第五章 颗粒污染物控制技术基础
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第五章 颗粒污染物控制技术基础. 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. 第一节 颗粒的粒径及粒径分布. 颗粒的粒径 显微镜法 定向直径 d F ( Feret 直径):各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度 定向面积等分直径 d M ( Martin 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 投影面积直径 d A ( Heywood 直径):与颗粒投影面积相等的圆的直径 Heywood 测定分析表明,同一颗粒的 d F > d A > d M. a- 定向直径. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第五章 颗粒污染物控制技术基础
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
第一节 颗粒的粒径及粒径分布
颗粒的粒径
显微镜法 定向直径 dF ( Feret 直径):各颗粒在投影图中同一方
向上的最大投影长度 定向面积等分直径 dM ( Martin 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 投影面积直径 dA ( Heywood 直径):与颗粒投影面积
相等的圆的直径 Heywood 测定分析表明,同一颗粒的 dF>dA>dM
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
颗粒的直径 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-每英寸长度上筛孔的个数
光散射法 等体积直径 dV :与颗粒体积相等的球体的直径
沉降法 斯托克斯( Stokes )直径 ds :同一流体中与颗粒密度相
同、沉降速度相等的球体直径 空气动力学当量直径 da :在空气中与颗粒沉降速度相等
的单位密度( 1g/cm3 )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
切相关,是除尘技术中应用最多的两种直径
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 ( Φs<1 )
正立方体 Φs = 0.806 ,圆柱体 Φs = 2.62(l/d)2/3/(1+2l/d)
颗粒的直径
某些颗粒的圆球度
粒径分布
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
粒数分布 : 每一间隔内的颗粒个数 粒数频率:第 i个间隔中的颗粒个数 ni与颗粒总数 Σni之
比i
i N
i
nf
n
粒径分布
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数与颗粒总个数之比
i
i
i N
i
nF
n
粒径分布 粒数频率密度
p p( ) d / dp d F d
粒径分布
粒数分布的测定及计算
粒径分布
粒数众径-频度 p最大时对应的粒径,此时
粒数中位径( NMD )-累计频率 F=0.5 时对应的粒径
2
2p p
d d0
d d
p F
d d
粒径分布
质量分布
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
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
同样的,也有质量众径和质量中位径( MMD )
平均粒径 前面定义的众径和中位径是常用的平均粒径之一 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
pL p
i i
i ii
n dd f d
n
2p 1/ 2 2 1/ 2
S p[ ] ( )
i i
i ii
n dd f d
n
3p 1/ 3 3 1/ 3
V p[ ] ( )
i i
i ii
n dd f d
n
3 3p p
SV 2 2p p
i i i i
i i i i
n d f dd
n d f d
平均粒径(续) 几何平均直径
对于频率密度分布曲线对称的分布,众径 、中位径 和算术平均直径 相等
频率密度非对称的分布, 单分散气溶胶, ;否则,
31 2 1/g 1 2 3
pg
( ...)
lnexp( )
或nn n N
i i
d d d d
n dd
N
dd 50d
Ld
d 50 L d d d
L gd d L gd d
粒径分布函数 用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布 正态分布
频率密度
筛下累积频率
标准差
2p p
p 2
( )1( ) exp[ ]
22π
d dp d
p 2p p
p p20
( )1( ) exp[ ]d
22π
dd d
F d d
2p p 1/ 2( )
[ ]1
i in d d
N
粒径分布函数 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
p 50 d d d d
84.1 50 50 15.9 84.1 15.9
1( )
2d d d d d d
粒径分布函数 正态分布的累积频率分布曲线
粒径分布函数 对数正态分布
以 lndp 代替 dp 得到的正态分布的频度曲线
2p g 1 / 2
g
( l n / )l n [ ]
1
i in d d
N
pl n
p g 2p p
g g
l n /1( ) e x p [ ( ) ] d ( l n )
2 π l n 2 l n
d
d dF d d
p p g 2p
p p g g
d ( ) l n /1( ) e x p [ ( ) ]
