第3章除塵技術基礎3.1粉塵的物理性質3.2粉塵的粒徑和粒徑分布3.3

微粒在流體中的運動阻力3.4微粒沉降分離機理3.5除塵器的分類與性能1大氣污染控制工程3.1粉塵的物理性質3.1.1密度粉塵的密度是指單位體積粉塵的質量，單位為kg/m3。分為真密度和堆積密度。真密度：單位體積不包括粉塵顆粒體內部的空隙而定義的密度，以符號ρP表示；堆積密度：單位體積包括顆粒內部的空隙和顆粒之間的空隙而定義的密度，以符號ρb表示。

2大氣污染控制工程粉塵越細，吸附的空氣越多，ε值越大；充填過程加壓或振動，則ε值減小。3大氣污染控制工程3.1.2比表面積比表面積是指單位體積（或質量）粉塵具有的表面積。

粉塵比表面積越大，潤濕性降低，粘附性增強，凝聚性增大，處理設備輸送阻力增大。

3.1粉塵的物理性質4大氣污染控制工程3.1.3粉塵的含水率及潤濕性

1.粉塵的含水率粉塵中的水分包括自由水分和結合水分。

3.1粉塵的物理性質5大氣污染控制工程2.粉塵的潤濕性塵粒能否與液體相互附著或附著難易的性質稱為粉塵的潤濕性。當固體粒子與液體接觸時,如果接觸面能擴大而相互附著,就是能潤濕；如果接觸面趨于縮小而不能附著,則是不能潤濕。容易被水潤濕的物質稱為親水性物質，難以被水潤濕的物質稱為疏水性物質。6大氣污染控制工程塵粒的潤濕性不僅與粉塵的粒徑、生成條件、溫度、壓力、含水率、表面粗糙度及荷電性等有關，還與液體的表面張力、對塵粒的粘附力及相對于塵粒的運動速度等有關。對于5μm以下特別是1μm以下的塵粒，即使是親水的，也很難被水潤濕，這是由于細粉的比表面積大，對氣體的吸附作用強，塵粒和水滴表面都有一層氣膜，因此只有在塵粒與水滴之間具有較高的相對運動速度時（如文丘里喉管中），才會被潤濕。水硬性粉塵如水泥粉塵、熟石灰及白云石砂等不宜采用濕式洗滌器凈化。3.1粉塵的物理性質7大氣污染控制工程3.1.4荷電性和導電性

1.荷電性

粉塵的荷電量隨溫度升高、比表面積增大及含水量減小而增大。

2.比電阻和導電性

容積導電：高于200℃時，粉塵自身電子和離子進行；表面導電：低于100℃時，靠塵粒表面吸附的水分和化學膜進行。3.1粉塵的物理性質8大氣污染控制工程最適宜的電除塵器捕集的比電阻為104~5×1010Ω·cm。在高溫(>200℃)條件下，溫度升高，粉塵內部會發生電子的熱激化作用，使容積比電阻下降。在低溫(<100℃)條件下，溫度升高，粉塵表面吸附的水分減少，使表面比電阻升高。3.1粉塵的物理性質9大氣污染控制工程

3.1.5粉塵的安息角和滑動角

粉塵自漏斗連續落到水平面上，堆積成圓錐體。圓錐體的母線同水平面的夾角稱為該粉塵的安息角，也叫休止角、堆積角等。粉塵的滑動角系指自然堆放在光滑平面上的粉塵，隨光滑平板做傾斜運動時,平板上粉塵開始發生滑動的平板傾斜角。粉塵的安息角及滑動角是評價粉塵流動性的一個重要指標。安息角小的粉塵，流動性好，安息角大的粉塵，其流動性就差。粉塵的安息角和滑動角是設計除塵器灰斗(或料倉)的錐度、除塵管路或輸灰管路斜度的重要依據。Φr為35～40°比較合適Φr3.1粉塵的物理性質10大氣污染控制工程3.1.6粉塵的粘附性

