1、3.大气污染控制基础知识,3.1气体的物理性质1.气体状态方程对理想气体,2.湿度 表示气体中水蒸气含量的多少。 绝对湿度: 指单位体积气体中所含的水蒸气质量，等于水蒸气分压下的水蒸气密度。 相对湿度: 指气体的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度之比。 含湿量：单位质量的气体中所含液态蒸汽量。,3密度单位体积气体的质量。当为理想气体时，可用理想气态方程计算。,对气态污染物和空气的混合物，其平均摩尔质量是混合物各组分摩尔质量的加权平均值,式中：,、,分别是空气和气态污染物的的体积分数；,、, 分别为混合物总压下空气的密度和污染物的密度，kg/m3。,3.2.1物料恒算1物料恒算式物料恒算是研究某一
2、个体系内进出物料量及组成的变化，根据质量守恒定律，对特定体系，输入体系的物料量等于输出体系的物料量加上体系内积累的物料量之和。,即：输入的物料量=输出的物料量+积累的物料量,若体系内发生化学反应，则对任一组分或元素做恒算时，必须把反应消耗或生成的量也包含在内，故：,输入的物料量反应生成或消耗的物料量=输出的物料量+积累的物料量,式中：对反应物作恒算时，由反应而消耗的量，取减号；对生成物作恒算时，由反应而生成的量，取加号。,若体系为连续稳定状态，则积累的物料量为零，对无化学反应的过程， 则：输入的物料量=输出的物料量对有化学反应的过程， 则：输入的物料量反应生成或消耗的物料量=输出的物料量2 物
3、料恒算的基本步骤 1） 搜集计算数据：如流量、温度、压力、浓度等； 2） 画出物料流程图；流向、变量等 3） 确定恒算体系； 4） 写出所有化学反应式； 5） 列出物料恒算式，进行数学求解。,2热量恒算 热量衡算的依据就是能量守恒定律。连续稳定过程热量衡算的基本关系式如下：,单位时间内随物料进入系统的总热量，kJ/s； 单位时间内随物料离开系统的总热量，kJ/s；,式中：,单位时间内向环境散失的总热量，kJ/s。,3.3颗粒粒径及粒径分布,3.3.1粒径,颗粒群.由大小不同、形状各异、物理和化学性能不同的微小粒子构成的混合体。 其粒径分为反映单个颗粒大小的单一粒径及反映颗粒群粒子尺寸的平均粒径
4、。 1单个颗粒的粒径 三种表示方法：1) 投影粒径：面积等分径（Martin径）;定向径（Feret径）;长径,短径。,图 3-3 颗粒投影径表示法,2）几何当量粒径等投影面积径：在显微镜观察的平面上与颗粒有同样投影面积的当量圆直径。等体积直径：与颗粒具有相同体积的圆球体直径。等表面积直径：与颗粒具有相同表面积的圆球体直径。等面积体积直径：与颗粒具有相同的外表面积与体积的圆球体直径3）物理当量粒径自由沉降直径：在介质中与颗粒有同样密度和相同沉降速度的圆球体直径空气动力直径：在空气中与颗粒有相同沉降速度,且密度为103kg/m3的圆球体直径。stokes直径：当Rep1(层流区)时的自由沉降直径
5、。分割直径：除尘器分级效率为50%的颗粒的直径。,2平均粒径 反映颗粒群特性的粒径平均值。 定义：对一个不同粒径的颗粒群，与一个均匀球形颗粒的颗粒群，若其具有相同的物理性质，则球形颗粒的粒径即为实际不同粒径颗粒群的平均粒径。 见表3-2,表3-2 颗粒群平均粒径的表示方法,3.3.2 粒径分布表示法 1） 粒数分布 2） 质量分布,表示方法： 表格法、图形法、函数法,（1）频率分布 指某直径范围的颗粒质量占总颗粒质量的百分比,（2）频率密度分布（频度分布） 指单位粒径间隔的频率分布，或单位粒径间隔质量占总质量的百分比,（3）筛上累计频率分布 指大于某一粒径的全部颗粒质量占总质量的百分比,筛下累
6、计频率分布,由累计频率分布的定义，进行积分，则：,表33 粒径分布测定和计算结果,图3-4 粒径的频率、频度及累计频率分布,若已知分布曲线函数，可计算特定粒径 1）加权平均径指f（dP）曲线下形心位置的的直径，为常用平均粒径。,2） 众径d0m位于f（dP）曲线最高点的直径3） 中位径d50 R=D50%处的直径,3.3.3粒径分布函数,1.正态分布 正态分布的频率密度函数为：,式中：d10算术平均粒径；几何标准差。,图 3-5 正态分布曲线及其特征值估计,2 对数正态分布,1)实际颗粒分布,2)对数正态颗粒分布,3.4粉体颗粒的物理性质 3.4.1 密度 1.真密度排除内部空气后测得的粉尘密
