第三章

顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

1、顆粒的粒徑及粒徑分布2、粉塵的物理性質(zhì)3、凈化裝置的性能4、顆粒捕集理論基礎(chǔ)第三章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)1、顆粒的粒徑及粒徑分布1本章主要討論1、顆粒的粒徑分布；2、除塵裝置性能表示方法；3、簡要介紹粉塵顆粒在各種力場中的空氣動力學(xué)行為——分離、沉降、捕集。本章主要討論1、顆粒的粒徑分布；2、除塵裝置性能表示方法；32大氣污染控制中涉及到的顆粒物，一般是指所有大于分子的顆粒物，但實(shí)際的最小界限為0.01μm左右。顆粒物的存在狀態(tài)，可單個地分散于氣體介質(zhì)中，也可能因凝聚等作用使多個顆粒集合在一起，成為集合體的狀態(tài)顆粒物還能從氣體介質(zhì)中分離出來，呈堆積狀態(tài)存在，或者本來就呈堆積狀態(tài)。一般將這種呈堆積狀態(tài)存在的顆粒物稱為粉體（工程-粉塵）第三章

顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)大氣污染控制中涉及到的顆粒物，一般是指所有大于顆粒物的存在狀3第三章

顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)三模態(tài)大氣氣溶膠分布0.052.5第三章顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)三模態(tài)大氣氣溶膠分布0.054第一節(jié)

顆粒的粒徑及粒徑分布

一、顆粒的粒徑

顆粒的大小不同，其物理、化學(xué)特性不同，對人和環(huán)境的危害也不同，而且對除塵裝置的性能影響很大，所以顆粒的大小是顆粒物的基本特性之一。

若顆粒是球形的，則可用其直徑作為顆粒的代表性尺寸。

但實(shí)際顆粒的形狀多是不規(guī)則的，所以需要按一定的方法

確定一個表示顆粒大小的代表性尺寸，作為顆粒物的直徑，

簡稱為粒經(jīng)。粒徑分單顆粒粒徑和顆粒的平均粒徑。第一節(jié)顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的大小不同，其物理、化學(xué)5一、顆粒的粒徑小粒徑，大消光一、顆粒的粒徑小粒徑，大消光64A

2

定向直徑dF（Feret

直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向上的最大投影長度定向面積等分直徑dM（Martin直徑）：各顆粒在投影圖中同一方向?qū)㈩w粒投影面積二等分的線段長度投影面積直徑dA（Heywood直徑）：與顆粒投影面積相等的圓的直徑

（一）單一顆粒粒徑1、顯微鏡法2

1)

1.128

AdH

(A

4dH——等投影面積徑，m；A——顆粒的投影面積，m2dF>dA>dMdH4A2定向直徑dF（Feret直徑）：各顆粒在投影7)

1.24V

篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度篩孔的大小用目表示－每英寸長度上篩孔的個數(shù)

（一）單一顆粒粒徑2、篩分法

等體積直徑dV：與顆粒體積相等的球體的直徑3、光散射法1313d

3VdV

(V

6V

6V-顆粒的體積，m3。)1.24V篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的8

（一）單一顆粒粒徑4、沉降法（物理當(dāng)量徑）任一流體&密度相同空氣&密度為1除塵中應(yīng)用最多的的兩個直徑 （一）單一顆粒粒徑任一流體&密度相同空氣&密度為19

（一）單一顆粒粒徑顆粒的直徑粒徑的測定結(jié)果與顆粒的形狀有關(guān)通常用圓球度表示顆粒形狀與球形不一致的程度圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比Φs（Φs<1）圓球度越接近1，越接近于球體 （一）單一顆粒粒徑顆粒的直徑圓球度越接近1，越接近于球體10

（一）單一顆粒粒徑圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆粒的表面積之比Φs（Φs<1）圓球度越接近1，越接近于球體（粉塵中的） （一）單一顆粒粒徑圓球度：與顆粒體積相等的球體的表面積和顆11

（二）顆粒的平均粒徑可以理解為某種粒徑大小和形狀不同的粒子組成的實(shí)際粒子群，若與均勻的球形顆粒組成的假想粒子群具有相同的某一物理性質(zhì)，則稱此球形顆粒的直徑為實(shí)際粒子的平均粒徑。常用的平均粒徑有：1、算術(shù)平均粒徑

