颗粒污染物控制基础
5《大气污染控制工程》教案-第五章.
第五章颗粒物燃物控制技术基础为了深入理解各种除尘器的除尘机理和性能，正确设计、选择和应用各种除尘器，必须了解粉尘的物理性质和除尘器性能的表示方法及粉尘性质和除尘器性能之间的关系。
第一节粉尘的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径粉尘颗粒大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的性能影响很大，所以颗粒的大小是粉尘的基本特性之一。
若颗粒是大小均匀的球体，则可用其直径作为颗粒大小的代表性尺寸。
但实际上，不仅颗粒的大小不同，而且形状也各种各样。
所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒大小的代表性尺寸，作为颗粒的直径，简称为粒径。
下面介绍几种常用的粒径定义方法。
（1）用显微镜法．．．．观测颗粒时，采用如下几种粒径表示方法：①定向直径d F，也称菲雷待(Feret)直径；为各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度，如图5—1(a)所示。
②定向面积等分直径d M，也称马丁(Martin)直径，为各颗粒在投影图上按同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度，如图5—1(b)所示。
③投影面积直径d A，也称黑乌德(Heywood)直径，为与颗粒投影面积相等的圆的直径，如图5一l(c)所示。
若颗粒投影面积为A，则d A＝(4A／π)1/2。
根据黑乌德测定分析表明，同一颗粒的d F＞d A＞d M。
（2）用筛分法．．．测定时可得到筛分直径，为颗粒能够通过的最小方孔的宽度。
（3）用光散射法．．．．测定时可得到等体积直径d V，为与颗粒体积相等的球的直径。
若颗粒体积为V,则d V＝(6V ／π)1/3。
（4）用沉降法．．．测定时，一殷采用如下两种定义：①斯托克斯(stokes)直径d S，为在同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速度相等的球的直径。
②空气动力学当量直径da，为在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度（ρp=1g/cm3）的球的直径。
斯托克斯直径和空气动力学当量直径是除尘技术中应用最多的两种直径，原因在于它们与颗粒在流体中的动力学行为密切相关。
第五章--颗粒污染物控制技术基础
第五章颗粒污染物控制技术基础第一节颗粒的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径大气污染中涉及到的颗粒物，一般指粒径介于0.01～100μm的粒子。
颗粒的大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的影响甚大，因此颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一。
实际颗粒的形状多是不规则的，所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒大小的代表性尺寸，作为颗粒的直径，简称为粒径。
下面介绍几种常用的粒径定义方法。
1.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）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2.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）3.光散射法等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径4.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)某些颗粒的圆球度二、粒径分布粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，也称粒子的分散度。
有个数分布、表面积分布、质量分布等，除尘技术中多采用质量分布。
粒径分布的表示方法有列表法、图示法和函数法。
第五章颗粒污染物控制技术基础
第五章颗粒污染物控制技术基础第一节颗粒的粒径及粒径分布一、颗粒的粒径大气污染中涉及到的颗粒物，一般指粒径介于0.01～100μm的粒子。