d 2 π l n 2 l n
F d d dp d
d d
2p g 1 / 2
g
( l n / )l n [ ]
1
i in d d
N
pl n
p g 2p p
g g
l n /1( ) e x p [ ( ) ] d ( l n )
2 π l n 2 l n
d
d dF d d
p p g 2p
p p g g
d ( ) l n /1( ) e x p [ ( ) ]
d 2 π l n 2 l n
F d d dp d
d d
粒径分布函数 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 g1/ 284.1 50 84.1
g50 15.9 15.9
( ) d d d
d d d
g 1 (=1 时为单分散气溶胶)
2g
2g
ln M M D ln N M D 3 ln
ln SM D ln N M D 2 ln
平均粒径的换算关系2
g
2g
ln M M D ln N M D 3 ln
ln SM D ln N M D 2 ln
平均粒径的换算关系
粒径分布函数 对数正态分布(续)
可用 、 MMD 和 NMD 计算出各种平均直径
2 2L g g
2 2S g g
2 2V g g
1 5ln ln NMD ln ln MMD ln
2 2
ln ln NMD ln ln MMD 2ln
3 3ln ln NMD ln ln MMD ln
2 2
d
d
d
g
粒径分布函数 对数正态分布的累积频率分布曲线
粒径分布函数 罗辛-拉姆勒分布( Rosin - Rammler )
若设 得到
一般 多选用质量中位径 或
p1 exp( ) nG d
1/p (1/ ) nd
p
p
1 exp[ ( ) ] ndG
d
pd 50d 63.2d
p p
50 63.2
1/50 63.2
1/d 63.2
1 exp[ 0.693( ) ] 1 exp[ ( ) ] ...RRS
0.693
1( )
或 分布函数n n
n
n
d dG G
d d
d d
nd d
n
粒径分布函数 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 n>1 时,近似于对数正态分布; n>3 时,更适合于正态分布
p
1lg[ln( )] lg lg
1
n d
G
第二节 粉尘的物理性质
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
b p(1 )
b
p
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
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
安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标
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
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
2 3V
SV
6 (cm /cm )
SS
V d
2m
p p SV
6 (cm /g)
SS
V d
2 3b V
SV
(1 ) 6(1 )(1 ) (cm /cm )
SS S
V d
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
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
平衡含水率
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。
粉尘的润湿性随压力增大而增大,随温度升高而下降
润湿速度-
润湿性是选择湿式除尘器的主要依据
2020 (mm/min)
20
Lv
粉尘的荷电性和导电性 粉尘的荷电性
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
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-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~ 1010
d (Ω cm) V
j
cm
粉尘的导电性和荷电性 典型温度-比电阻曲线
粉尘的导电性和荷电性 温度和相对湿度对粉尘比电阻的影响
较为干燥的粉尘的比电阻在 3000F ( 420K )左右达到最大值
粉尘的粘附性
粘附和自粘现象
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
分类:不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性
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 自燃
自然发热的原因-氧化热、分解热、聚合热、发酵热
影响因素:粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境
存放过程中自然发热 热量积累 达到燃点燃烧
粉尘的爆炸性 粉尘发生爆炸必备的条件:
可燃物与空气或氧气构成的可燃混合物达到一定的浓度 最低可燃物浓度-爆炸浓度下限 爆炸浓度上限
存在能量足够的火源
第三节 净化装置的性能 评价净化装置性能的指标
技术指标 处理气体流量 净化效率 压力损失
经济指标 设备费 运行费 占地面积
净化装置技术性能的表示方法
处理气体流量
漏风率
压力损失
1N
3N 2N N
1( ) (m /s)
2 Q Q Q
1N 2N
1N
100 (%)
Q Q
Q
21 (Pa)
2
vP
总净化效率的表示方法 总净化效率
通过率
分级除尘效率
分割粒径-除尘效率为 50%的粒径
2 2N 2N
1 1N 2N
1 1 S Q
S Q
2 2N 2N
1 1N 1N
1 S Q
PS Q
3 2
1 1