又稱長度平均直徑，是所有單一顆粒的算術(shù)平均值。di：單一顆粒的粒徑，

m；ni：相應(yīng)于該顆粒的粒子個數(shù)

pi

nid

nid

L （二）顆粒的平均粒徑di：單一顆粒的粒徑，m；ni：12

（二）顆粒的平均粒徑2、平均平方根粒徑（表面積平均粒徑） （二）顆粒的平均粒徑13dg

(d1

2

3n3...)1/Nd

d

（二）顆粒的平均粒徑5、幾何平均粒徑6、眾徑、中位粒徑)n1

n2pidg

exp(

ni

lnd

N或dg(d123n14

二、粒徑分布粒徑分布：不同粒徑范圍內(nèi)的顆粒的個數(shù)（或質(zhì)量或表面積）所占的比例粒數(shù)分布（個數(shù)分布）：每一粒徑間隔內(nèi)顆粒的個數(shù)所占的比例質(zhì)量分布：每一粒徑間隔內(nèi)顆粒的質(zhì)量所占的比例除塵技術(shù)中多采用粒徑的質(zhì)量分布。粒徑分布的表示方法：表格法，圖形法，函數(shù)法 二、粒徑分布粒數(shù)分布（個數(shù)分布）：每一粒徑間隔內(nèi)顆粒的個數(shù)15

f（一）粒數(shù)分布1.粒數(shù)頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù)ni與顆?？倲?shù)Σni之比粒徑由dP至dP+

dP之間的顆粒個數(shù)ni與顆?？倐€數(shù)N=

ni之比(或百分比)i

ni

nfi

1Nif（一）粒數(shù)分布1.粒數(shù)頻率：第i個間隔中的顆粒個數(shù)n16

n

nFi

fiFN

fi

1（一）粒數(shù)分布

個數(shù)篩下累積頻率：小于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆粒總個數(shù)之比

iNiiFi

或iN類似的可以將大于第i間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆?？倐€數(shù)之比（或百分比）稱為篩上累計(jì)頻率。個數(shù)中位粒徑d50：累積頻率達(dá)到50%的點(diǎn)對應(yīng)的那個粒徑nnFifiFNfi1（一）粒17（一）個數(shù)分布粒數(shù)頻率密度：單位粒徑間隔的粒數(shù)頻率，單位為μm-1眾徑dd：在頻率曲線上，頻率最大值對應(yīng)的那個直徑（一）個數(shù)分布粒數(shù)頻率密度：單位粒徑間隔的粒數(shù)頻率，單位為μ18（一）個數(shù)分布0.4250.0003（一）個數(shù)分布0.4250.000319（一）個數(shù)分布（一）個數(shù)分布20（二）質(zhì)量分布

類似于粒數(shù)分布，也有質(zhì)量頻率、質(zhì)量篩下累積頻率、質(zhì)量頻率密度等在所有顆粒具有相同密度、顆粒質(zhì)量與粒徑立方成正比的假設(shè)下，粒數(shù)分布與質(zhì)量分布可以相互換算同樣的，也有質(zhì)量眾徑和質(zhì)量中位徑（MMD）（二）質(zhì)量分布類似于粒數(shù)分布，也有質(zhì)量頻率、質(zhì)量篩下累積頻21二、粒徑分布?

對于頻度分布曲線對稱性的分布，如正

態(tài)分布，其眾徑dd、中位直徑d50和算術(shù)

平均直徑dL相等，即dd=

d50=dL；對于頻度密度分布曲線是非對稱性的分布，Dd<d50<dL。?

對于單分散氣溶膠，所有顆粒的粒徑相同，dL=

dg；否則dL>dg。二、粒徑分布?對于頻度分布曲線對稱性的分布，如正對于頻度22三、粒徑分布函數(shù)

用一些半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)描述一定種類顆粒物的粒徑分布粉塵顆粒粒徑分布可用正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、羅辛-拉姆勒（Rosin-Rammler）分布等數(shù)學(xué)函數(shù)表示。

μ算術(shù)平均粒徑寬&高三、粒徑分布函數(shù)用一些半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)描述一定種類顆粒物的粒徑分232

