1、第五章第五章 顆粒污染物控制技術基礎顆粒污染物控制技術基礎第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質第三節第三節 凈化裝置的性能凈化裝置的性能第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎 1、教學要求、教學要求 要求理解和掌握顆粒物的粒徑分布及其他物理性要求理解和掌握顆粒物的粒徑分布及其他物理性質、評價凈化裝置性能的技術指標以及顆粒物捕質、評價凈化裝置性能的技術指標以及顆粒物捕集的動力學理論基礎。集的動力學理論基礎。 2、教學重點、教學重點 要求了解除塵技術的理論基礎，掌握顆粒污染物要求了解除塵技術的理論基礎，掌握顆粒污染物的性質。的

2、性質。 3、教學難點、教學難點 除塵技術的理論基礎以及顆粒物捕集的動力學理除塵技術的理論基礎以及顆粒物捕集的動力學理論基礎。論基礎。第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.1 顆粒的粒徑顆粒的粒徑 概念：實際顆粒的形狀多是不規則的，需按一定的方法概念：實際顆粒的形狀多是不規則的，需按一定的方法確定一個表示顆粒大小的代表性尺寸，作為顆粒的直徑，簡確定一個表示顆粒大小的代表性尺寸，作為顆粒的直徑，簡稱為粒徑。稱為粒徑。 幾種粒徑定義方法：幾種粒徑定義方法： 顯微法：定向直徑顯微法：定向直徑dF（菲雷特直徑）（菲雷特直徑） 定向面積等分直徑定向面積等分直徑dM（ 馬丁直徑）馬丁直徑

3、） 投影面積直徑投影面積直徑dA（黑烏德直徑）（黑烏德直徑） 篩分直徑篩分直徑 等體積直徑（光散射法）等體積直徑（光散射法）dV 沉降法：斯托克斯直徑沉降法：斯托克斯直徑dS、空氣動力學當量直徑、空氣動力學當量直徑da。41.1 顆粒的粒徑顆粒的粒徑(1)顯微鏡法觀測粒徑直徑的三種方法顯微鏡法觀測粒徑直徑的三種方法a-定向直徑定向直徑b-定向面積等分直徑定向面積等分直徑c-投影面積直徑投影面積直徑第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布5（2）篩分法）篩分法 篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度篩分直徑：顆粒能夠通過的最小方篩孔的寬度 篩孔的大小用目表示篩孔的大小用目表示每英

4、寸長度上篩孔的個數每英寸長度上篩孔的個數（3）光散射法）光散射法 等體積直徑等體積直徑dV：與顆粒體積相等的球體的直徑與顆粒體積相等的球體的直徑（4）沉降法）沉降法 斯托克斯（斯托克斯（Stokes）直徑）直徑ds：同一流體中與顆粒密度同一流體中與顆粒密度相同、沉降速度相等的球體直徑相同、沉降速度相等的球體直徑 空氣動力學當量直徑空氣動力學當量直徑da：在空氣中與顆粒沉降速度相：在空氣中與顆粒沉降速度相等的單位密度（等的單位密度（1g/cm3）的球體的直徑）的球體的直徑 第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.1 顆粒的粒徑顆粒的粒徑1.2 粒徑分布粒徑分布 概念：指不同粒徑

5、范圍內德顆粒的個數（或質量、概念：指不同粒徑范圍內德顆粒的個數（或質量、表面積）所占的比例。表面積）所占的比例。 個數分布：個數頻率個數分布：個數頻率 個數篩下累積頻率個數篩下累積頻率 個數頻率密度個數頻率密度 眾徑眾徑dD 中位粒徑（中位粒徑（NMD) 質量分布：以顆粒個數給出的粒徑分布數據，可以質量分布：以顆粒個數給出的粒徑分布數據，可以轉換為以顆粒質量表示的粒徑分布數據，或進行相反的轉換為以顆粒質量表示的粒徑分布數據，或進行相反的換算。換算。第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布7個數分布個數分布:每一粒徑間隔內的顆粒個數每一粒徑間隔內的顆粒個數（1）個數頻率：第）個數頻