颗粒的大小不同，其物理、化学特性不同，对人和环境的危害亦不同，而且对除尘装置的影响甚大，因此颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一。
实际颗粒的形状多是不规则的，所以需要按一定的方法确定一个表示颗粒大小的代表性尺寸，作为颗粒的直径，简称为粒径。
下面介绍几种常用的粒径定义方法。
1.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）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2.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）3.光散射法等体积直径dV：与颗粒体积相等的球体的直径4.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)某些颗粒的圆球度二、粒径分布粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，也称粒子的分散度。
有个数分布、表面积分布、质量分布等，除尘技术中多采用质量分布。
粒径分布的表示方法有列表法、图示法和函数法。
内科大大气污染控制工程教案第5章 颗粒污染物控制技术基础
若将粉体颗粒间和内部空隙的体积与堆积粉体的总体积之比称为空隙率，用 表示，则空隙率 与 和 之间的关系为： =（1- ） ；
对于一定种类的粉尘，其真密度为一定值，堆积密度则随空隙率而变化；
（2）空气动力学当量直径da，为在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度的圆球直径；
斯托克斯直径和空气动力学直径是除尘技术中应用最多的两种直径；
另外，通常用圆球度来表示颗粒形状与圆球形颗粒不一致程度的尺度。圆球度是与颗粒体积相等的圆球的表面积和颗粒的表面积之比，以 表示，其值总是小于1。
二、粒径分布
粒径分布是指不同粒径范围内的颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例。以颗粒的个数表示所占的比例时，称为个数分布；以颗粒的质量（或表面积）表示时，称为质量分布（或表面积分布）。除尘技术中多采用粒径的质量分布。
例5-1颗粒个数分布与质量分布的换算；
三、平均粒径
表示颗粒群的某一物理特性和平均尺寸的大小，需要求出颗粒群的平均粒径；
长度平均（或算术平均）粒径；（ ）
表面积平均粒径；（ ）
体积平均粒径；（ ）
表面积-体积平均粒径；（ ）
几何平均粒径；（ ）
对于频率密度分布曲线是对称性的分布（如正态分布），其众径 、中位直径 和算术平均直径 相等，即 = = ；对于频率密度分布曲线是非对称性的分布， ＜ ＜ ；
粉尘的安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的一个重要指标；
影响粉尘安息角和滑动角的因素主要有：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度及粉尘粘性等。
三、粉尘的比表面积
粉尘的比表面积定义为单位体积（或质量）粉尘所具有的表面积。
大气污染控制工程：第五章 颗粒污染物控制技术基础2
➢ 惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较
[例题] 试比较靠惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散捕集粒径 为0.001~20μm的单位密度球形颗粒的相对重要性。捕集体 为直径100μm的纤维，在293K和101325Pa下的气流速度为 0.1 m/s。
34
四、颗粒捕集的理论基础
7、扩散沉降
➢ 惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较
第五章 颗粒污染物控制技术基础
本章主要内容
粉尘的粒径及粒径分布 粉尘的物理性质 净化装置的性能 颗粒捕集理论基础
2
三、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
3
三、净化装置的性能
1、净化装置的技术性能
18
四、颗粒捕集的理论基础
2、阻力导致的减速运动
➢ 根据牛顿第二定律
d
3 p
6
p
du dt
FD
CD