2

1、正態(tài)分布（高斯分布）函數(shù)頻率密度標(biāo)準(zhǔn)差

式中，dp

：粉塵的算術(shù)平均粒徑，m；dP：粉塵的粒徑，m；

：標(biāo)準(zhǔn)差，是衡量dP的測定值與均值偏差的量度，m。]

1

2

(dp

dp)2

2p(dp)

exp[

]ddp

1

2

(dp

dp)2

2篩下累積頻率

F(dp)

exp[

dp

0]1/2

[

ni(dpi

dp)2

N

1

式中，N為粉塵粒子的總個數(shù)。

和

dp

為正態(tài)分布的兩個特征數(shù)，

和

dp一定，函數(shù)f（dp）即確定。221、正態(tài)分布（高斯分布）函數(shù)頻率密度標(biāo)準(zhǔn)差 式中，d24標(biāo)準(zhǔn)差σ-寬度68.26%95.44%標(biāo)準(zhǔn)差σ-寬度68.26%95.44%251、正態(tài)分布（高斯分布）函數(shù)正態(tài)分布的累積頻率分布曲線1、正態(tài)分布（高斯分布）函數(shù)正態(tài)分布的累積頻率分布曲線26exp[

(

)

])

]d(lndp)2、對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)

以lndp代替dp得到的正態(tài)分布的頻度曲線頻率密度篩下累積頻率標(biāo)準(zhǔn)差]1/2ln

g

[

ni(lndpi

/dg)2

N

12

12

ln

glndp

/dg

2ln

gF(dp)

exp[

(lndp

dF(dp)

ddp

1

lndp

/dg

22

dp

ln

g

2ln

gp(dp)

dg——幾何平均粒徑，可用中位徑d50表示：

dg=

d50；

g

——幾何標(biāo)準(zhǔn)差exp[()]272、對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對數(shù)正態(tài)分布的頻率密度分布曲線2、對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對數(shù)正態(tài)分布的頻率密度分布曲線28

g

(

)2、對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)

對數(shù)正態(tài)分布在對數(shù)概率坐標(biāo)紙上為一直線，斜率決定于σgd84.1

d50

d84.1

1/2

d50

d15.9

d15.9

平均粒徑的換算關(guān)系

lnMMD

ln

NMD

3ln2

lnSMD

ln

NMD

2ln2

g(292、對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)2、對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)303、羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）3、羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）313、羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）3、羅辛－拉姆勒分布（Rosin－Rammler）32常用的儀器常用的儀器33

第二節(jié)

粉塵的物理性質(zhì)1、粉塵的密度

單位體積粉塵的質(zhì)量，kg/m3或g/cm3粉塵體積不包括顆粒內(nèi)部和之間的縫隙－真密度

p用堆積體積計(jì)算--堆積密度

b空隙率--粉塵顆粒之間和內(nèi)部空隙的體積與堆積總體積之比

b

(1

)

p 第二節(jié)粉塵的物理性質(zhì)單位體積粉塵的質(zhì)量，kg/m3或342、粉塵的安息角與滑動角

安息角：粉塵從漏斗連續(xù)落下自然堆積形成的圓錐體母線與地面的夾角，一般為35°~55°。越大，越不流動滑動角：自然堆積在光滑平板上的粉塵隨平板做傾斜運(yùn)動時粉塵開始發(fā)生滑動的平板傾角，一般為40°~55°。安息角與滑動角是評價粉塵流動特性的重要指標(biāo)安息角和滑動角的影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒表面光滑程度、粉塵粘性2、粉塵的安息角與滑動角安息角：粉塵從漏斗連續(xù)落下自然堆積35

3、粉塵的比表面積

單位體積粉塵所具有的表面積

以質(zhì)量表示的比表面積

以堆積體積表示的比表面積(cm2

/cm3)

S

6V

dSVSV

(cm2

/

g)

S

6

pV

pdSVSm

3、粉塵的比表面積單位體積粉塵所具有的表面積以質(zhì)量表364、粉塵的含水率

粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和細(xì)孔中的自由水分以及顆粒內(nèi)部的結(jié)合水分含水率W：水分質(zhì)量與粉塵總質(zhì)量之比含水率影響粉塵的導(dǎo)電性、粘附性、流動性等物理特性吸濕現(xiàn)象平衡含水率4、粉塵的含水率粉塵中的水分包括附在顆粒表面和包含在凹坑和375、粉塵的潤濕性