粉塵的粘附性是指粉塵顆粒之間互相附著或粉塵附著在器壁表面的可能性。粉塵顆粒由于互相粘附而凝聚變大，有利于提高除塵器的捕集效率，但粉塵對器壁的粘附會造成裝置和管道的堵塞。顆粒細，形狀不規則，表面粗糙，含水率高，潤濕性好及荷電量大時，易于產生粘附現象。此外，還與粉塵隨氣流運動的速度及壁面粗糙情況有關。3.1粉塵的物理性質11大氣污染控制工程在封閉空間內可燃性懸浮粉塵的燃燒只有在一定濃度范圍內才會導致化學爆炸。能夠引起爆炸的濃度范圍叫作爆炸極限，引起爆炸的最高濃度叫做爆炸上限,最低的濃度叫做爆炸下限。在低于爆炸濃度下限或高于爆炸濃度上限的燃燒都屬于正常的安全燃燒，不會發生爆炸。由于多數粉塵的爆炸上限濃度很高，在多數情況下達不到這個濃度,因而粉塵的爆炸上限濃度無實際意義。3.1.7粉塵的爆炸性3.1粉塵的物理性質12大氣污染控制工程有些粉塵(如鎂粉、碳化鈣粉)與水接觸后會引起自燃或爆炸，稱這種粉塵為具有爆炸危險性粉塵。這類粉塵不能采用濕法除塵。有些粉塵(如硫礦粉、煤塵等)在空氣中達到一定濃度時，在外界的高溫、摩擦、震動、碰撞以及放電火花等作用下會引起爆炸，這些粉塵亦稱為具有爆炸危險性粉塵。有些粉塵互相接觸或混合，如溴與磷、鋅粉與鎂粉接觸混合，也會引起爆炸。3.1粉塵的物理性質13大氣污染控制工程3.2.1.粒徑

粒徑：表示粒子大小的最佳代表性尺寸，分為單一粒徑和平均粒徑（1）單一粒徑球形顆粒用直徑來表示，非球形顆粒一般用投影徑、篩分粒徑、幾何當量徑和物理當量徑四種方法來定義。①投影徑：顆粒在顯微鏡下觀察到的粒徑。長短徑定向徑定向面積等分徑3.2粉塵的粒徑和粒徑分布14大氣污染控制工程②幾何當量徑：取顆粒的某一幾何量（如體積、面積等）相同時的球形顆粒的直徑。等投影面積徑等體積徑等表面積徑體積表面積平均徑3.2粉塵的粒徑和粒徑分布15大氣污染控制工程③物理當量徑：取顆粒的某一物理量相同時的球形顆粒的直徑空氣動力粒徑da：與被測粒子在空氣中的終末沉降速度相等的單位密度的球的直徑。斯托克斯粒徑dst：與被測粒子密度相同，終末沉降速度相等的球的直徑。另外還有分割粒徑、空氣動力分割粒徑。3.2粉塵的粒徑和粒徑分布16大氣污染控制工程（2）平均粒徑為了簡明表示粒子群的某一物理特性，需要按照應用目的求出代表粒子群特性的平均粒徑。安德列耶夫定義：對于一個由大小和形狀不相同的粒子組成的實際粒子群，以及一個由均一的球形粒子組成的假想粒子群，如果兩者具有相同的某一物理性質，則稱此球形粒子的直徑為實際粒子群的平均粒徑。幾何平均徑、中位徑、眾徑3.2粉塵的粒徑和粒徑分布17大氣污染控制工程粒徑分布中頻度最高的粒徑眾徑分離、分級裝置性能的表示粒徑分布的累積值為50%時的粒徑中位徑蒸發、分子擴散由粒子比表面積a計算的粒徑比表面積徑吸收總表面積除以總個數取其平方根表面積平均徑氣體輸送、燃燒效率、質量平衡質量等于總質量，粒子數等于總個數的等粒子粒徑質量平均徑與粒子總個數和總體積相等的均一球的直徑體積平均粒傳質、粒子充填層的流體阻力，充填材料的強度全部粒子的體積除以總表面積體面積平均徑吸附表面積總和除以直徑的總和面積長度平均徑單一徑的幾何平均值幾何平均徑蒸發、各種粒徑的比較單一徑的算術平均值算術平均徑應用范圍物理意義計算公式名稱18大氣污染控制工程3.2.2.粒徑分布

粒徑分布是指某一粒子群中不同粒徑的粒子所占的比例，也稱粒子的分散度。有個數分布、表面積分布、質量分布等，除塵技術中多采用質量分布。粒徑分布的表示方法有列表法、圖示法和函數法。1.粒徑分布的表示方法