1 i ii
i i
S S
S S
分级效率与总效率的关系 由总效率求分级效率
由分级效率求总效率
3 3 3
1 1
2 2 2
1 1 1
2 3
1 1
/
i ii
i i
i ii
i i
ii i
S g g
S g g
S g gP
S g g
Pg g
1
1
1 1 p
0 0
d d
i ii
i i
g
G q d
多级串联的总净化效率 总分级通过率
总分级效率
总除尘效率
1 2iT i i inP P P P
1 21 1 (1 )(1 ) (1 )iT iT i i inP
1 21 (1 )(1 ) (1 )T n
第四节 颗粒捕集的理论基础
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
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 外力:重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等
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=形状阻力+摩擦阻力 阻力的方向和速度向量方向相反
2D D
pD p p
1 (N)
2
( )
pF C A u
d uC f Re Re
p Dp
D p
241
Stokes 3π (N)
Re CRe
F d u
(层流)时 得到
公式:
p D 0.6p
18.51 500 Re C
Re 湍流过渡区
p D
2 2D p
500 0.44
0.055π
Re C
F d u
湍流区(牛顿区)
流体阻力 流体阻力与雷诺数的函数关系
流体阻力 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
pD
p
3π
1.101 [1.257 0.400exp( )] 2 /
8 (m) , (m/s)
π0.499
其中努森数
d uF
C
C Kn Kn dKn
RTv
Mv
阻力导致的减速运动 根据牛顿第二定律
若仅考虑 Stokes区域
积分得 速度由 u0减速到 u所迁移的距离 若引入坎宁汉修正系数 C 停止距离
-驰豫时间或松弛时间
3 2 2p p
p D D
2
Dp p
π πd
6 d 4 2
d 3
d 4
即
d du uF C
t
u uC
t d
2P p
2P p
d 18
d 18 其中 =
du uu
t d
/0e (m/s) tu u
/0 0( ) (1 e ) tx u u u
/0 (1 e ) t Cx uC
s 0x uC
重力沉降 力平衡关系 Stokes 颗粒的重力沉降末端速度(忽略浮力影响)
湍流过渡区
牛顿区
Stokes 直径
空气动力学直径
2p
D G B p
π( )
6
dF F F g
2p p
s 18 d
u gC gC
1.14 0.714 0.714p p
s 0.428 0.286
0.153 ( )
d gu
1/ 2s p p1.74[ ( ) / ] u d g
ss
p
18
ud
gC
sa
a
18
1000
ud
gC
离心沉降 力平衡关系
Stokes 颗粒的末端沉降速度
23 t
D C p p
π
6
uF F d
R
2 2p p t
c c
2t
c
18
其中 =
d uu C a C
R
ua
R
静电沉降 力平衡关系
静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度,用 表示,对于 Stokes 粒子:
D E F F qE
p3π
qEC
d
惯性沉降 颗粒接近靶时的运动情况
惯性碰撞 惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素
气流速度在靶周围的分布,用 ReD衡量
颗粒运动轨迹,用 Stokes 数描述
颗粒对捕集体的附着,通常假定为 100%
0D
cu DRe
2p p 0s 0
c c c18
d u Cx C u CSt
D D D
惯性碰撞 惯性碰撞分级效率
与 的关系St
拦截 直接拦截发生在颗粒距捕集体 dp/2 的距离内 拦截效率用直接拦截比 R表示
对于惯性大的颗粒
对于惯性小的颗粒
DI
2DI
圆柱形捕集体
球形捕集体
R
R
p
c
d
RD
DI
2DI
2
DI DD D
22
DI
11 2 (R<0.1)
11
(1 ) 3 (R<0.1) 1
1 (2 )[(1 ) ln(1 ) (R<0.07, <0.5)
2.002 ln 2(1 ) 2.002 ln
3(1 ) 1 3(1 ) (R<0.1)
2 2(1 ) 2
R RR
R RR
R R RR R Re
Re R Re
R RR
R
圆柱体势流
球体势流
圆柱体粘性流
球体粘性流
扩散沉降 扩散系数和均方根位移
布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大 颗粒的扩散类似于气体分子的扩散
对于粒径约等于或大于气体分子平均自由程的颗粒
对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒
颗粒的均方根位移(时间 t秒钟)
2 2 2
2 2 2( )
n n n n
Dt x y z
2
p
(m /s)3π
CkT
Dd
22
p
4 8 (m /s)
3π π
kT RTD
d P M
2x Dt
扩散沉降 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 扩散沉降效率取决于皮克莱数 Pe和雷诺数 ReD
粘性流单个圆柱体的效率
势流单个圆柱体效率
孤立球形捕集体
从理论上讲, 是可能的
0 cu D
PeD
2 / 3
BD 1/ 3D
1.71
(2 ln )
Pe
Re
BD 1/ 2
3.19
Pe
1/8 5/8BD D
82.23 Re Pe
Pe
BD 1
扩散沉降效率 惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较