潤濕性－粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相附著或附著的難易程度的性質(zhì)潤濕性與粉塵的種類、粒徑、形狀、生成條件、組分、溫度、含水率、表面粗糙度及荷電性有關(guān)，還與液體的液體的表面張力及塵粒與液體之間的粘附力和接觸方式有關(guān)。粉塵的潤濕性隨壓力增大而增大，隨溫度升高而下降

潤濕速度：

潤濕性是選擇濕式除塵器的主要依據(jù)L20

20(mm/min)v20

5、粉塵的潤濕性潤濕性－粉塵顆粒與液體接觸后能夠互相附著或38

6、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性

天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定的電荷荷電因素－電離輻射、高壓放電、高溫產(chǎn)生的離子或電子被捕獲、顆粒間或顆粒與壁面間摩擦、產(chǎn)生過程中荷電天然粉塵和人工粉塵的荷電量一般為最大荷電量的1/10荷電量隨溫度增高、表面積增大及含水率減小而增加，且與化學(xué)組成有關(guān)粉塵的荷電性 6、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性天然粉塵和工業(yè)粉塵幾乎都帶有一定39

6、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性粉塵的導(dǎo)電性

比電阻：導(dǎo)電機(jī)制：

高溫（200℃以上），粉塵本體內(nèi)部的電子和離子—體積比電阻低溫（100℃以下），粉塵表面吸附的水分或其他化學(xué)物質(zhì)－表面積比電阻中間溫度，同時起作用

Vj

d

(

cm)比電阻對電除塵器運(yùn)行有很大影響，最適宜范圍104～1010

cm 6、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性比電阻：高溫（200℃以上），406、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性粉塵的導(dǎo)電性6、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性粉塵的導(dǎo)電性41

較為干燥的粉塵的比電阻在420K左右達(dá)到最大值

6、粉塵的荷電性和導(dǎo)電性

較為干燥的粉塵的比電阻在420K左右達(dá)到最大值 6、粉塵的427、粉塵的粘附性

粘附和自粘現(xiàn)象粘附力——克服附著現(xiàn)象所需要的力粘附力：分子力（范德華力）、毛細(xì)力、靜電力（庫侖力）斷裂強(qiáng)度－表征粉塵自粘性的指標(biāo)，等于粉塵斷裂所需的力除以其斷裂的接觸面積分類：不粘性、微粘性、中等粘性、強(qiáng)粘性粒徑、形狀、表面粗糙度、潤濕性、荷電量均影響粘附性7、粉塵的粘附性粘附和自粘現(xiàn)象43

8、粉塵的自燃性和爆炸性粉塵的自燃性

自燃

自然發(fā)熱的原因：氧化熱、分解熱、聚合熱、發(fā)酵熱影響因素：粉塵的結(jié)構(gòu)和物化特性、粉塵的存在狀態(tài)和環(huán)境熱量積累達(dá)到燃點(diǎn)存放過程中自然發(fā)熱

燃燒 8、粉塵的自燃性和爆炸性自燃自然發(fā)熱的原因：氧化熱、分44

8、粉塵的自燃性和爆炸性粉塵的爆炸性

粉塵發(fā)生爆炸必備的條件：

可燃物與空氣或氧氣構(gòu)成的可燃混合物達(dá)到一定的濃度

最低可燃物濃度－爆炸濃度下限

爆炸濃度上限存在能量足夠的火源 8、粉塵的自燃性和爆炸性粉塵發(fā)生爆炸必備的條件：可燃物45第三節(jié)

凈化裝置的性能

一、凈化裝置技術(shù)性能的表示方法

技術(shù)指標(biāo)

處理氣體流量凈化效率壓力損失

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

設(shè)備費(fèi)運(yùn)行費(fèi)占地面積第三節(jié)凈化裝置的性能技術(shù)指標(biāo)處理氣體流量經(jīng)濟(jì)指標(biāo)46QN

(Q1N

Q2N)

(mN3/s)Q1N

Q2N一、凈化裝置技術(shù)性能的表示方法

處理氣體流量

代表裝置處理氣體能力大小的指標(biāo)。

漏風(fēng)率凈化效率

裝置凈化污染物效果的重要技術(shù)指標(biāo)。對于除塵裝置稱為除塵效率，對于吸收裝置稱為吸收效率，對于吸附裝置則稱為吸附效率。

壓力損失

裝置的進(jìn)口和出口氣流全壓之差，其大小取決于裝置的種類、結(jié)構(gòu)型式和處理氣體流量大小。

1

2

100

(%)