(1)頻數分布對從氣溶膠顆粒群中取出具有代表性并符合統計學所規定的樣本，在顯微鏡下進行觀測．將觀測到的粒徑以及各粒徑或粒徑區間內顆粒的個數或質量，分成各等距(或不等距)組．并以表格形式將各組中的粒子個數或質量數(組頻數)排列成表。3.2粉塵的粒徑和粒徑分布19大氣污染控制工程3.2粉塵的粒徑和粒徑分布分組號123456789粒徑范圍dp/μm6~1010~1414~1818~2222~2626~3030~3434~3838~42粒徑間隔△dp/μm444444444粉塵質量△m/g0.0120.0980.360.640.860.890.80.460.16頻數分布△D/%0.32.38.415.020.120.818.710.73.7頻度分布f/(%·μm-1)0.070.572.103.755.035.204.682.670.92篩上累積分布R/%10099.897.589.174.154.033.214.53.8篩下累積分布D/%00.22.510.925.946.066.885.596.220大氣污染控制工程(2)相對頻數分布△D(%)：是指粒徑從dp到dp＋△dp之間的粒子質量△m占粉塵試樣總質量m0的百分數。(3)頻率密度分布?(%/μm)，是指粒徑組距為1μm時的相對頻數分布，即△dp＝1μm時粒子質量占粉塵試樣總質量的百分數。

3.2粉塵的粒徑和粒徑分布21大氣污染控制工程d.篩上累積頻率分布R(%)：是指大于某一粒徑的所有粒子質量占粉塵試樣總質量的百分數。

篩下累積頻率分布D(%)3.2粉塵的粒徑和粒徑分布22大氣污染控制工程右圖是頻數分布直方圖（a）

、頻度分布的直方圖（b）和篩上累積分布及篩下累積分布的曲線（c）。篩上累積分布和篩下累積分布相等(R=D=50%)時的粒徑為中位徑，記作d50，即

(c)中R與D兩曲線交點處對應的粒徑。中位徑是除塵技術中常用的一種表示粉塵粒徑分布特性的簡明方法。

(b)中頻度分布達到最大值時相對應的粒徑稱作眾徑，記作dd。

3.2粉塵的粒徑和粒徑分布23大氣污染控制工程24大氣污染控制工程3.2.3粉塵粒徑的分布函數

1.正態分布（高斯分布）頻數曲線是對稱于算術平均值的兩側，故其眾徑、中位徑和算術平均值重合。頻率密度曲線是關于平均值對稱的鐘型曲線，累計分布曲線在概率坐標圖中為一直線。3.2粉塵的粒徑和粒徑分布25大氣污染控制工程2.對數正態分布大多數粒子的粒徑分布在矩形坐標圖中是偏態的，若橫坐標用對數坐標（ln

dp）代替，可轉化為近似正態分布的對稱性鐘型曲線。

3.2粉塵的粒徑和粒徑分布26大氣污染控制工程對數正態分布的主要特點是：如果某種粉塵的粒徑分布遵從對數正態分布，則無論是以質量表示還是以個數或表面積表示的粒徑分布，都遵從對數正態分布，且幾何標準差相等。3.2粉塵的粒徑和粒徑分布式中:—分別是以粒子的質量、個數和表面積表示的對數正態分布的中位徑。27大氣污染控制工程3.2粉塵的粒徑和粒徑分布28大氣污染控制工程例3-1經測定某城市大氣中飄塵的質量粒徑分布遵從對數正態分布規律，其中中位徑d50=5.7μm，篩上累積分布R=15.87％時，粒徑d15.87=9.0μm。試確定以個數表示時對數正態分布函數的特征數和算術平均粒徑。解：對數正態分布函數的特征數是中位徑d50和幾何標準差σg。由于對數正態分布中以個數和質量表示的幾何標準差相等，故個數表示的中位徑為3.2粉塵的粒徑和粒徑分布29大氣污染控制工程該飄塵的算術平均粒徑為3.2粉塵的粒徑和粒徑分布30大氣污染控制工程3.羅辛—拉姆勒（R-R）分布3.2粉塵的粒徑和粒徑分布式中稱為粒徑特性數，為篩上累積分布R＝36.8%時的粒徑。