7、度 2.堆积密度包含间隙空气的粉体密度 3.4.2比表面积单位体积或体积物体所具有的表面积,3.4.3颗粒的湿润性能粉尘粒子与液体附着难易程度的性质当尘粒与液体一旦接触就能扩大湿润表面而相互附着的粉尘称为湿润性（亲水性）粉尘；如水泥、飞灰、石灰；适于湿式除尘。反之，称为非湿润性（疏水性）粉尘；如煤粉、石墨粉.；不适于湿式除尘。,3.4.3颗粒的荷电性与导电性1、颗粒的荷电性粉尘颗粒获得电荷的能力 运动颗粒的破碎、碰撞、摩擦等；进入气体电离化电场中；均可获得电子。其性能取决于内部化学组成及结构、及外部荷电条件。,2粉尘的导电性粉尘颗粒传输电荷的能力 通常用比电阻表示：,3.4.5休止角（堆积角、
8、滑动角）粉尘自然堆积后，锥体母线与水平面的夹角 表示粉尘的流动性，休止角越小，流动性越好。3.4.6颗粒的黏附性颗粒之间及与其他物体的团聚和附着性能。 黏附性好，收尘效率高，但又一黏附在器（管）壁 上形成堵塞。,3.5颗粒捕集的理论基础,一、流体阻力颗粒在流体中运动，作用在它上面的力除了重力和流体浮力外，还有周围流体对它的阻力。这种阻力包括形状阻力和摩擦阻力。对一般形状粉尘颗粒的流体阻力，可按下式进行计算：,式中：FD流体阻力，N；fr颗粒的形状阻力，N；fD颗粒的摩擦阻力,N；CD阻力系数；vS颗粒与流体的相对速度,m/s；Ap粉尘颗粒垂直于气流方向的最大截面积，m2。,当颗粒为球形时，气体
9、对它的阻力FD可用下式表示：CD阻力系数，为颗粒雷诺数Rep的函数，图3-11为球形颗粒CDRep关系曲线 可分三个区域,图3-8 球形颗粒的阻力,1） 斯托克斯区：Rep1，颗粒处于层流状态,Bird公式,2） 过渡区：1Re500，流体运动向湍流过渡,（3） 涡流区：500Re2105，颗粒处于与湍流状态,3.5.2康宁汉修正因子但颗粒尺寸与分子平均自由程相当时，颗粒与表面气体形成速度差，形成滑动，颗粒所受阻力下降。故引入康宁汉修正系数C,式中：Kn努森数，,对常压下空气，卡尔努特方程,二、受外力作用的球形颗粒在流体中的运动,静止状态的颗粒受外力（如重力、离心力、电力等）作用时，开始作加速
10、运动，以后由于流体阻力的不断增加，外力与阻力的差值越来越小，导致加速度逐渐减小，一直到二者相等，加速度为零，颗粒达到其终端速度，并保持这一速度作匀速运动。颗粒的这一过程可用牛顿第二定律来描述，即作用于颗粒上所有外力的总和等于颗粒的质量m乘以颗粒的加速度 ，因此，,由于颗粒的密度较气体的密度大得多，所以上式中未考虑浮力FB的影响。将式（331代入式（340）得：,设颗粒的运动方向与外力作用方向一致，则上式可表示成下列的一维方程：,颗粒从速度为0到vs所需时间为：,颗粒从时间为0(时此S为0)到t通过的距离为,当加速度dvsdt，即颗粒运动达平衡时，则颗粒达到恒速状态，vt为一定值，这时的速度称为
11、终端速度vt。,三、重力沉降,在重力场中，气溶胶中的悬浮颗粒必然会在重力的作用下发生沉降。在斯托克斯区，重力Fmgd3ppg/6，再将此力代入上式得：,四、离心沉降,在工业上，离心沉降原理被广泛应用，旋风分离器、旋风水膜除尘器便是采用这一原理实现气固分离的。,在离心力场中，气溶胶颗粒受到的作用力主要有颗粒旋转运动产生的离心力及颗粒离心沉降时相对于流体运动而受到的流体阻力。在斯托克斯沉降区内匀速运动时，颗粒受到的离心力Fr与流体阻力（斯托克斯沉降阻力）Fs相互平衡。颗粒是在旋转半径为r的轨道以角速度运动时，则颗粒所受的离心力为mrw2d3pprw2，代入上式得到：,五、静电沉降,在强电场中，如在
12、电除尘器中，如忽略重力和惯性力等的作用，荷电颗粒所受作用力主要是静电力和气流阻力，当颗粒的荷电量为qp，电场强度为时，则颗粒所受的电场力为FqpE，代入上式得到：,六、惯性沉降,图3-9 粉尘颗粒在捕尘体上的惯性沉降,在收尘装置中，当含尘气流通过液态或固态捕集体（或称靶子）时，气体将沿气流流线绕过捕集体，而粉尘颗粒则由于比气体分子具有更大的惯性力而脱离气体流线，沿虚线向前运动，并于捕集体相撞而被捕获，这种捕获称为惯性力沉降。,1惯性碰撞,惯性碰撞的沉降效率又称中靶效率，通常用捕集体捕获的颗粒数，占绕流含尘气体中可能被捕获的粉尘颗粒的百分比来表示。含尘气流中粉尘颗粒的惯性沉降效率，主要取决于捕集
