《大气污染控制工程》教案 第五章

第五章 颗粒物燃物控制技术基础

为了深入理解各种除尘器的除尘机理和性能，正确设计、选择和应用各种除尘器，必须了解粉尘的物理性质和除尘器性能的表示方法及粉尘性质和除尘器性能之间的关系。

第一节 粉尘的粒径及粒径分布

一、颗粒的粒径

1.单一颗粒粒径

粉尘颗粒大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的性能影响很大，所以是粉尘的基本特性之一。

若颗粒是大小均匀的球体．则可用其直径作为颗粒大小的代表性尺寸。但实际上，不仅颗粒的大小不同．而且形状也各种各样。所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒大小的代表性尺寸，作为颗粒的直径．简称为粒径。下面介绍几种常用的粒径定义方法。

(1)用显微镜法观测顾粒时，采用如下几种粒径：

i. 定向直径dF，也称菲雷待(Feret)直径．为各颗粒在投影图中同一方向上的最

大投影长度，如图4—1(a)所示。

ii. 定向面积等分直径dM，也称马丁(Martin)直径，为各颗粒在投影图上按同一

方向将颗粒投影面积二等分的线段长度，如图4—1(b)所示。

iii. 投影面积直径dA，也称黑乌德(Heywood)直径，为与颗粒投影面积相等的圆

的直径，如图4一l(c)所示。若颗粒投影面积为A，则dA＝(4A／π)1/2。 根据黑乌德测定分析表明，同一颗粒的dF＞dA＞dM。

(2)用筛分法测定时可得到筛分直径．为颗粒能够通过的最小方孔的宽度。 (3)用光散射法测定时可得到等体积直径dV．为与颗粒体积相等的球的直径。若颗粒体积为V,则dV＝(6V／π)1/3。

(4)用沉降法测定时，一殷采用如下两种定义：

i. 斯托克斯(stokes)直径dS，为在同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速度

相等的球的直径。 ii. 空气动力学直径da，为在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度的球

的直径。

斯托克斯直径和空气动力学直径是除尘技术中应用最多的两种直径，原因在于它们与颗粒在流体中的动力学行为密切相关。

综上所述，粒径的测定和定义方法可归纳为两类：一类是按颗粒的几何性质来直接测定和定义的，如显微镜法和筛分法；另一类则是按照颗粒的某种物理性质间接测定和定义的。如斯托克斯直径、等体积直径等。粒径的测定方法不同，

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其定义方法也不同．得到的粒径数值往往差别很大．很难进行比较，因而实际中多是根据应用目的来选择粒径的测定和定义方法。

此外，粒径的测定结果还与颗粒的形状密切相关。通常用球形度来表示赖粒形状与球形颗粒不一致程度的尺度。球形度是与颗粒体积相等的球的表面积和颗粒表面积之比。以ФS表示，它的值总是小于1。 2.粒径分布

粉尘的粒径分布是指某种粉尘中，各种粒径的颗粒所占的比例．也称粉尘的分散度。以颗粒的个数表示所占的比例时，称为个数分布；以颗粒的质量表示所占比例时，称为质量分布。除尘技术中多采用质量分布。下面以粒径分布测定数据的整理过程来说明粒径分布的表示方法及相应定义。 (1)个数分布 i. 个数频率

ii. 个数筛下累积频率 iii. 个数频率密度 (2)质量分布 3.平均粒径

i. 算术平均粒径 ii. 表面积平均粒径 iii. 体积平均粒径 iv. 体积－表面积平均粒径 v. 几何平均粒径 4.粒径分布函数 (1)正态分布 (2)对数正态分布 (3)罗辛－拉姆勒分布

第二节 粉尘的物理性质

一、粉尘的密度

单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，单位kg/m3。根据粉尘测定条件及应用条件的不同，可分为真密度和堆积密度。

(1)真密度 将粉尘颗粒表面及其内部的空气排出后测得的粉尘自身的密度，称为真密度。以ρp表示。

(2)堆积密度 固体磨碎形成的粉尘，在表面末氧化时，其真密度与母料密度相同。呈堆积状的舶粉尘(即粉体)，每个颗粒及颗粒之间的空隙中皆含有空气。一般将包括物体颗粒间气体空间在内的粉体密度称为堆积密度．用ρb表示。