n為分布指數例3-2已知煉鋼電弧爐吹氧期產生的煙塵遵從R-R分布，中位徑d50=0.11μm，分布指數n=0.50，試確定小于1μm的煙塵所占的比例。31大氣污染控制工程某種粉塵的粒徑分布究竟適合上述三種中的哪一種，只需將該粉塵的累積分布(R或D)測定值同時標繪在正態概率紙、對數正態概率紙和R-R分布紙上，當實驗值的標點在哪種概率紙上形成一條直線時，則此粉塵的粒徑分布就服從哪種分布。例3-3某石英塵的粒徑分析結果如下表，試求該石英塵的分布函數及dp為1，2，5，10，20，30，40μm的篩上累積百分數。dp(μm)2.13.75.89.616.22834.6篩上累積百分數（％）97.792.483.057.222.84.71.83.2粉塵的粒徑和粒徑分布32大氣污染控制工程解：將表中數據在三種分布函數的坐標紙上進行標繪，發現在R-R分布坐標紙上為一直線（圖3-6），說明該塵符合R-R分布。作通過各點的直線AB。通過原點P作平行于AB的直線至坐標紙的邊緣處，得n=1.86。由圖查得d50=12μm。將n和d50值代入（3－34）式，得該石英塵的分布函數為R（dp）=100exp(-0.0068dp1.86)由上式可以算出（或由圖中AB線上直接查出）dp為1，2，5，10，20，30，40μm的R值分別為99.3％，97.5％，87％，61％，17％，2.5％，0.2％。圖3-6在R-R分布坐標紙上表示粒徑分布33大氣污染控制工程3.3微粒在流體中的運動阻力3.3.1微粒在流體中的運動阻力和阻力系數氣溶膠體系在運動狀態時，氣溶膠體系中的氣相介質和顆粒物之間有可能出現三種運動狀態：工業除塵只能在（b）、（c）兩種情況下實現，（b）、（c）中都存在相對運動，也必然存在流體阻力（也稱繞流阻力），其大小由下式確定：34大氣污染控制工程α和m的值與粒子雷諾數的大小有關。3.3微粒在流體中的運動阻力35大氣污染控制工程

①層流區，也稱斯托克斯區，Rep≤1.0，有α＝24，m=1.0，故②過渡區，也稱奧倫區，Rep＝1～500，有α＝18.5，m=0.6，故③紊流區，也稱牛頓區，500<Rep<105，有α＝0.44，m=0，故3.3微粒在流體中的運動阻力36大氣污染控制工程表3-3

不同區域內的阻力系數CD和阻力FD層流區中：（3-40）37大氣污染控制工程

3.3.2滑動修正系數（又稱肯寧漢修正系數）在式(3-40)的推導過程中，曾假設微粒表面有一無限薄的流體介質層，它與塵粒之間沒有相對運動。但在實驗中發現。當微粒粒徑小于1.0μm時，薄氣層與微粒表面有滑動現象，使實際阻力小于按式(3-40)計算之值。肯寧漢針對這種現象，提出了滑動修正系數（又稱肯寧漢修正系數），以Cu表示，即3.3微粒在流體中的運動阻力38大氣污染控制工程微粒在重力場、電場、離心力場中的運動，只要滿足Rep≤1.0，且dp

≤1μm時，都可用下式計算阻力系數：

在常壓空氣中，Cu也可用下式估算粒徑dp的單位為μm39大氣污染控制工程3.4微粒沉降分離機理

3.4.1重力沉降設一直徑為dp的球形顆粒在靜止流體中從靜止狀態開始作自由重力沉降。顆粒只受重力F1和流體浮力F2的作用，這兩個力向下的合力FG為：當合力FG和阻力FD相等時，沉降速度達到最大，稱為終末沉降速度。40大氣污染控制工程①假設處于某一區域（如層流區），將相應阻力系數公式代入速度式。如將在計算粉塵顆粒的終末沉降速度時，常需要采用試算法。②再將vs代入Rep式，驗證Rep是否符合原假設區域。若假設不成立，則需重新假設所處區域。3.4微粒沉降分離機理

41大氣污染控制工程在一個大氣壓和298K時，處于層流區域的最大粒徑范圍為

大多數工業粉塵的粒徑在100微米以下，故對于氣體除塵中所遇到的粉塵，一般都可以采用斯托克斯公式進行計算。當粉塵的粒徑小于1微米時，應用肯寧漢滑動修正系數進行修正。3.4微粒沉降分離機理

42大氣污染控制工程對于過渡區，終末沉降速度vs

為對于牛頓區，終末沉降速度vs

為3.4微粒沉降分離機理

43大氣污染控制工程例：直徑為200微米、真密度為1850kg／m3的球形顆粒置于水平的篩子上，用溫度293K和壓力為一個大氣壓的空氣與篩子下部垂直向上吹篩子上的粒子，試確定：