13、体周围的气流速度分布及粉尘颗粒的运动轨迹等因素。,表征颗粒运动的量是斯托克斯准数Stk，又称惯性碰撞参数。该准数等于无外力作用下，颗粒由初速度v0到停止时所通过的距离与被绕流捕集体的特征尺寸（如球和圆柱体的半径）之比值：,式中：v0气流未扰动时的颗粒初速度，m/s。,在Stk0.1的区域内，有势流动的情况下，球面捕集体的沉降效率，可用下式确定：,若绕过圆柱体的气流运动状态属于过渡区，（0.2ReP150）时，粉尘颗粒惯性沉降于圆柱体上的斯托克斯准数与雷诺准数的线性关系方程可用下式表示：Stk0.5=1.253ReP-0.0685,2拦截捕集,拦截捕集指捕集体表面捕集具有大小而无质量（即完全沿气
14、流流线运动）的运动颗粒的过程。很明显，拦截捕集能够捕集流线与捕集体表面距离小于和等于颗粒半径的所有颗粒。截沉降效率取决于拦截参数R=dP/D；其定义为颗粒直径与捕集体直径之比。,当流体为有势流时，拦截捕集效率g可由下式进行计算：,对球形捕集体：,对圆柱形捕集体：,七、扩散沉降,当粉尘微粒直径较小时，在气体中一般都存在布朗运动，表示粉尘微粒在气体中布朗运动强度的参数称为扩散系数。若粉尘微粒的尺寸大于气体分子的平均自由程，且处于斯托克斯区域，扩散系数可用下式进行计算。,式中：DB粉尘微粒在气体中的扩散系数，m2/s；,k波尔兹曼常数，K=1.3810-23J/K；,T气体温度，K；,C康宁汉修正系
15、数；,流体粘度，Pas；,dp粉尘微粒直径，m。,若粉尘微粒的直径大于气体分子，但小于气体分子的平均自由程时，扩散系数可按兰格缪尔计算式进行计算：,式中：P气体绝对压力，Pa；,R气体常数，J/molK； M气体的分子量。,扩散系数也可以用内摩擦力与扩散力之比的无因次数斯密特（Schmidt）准数Sc来表示：,粉尘微粒的扩散沉降效率取决于皮克莱数与雷诺数。捕集体的雷诺数ReD为：,式中：v无扰动气流中颗粒相对于捕集体的速度，m/s；D捕集体的特征尺寸，m.。,皮克莱准数表示由惯性力产生的粒子迁移量与布朗扩散产生的粒子迁移量的比值，其表达式为：,（3-90）,皮克莱数与扩散系数成反比，皮克莱数越
16、大，扩散系数越小，扩散沉降的重要性越低。,对粘性流体，朗格缪尔提出颗粒在圆形捕集体上的扩散沉降效率计算式为：,兰兹（Ranz，W.E.）提出对圆柱形捕集体的扩散沉降效率的计算式为：,3.6净化装置的性能净化装置的性能指标主要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。 1处理气体量经由净化器处理的气体流量 。 由于漏风缘故，用平均处理量表示,其漏风率为,2、净化效率单位时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物的量之比3、压降（阻力损失）净化装置进出口截面流体静压差,其表达式为：,3.6.2净化效率计算1总净化
17、效率,如图3-12,根据净化效率的定义,或：,若装置不漏风，则：,若净化装置串联使用，则系统总效率为：,1分级效率除尘装置对某一特定粒径或该粒径某一范围内粉尘颗粒的除尘效率。 设除尘器进口、出口及捕集口颗粒dpi 的质量流量分别为S1i 、S2i S3i 则粒径 dpi 颗粒的分级效率为：,当d1=50%时所对应的颗粒，成为除尘器的分（切）割粒径，一般表示为dc50 。,1 分级效率与总除尘效率的关系（1） 由总除尘效率求分级效率,设除尘器进口、出口及捕集口的粒径频率分布分别为D1i 、D 2i 、D 3i ，则根据粒径频率分布的定义有,根据分级效率的定义：,或：,表3-5 分级效率计算实例,表3-6 由粒径分布和分级效率计算总效率的实例,若以频率密度表示，则：,（2）分级效率求总效率,例表3-5,若分级效率为函数，则总除尘效率为：,