d p2 4
u2
2
即
➢ 若仅考虑Stokes区域
du dt
3 4
CD
p
u2 dp
du 18 u u
dt
d
2 p
ρ
d
2 p
p
18
驰豫时间 或松弛时间
➢ 积分得 u u0et / (m/s) ➢ 速度由u0减速到u所迁移的距离
6、惯性沉降
➢ 惯性碰撞
– 气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量
ReD
u0 Dc
靶子周围流体的雷诺数高 低与惯性碰撞几率的关系？
– 颗粒运动轨迹，用Stokes准数描述
大气 第3章 除尘技术基础
38
如果某种粉尘的粒径分布符合对数正态分布， 则无论是质量分布、粒径分布，还是表面分布：
他们的几何标准差бg相同； 频率密度分布曲线形状相同； 累积频率分布曲线在对数概率坐标图中为相互平行的 直线，只是沿粒径坐标移动了一个常量距离。
39
若用MMD表示质量中位直径，NMD表示个数中位直
值有关。
36
对这 数也 正是 态检 分验 布粉 的尘 一粒 种径 简分 便布 方 法是 。否 符 合
d15.9 d50 d84.1
37
对于对数正态分布，几何标准差的计算：
d 84.1 d 50 d 84.1 1 / 2 g ( ) d 50 d15.9 d15.9
几何标准差总是бg≥1。当бg=1时，则称为单分
dp dp
（ %）
22
最常用的有算术平均直径、中位直径、众径及几
何平均直径等。
23
三、平均粒径
平均粒径
几何平均直径 众径
算术平均直径 中位直径
24
1、算术平均直径 d L
所有颗粒直径之和与颗粒总粒数之比。
dL
式中
nd n
i i
i
ni——以di为中值的粒径间隔内的颗粒粒数；
∑nidi——颗粒群总长度； ∑ni——颗粒总粒数。
3
（1）定向直径dF (Feret直径)
为各颗粒在投影图中同一方向上的最大投影长度。
图4-1 用显微镜法观测颗粒直径的三种方法
4
（2）定向面积等分直径dM (Martin直径)：
为各颗粒在投影图上按同一方向将颗粒投影面积二 等分的线段长度
图4-1 用显微镜法观测颗粒直径的三种方法
大气污染控制工程-05颗粒污染物控制技术基础-2008修改
（3）从上图得到：d 84.1=19.6 μm ；d 50=11.2 μm 。则几何平均差 为：
g
个数中位径为：
d84.1 19.6 1.75 d50 11.2
质量中位径为： d 50=11.2 μm
ln NMD ln MMD 3ln 2 g ln11.2 3ln 2 1.75 1.48 NMD 4.39 m
N i N
f a b Fa Fb
Fa
Fb
d pa dF dF dd p p dd p d pb dd d pb p d pa
（3）个数频率密度
单位粒径间隔时的频率，简称个数频度
p(d p ) dF / dd p
（4）个数分布的测定及计算
（5）个数众径—频度p最大时 对应的粒径
d84.1 d50 d50 d15.9
1 (d84.1 d15.9 ) 2
正态分布函数很少用于描述气溶胶的粒径分布，因为大多数 颗粒物的频度曲线向大颗粒方向偏移
2、对数正态分布
以lndp代替dp得到对 数正态分布的频度曲 线如图 （1）频率密度
p(d p ) dF (d p ) dd p ln d p / d g 2 1 exp[( ) ] 2 d p ln g 2 ln g
性质
净化机理 净化方法
空气污染物
存在状态 气态污染物 气溶胶(颗粒物)污染物
净化所用装置 非均相污染物 分散在气体介质中 固体、液体颗粒 除尘分离技术—物理法
除尘分离技术依据及方法
依据：气体与固、液粒子在物理性质上的差异
方法 机械法：利用重力、惯性力、离心力分离 过滤介质分离：利用粒子的尺寸、重量较气体分子大分离 湿式洗涤分离法：利用粒子易被水润湿、冷凝并增大而被捕获 电除尘：利用荷电性、静电力分离 要掌握除尘技术，必须掌握颗粒物主要基础参数
颗粒污染物控制技术基础
颗粒污染物控制技术基础第五章颗粒污染物控制技术基础颗粒的粒径及粒径分布粉尘的物理性质净化装置的性能颗粒捕集理论基础颗粒的粒径及粒径分布颗粒的粒径粒径：颗粒的直径用以表征颗粒大小的代表性尺寸）定向直径dF也称Feret直径为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也称Martin直径为各颗粒在投影图中按同一方向将投影面积二等分的线段长度）投影面积直径dA也称Heywood直径为与颗粒投影面积相等的圆的直径dA=(Aπ)上述直径是用显微镜法观测得到一般dMdAdF）筛分直径用筛分法测得为颗粒能够通过的最小方筛孔的宽度）等体积直径dV用光散射法测得为与颗粒体积相等的圆球的直径一般dV=(Vπ)）Stokes直径ds用沉降法测定为在同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速度相等的圆球的直径）空气动力学当量直径da用沉降法测定为在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度（ρp=gcm）的圆球的直径。
