在层流情况下(Re<2320)的摩擦阻力系数λ值仅取决∫雷诺数Ke值 (1.1.28) (二)卡尔曼-尼古拉效式 卡尔曼-尼古拉兹式表明,当Re>900dk时,A与R无关,只与粗糙度k/d有关。 (1.1.29) 式中:k——绝对粗糙度,mmn;d—管道内径,nmn;kl一相对粗糙度。 (三)柯尔布鲁克式 柯尔布鲁克式表达了在过渡区(R-2000400)摩擦阻力系数A与雷诺数Re及相对粗糙度k之 同的关系 -2k{+251 (1.1.30) (四)莫迪线图 为了简化计算,莫迪以柯尔布鲁克公式为基础,综合前人试验结果,绘制了表示整个层流和紊流区内 Rekd与λ之间的对应关系图(图1.1.5)。图屮可根据Re与kd直接查出λ值 015 003 排理糖 001 00005 0.008 00001 102101021010)20)1020y10210-888 图1.1.5莫迪图 1.1.3颗粒的运动 颗粒的运动与颗粒的动量、惯量及作用其上的重力和其他体积力等有关,在流体中运动的颗粒,由于 与制绕颗粒的流体之间产生相对运动,受有迎面阻力的作用等, 导致了颗粒错综复杂的运动。 、布剧运动 布朗运动是指悬浮在流体(液体或气体)中的颗粒与原子或 分了碰撞而做的无规则运动。一个典型的布朗颗粒(<0.5pm), 每秒钟可发生0次碰撞,产生种很不规则的轨迹(图1.1.6)。 图1.1.6 做布朗运动的颗粒,在给定的运动时间内,位移的均方值△X2为 RTt (1.1.31)
式中:d—球形颗粒的直径;R—气体常数;-分质的黏度;、—阿伏伽德罗常数;T——绝对 温度;t—一运动的时间 当颗粒很小(相当于周围气体介质分子的大小)时,必须考虑分子之间的滑动,其滑动系数为: (1.1.32) 则△x为:△x=2RT(1+2Aa)t (1.1.33) 式中:λ—气体分子的平均自由路程;A—系数,球形颗粒为1。 爱因斯坦发现,做布朗运动的颗粒、除了直线运动外,还发生旋转运动,并导出了L.1.34式。 式中:△r2—在时间t内环绕一轴线旋转角分量的均方值。 二、粒的聚集 颗粒的聚集由颗粒的碰撞所致,而颗粒的碰撞主要是由疖朗运动.紊流、重力、静电力以及光泳等因 素引起的。 一)布朗运动引起的聚集 假设半径为r的一个球形颗粒,做布朗运动时,与单位体积内碰撞的每一个颗粒都桕粘结,则在单位 时间内与原始颗粒碰撞而减少的颗粒数为4πDC,若所有颗粒都充当碰撞中心时,那么颗粒的减少率为 dC/dt=-2rDC2 (1,1.35) 式中:C—单位体积内的颗粒数 时间间隔;L)一布朗运动的扩散系数。 实际上,布朗过程的整个范围就是所有颗粒对这种运动响应的总和,该总和(D1和D2)为两个相碰 撞颗粒的扩散系数,并可用D取代,半径r由(r1+r2)/2代替,其中r1和r2为两个颗粒的作用半径。 r(D,+D2) 根据很多资料的推导,使我们得到在聚集过程中颗粒体积与时间的线性关系式 忐合=3既s (1.1.37) 式中:C-颗粒的初始浓度;S颗粒的作用半径 岩平(设所有颗粒都相同) 颗粒的大小不同,聚集速率也不同,而且由于颗粒的相互碰撞和黏附变得越来越大,最后重力成为主 要因素,于是颗粒便从介质中凝聚出来。在任何情况下,每一特定的颗粒群都有各自的持性,并因此具有 不同的聚集速率,其聚集方程式为 do 式中:k—溶胶的聚集常数,表1.12列出了各种气溶胶的聚集常数 还有气体介质的温度、压力、黏度以及颗粒电荷、机械或声波搅动引起的紊动也彯响聚集速率。 表1.12气溶胶的聚集常数 (二)紊动聚集 聚集常数 聚集常数 增加颗粒运动和互相作用可加速聚集,高强度 物质名称(k×10°物质名称(k×10° 声波也能增强颗粒的活动能力,使颗粒的聚集发生 m3/s) 得更快,式1.1.39为声波振幅与颗粒运动振幅的 氯化铵 关系式 氧化铁 树脂 airof 42 氧化镁 石蜡 氧化镉 硬脂酸 0.5 式中:a为声波振幅;λ为气体分子的平均自由路 程;x为颗粒振幅;F为声频;P为颗粒密度