6、率：第i個間隔中的顆粒個數個間隔中的顆粒個數ni與顆粒總數與顆?？倲祅i之比之比（2）個數篩下累積頻率：小于第）個數篩下累積頻率：小于第i個間隔上限粒徑的所個間隔上限粒徑的所有顆粒個數與顆?？倐€數之比有顆粒個數與顆粒總個數之比iiNinfni1iiiNinFnFi=iFN=i=1第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.2 粒徑分布粒徑分布8（3）個數頻率密度）個數頻率密度（4）粒數眾徑頻度）粒數眾徑頻度p最大時對應的粒徑，此時最大時對應的粒徑，此時（5）粒數中位徑（）粒數中位徑（NMD）累計頻率）累計頻率F=0.5時對應的粒徑時對應的粒徑22ppdd0ddpFddpp()d/

7、dp dFd第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.2 粒徑分布粒徑分布第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.3 平均粒徑平均粒徑 概念：表示顆粒群的某一物理特性和平均尺寸的概念：表示顆粒群的某一物理特性和平均尺寸的大小。大小。 幾種常用的平均粒徑幾種常用的平均粒徑 眾徑眾徑 中位直徑中位直徑 長度平均粒徑（算術平均）長度平均粒徑（算術平均） 表面積平均粒徑表面積平均粒徑 體積平均粒徑體積平均粒徑 表面積表面積-體積平均粒徑體積平均粒徑 幾何平均粒徑幾何平均粒徑第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.4 粒徑分布函數粒徑分布函數 正態分布

8、（高斯分布）正態分布（高斯分布） 對數正態分布對數正態分布 羅辛羅辛-拉姆勒分布拉姆勒分布111.4 粒徑分布函數粒徑分布函數 用一些半經驗函數描述一定種類粉塵的粒徑分布用一些半經驗函數描述一定種類粉塵的粒徑分布 1.正態分布正態分布 頻率密度頻率密度 篩下累積頻率篩下累積頻率 標準差標準差2ppp2()1()exp22ddp dp2pppp20()1()expd22dddF dd2pp1/2()1iin ddN第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布12 1.正態分布（續）正態分布（續） 正態分布是最簡單的分布函數正態分布是最簡單的分布函數（1）（2）累計頻率曲線在正態概率坐標

9、紙上為一條直線，）累計頻率曲線在正態概率坐標紙上為一條直線，其斜率取決于其斜率取決于（3） 正態分布函數很少用于描述粉塵的粒徑分布，因為正態分布函數很少用于描述粉塵的粒徑分布，因為大多數粉塵的頻度曲線向大顆粒方向偏移大多數粉塵的頻度曲線向大顆粒方向偏移p50dddd84.1505015.984.115.91()2dddddd第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.4 粒徑分布函數粒徑分布函數13 正態分布的累積頻率分布曲線正態分布的累積頻率分布曲線第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.4 粒徑分布函數粒徑分布函數141.4 粒徑分布函數粒徑分布函數 2.對

10、數正態分布對數正態分布 以以lndp代替代替dp得到的正態分布的頻度曲線得到的正態分布的頻度曲線2pg1/2g(ln/)ln1iinddNplnpg2ppggln/1()exp () d(ln)2 ln2lndddF ddppg2pppggd ()ln/1()exp () d2ln2lnF dddp ddd2pg1/2g(ln/)ln1iinddNplnpg2ppggln/1()exp () d(ln)2 ln2lndddF ddppg2pppggd ()ln/1()exp () d2ln2lnF dddp ddd第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布15 2.對數正態分布（續

11、）對數正態分布（續） 對數正態分布在對數概率坐標紙上為一直線，斜率對數正態分布在對數概率坐標紙上為一直線，斜率決定于決定于g1/284.15084.1g5015.915.9()ddddddg1 (=1時為單分散氣溶膠）2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平平均均粒粒徑徑的的換換算算關關系系2g2glnMMDlnNMD3lnlnSMDlnNMD2ln平平均均粒粒徑徑的的換換算算關關系系第一節第一節 顆粒的粒徑及粒徑分布顆粒的粒徑及粒徑分布1.4 粒徑分布函數粒徑分布函數第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質2.1 粉塵的密度粉塵的密度 概念：單位體積粉塵的質量（概念：

