍气体及颗粒物的基本性质，气态污染物及颗粒污染物控制的基础理论知识。•§3.1气体的物理性质•§3.1.1气体状态方程•对理想气体TRMmPV0mRTPV§3.1.2气体的基本物理性质•则理想气体混合物平均摩尔质量和密度可由下式求得：VmRTPTRPMVm0•1．密度•单位体积气体的质量当为理想气体时，可用理想气态方程计算•对气态污染物和空气的混合物，其平均摩尔质量是混合物各组分摩尔质量的加权平均值niiiaaMCMCM1niiiaaMCMCTRP10.(颗粒污染物和空气混合物的密度也可用下列方程式niiiaaCC1空气体积浓度与颗粒物体积浓度关系如下：niiaCC112.比热——摩尔物质温度升高一度所需要的热量，比热有恒压比热和恒容比热两种。对理想气体：RCCvp比热比vpCCK1KKRCP1KRCv空气、其态污染物和颗粒混合物的平均比热是个组分比热的加权平均值，加权函数是组分的质量分数。用C表示质量分数，平均比热可由下列各式求得：恒压平均比热：_1nipimipamapCCCCC恒容平均比热：_1nivimivamavCCCCC3．粘度对非均匀流动的气体，在相邻流层接触面上，存在着切向作用力，称为内摩擦力。dydvAF单位面积上的内摩擦力或剪应力为：dydvAF气体与温度的关系在常压下表示为：mTT)(00u0—T=273K时的气体粘度niiiaainiiiaaamMCMCMCMC1121212121若混合物中含有等速运动的球形液滴，其粘度可用泰勒方程式计算：)115.21(papavpaC式中：Cvp—液滴的体积分数；μp—液滴的粘度气体污染物与空气混合物的平均粘度在低压下可用下式计算：对球形固体颗粒，上式可简化为：)5.21(vpaC对不同颗粒物污染与空气污染物的混合物的粘度，由于颗粒粘度对混合物粘度影响不大，故可用总体积粘度代替方程式中的Cvp)5.21(1niiaC§3.2物料恒算与能量恒算§3.2.1物料恒算1．物料恒算式物料恒算是研究某一个体系内进出物料量及组成的变化，根据质量守恒定律，对特定体系，输入体系的物料量等于输出体系的物料量加上体系内积累的物料量之和。即：输入的物料量=输出的物料量+积累的物料量若体系内发生化学反应，则对任一组分或元素做恒算时，必须把反应消耗或生成的量也包含在内，故：输入的物料量±反应生成或消耗的物料量=输出的物料量+积累的物料量式中：对反应物作恒算时，由反应而消耗的量，取减号；对生成物作恒算时，由反应而生成的量，取加号。若体系为连续稳定状态，则积累的物料量为零，对无化学反应的过程，则：输入的物料量=输出的物料量对有化学反应的过程，则：输入的物料量±反应生成或消耗的物料量=输出的物料量2．物料恒算的基本步骤1）搜集计算数据：如流量、温度、压力、浓度等；2）画出物料流程图；流向、变量等3）确定恒算体系；4）写出所有化学反应式；5）列出物料恒算式，进行数学求解。3.连续性方程对可压缩流体作稳定管流运动时的连续性方程：常数GVAVA222111对不可压缩流体作稳定管流运动时的连续性方程：常数QVAVA2211当过流断面为圆形时，则有：21221)(DDvv一般认为，气体为可压缩性流体，液体是不可压缩性流体。当流速较低时，气体的流动可近似认为是在做不可压缩流动。判定气体是否作不可压缩流动的标准是马赫数，其定义为流体流速与声速之比，即：aAvvM若：0.25即：85.8m.s可认为是不可压缩流动。§3.2.2能量恒算1．能量恒算的基本方程根据能量守恒原理，能量恒算的基本方法为：输入系统的能量-输出系统的能量=系统内积累的能量式中能量包括：内能、动能、势能、热能、功等等。当系统连续稳定运行时，系统内积累的能量等于零。如教材图3-5，以系统进、出口断面为基准可列出恒算式：22222211121122PgzvUWQPgzvU式中的U+Pv为流体的焓，故上式可写为：2222121122gzvHWQgzvH令：122122212;;zzzvvvHHHWQzgvH22则：3．机械能恒算在废气输送过程中，往往传热量、内能的变化相对较小，此时总能量恒算式可简化为：WQPzgvU22因：1WQUzgvP)(22故：则：上式可写为：WQzgvH22WQEEHPk或：2．热量恒算对于没有功的传递，且动能和位能差可以忽略的设备和过程，总能量恒算式可简化为：12HHHQ若进出设备的物料不止一种，则该式为：12HHQ3．机械能恒算在废气输送过程中，往往传热量、内能的变化相对较小，此时总能量恒算式可简化为：WQPzgvU221因：故：WQUzgvP)(22在流体输送过程中，内能变化应等于过程中交换的热量Q和由于摩擦作用使部分机械能变成热能损失之和，即：fhQU则：WhzgvPf22若没有摩擦损失和其他设备对流体做功则：022zgvP此为理想流体伯努里方程或：022zgvgP由于流体阻力客观存在，实际流体伯努里方程为：022fhzgvP§3.3颗粒粒径及粒径分布§3.3.1粒径颗粒群.由大小不同、形状各异、物理和化学性能不同的微小粒子构成的混合体。其粒径分为反映单个颗粒大小的单一粒径及反映颗粒群粒子尺寸的平均粒径。1．单个颗粒的粒径三种表示方法：1)投影粒径2）几何当量粒径3）物理当量粒径见表3-11．