圆球度：用以表示颗粒形状与圆球形颗粒不一致的程度等于颗粒体积相等的圆球的表面积和颗粒的表面积之比以фs表示。
某些颗粒的圆球度粒径分布粒径分布是指不同粒径范围内的颗粒个数（质量或表面积）所占的比例个数分布：以颗粒的个数表示所占的比例质量分布：以颗粒的质量表示所占的比例表面积分布：以颗粒的表面积表示所占的比例个数分布）个数频率：第i间隔中的颗粒个数ni与颗粒总个数∑ni之比（或百分比）即）个数筛下累积频率：小于第i间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比（或百分比）即）个数筛上累积频率：大于第i间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比（或百分比）。
）个数频率密度：单位粒径间隔（μm）的频率分布。
众径dd指频度最大时所对应的粒径中位粒径d（NMD）指累积频率等于％时对应的粒径。
质量分布）质量频率）质量筛下累积频率）质量频率密度平均粒径）算术平均粒径）表面积平均直径）体积平均直径）表面积体积平均直径）几何平均直径对于对称的频度分布对于非对称分布则对于单分散气溶胶粒径分布函数）正态分布正态分布是最简单的分布函数频率密度筛下累积频率标准差正态分布的累积频率分布曲线）对数正态分布以lndp代替dp得到的正态分布的频度曲线对数正态分布的累积频率分布曲线）罗辛拉姆勒公式（Rosin－Rammler）若设得到一般多选用质量中位径或判断是否符合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时近似于对数正态分布n时更适合于正态分布粉尘的物理性质粉尘的密度单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度单位kgm或gm真密度ρp：根据粉尘自身真实体积（净体积）计算的密度堆积密度ρb：根据粉尘堆积体积计算的密度空隙率ε：粉体颗粒间和内部空隙的体积与堆积粉体的总体积之比粉尘的安息角与滑动角安息角：粉尘从漏斗连续落到水平面上自然堆积成一个圆锥体圆锥体母线与水平面的夹角即为安息角也称移动安息角、休止角或堆积角一般为°～°滑动角：自然堆放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时的平板倾斜角一般为°～°影响粉尘安息角和滑动角的因素主要有：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度。
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N
3、质量频率密度
q(d p ) dG / ddp
1.1颗粒的粒径及粒径分布
• 平均粒径的定义
▼算术平均径
（粒子群中颗粒直径的总和除以粒子群数）
▼中位径
（粒子群中把颗粒质量平分一半的颗粒直径）
▼几何平均径
（粒子群中n个颗粒粒径的乖积开n次方根）
▼加权平均径
（粒子群中各颗粒的直径乖以相应的质量分数加和而成的平均粒 径）
• 平均粒径中需重点掌握的两种粒径
▼众径（dd）
颗粒数目最多的粒子的直径。
▼中位径（ d50 ） 把颗粒数目（质量或表面积）平分一半的粒子的直径。 对于频率密度分布曲线是对称性的分布：dd
＝d50＝
dL
对于频率密度分布曲线非对称性的分布：dd﹤d50﹤ dL
• 粒径分布函数
▼正态分布
F (d p ) 1 2
颗粒个数累积频率分布曲线
个数累积密度分布曲线
• 粒径分布
▼质量分布 1、质量频率
N ni d 3 mi pi gi N 且 g i 1 mi ni d 3 pi
2、质量筛下累积频率
Gi g i
i
3 n d i pi 3 n d i pi N
i
且GN g i 1
d －比电阻；
V －通过粉尘层的电压，V；j －通过粉尘层的电流密度，A/cm2；
－粉尘层的厚度，cm。
典型的温度－比电阻曲线
• 含水率（W）