12、單位體積粉塵的質量（kg/m3、g/cm3） 真密度真密度P ：根據粉塵的真實體積（不包括顆粒之：根據粉塵的真實體積（不包括顆粒之間和內部的空隙）求得的密度。間和內部的空隙）求得的密度。 堆積密度堆積密度b ：根據粉塵堆積體積（包括顆粒之間：根據粉塵堆積體積（包括顆粒之間和內部的空隙）求得的密度。和內部的空隙）求得的密度。 b （1-） P 空隙率：空隙率： 1- b/ P 1- VP / Vb第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質2.2 粉塵的安息角與滑動角粉塵的安息角與滑動角 安息角：粉塵從漏斗連續落到水平面上，自然堆安息角：粉塵從漏斗連續落到水平面上，自然堆積成一個圓錐體，圓錐體母線

13、與水平面的夾角稱為粉塵積成一個圓錐體，圓錐體母線與水平面的夾角稱為粉塵的安息角的安息角 滑動角：指自然對方在光滑平板上的粉塵，隨平滑動角：指自然對方在光滑平板上的粉塵，隨平板做傾斜運動時，粉塵開始發生滑動時平板的傾斜角。板做傾斜運動時，粉塵開始發生滑動時平板的傾斜角。也稱為靜安息角。也稱為靜安息角。 影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒影響因素：粉塵粒徑、含水率、顆粒形狀、顆粒表面光滑程度及粉塵粘性。表面光滑程度及粉塵粘性。第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質2.3 粉塵的比表面積粉塵的比表面積 概念：單位體積（或質量）粉塵所具有的表面積。概念：單位體積（或質量）粉塵所具有的表面積

14、。 粉狀物料的許多理化性質，往往與其表面積大小粉狀物料的許多理化性質，往往與其表面積大小有關，細顆粒表現出顯著的物理、化學活性。有關，細顆粒表現出顯著的物理、化學活性。 顆粒層的流體阻力因細顆粒的表面積增大而增大；顆粒層的流體阻力因細顆粒的表面積增大而增大； 氧化、溶解、蒸發、吸附、催化及生理效應等都氧化、溶解、蒸發、吸附、催化及生理效應等都因表面積增大而加速；因表面積增大而加速； 粉塵的爆炸性、毒性隨粒徑的減小而增加粉塵的爆炸性、毒性隨粒徑的減小而增加 體積比表面積體積比表面積 Sv、質量比表面積、質量比表面積Sm、堆積體積比、堆積體積比表面積表面積Sb第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理

15、性質2.4 粉塵的含水率粉塵的含水率 粉塵中所含水分質量與粉塵總質量的比值粉塵中所含水分質量與粉塵總質量的比值 粉塵中含的水分包括：附著水、自由水、內部結合水。粉塵中含的水分包括：附著水、自由水、內部結合水。 粉塵的含水率與粉塵的吸濕性、平衡含水率粉塵的含水率與粉塵的吸濕性、平衡含水率2.5 粉塵的潤濕性粉塵的潤濕性 粉塵顆粒與液體接觸后能否互相附著或附著難易程度粉塵顆粒與液體接觸后能否互相附著或附著難易程度的性質稱為粉塵的潤濕性。是選用濕式除塵器的依據的性質稱為粉塵的潤濕性。是選用濕式除塵器的依據 與粉塵的種類、形狀和粒徑、生成條件、組分、溫度、與粉塵的種類、形狀和粒徑、生成條件、組分、溫度

16、、含水率、表面粗糙度、荷電性等有關。含水率、表面粗糙度、荷電性等有關。2.6 荷電性和導電性（電除塵器：比電阻荷電性和導電性（電除塵器：比電阻104-1010m） 導致顆粒荷電的因素：電離輻射、高壓放電、高溫產生導致顆粒荷電的因素：電離輻射、高壓放電、高溫產生離子或電子被捕獲、固體顆粒碰撞或表面摩擦產生靜電。離子或電子被捕獲、固體顆粒碰撞或表面摩擦產生靜電。 粉塵荷電后會改變其某些物理特性。荷電量隨溫度增高、粉塵荷電后會改變其某些物理特性。荷電量隨溫度增高、表面積增大、含水率減小而增加表面積增大、含水率減小而增加 粉塵的荷電對電除塵器、袋式除塵器、濕式除塵器有關粉塵的荷電對電除塵器、袋式除塵器