平均粒径——反映颗粒群特性的粒径平均值。定义：对一个不同粒径的颗粒群，与一个均匀球形颗粒的颗粒群，若其具有相同的物理性质，则球形颗粒的粒径即为实际颗粒群的平均粒径。表3-2§3.3.2粒径分布表示法1）粒数分布2）质量分布表示方法：表格法、图形法、函数法（1）频率分布——指某直径范围的颗粒质量占总颗粒质量的百分比%1000mmD（2）频率密度分布（频度分布）——指单位粒径间隔的频率分布，或单位粒径间隔质量占总质量的百分比pdDf（3）筛上累计频率分布——指大于某一粒径的全部颗粒质量占总质量的百分比若已知分布曲线函数，可计算特定粒径1）加权平均径——指f（dP）曲线下形心位置的的直径，为常用平均粒径。maxmin)()(100140ddpppddddfd2）众径d0m——位于f（dP）曲线最高点的直径3）中位径d50——R=D50%处的直径筛下累计频率分布ppddppddddfDRminmin)(由累计频率分布的定义，进行积分，则：1)()(maxminddppdddfDRmaxmax)(ddppddppddfDR§3.3.3粒径分布函数1．对数正态分布])(ln2)ln(lnexp[2ln100)(ln22ggpgpdddf])(693.0exp[)(50dddRpp])(exp[)(ppddR2罗辛-拉姆勒（R-R）分布•§3.4粉体颗粒的物理性质•§3.4.1密度•1.真密度•——排除内部空气后测得的粉尘密度•2.堆积密度•——包含间隙空气的粉体密度•§3.4.2比表面积•——单位体积或体积物体所具有的表面积SVsd6颗粒的体积颗粒的表面积§3.4.3颗粒的湿润性能——粉尘粒子与液体附着难易程度的性质当尘粒与液体一旦接触就能扩大湿润表面而相互附着的粉尘称为湿润性（亲水性）粉尘；如水泥、飞灰、石灰……；适于湿式除尘。反之，称为非湿润性（疏水性）粉尘；如煤粉、石墨粉….；不适于湿式除尘。§3.4.3颗粒的荷电性与导电性1、颗粒的荷电性——粉尘颗粒获得电荷的能力运动颗粒的破碎、碰撞、摩擦等；进入气体电离化电场中；均可获得电子。其性能取决于内部化学组成及结构、及外部荷电条件。iV2．粉尘的导电性——粉尘颗粒传输电荷的能力通常用比电阻表示：§3.4.5休止角（堆积角、滑动角）——粉尘自然堆积后，锥体母线与水平面的夹角表示粉尘的流动性，休止角越小，流动性越好。§3.4.6颗粒的黏附性——颗粒之间及与其他物体的团聚和附着性能。黏附性好，收尘效率高，但又一黏附在器（管）壁上形成堵塞。§3.5气体中的颗粒动力学§3.5.1球形颗粒的阻力颗粒在流体中匀速运动时，受力主要有重力、流体浮力及运动阻力运动流体阻力可表示为CD—阻力系数，为颗粒雷诺数Rep的函数，图3-11为球形颗粒CD—Rep关系曲线可分三个区域2422vdCFpDDspepDvdRC2424spDvdF35.05.18epDRC1）斯托克斯区：Rep1，颗粒处于层流状态Bird公式2）过渡区：1＜Re≤500，流体运动向湍流过渡2444.022vdFpD44.0DC（3）涡流区：500＜Re≤2×105，颗粒处于与湍流状态§3.5.2康宁汉修正因子但颗粒尺寸与分子平均自由程相当时，颗粒与表面气体形成速度差，形成滑动，颗粒所受阻力下降。故引入康宁汉修正系数CCvdFspD3)]10.1exp(4.0257.1[1nnKKC式中：Kn——努森数，pMndK2RTMM2对常压下空气，卡尔努特方程pdTC101021.61§3.6净化装置的性能§3.6.1净化装置的性能指标1．处理气体量——经由净化器处理的气体流量由于漏风缘故，用平均处理量表示2/)(21NNNQQQ其漏风率为%1001120NNNQQQ2、净化效率——单位时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物的量之比3、压降（阻力损失）——净化装置进出口截面流体静压差22vP其表达式为：§3.6.2净化效率计算1．总净化效率321SSS如图3-12NNQCS111NNQCS222根据净化效率的定义12131SSSS或：NNNNQCQC113221若装置不漏风，则：NNCC121)...]1)(1)(1(1[321T若净化装置串联使用，则系统总效率为：1．分级效率——除尘装置对某一特定粒径或该粒径某一范围内粉尘颗粒的除尘效率。设除尘器进口、出口及捕集口颗粒dpi的质量流量分别为S1i、S2iS3i则粒径dpi颗粒的分级效率为：iiiidiSSSS12131当ηd1=50%时所对应的颗粒，成为除尘器的分（切）割粒径，一般表示为dc50。1．分级效率与总除尘效率的关系（1）由总除尘效率求分级效率设除尘器进口、出口及捕集口的粒径频率分布分别为△D1i、△D2i、△D3i，则根据粒径频率分布的定义有iiiiiiDSSDSSDSS333222111;;根据分级效率的定义：iiiidiDDDSDS131133或：iiiiiidiDDDSDSSDSDS12112311122)1(1)(11若以频率密度表示，则：iiiidiffff1213)1(1（2）分级效率求总效率idiD例表3-5若分级效率为函数，则总除尘效率为：)()()()()(10110pppdipddddfdDdd