环境工程第5章颗粒污染物控制技术基础

2016第5章颗粒污染物控制技术基础1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颗粒捕集理论基础第5章颗粒污染物控制技术基础2§1颗粒的粒径及粒径分布•一、颗粒的粒径•单一粒径：代表单个粒子大小的直径；•平均粒径：由不同大小的颗粒组成的粒子群的直径。••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3§1颗粒的粒径及粒径分布•（一）、颗粒的粒径-单一粒径•1.投影径-颗粒在显微镜下观察到的粒径（1）面积等分径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.其与所取的方向有关，常采用与底边平行的线作为粒径。（2）定向径dF，也称菲雷特（Feret直径）-为各颗粒在投影图中同一方向上两平行切线间的距离，可取任意方向，通常取与底边平行的线。4§1颗粒的粒径及粒径分布•（一）、颗粒的粒径-单一粒径•1.投影径-颗粒在显微镜下观察到的粒径长径，不考虑方向的最长径。短径，不考虑方向的最短径。5一、颗粒的直径•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6一、颗粒的直径2.几何当量径--与颗粒的某一几何量（面积、体积等）相等的球形颗粒的直径。•等投影面积径dA：与颗粒投影面积相同的某一圆面积的直径。•等体积径dV：与颗粒体积相等的球体的直径•等表面积径ds：与颗粒外表面积相同的某一圆球的直径。•体积表面积平均径de：颗粒体积与表面积之比相同的圆球的直径。7一、颗粒的直径3.物理当量径-与颗粒的某一物理量相等的球形颗粒的直径•自由沉降径dl：特定气体中，在重力作用下，密度相同的颗粒因自由沉降所达到的末速度与球形颗粒所达到的末速度相同时球形颗粒的直径。•空气动力径da：在静止的空气中，颗粒沉降速度与单位密度（1g/cm3）的球体的沉降速度相等的圆球直径。8一、颗粒的直径3.物理当量径斯托克斯（Stokes）直径dst：在层流区内（对颗粒的雷诺数Re2.0）的空气动力径，即同一流体中与颗粒密度相同、沉降速度相等的球体直径9一、颗粒的直径4.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（25.4mm）长度上筛孔的个数3.物理当量径（4）分割粒径：分级效率为50%时颗粒的直径。表示除尘器性能。10一、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（Φs1）•正立方体Φs＝0.806，•圆柱体Φs＝2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)11一、颗粒的直径•某些颗粒的圆球度12•（二）、平均粒径•对于一个由大小和形状不相同的粒子组成的实际粒子群与一个由均一的球形粒子组成的假想粒子群相比，若两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。13(nd)d1,n1,d2,n2图（2--2）关于粒子群的全长14（二）平均粒径•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pLpiiiiinddfdn2p1/221/2Sp[]()iiiiinddfdn3p1/331/3Vp[]()iiiiinddfdn33ppSV22ppiiiiiiiindfddndfd15•（二）、平均粒径•各种方法计算的平均粒径，数值相差很大。•一般顺序：d1dsdvd2d3d4P352表6-1•平均粒径：中位径（d50）、众径（dom）。•常用的单一粒径：投影径、等体积径、斯托克斯径、分割粒径dc50、空气动力学径da（是除尘技术中用得最多的）。16二、粒径分布粒径分布：指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例。有个数分布，表面积分布和质量分布。（中科院生态中心2013年考研真题）（一）粒径分布的表示方法•1.频数分布ΔR•粒径dp至（dp+Δdp）之间的粒子质量占粒子群总质量的百分数。如P354图6-3实线方块图所表示。17•由计算结果可绘出颗粒个数分布直方图，见图a。颗粒个数ni图a粒径dp/(μm)（一）粒径分布的表示方法18192.频度分布fΔdp=1μm时粒子质量占粒子群总质量的比例，即ΔR如P354图6-3下面的虚线表示。由该曲线可以得出相当于最大频度的粒径dom，dom又称为众径。22ppdd0ddpFdd202.频度分布:单位粒径间隔(即1μm)时的频率pp()d/dpdFd（一）粒径分布的表示方法21•3.筛上累积分布R（%）–大于某一粒径dp的所有粒子质量占粒子群总质量的比例，即•R（dp）=∫dR=∫•反之，称为筛下累积分布D(%)。dmaxdpdmaxdppp()d/dpdFdpp()d/dpdFdD=1-R•中位径（NMD）－累积频率R=D=0.5时对应的粒径（一）粒径分布的表示方法22•3.筛下累积频率：根据计算出的各级筛下累计频率值对各级上限粒径画出筛下累计频率分布曲线。（一）粒径分布的表示方法23•粒数分布的测定数据及计算结果（一）粒径分布的表示方法2425262728（二）、粒径分布函数•1.