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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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Ø显微镜法显微镜法ü定向直径定向直径dF（（Feret 直径）：各颗粒在投影图中同一方向直径）：各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度上的最大投影长度ü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ü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dF>dA>dM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Ø筛分法筛分法ü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ü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Ø光散射法光散射法ü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Ø沉降法沉降法ü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ü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通常用圆球度表示颗粒形状与球形不一致的程度通常用圆球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Φs（（ Φs<1））n正立方体正立方体Φs＝＝0.806，圆柱体，圆柱体Φs＝＝2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)颗粒的直径颗粒的直径n某些颗粒的圆球度某些颗粒的圆球度粒径分布粒径分布n粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例所占的比例n粒数分布粒数分布:每一间隔内的颗粒个数每一间隔内的颗粒个数n粒数频率：第粒数频率：第i个间隔中的颗粒个数个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数与颗粒总数Σni之比之比粒径分布粒径分布n粒数筛下累积频率：小于第粒数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比数与颗粒总个数之比粒径分布粒径分布n粒数频率密度粒数频率密度粒径分布粒径分布n粒数分布的测定及计算粒数分布的测定及计算粒径分布粒径分布n粒数众径－频度粒数众径－频度p最大时对应的粒径，此时最大时对应的粒径，此时n粒数中位径（粒数中位径（NMD）－累计频率）－累计频率F时对应的粒径时对应的粒径粒径分布粒径分布n质量分布质量分布Ø类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、质量频率密度等质量频率密度等Ø在所有颗粒具有相同密度、颗粒质量与粒径立方成正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比的假设下，粒数分布与质量分布可以相互换算Ø同样的，也有质量众径和质量中位径（同样的，也有质量众径和质量中位径（MMD））平均粒径平均粒径n前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一n长度平均直径长度平均直径n表面积平均直径表面积平均直径n体积平均直径体积平均直径n体积－表面积平均直径体积－表面积平均直径平均粒径（续）平均粒径（续）n几何平均直径几何平均直径n对于频率密度分布曲线对称的分布，众径对于频率密度分布曲线对称的分布，众径 、中位径、中位径 和算术平均直径和算术平均直径 相等相等n频率密度非对称的分布，频率密度非对称的分布，n单分散气溶胶，单分散气溶胶， ；否则，；否则，粒径分布函数粒径分布函数n用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布n正态分布正态分布Ø频率密度频率密度Ø筛下累积频率筛下累积频率Ø标准差标准差粒径分布函数粒径分布函数n正态分布（续）正态分布（续）Ø正态分布是最简单的分布函数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）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于决于σ（（3））Ø正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为大多数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粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移粒径分布函数粒径分布函数n正态分布的累积频率分布曲线正态分布的累积频率分布曲线粒径分布函数粒径分布函数n对数正态分布对数正态分布Ø以以lndp代替代替dp得到的正态分布的频度曲线得到的正态分布的频度曲线粒径分布函数粒径分布函数n对数正态分布（续）对数正态分布（续）Ø对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于粒径分布函数粒径分布函数n对数正态分布（续）对数正态分布（续）Ø可用可用 、、MMD和和NMD计算出各种平均直径计算出各种平均直径粒径分布函数粒径分布函数n对数正态分布的累积频率分布曲线对数正态分布的累积频率分布曲线粒径分布函数粒径分布函数n罗辛－拉姆勒分布（罗辛－拉姆勒分布（Rosin－－Rammler））n n若设若设 得到得到Ø 一般一般 多选用质量中位径多选用质量中位径 或或粒径分布函数粒径分布函数n罗辛－拉姆勒分布（罗辛－拉姆勒分布（Rosin－－Rammler））Ø判断是否符合判断是否符合R－－R分布分布 Ø 应为一条直线应为一条直线ØR－－R的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的适用范围较广，特别对破碎、研磨、筛分过程产生的较细粉尘更为适用的较细粉尘更为适用Ø分布指数分布指数n>1时，近似于对数正态分布；时，近似于对数正态分布；n>3时，更适合于时，更适合于正态分布正态分布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Ø单位体积粉尘的质量，单位体积粉尘的质量，kg/m3或或g/cm3Ø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Ø用堆积体积计算用堆积体积计算——堆积密度堆积密度Ø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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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水分自由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－水分质量与粉尘总质量之比含水率－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n平衡含水率平衡含水率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度－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、含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。

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粉尘的荷电性和导电性粉尘的荷电性和导电性n粉尘的荷电性粉尘的荷电性Ø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Ø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Ø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1/10Ø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Ø比电阻比电阻Ø导电机制：导电机制：ü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ü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ü中间温度，同时起作用中间温度，同时起作用Ø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104～～1010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粉尘的导电性和荷电性粉尘的导电性和荷电性n温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响n 较为干燥的粉尘的比电阻在较为干燥的粉尘的比电阻在3000F（（420K））左右达到最大值左右达到最大值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Ø自燃自燃Ø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Ø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：Ø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ü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ü爆炸浓度上限爆炸浓度上限Ø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Ø技术指标技术指标ü处理气体流量处理气体流量ü净化效率净化效率ü压力损失压力损失Ø经济指标经济指标ü设备费设备费ü运行费运行费ü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Ø漏风率漏风率n压力损失压力损失总净化效率的表示方法总净化效率的表示方法n总净化效率总净化效率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－除尘效率为分割粒径－除尘效率为50％的粒径％的粒径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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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Ø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Ø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 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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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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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：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Ø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Ø颗粒运动轨迹，用颗粒运动轨迹，用Stokes数描述数描述Ø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100％％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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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Ø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Ø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Ø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Ø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Ø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）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ReDn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， 是可能的是可能的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。