▼自由水分 ▼结合水分
• 润湿性
▼润湿性粉尘 ▼非润湿性粉尘
▼影响粉尘润湿性的因素 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、荷电性等。
1.2粉尘的物理性质
• 荷电性和导电性
▼荷电性 粉尘的荷电量随温度增高、表面积增大及含水率的减 小而增加。 V ▼导电性 d ( cm) j
dp
0
exp[
(d p d p ) 2 2
2
]ddp
(d p d p ) 2 1 p(d p ) exp[ ] 2 2 2
n (d [
i
pi
dp)
N 1
]1/ 2
d P － 平均粒径
－
标准差
• 粒径分布函数
▼正态分布
d 84.1 d 50 d 50 d15.9
▼众径
（粒子群中数量最多的粒子的直径）
1.1颗粒的粒径及粒径分布
• 平均粒径
▼算术平均粒径
d10
ni d pi ni
f i d pi
2 g / d i pi 3 g / d i pi
▼几何平均径
ln d g
n ln d
i
pi
N
▼加权平均径
d40 diCmi
2 g
]
• 粒径分布函数
▼对数正态分布
对数正态分布的频率密度分布曲线
对数正态分布的累积频率分布曲线
玻璃样品的对数正态分布分布曲线
• 粒径分布函数
▼罗辛－拉姆勒分布 质量筛下累积分布频率：
G 1 exp(d )
n p n R exp(d p )
质量筛上累积分布频率：
常用的R－R分布函数 表达式：
dH
用显微镜法观测颗粒直径的三种方法
1.1颗粒的粒径及粒径分布
• 单一粒径的定义
▼几何当量径 投影圆直径： dH （Heywood）
（与颗粒投影面积相等的圆的直径）
等体积直径：dV （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 （与颗粒具有相同外表面积与体积的圆球体直径） 等周长径 （与颗粒的投影外形有相等周长的当量圆的直径）
• 比表面积
▼单位体积表示
S 6 a V s d sv ( m 2 / m3 )
▼单位质量表示
S 6 Sm p V p d sv
(cm 2 / g )
▼堆积密度表示
S (1 ) 6(1 ) Sb V d sv
(cm2 / cm3 )
1.2粉尘的物理性质
1.1颗粒的粒径及粒径分布
• 单一粒径的定义
▼投影径
定向直径： dF （Feret）
（与颗粒投影外形相切的一对平行线之间的距离）
定向面积等分径： dM （Martin）
（将颗粒的投影面积二等分的直线长度）
长径：不考虑方向的最长粒径
短径：不考虑方向的最短粒径
1.1颗粒的粒径及粒径分布
A1
A2
dF
dM A1 = A2
• 粒径分布
指不同粒径范围内的颗粒个数（或质量或表 面积）所占的比例。 ▼个数分布 N ni fi 且 f i 1 1、个数频率
n
i N
i
2、个数筛下累积频率
Fi
n n
i
f i 且FN f i 1
i
N
3、个数频率密度
i
p(d p ) dF / ddp
颗粒个数分布直方图
R(d p ) exp[0.693 (
n
－分布系数
dp d50
)n ]
－分布指数
• 粒径分布函数
▼罗辛－拉姆勒分布
各种工业粉尘的R－R图
1.2粉尘的物理性质
• 密度（kg/m3或g/cm3）
▼真密度
p
▼堆积密度
b
b (1 ) p
－空隙率
1.2粉尘的物理性质
1 (d 84.1 d15.9 ) 2
• 粒径分布函数
▼对数正态分布
F (d p )
1 2 ln g
ln d p
exp[
(ln d p / d g ) 2 2 ln
2 g
]d(lndp)
1 p(d p ) exp[ 2 d p ln g
(ln d p / d g ) 2 2 ln
• 圆球度
与颗粒体积相等的圆球的表面积和颗粒表面积之比。 用Φ s表示；Φ s总是小于1。 某些颗粒的圆球度
颗粒种类 砂 粒 铁催化剂 烟 煤 次乙酰塑料 破碎的固体 二氧化硅 粉 煤 Φs 0.5340.628 0.578 0.625 0.861 0.63 0.554～ 0.628 0.696
1.1颗粒的粒径及粒径分布
1.1颗粒的粒径及粒径分布
• 单一粒径的定义
▼物理当量径 自由沉降直径：
（在某介质中，与颗粒有相同的密度和沉降速度的圆球体直径）
空气动力学当量直径： （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） 斯托克斯直径 （在层流区时（Rep<1）的自由沉降直径） 分割直径 （某除尘器分级效率为50%的颗粒的直径）