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大氣污染控制的基礎(chǔ)知識

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§3.大氣污染控制基礎(chǔ)知識
    介紹氣體及顆粒物的基本性質(zhì)，氣態(tài)污染物及顆粒污染物控制的基礎(chǔ)理論知識。
§3.1氣體的物理性質(zhì)
§3.1.1氣體狀態(tài)方程
    對理想氣體  
§3.1.2氣體的基本物理性質(zhì) 
    則理想氣體混合物平均摩爾質(zhì)量和密度可由下式求得：
1．? 密度
 單位體積氣體的質(zhì)量當(dāng)為理想氣體時，可用理想氣態(tài)方程計算
   對氣態(tài)污染物和空氣的混合物，其平均摩爾質(zhì)量是混合物各組分摩爾質(zhì)量的加權(quán)平均值
  
顆粒污染物和空氣混合物的密度
也可用下列方程式 
空氣體積濃度與顆粒物體積濃度關(guān)系如下： 
     ?2. 比熱
   ——摩爾物質(zhì)溫度升高一度所需要的熱量，
比熱有恒壓比熱和恒容比熱兩種。
對理想氣體： 
比熱比 
空氣、其態(tài)污染物和顆粒混合物的平均比熱是個組分比熱的加權(quán)平均值，加權(quán)函數(shù)是組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
用C表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)，平均比熱可由下列各式求得： 
恒壓平均比熱： 
恒容平均比熱： 
3．粘度 
     對非均勻流動的氣體，在相鄰流層接觸面上，存在著切向作用力，稱為內(nèi)摩擦力。
單位面積上的內(nèi)摩擦力或剪應(yīng)力為： 
氣體與溫度的關(guān)系在常壓下表示為： 
u0—T=273K時的氣體粘度 
若混合物中含有等速運動的球形液滴，其粘度可用泰勒方程式計算： 
式中： Cvp—液滴的體積分?jǐn)?shù)； μp —液滴的粘度 
氣體污染物與空氣混合物的平均粘度在低壓下可用下式計算： 
對球形固體顆粒，上式可簡化為： 
     對不同顆粒物污染與空氣污染物的混合物的粘度，由于顆粒粘度對混合物粘度影響不大，故可用總體積粘度代替方程式中的Cvp
§3.2物料恒算與能量恒算 
§3.2.1物料恒算
 1．物料恒算式
       物料恒算是研究某一個體系內(nèi)進(jìn)出物料量及組成的變化，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對特定體系，輸入體系的物料量等于輸出體系的物料量加上體系內(nèi)積累的物料量之和。
即：輸入的物料量=輸出的物料量+積累的物料量
       若體系內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則對任一組分或元素做恒算時，必須把反應(yīng)消耗或生成的量也包含在內(nèi)，故： 
輸入的物料量±反應(yīng)生成或消耗的物料量=輸出的物料量+積累的物料量 
式中：對反應(yīng)物作恒算時，由反應(yīng)而消耗的量，取減號；
            對生成物作恒算時，由反應(yīng)而生成的量，取加號。
若體系為連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，則積累的物料量為零，
?
對無化學(xué)反應(yīng)的過程，
則：輸入的物料量=輸出的物料量
?
對有化學(xué)反應(yīng)的過程，
則：輸入的物料量±反應(yīng)生成或消耗的物料量=輸出的物料量
?
2．? 物料恒算的基本步驟
1）? 搜集計算數(shù)據(jù)：如流量、溫度、壓力、濃度等；
2）? 畫出物料流程圖；流向、變量等
3）? 確定恒算體系；
4）? 寫出所有化學(xué)反應(yīng)式；
5）? 列出物料恒算式，進(jìn)行數(shù)學(xué)求解。?