在利用声波聚集过程中,由于髙尘浓时颗粒密度会干扰声能,低尘浓时颗粒间只发生极少的碰撞,都 只有很低的聚集速率。异质蒸气也叮引起聚集速率的提高或降低。因此在应用中受到限制。 (三)电荷对颗粒聚集的影响 带相同电荷的颗粒被认为是单级性的,它们处于较大距离时具有的力以排斥力为主;但如果靠得很 近,且大小不同或大小相同而电荷量不等,或电荷在颗粒上分布不均匀的顆粒,彼此给予相反的电荷,使 引力占支配地位,会互相吸引。随着每个颗粒上电荷数q的增加,聚集速率会大大提高,其聚集速率方程 式如式t140所示 dC 具有两种相反电荷的颗粒为偶极性的,颗粒间强烈的吸引力使颗粒靠拢,产生聚集,其聚集速率方程 a + 2C.C-AexpA14xynC(O exp(λ-1) kT 式中:C+—带正电荷的颗粒数;C-——带负电荷的颗粒数;k——普朗克常数。 三、颗粒的沉降 (一)颗粒的自由沉降 在任何情况下,悬浮状态的颗粒都受重力与介质浮力的影响,使颗粒在沉降过程中达到力的平衡,以 定的沉降速度(斯托克斯沉降速度)沉降。 (1.I42) 式中:d—颗粒直径;ρ-颗粒密度;P2-气体介质密度;—介质的动力黏度。 对极小的颗粒而言,其大小相当于周围气体分子,并且在这些分子之间会产生滑动,因此,计算直径 d≤5m颗粒的沉降速度时必须用坎宁哈姆修止系数进行修止。 y,=kpig (1.1.43) 式中:k—坎宁哈姆修正系数(当空气温度1=20℃,压力p=1013时.k=1+912) 球形颗粒的速度始终大于其他形状颗粒的速度,其速度差可高达50%,对于椭圆长短轴比为3:1以下 时,只需要相对于同体积的球体给斯托克斯方程式稍加修正。长短轴比超过3时,修正系数就会变得太 大,致使斯托克斯方程无使用价值。 容器壁对颗粒的沉降也有影响。哈佩尔和拜思对颗粒在圆筒形管中的沉降进行了试验,发现圆筒内球 体的沉降速度,并得出了如式1.1.44的经验公式 ()]×[t-是(各) (1.1.44) 式中:V为圆筒内颗粒的沉降速度;V为无限空间的颗粒沉降速度;d为颗粒直径;D为容器直径。 颗粒间的相互作用也是影响自由沉降的一个因素。低浓度时,能产生气体动力学干扰;高浓度时则将 大大影响单个颗粒间的作用,仅在颗粒物的浓度为0.05%时,颗粒的沉降才符合斯托克斯沉降规律。 (二)温度梯度对颗粒的影响 在气体介质中,由于温度梯度的影响,使颗粒热侧和冷侧之间的分干碰撞不同,产生一种作用于颗粒上 的热力,使颗粒向冷区运动,移向冷板,起到净化气流的作用。温度梯度给予颗粒的速度如式11.45所示。 v-179x2(2-)-a4tp2 (1.1.45) 式中:p为大气压力;A为气体的平均自由路程;T为绝对温度;为介质动力黏度;k为颗粒的热导 率;d为粒径;A、B、C为与坎宁哈姆方程式有关的滑动常数
图1.1.7给出了温度梯度给予颗粒的速度情况 (三)光对颗粒的影响 光对颗粒的影响称为光致迁动或光泳现象,不但与周围气休压力有关,而且还受颗粒的大小,形状 透明度,光的波长,强度与光在颗粒上的入射角等的影响。卡德尔通过实验总结出了低压时和高压时光致 迁动的两个计算公式 ①低压 Fr (1.146)6A13u 式中:F为光致迁动光力;a为光致迁动常数;G;为颗粒内的温s4[C028μm 度梯度。 ②高压时: (1.1.47) 式中:R——气体常数;M—气体分子量。 由于蒸气浓度梯度、磁泳等的作用.也能使颗粒产生运动或 和.#(℃m 改变其运动方向。在大气污染控制中,我们应力求对布朗运动 聚集、惯性、电荷、温度梯度、光致迁动等多种效应综合考虑, 图1.1.7 以便获得最高的除尘效率。 1.1.4污染物与污染物的散发量 环境污染物 由人类活动所产生的环境污染物,-般可分为化学性、物理性和生物性污染物二大类。化学性污染物 主要有汞、镉、砷、铬、铝、氰化物、氟化物等无机物和有机磷、有机氯等有机物;物理性污染物主要有 噪声、振动、放射性、非电离电磁波、热污染等;生物性污染物主要有细菌、病毒、原虫等病原微生物。 