17、、濕式除塵器有關 粉塵導電機制：粉塵導電機制： 本體導電：高溫，粉塵內部電子或離子進行，體積比電阻本體導電：高溫，粉塵內部電子或離子進行，體積比電阻 表面導電：表面吸附的水分或其它化學物質中的離子，表表面導電：表面吸附的水分或其它化學物質中的離子，表面比電阻面比電阻第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質2.7 粉塵的粘附性粉塵的粘附性 粉塵顆粒附著在固體表面上，或者顆粒彼此互相附著粉塵顆粒附著在固體表面上，或者顆粒彼此互相附著的現象稱為附著，附著強度，及克服附著現象所需的力稱為的現象稱為附著，附著強度，及克服附著現象所需的力稱為附著力。附著力。 從捕集的角度看，粘附性越大越好，從管道輸送的

18、角從捕集的角度看，粘附性越大越好，從管道輸送的角度看，粘附性越小越好。度看，粘附性越小越好。 粘附力：分之力（范德華力）、毛細力和靜電力（庫粘附力：分之力（范德華力）、毛細力和靜電力（庫侖力）侖力） 自粘性表征指標：斷裂強度（粉塵斷裂所需的力除以自粘性表征指標：斷裂強度（粉塵斷裂所需的力除以斷裂的接觸面積）：不粘性、微粘性、中等粘性、強粘性斷裂的接觸面積）：不粘性、微粘性、中等粘性、強粘性第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質2.8 粉塵的自燃性和爆炸性粉塵的自燃性和爆炸性 自燃：粉塵在常溫下存放過程中自然發熱，此熱量經自燃：粉塵在常溫下存放過程中自然發熱，此熱量經長時間積累，達到該粉塵的

19、燃點而引起燃燒的現象。長時間積累，達到該粉塵的燃點而引起燃燒的現象。 誘發原因：氧化熱、分解熱、聚合熱。誘發原因：氧化熱、分解熱、聚合熱。 爆炸：可燃物的劇烈氧化作用，在瞬間產生大量的熱爆炸：可燃物的劇烈氧化作用，在瞬間產生大量的熱量和燃燒產物，在空間造成很高的溫度和壓力，稱為化學爆量和燃燒產物，在空間造成很高的溫度和壓力，稱為化學爆炸炸 爆炸條件：可燃物與空氣或氧混合達到一定比例；存在爆炸條件：可燃物與空氣或氧混合達到一定比例；存在能量足夠的火源。爆炸上限、下限。能量足夠的火源。爆炸上限、下限。第二節第二節 粉塵的物理性質粉塵的物理性質233.1 凈化裝置技術性能的表示方法凈化裝置技術性能的

20、表示方法 1.處理氣體流量處理氣體流量 漏風率漏風率 2.凈化效率凈化效率 3.壓力損失壓力損失1N3N2NN1() (m/s)2QQQ1N2N1N100 (%)QQQ21 (Pa)2vP第三節第三節 凈化裝置的性能凈化裝置的性能3.2 凈化效率的表示方法凈化效率的表示方法 總效率總效率 通過率通過率 分級除塵效率分級除塵效率 分級效率與總除塵效率之間的關系分級效率與總除塵效率之間的關系 總總分；分分；分總總 多級串連運行時的總凈化效率多級串連運行時的總凈化效率第三節第三節 凈化裝置的性能凈化裝置的性能253.2 凈化效率的表示方法凈化效率的表示方法 1.總凈化效率總凈化效率 2.通過率通過率

21、 3.分級除塵效率分級除塵效率 分割粒徑除塵效率為分割粒徑除塵效率為50的粒徑的粒徑22 N2 N11N2 N11SQSQ22 N2 N11N1N1SQPSQ32111iiiiiSSSS第三節第三節 凈化裝置的性能凈化裝置的性能26 4.分級效率與總效率的關系分級效率與總效率的關系 （1）由總效率求分級效率）由總效率求分級效率 （2）由分級效率求總效率）由分級效率求總效率333112221112311/iiiiiiiiiiiiiS ggS ggS ggPS ggP gg1111p00ddiiiiigGqd第三節第三節 凈化裝置的性能凈化裝置的性能3.2 凈化效率的表示方法凈化效率的表示方法27