Q1N(Pa)

v12

2

P

式中，

：凈化裝置的壓損系數(shù)；v1：裝置進(jìn)口氣流速度，m/s；

：氣體的密度，kg/m3。QN(Q1NQ2N)(mN3/47二、凈化效率的表示方法Q1N——裝置進(jìn)口的氣體流量，m3N/s；S1——污染物流量，g/s；

1N——污染物濃度，g/

m3；Q2N——裝置出口的相應(yīng)量為，m3N/s；S2

——污染物流量，g/s；

2N——污染物濃度，g/

m3N；S3

——裝置捕集的污染物流量，g/s。

S1

S2

S3

S1

1NQ1N

S2

2NQ2N凈化效率計(jì)算式中有關(guān)符號

二、凈化效率的表示方法Q1N——裝置進(jìn)口的氣體流凈化效率計(jì)算48S2

2NQ2N二、凈化效率的表示方法

總效率/總凈化效率η

指在同一時間內(nèi)凈化裝置去除的污染物數(shù)量與進(jìn)入裝置的污染物數(shù)量之比。

1

1

S1

1NQ2N若凈化裝置本體不漏氣，即Q1N=Q2N，于是

2N

1N

1

S22NQ2N二、凈化效率的表示方法49二、凈化效率的表示方法

通過率P

分級除塵效率

分級除塵效率系指除塵裝置對某一粒徑dpi或粒徑間隔

dp內(nèi)粉

1

2NQ2N

1NQ1NS2

S1P

塵的除塵效率，簡稱分級效率。分級效率可以用表格、曲線圖

或顯函數(shù)的形式表示。這里dpi代表某一粒徑或粒徑間隔。若設(shè)除塵器進(jìn)口、出口和捕集的dpi顆粒質(zhì)量流量分別為S1i、S2i和S3i，則該除塵器對dpi顆粒的分級效率為：S2iS1iS3iS1i

1

i

除塵器的分割粒徑dc：除塵效率為50％的粒徑（

i=50%）二、凈化效率的表示方法通過率P分級除塵效率分級除塵效率50

3i

1

P

2i二、凈化效率的表示方法

分級效率與總除塵效率的關(guān)之間的關(guān)系

由總效率求分級效率——除塵器實(shí)驗(yàn)

由分級效率求總效率——除塵器設(shè)計(jì)

ig1i

i

1

i

dG1

iq1ddpgg1iS3g3i

S1g1i

i

gg1iS2g2i

S1g1i

i

1

Pg2i

/

g3i

i

3i1P2i二、凈化效51二、凈化效率的表示方法

多級串聯(lián)的總凈化率

或總分級效率為

若已知各級除塵器的除塵效率為

1，

2，

3，…..，

n，也可仿i若凈化第i級粉塵的分級通過率分別為Pi1、Pi2、…..，Pin，或分級效率分別為

i1，

i2，….,

in，則此多級除塵器凈化第i級粉塵的總分級通過率為

P

iT

Pi1P2

P

in

iT

1

P

iT

1

(1

i1)(1

i2)

(1

in)再由除塵系統(tǒng)總進(jìn)口的粉塵粒徑分布，可計(jì)算出多級除塵系統(tǒng)的總除塵效率。

照上式計(jì)算多級除塵系統(tǒng)的總除塵效率：

T

1

(1

1)(1

2)

(1

n)但應(yīng)指出，由于進(jìn)入各級除塵器的粉塵粒徑越來越小，所以每級除塵器的除塵效率一般也越來越小。二、凈化效率的表示方法多級串聯(lián)的總凈化率或總分級效率為52第四節(jié)

顆粒物的捕集基礎(chǔ)

對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產(chǎn)生一定位移并從氣流中分離顆粒捕集過程中需要考慮的作用力：外力、流體阻力、顆粒間相互作用力

外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、泳力等顆粒間相互作用力：顆粒濃度不高時可以忽略第四節(jié)顆粒物的捕集基礎(chǔ)對顆粒施加外力使顆粒相對氣流產(chǎn)生53一、流體阻力一、流體阻力54一、流體阻力

阻力