3. 連續(xù)性方程
  對可壓縮流體作穩(wěn)定管流運動時的連續(xù)性方程： 
 對不可壓縮流體作穩(wěn)定管流運動時的連續(xù)性方程： 
當(dāng)過流斷面為圓形時，則有： 
        一般認(rèn)為，氣體為可壓縮性流體，液體是不可壓縮性流體。當(dāng)流速較低時，氣體的流動可近似認(rèn)為是在做不可壓縮流動。
        判定氣體是否作不可壓縮流動的標(biāo)準(zhǔn)是馬赫數(shù)，其定義為流體流速與聲速之比，即：
若：< 0.25    即：<85.8m.s  可認(rèn)為是不可壓縮流動。 
§3.2.2 能量恒算
 1．能量恒算的基本方程
 根據(jù)能量守恒原理，能量恒算的基本方法為：
 輸入系統(tǒng)的能量-輸出系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)積累的能量
式中能量包括：內(nèi)能、動能、勢能、熱能、功等等。
當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行時，系統(tǒng)內(nèi)積累的能量等于零。
如教材圖3-5 ，以系統(tǒng)進(jìn)、出口斷面為基準(zhǔn)可列出恒算式 ： 
式中的 U+Pv 為流體的焓，故上式可寫為： 
令： 
則： 
3．機械能恒算
        在廢氣輸送過程中，往往傳熱量、內(nèi)能的變化相對較小，此時總能量恒算式可簡化為：
因：
故： 
則：上式可寫為：
或：
2．熱量恒算
 對于沒有功的傳遞，且動能和位能差可以忽略的設(shè)備和過程，總能量恒算式可簡化為：
若進(jìn)出設(shè)備的物料不止一種，則該式為： 
3．機械能恒算
    在廢氣輸送過程中，往往傳熱量、內(nèi)能的變化相對較小，此時總能量恒算式可簡化為：
因： 
故： 
在流體輸送過程中，內(nèi)能變化應(yīng)等于過程中交換的熱量Q和由于摩擦作用使部分機械能變成熱能損失之和，即：
則： 
若沒有摩擦損失和其他設(shè)備對流體做功 
則： 
此為理想流體伯努里方程 
或： 
由于流體阻力客觀存在，實際流體伯努里方程為： 
§3.3顆粒粒徑及粒徑分布
§3.3.1粒徑 
顆粒群.由大小不同、形狀各異、物理和化學(xué)性能不同的微小粒子構(gòu)成的混合體。

其粒徑分為反映單個顆粒大小的單一粒徑及反映顆粒群粒子尺寸的平均粒徑。

1．單個顆粒的粒徑
三種表示方法：
1) 投影粒徑
2）幾何當(dāng)量粒徑
3）物理當(dāng)量粒徑

見表3-1 
?
1．平均粒徑
——反映顆粒群特性的粒徑平均值。
定義：對一個不同粒徑的顆粒群，與一個均勻球形顆粒的顆粒群，若其具有相同的物理性質(zhì)，則球形顆粒的粒徑即為實際顆粒群的平均粒徑。
表3-2
§3.3.2 粒徑分布表示法
1）? 粒數(shù)分布
2）? 質(zhì)量分布
表示方法：
表格法、圖形法、函數(shù)法 
?    （1）頻率分布
— — 指某直徑范圍的顆粒質(zhì)量占總顆粒質(zhì)量的百分比
（2）頻率密度分布（頻度分布）
——指單位粒徑間隔的頻率分布，或單位粒徑間隔質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比 
（3）篩上累計頻率分布
——指大于某一粒徑的全部顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比 
若已知分布曲線函數(shù)，可計算特定粒徑?
1）加權(quán)平均徑——指f（dP）曲線下形心位置的的直徑，為常用平均粒徑。 
?2）? 眾徑d0m——位于f（dP）曲線最高點的直徑

3）? 中位徑d50 ——R=D50%處的直徑
篩下累計頻率分布 
由累計頻率分布的定義，進(jìn)行積分，則： 
§3.3.3粒徑分布函數(shù)
1．? 對數(shù)正態(tài)分布

?2? 羅辛-拉姆勒（R-R）分布
§3.4粉體顆粒的物理性質(zhì)
§3.4.1 密度
1.真密度
 ——排除內(nèi)部空氣后測得的粉塵密度
2.堆積密度
  ——包含間隙空氣的粉體密度
§3.4.2比表面積
  ——單位體積或體積物體所具有的表面積
§3.4.3顆粒的濕潤性能
  ——粉塵粒子與液體附著難易程度的性質(zhì)
?
    當(dāng)塵粒與液體一旦接觸就能擴大濕潤表面而相互附著的粉塵稱為濕潤性（親水性）粉塵；如水泥、飛灰、石灰……；適于濕式除塵。
    