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二、粉尘的安息角与滑动角

安息角：粉尘从漏斗连续落到水平面上，自然堆积成一个圆锥体，圆锥体母线与水平面的夹角称为粉尘的安息角。也称动安息角或堆积角。

滑动角：指自然堆放在光滑平板上的粉尘，随平板做倾斜运动时，粉尘开始发生滑动时的平板倾斜角，也成静安息角。

影响粉尘安息角和滑动角的因素主要有：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度及粉尘粘性等。对于一种粉尘，粒径越小，安息角越大；粉尘含水率增加，安息角增大；表面越光滑和越接近球形的颗粒，安息角越小。 三、粉尘的比表面积

粉状物料的许多理化性质，往往与其表面积大小有关，细颗粒往往表现出显著的物理、化学活动性。

粉尘的比表面积定义为单位体积(或质量)粉尘所具有的表面积。以粉尘自身体积(即净体积)表示的比表面积。 四、粉尘的含水率

粉尘中的水分包括附着在颗粒表面上的和包含在凹坑处与细孔中的自由水分，以及紧密结合在颗粒内部的结合水分。

粉尘中的水分含量，用含水率w表示，指粉尘中所含水分质量与粉尘总质量（包括干粉尘与水分）之比。 五、粉尘的润湿性

粉尘颗粒能否与液体相互附着或附着难易的性质称为粉尘的润湿性。当尘粒与液体接触时，接触面能扩大而相互附着，就是能润湿；反之，接触面趋于缩小而不能附着，则是不能润湿。一般根据粉尘能被液体润湿的程度将粉尘大致分为两类：容易被水润湿的亲水性粉尘，难以被水润湿的疏水性粉尘。粉尘的润湿性与粉尘的性质，如粒径，生成条件、温度、含水率、表面粗糙度、荷电性等有关，还与液体的表面张力、尘粒和液体间的粘附力及相对运动速度等有关。此外，粉尘的润湿性还随压力的增加而增加，随温度升高而减小，随液体表面张力减小而增强。各种湿式除尘装置．主要是依靠粉尘与水的润湿作用来捕集粉尘的。 六、粉尘的荷电性及导电性

l粉尘的荷电性

粉尘在其产生及运动过程中，由于相互碰撞、摩擦、放射线照射、电晕放电及接触带电体等原因，几乎总是带存一定量的电荷。粉尘荷电后将改变其某些物理性质，如凝聚性、附着性及在气体中的稳定性等。粉尘的荷电量随温度增高、表面积加大和含水率减小而增大、还与其化学成分等有关。 2．粉尘的导电性

粉尘的导电性与金属导线类似，用比电阻ρd表示，粉尘的导电机制有两种，取决于粉尘、气体的温度和组成成分。在表面导电占优势的低温范围内，粉尘比电

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阻称为表面比电阻，其值随温度升高而增大，随含水率增大而减小；在容积导电占优势的高温范围内、粉尘比电阻称为容积比电阻，其值随温度升高而减小；在两种导电机制皆重要的中间温度范围内，粉尘比电阻是表面比电阻和容积比电阻的合成。其值最高。 七、粉尘的粘附性

粉尘颗粒附着在固体表面上、或者颗粒彼此相互附着的现象称为粘附。后者也称自粘。附着强度，即克服附着现象所需要的人力(垂直作用在粒粒重心上)称为粘附力。粉尘的粘附是一种常见的实际现象，既有共其有利的一面，也有其有害的一向。

八、粉尘的自燃性和爆炸性

1.粉尘的自燃性

自燃指粉尘在常温下存放过程中自然发热，此热量经长时间的积累，达到该粉尘的燃点而引起的燃烧现象。 2.粉尘的爆炸性

这里所说的爆炸是指可燃物的剧烈氧化作用、在瞬间产生大量的热量和燃烧产物，在空间造成很高的温度和压力，故称为化学爆炸。可燃物包括可燃粉尘、可燃气体和蒸气等。引起可燃物爆炸必须具备的条件有两个：一是由可燃物与空气或氧构成的可燃混合物达到一定的浓度；二是存在能量足够的火源。

可燃混合物中可燃物的浓度，只有在一定范围内才能引起爆炸。能够引起可燃混合物爆炸的最低可燃物浓度、称为爆炸浓度下限；最高可燃物浓度称为爆炸浓度上限。在可燃物浓度低于爆炸浓度下限或高于爆炸浓度上限时，均无爆炸危险。由于上限浓