22、 總分級通過率總分級通過率 總分級效率總分級效率 總除塵效率總除塵效率12iTiiinPP PP1211(1)(1)(1)iTiTiiinP 121 (1)(1)(1)Tn 3.2 凈化效率的表示方法凈化效率的表示方法 5.多級串聯的總凈化效率多級串聯的總凈化效率第三節第三節 凈化裝置的性能凈化裝置的性能第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎 除塵過程的機理：將含塵氣體引入具有一種或除塵過程的機理：將含塵氣體引入具有一種或幾種力作用的除塵器，使顆粒相對其運載氣流產生幾種力作用的除塵器，使顆粒相對其運載氣流產生一定的位移，并從氣流中分離出來，最后沉降到捕一定的位移，并從氣流中分離出來

23、，最后沉降到捕集表面上。集表面上。 捕集所考慮的捕集所考慮的作用力作用力有：有： 外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、外力：重力、離心力、慣性力、靜電力、磁力、熱力、 泳力等。泳力等。 流體阻力流體阻力 顆粒間相互作用力顆粒間相互作用力第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎4.1 流體阻力流體阻力 流體阻力形狀阻力摩擦阻力流體阻力形狀阻力摩擦阻力 阻力的大小取決于顆粒的形狀、粒徑、表面特性、運阻力的大小取決于顆粒的形狀、粒徑、表面特性、運動速度及流體的種類和性質動速度及流體的種類和性質 阻力系數：阻力系數： ReP1： 斯托克斯區域斯托克斯區域 1 ReP 500： 湍

24、流過度區湍流過度區 500 ReP 2105：牛頓區域：牛頓區域 坎寧漢修正系數坎寧漢修正系數C：與氣體的溫度、壓力和顆粒大小有：與氣體的溫度、壓力和顆粒大小有關，溫度越高，壓力越低、粒徑越小，關，溫度越高，壓力越低、粒徑越小，C值越大。值越大。304.2 阻力導致的減速運動阻力導致的減速運動 根據牛頓第二定律 若僅考慮Stokes區域 積分得 速度由u0減速到u所遷移的距離 若引入坎寧漢修正系數C 停止距離馳豫時間或松弛時間馳豫時間或松弛時間322pppDD2Dppd6d42d3 d4 即dduuFCtuuCtd2Pp2Ppd18 d18 其中duuutd/0e (m/s)tuu/00()(

25、1 e)txuuu第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎314.3 重力沉降重力沉降 力平衡關系力平衡關系 Stokes顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響）顆粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影響） 湍流過渡區湍流過渡區 牛頓區牛頓區 Stokes直徑直徑 空氣動力學直徑空氣動力學直徑2pDGBp()6dFFFg2pps18dugCgC1.140.7140.714pps0.4280.2860.153()dgu1/2spp1.74() /udgssp18udgCsaa181000udgC第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎

26、4.4 離心沉降離心沉降 離心沉降的末端速度：離心沉降的末端速度：pdqE34.5 靜電沉降靜電沉降 離心沉降的末端速度離心沉降的末端速度(顆粒的驅進速度顆粒的驅進速度)：ctppcaRudu2218第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎4.6 慣性沉降慣性沉降 顆粒接近靶時的運動情況顆粒接近靶時的運動情況 慣性碰撞的捕集效率取決于三個因素 氣流速度在靶周圍的分布，用ReD衡量 顆粒運動軌跡，用Stokes數描述 顆粒對捕集體的附著，通常假定為100340DcuDRe2pp0s0ccc18du Cx Cu CStDDD1.慣性碰撞慣性碰撞第四節第四節 顆粒捕集的理論基礎顆粒捕集的理論基礎4.6 慣性沉降慣性沉降 352.攔截攔截 直接攔截發生在顆粒距捕集體直接攔截發生在顆粒距捕集體d