    反之，稱為非濕潤性（疏水性）粉塵；如煤粉、石墨粉….；不適于濕式除塵。
§3.4.3顆粒的荷電性與導(dǎo)電性
?
      1、顆粒的荷電性
       ——粉塵顆粒獲得電荷的能力 
       運動顆粒的破碎、碰撞、摩擦等；進(jìn)入氣體電離化電場中；均可獲得電子。其性能取決于內(nèi)部化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)、及外部荷電條件。
   2．粉塵的導(dǎo)電性
   ——粉塵顆粒傳輸電荷的能力
通常用比電阻表示：
§3.4.5休止角（堆積角、滑動角）

——粉塵自然堆積后，錐體母線與水平面的夾角
表示粉塵的流動性，休止角越小，流動性越好。

?
§3.4.6顆粒的黏附性

——顆粒之間及與其他物體的團聚和附著性能。
黏附性好，收塵效率高，但又一黏附在器（管）壁   上形成堵塞。

§3.5氣體中的顆粒動力學(xué)
§3.5.1球形顆粒的阻力

顆粒在流體中勻速運動時，受力主要有重力、流體浮力及運動阻力
運動流體阻力可表示為
?
?
?

CD—阻力系數(shù)，為顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)，圖3-11為球形顆粒CD—Rep關(guān)系曲線
可分三個區(qū)域

?      1）??? 斯托克斯區(qū)：Rep<1，顆粒處于層流狀態(tài)?
           Bird公式

2）??? 過渡區(qū)：1＜Re≤500，流體運動向湍流過渡
?（3）?渦流區(qū)：500＜Re≤2×105，顆粒處于與湍流狀態(tài)
§3.5.2康寧漢修正因子

但顆粒尺寸與分子平均自由程相當(dāng)時，顆粒與表面氣體形成速度差，形成滑動，顆粒所受阻力下降。
  故引入康寧漢修正系數(shù)C
式中：Kn——努森數(shù)，
對常壓下空氣，卡爾努特方程
§3.6凈化裝置的性能
§3.6.1凈化裝置的性能指標(biāo)

1．處理氣體量
           ——經(jīng)由凈化器處理的氣體流量    
由于漏風(fēng)緣故，用平均處理量表示
其漏風(fēng)率為 
?      2、凈化效率
       ——單位時間內(nèi)凈化裝置去除污染物的量與進(jìn)入裝置的污染物的量之比
?
        3、壓降（阻力損失）
       ——凈化裝置進(jìn)出口截面流體靜壓差
     其表達(dá)式為：
 §3.6.2凈化效率計算
    1．總凈化效率
 如圖3-12
根據(jù)凈化效率的定義 
或：
若裝置不漏風(fēng)，則： 
若凈化裝置串聯(lián)使用，則系統(tǒng)總效率為： 
?1．分級效率
 ——除塵裝置對某一特定粒徑或該粒徑某一范圍內(nèi)粉塵顆粒的除塵效率。
設(shè)除塵器進(jìn)口、出口及捕集口顆粒dpi 的質(zhì)量流量分別為S1i 、S2i  S3i 則粒徑 dpi 顆粒的分級效率為：
   當(dāng)ηd1=50%時所對應(yīng)的顆粒，成為除塵器的分（切）割粒徑，一般表示為dc50 。 
?        1．? 分級效率與總除塵效率的關(guān)系
      （1）??由總除塵效率求分級效率
設(shè)除塵器進(jìn)口、出口及捕集口的粒徑頻率分布分別為△D1i 、△D 2i 、△D 3i ，則根據(jù)粒徑頻率分布的定義有
根據(jù)分級效率的定義：
或：
若以頻率密度表示，則： 
?（2）分級效率求總效率 
例表3-5
若分級效率為函數(shù)，則總除塵效率為：

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