正态分布–频率密度–筛下累积频率–标准差2ppp2()1()exp[]22πddpdp2pppp20()1()exp[]d22πdddFdd2pp1/2()[]1iinddN29（二）、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p50dddd84.1505015.984.115.91()2dddddd30（二）、粒径分布函数•正态分布的累积频率分布曲线31（二）、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2pg1/2g(ln/)ln[]1iinddNplnpg2ppggln/1()exp[()]d(ln)2πln2lndddFddppg2pppggd()ln/1()exp[()]d2πln2lnFdddpddd2pg1/2g(ln/)ln[]1iinddNplnpg2ppggln/1()exp[()]d(ln)2πln2lndddFddppg2pppggd()ln/1()exp[()]d2πln2lnFdddpddd32（二）、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g1/284.15084.1g5015.915.9()ddddddg1(=1时为单分散气溶胶）2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平均粒径的换算关系2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平均粒径的换算关系33（二）、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22Lgg22Sgg22Vgg15lnlnNMDlnlnMMDln22lnlnNMDlnlnMMD2ln33lnlnNMDlnlnMMDln22dddg34（二）、粒径分布函数•对数正态分布的累积频率分布曲线35（二）、粒径分布函数•3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）两边取对数：36（二）、粒径分布函数50d3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）将代入R-R分布式，得到将β代入R-R分布式，得到一个常用的R-R分布函数表达式。37（二）、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n1时，近似于对数正态分布；n3时，更适合于正态分布p1lg[ln()]lglg1ndG383940§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，粉尘越细，吸附的空气越多，ε越大。真密度用于研究尘粒在气体中的运动、分离和去除等，堆积密度用于仓储和灰斗设计。bp(1)bpε4142二、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,一般为35°-55°•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,一般为40°-55°•安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标。安息角越小，粉尘流动性越好。是设计除尘器灰斗锥度，除尘管路或输灰管路倾斜度的重要依据。•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。粒径越小，安息角越大。4344三、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23VSV6(cm/cm)SSVd2mppSV6(cm/g)SSVd23bVSV(1)6(1)(1)(cm/cm)SSSVd45四、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，结晶水不作为粉尘水分的范围。•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：粉尘从周围空气中吸收水分的能力。•平衡含水率:气体的每一相对湿度，都对应粉尘的一定含水率，称为平衡含水率46四、粉尘的含水率粉尘含水率增加对下列特性有哪些影响？（1）粘性（2）导电性（3）腐蚀性（4）流动性47四、粉尘的含水率48五、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•润湿性是选择湿式除尘器的主要依据•润湿性粉尘：与液体接触后，接触面能扩大而相互附着的粉尘。•非润湿性粉尘：与液体接触后，接触面趋于缩小不能附着的粉尘。4950五、粉尘的润湿性•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。•一般酒精和煤油比水对粉尘润湿性好；颗粒球度越大、粒径越小，则润湿性越差；温度增加、压力减小都能降低粉尘的润湿性。某些细粉尘，特别是粒径小于1mm的粉尘很难被水润湿•润湿速度－2020(mm/min)20Lv51五、粉尘的润湿性52根据粉尘润湿速度，可以将粉尘分成绝对憎水、憎水、中等亲水和强亲水四类：五、粉尘的润湿性53五、粉尘的润湿性54六、粉尘的荷电性和导电性•1.粉尘的荷电性粉尘的荷电性即粉尘带电量大小，它对除尘过程有重要意义，电除尘器就通过粉尘荷电而将其捕集，袋式除尘器和湿式除尘器也可以利用粉尘或液滴荷电而增加捕集效率。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5556六、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中的离子－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104～1010d(Ωcm)Vjcm57六、粉尘的导电性和荷电性•典型温度－比电阻曲线58七、粉尘的粘附性•粘附：粉尘颗粒附着在固体表面上或颗粒彼此相互附着的现象。•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