（1）恰好能吹起粒子時的氣速；

（2）在此條件下的粒子雷諾數；

（3）作用在粒子上的阻力和阻力系數。

解：假設顆粒的流體狀態處于過渡區，則：則假設成立，確實處于過渡區。3.4微粒沉降分離機理

44大氣污染控制工程3.4.2離心沉降3.4微粒沉降分離機理

45大氣污染控制工程3.4.3電力沉降

電力沉降包括兩類情況：自然荷電粒子和外加電場荷電粒子在電力作用下的沉降。

對于斯托克斯區域的顆粒，顆粒所受氣流阻力，當靜電力FE和阻力FD達到平衡時，顆粒便達到靜電沉降的終末速度，習慣上稱為顆粒的驅進速度，并用ω表示靜電力FE為FE=qE

3.4微粒沉降分離機理

46大氣污染控制工程3.4.4慣性沉降攔截：顆粒4和5因質量和慣性較小而不會離開流線，這時只要粒子的中心是處在距靶表面不超過dp/2的流線上，就會與捕塵體接觸而被捕獲。慣性碰撞：距停滯流線較近的大顆粒3，因其質量和慣性較大而脫離流線，保持自身原來的運動方向而與靶碰撞，繼而被捕集。3.4微粒沉降分離機理

47大氣污染控制工程3.4.4.1慣性碰撞慣性碰撞的捕集效率主要取決于三個因素：(1)氣流速度在捕塵體（即靶）周圍的分布，它隨氣體相對捕塵體流動的雷諾數而變化。捕塵體雷諾數定義為式中

v0—未被擾動的上游氣流與捕塵體之間的相對流速（m/s）；

Dc—捕塵體的定性尺寸（m）。在高下（勢流），除了鄰近捕塵體表面附近外，氣流流型與理想氣體一致；在較低時，氣流受粘性力支配，即為粘性流。3.4微粒沉降分離機理

48大氣污染控制工程(2)顆粒運動軌跡，它取決于顆粒的質量、氣流阻力、捕塵體的尺寸和形狀，以及氣流速度等。斯托克斯準數St(也稱為慣性碰撞參數），它定義為顆粒的停止距離xs與捕塵體直徑Dc之比。對于球形的斯托克斯顆粒,有慣性碰撞分級效率ηst與斯托克斯準數St的關系(3)顆粒對捕塵體的附著，捕集效率通常假定為100%。3.4微粒沉降分離機理

49大氣污染控制工程3.4.4.2攔截

攔截作用一般用無因次的攔截參數R來表示其特性，它定義為：攔截參數R愈大，即dp愈大，Dc愈小，攔截效率愈高。

3.4微粒沉降分離機理

50大氣污染控制工程3.4.5擴散沉降3.4.5.1均方位移和擴散系數很小的微粒受到氣體分子的無規則撞擊，使它們也象氣體分子一樣作無規則運動，稱為布朗運動；布朗運動促使微粒從濃度較高的區域向濃度較低的區域擴散，稱為布朗擴散。在一定時間t內，粒子沿x軸的均方位移為顆粒的擴散系數D3.4微粒沉降分離機理

51大氣污染控制工程3.4.5.2擴散沉降效率擴散沉降效率取決于捕塵體的質量傳遞皮克萊（Peclet）數Pe和捕塵體雷諾數ReD。皮克萊數Pe定義為：對于粘性流，朗格繆爾提出的計算顆粒在孤立的單個圓柱形捕塵體上的擴散沉降效率為3.4微粒沉降分離機理

52大氣污染控制工程

在一種除塵器中，兩、三種機制常聯合作用。一般根據某一粒子被某一機制捕集后不再被捕集的原則，可按下式計算單個捕塵體多種捕塵機理的聯合捕集效率ηT，即

3.4.6其它沉降機理3.4.6.1擴散泳沉降擴散泳是氣體混合物存在濃度梯度所引起的粒子運動。3.4.6.2熱泳力沉降由于溫度梯度對粒子所產生的推力稱為熱泳力。3.4微粒沉降分離機理

53大氣污染控制工程3.5除塵器的分類與性能3.5.1除塵器的分類四類六種除塵器機械力除塵器電力除塵器過濾式除塵器洗滌除塵器重力沉降室慣性除塵器旋風除塵器54大氣污染控制工程3.5.2凈化裝置的性能指標技術指標經濟指標低阻高效處理流量除塵效率壓力損失設備投資及