根据不同污染物的种类又可分为大气污染、水污染、固体废物、噪声与振动、放射性与菲屯离电磁波、热 污染等几种。其中大气污染物主要是由于燃料燃娆、工业生产、交通运输、废物处理等过程中产生的粉 尘、飞灰、黑烟、烟、雾等气溶胶粉尘和硫氧化物、氮氧化物、碳氢化合物等有害气体。水污染物主要有 生活污水与选矿、建材、轧钢、冶炼、化肥等工业生产中产生的砂砾、炉渣、铁屑等尤机悬浮物,蛋白 质、氨基酸、洗涤剂、硝酸盐、亚硝酸盐等营养性污染物,医疗、屠宰、制革、洗毛等产牛的细菌、寄生 虫卵、病毒等病原微生物,电镀、化学、化丁、冶金等户生的汞、镉、铅、铬、酸碱等有毒污染物,炼 油、选矿、屠宰等产生的油脂。固体废物主要有居民牛活中产生的灰渣、蔬菜、金属等牛活垃圾与电厂和 丁业炉窑、冶炼、建筑、建材、废水处理等产生的粉煤灰、高炉渣、砂、石、砖、污泥等工业废渣、废 料。交通运输、丁厂、建筑施工等带来噪声与振动的污染,核燃料的开采、冶炼等加工过程、核爆炸、核 反应堆等 铺等放射性元素和雷达、激光器、微波等电子装置产生的电磁波形成放射性与非 电离电磁波污染与电厂和工业炉容排气等产生的热水、高温废气形成的热污染等。 二、大气污染物的散发量 大气污染物主要来自燃料燃烧、[业生产过程和交通运输等几个方面。根据我国对烟尘、二氧化硫、 氮氧化物和一氧化碳四种量大面广的空气污染物的来源统计分析,燃料燃烧产生的空气污染物约占全部污 染物的70%,工业生产产生的约占20%,机动车产生的约占10%,在我国的燃料构成中,煤约;71% 液体燃料(含汽油、柴油和重油)占17%,气体燃料(含天然气、煤制气利液化石油气)约占12%。可 见我函空气中污染物的主要来源是煤的燃烧,约占燃料燃烧产生污染物的95%以上。典犁的娆煤、烧油和 烧气锅炉产生的空气污染物数量如表1.1.3、表11,4所示
空气中孓h、NO.的主要来源是燃料燃烧中产生的。煤中含硫量为θ.5%~5%,在燃烧过程屮除5% 10%的非燃性硫残留在灰分中外,绝大部分被氧化成S2排出。在各种石油制品的燃烧过程中有90%以上 的硫被氧化为SO2。燃料燃烧时生成的№占9%,其余为NO2表1.1.5列出了各种燃料的硫氮含量。 部分工艺生产过程中生产单位产品或耗用单位原料排放的SO2量见表1.1.6。表1.1.7列出了几种工 业生产过程产生污染物的数量与特性;表1.1.8~表1.1.10列出了铸造车间生产过程中产生的有害物;其 他工艺生产中产生的有害物情况如表1.1.l~表1.1.18所示 表1.13 典型锅炉产生污染物的数量 污染物散发 炉型燃料 类别 烟尘 o CmH 公用 煤粉炉 0.15 0.0025 或大型 旋风炉 27.5 0.0025 I业油重油 锅炉「气天然气 8-24 下伺炉链条炉 7.5 0.U025 煤\批煤机炉 6.5A 0.0025 重油 9.6 n.12 商业或工业锅炉小型商业或 油重柴油 6 天然气 481920-83680 妒气丁烷《液化气) 0.22 0.02 1.45 丙烷(液化气 0.I8 抛煤机炉 手烧炉 .5 0.0U25 油重柴油 0.35 0.25 天然气 80-24020.9 1281280~1920 气丁烷(液化气) 00 0.096 丙烷《液化气) 注:①A为爆的灰分(%);S为煤的含硫量(%);SO2以SO2计,CmH以CH计,NO,以NO2计。 ②NO,发生量对切线式烧油炉取表中数值之半 ③煤燃烧污染物发生量以g伵g煤计;油燃烧污染物发生量以g气油计;气燃烧污染物发生量的单位是m 1000m3(天然气)或g/^(液化石油气) ④表示№h数值需乘以0.15exp(-0.089L),其中L为锅炉奂荷的百分数,对切线式燃烧炉取4800g/ ⑤低值为民用锅炉,高值为商业用采暖系统 衰1.14 各种锅炉的烟尘排放浓度及颖粒分散度 排尘浓度 烟尘颖粒分散度 序号 燃烧方式 中位粒径ds(pm质量百分数(%) 质量百分数(%) 往复炉 1.0-2.0 2手烧(自然引风) <1.5 3手烧(机械引风)3.0-35 链条炉排 5抛煤机炉 95 煤粉炉 30~35 沸腾炉