度值过大(如糖粉在空气中的爆炸浓度上限为13．5kg／m3)，在多数场合下都达不到，故实际意义不大。 ’

此外。有些粉尘与水接触后会引起自燃或爆炸，如镁粉、碳化钙粉等；有些粉尘互相接触或混合后也会引起爆炸．磷、锌粉与镁粉等。

第三节 净化装置的性能

评价净化装置性能的指标．包括技术指标和经济指标两方面。技术指标主要有处理气体流量、净化效率和压力损失等；经济指标主要有设备费、运行费和占地面积等。此外，还应考虑装置的安装。操作、检修的难易等因素。本节以净化效率为主来介绍净化装置技术性能的表示方法。 一、净化装置技术性能的表示方法

1.处理气体流量

处理气体流量是代表装置处理气体能力大小的指标，一般以体积流量表示。

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实际运行的净化装置．由于本体漏气等原因．往往装置进口和出口的气体流量不同，因此．用两者的平均值作为处理气体流量的代表 2．净化效率

净化效率是表示装置净化污染物效果的重要技术指标。对于除尘装置称为除尘效率，对于吸收装置称为吸收效率，对于吸附装置则称为吸附效率。 3压力损失

压力损失是代表装置能耗大小的技术经济指标．系指装置的进口和出口气流全压之差。净化装置压力损失的大小，不仅取决于装置的种类和结构型式，还与处理气体流量大小有关。通常压力损失与装置进口气流的动压成正比。 二、净化效率的表示方法

1.总效率

总效率系指在向一时间内净化装置去除的污染物数量与进入装置的污染物数量之比。 2.通过率

当净化效率很高时，或为了说明污染物的排放率，用通过率来表示装置性能。 3分级除尘效率

除尘装置的总效率的高低，往往与粉尘粒径大小有很大关系。为了表示除尘效率与粉尘粒径的关系，提出分级除尘效率的概念。分级除土效率系指除尘装置对某一粒径或粒径间隔内粉尘的除尘效率，简称分级效率。分级效率可以用表格、曲线图或显函数ηi=f(dpi)的形式表现。dpi代表某一粒径或粒径间隔。

对于分级效率，一个非常重要的值是ηi＝50％，与此值相对应的粒径称为除尘器的分割粒径，一般用de表示。分割粒径de在讨论除尘器性能时经常用到。 4.分级效率与总除尘效率之间的关系

(1)由总效率求分级效率 在除尘器实验中，可以测出除尘器进口和出口的粉尘浓度，并计算出总除尘效率η，为了求出分级效率，还需同时测出除尘器进口、出口和捕

集的粉尘的粒径频率分布中任意两组数据。

(2)由分级效率求总除尘效率 这类计算属于设计计算，即根据某种除尘器净化某类粉土的分级效率数据和策粉尘的粒径分布数据，计算该种除坐器净化该粉尘时能达到的总除尘效率。由分级效率计算式计算总效率。 5.多级串联运行时的总净化效率

在实际工程中，有时需要把两种或多种不同型式的除尘器串联起来使用，形成两级或多级除尘系统。

若多级除尘器中每一级的运行性能是独立的，净化第i级粉尘的分组通过率分别为别为ηi1,ηi2…ηin，则此多级除尘器净化第i级粉尘的总分级效率为

ηiT=1-PiT=1-(1-ηi1)(1-ηi2)…(1-ηin)

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第四节 颗粒捕集理论基础(自学)

除尘过程的机理就是，将含尘气体引入具有一种或几种力作用的除尘器，使颗粒相对其过载气流产生一定的位移，并从气流中分离出来，最后沉降到捕集表面上。颗粒的粒径大小和种类不同，所受作用力不同．所要考虑的作用力有外力．流体阻力和颗粒间的相互作用力。外力一般包括重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等；作用在运动颗粒上的流体阻力，对所有捕集过程来说都是最基本的作用力；颗粒间的相互作用力，在颗粒浓度不很高时皆忽略了。下面即对流体阻力及在重力、离心力、静电力、热力和惯性力等作用下颗粒的沉降规律作一简要介绍。 一、流体阻力

二、阻力导致的减速运动 三、重力沉降 四、离心沉降 五、静电沉降 六、惯性沉降 七、扩散沉降

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