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1、 第五章 颗粒污染物控制技术基础The technique foundation of particle pollutant controls 大气污染控制中涉及到的颗粒物，一般是所有大于分子的颗粒物，但实际最小限界为0.01m左右。充分认识粉尘颗粒的大小等物理特性，是研究颗粒的分离、沉降和捕集机理以及选择、设计和使用除尘装置的基础。在讨论颗粒的粒径分布等物理特性及除尘装置性能表示方法的基础上，对粉尘颗粒在各种力场中的空气动力学行为分离、沉降、捕集等进行介绍。第一节 颗粒的粒径及粒径分布 the particle diameter and its distributing 一、颗粒的粒径 th
2、e particle diameter颗粒的大小不同，其物理、化学特性不同，对除尘装置的性能影响很大，所以颗粒的大小是颗粒物的基本特性之一。几种常用的粒径定义方法。1、用显微镜观测颗粒时，采用如下几种粒径：定向直径dF，也称菲雷特直径（图5la）。定向面积等分直径dM，或马丁直径 (图5lb）。投影面积直径dA，也称黑乌德直径。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筛孔的宽度。3 、 用光散射法测定时可得到等体积直径dv ，为与颗粒体积相等的圆球的直径。若颗粒体积为V，则dv(6 V/)1/3。4 、用沉降法测定时，一般采用如下两种定义：斯托克斯（Stokes）直径dS，为
3、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-在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度Plg/cm3的圆球的直径。粒径的测定结果还与颗粒的形状密切相关。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s表示。s的值总是小于1。对于正方体s0.806；对于圆柱体，若其直径为d、高为L，则s2.62（L/d）2/3/(12 L/d）。表5一1给出了某些颗粒s的实测值。二、粒径分布 particle diameter distributing粒径分布是指不同粒径范围内的颗粒的个数所占的比例。以颗粒的个数
4、表示所占的比例时，称为个数分布；以颗粒的质量（表面积）表示时，称为质量分布（表面积分布）.除尘技术中多采用粒径的质量分布。1、个数分布按粒径间隔给出的个数分布测定数据列在表52中，图52为其个数分布直方图，其中ni为每一间隔测得的颗粒个数，N=ni，为颗粒的总个数。据此可以作出个数分布的其它定义。(1)个数频率：为第i间隔中的颗粒个数ni与颗粒总个数ni 之比（或百分比） (2)个数筛下累积频率：为小于第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）,根据计算出的各级筛 下累积频率Fi值对各级上限粒径dp可以画出筛下累积频率分 布曲线（图53）。由累积频率曲线可以求出任一粒径间隔的
5、频率f值。(3)个数频率密度：函数p(dP)dF/ddP称为个数频率密度，简称个数频度，采用单位为m-1。显然，频率密度为单位粒 径间隔（即1m）时的频率。根据表52中的数据可以计算出每一间隔的平均频度 , 按值对间隔中值dpi，作出频度分布曲线（图54）。 筛下累积频率F和频度p皆是粒径dp的连续函数，由其定义可以得到：和 （54）在极限条件下，当dp0时，p 0，F 0，d p/dd p 0;当 dp 时，p 0，F 1 ，d p/ddp 0，F曲线应是有一拐 点的“S”形曲线，拐点发生在频度p为最大值时对应的粒径处 ，这一粒径称为众径dd（本例中dd6.0m），即此处：(55)累积频率F
6、 0.5时对应的粒径d 50为个数中位粒径（NMD） 2、质量分布根据所有颗粒都具有相同的密度，以及颗粒的质量与其粒径的立方成正比的假定。按质量给出频率、筛下累积频率和频率密度的定义式：第i级颗粒发生的质量频率：(5-6)小于第i间隔上限粒径的所有颗粒发生的质量频率，即质量筛下累积频率： （57）质量频率密度： （58）质量筛下累积频率G和质量频率密度q也是粒径dp的连续函数，由其定义式可得到：和 （59）G曲线也是有一拐点的“S”形曲线，拐点位于处，对应的粒径称为质量众径。质量累积频率G=0.5时对应的粒径d50，称为质量中位直径（MMD）。下面以例题来说明个数分布和质量分布之间的换算关系。
7、例1某种颗粒的原始个数分级数据如下表所给，计算该颗粒的个数频、筛下累积频和频率密度p。此外，再按这些数据变换为质量分布数据，即求出质量频率gi、筛下累积频率Gi和频率密度q。同时绘出相应的F、p、G和q的曲线图。解：由定义式(5-1)和(5-2)计算出fi和Fi值，按各粒径间隔中F曲线的平均斜率 计算出p的平均值，再按定义式(5-6)，(5-7) 和(5)计算出gi 、 Gi 和 值，并将计算结果列入表53中，同时绘出p、q和F、G曲线（图55）。q和G曲线相对p和F曲线皆向右偏移，这是很典型的情况。三、平均粒径 average diameter of particles为了简明地表示颗粒群的
8、某一物理特性和平均尺寸的大小，往往需要求出颗粒群的平均粒径。前面定义的众径dd和中位直径d50皆是常用的平均粒径之一。除此之外，再给出几种常用的平均粒径：长度平均粒径： （510） 表面积平均粒径： （511） 体积平均粒径： （512）几何平均粒径：（514）按lndg表示的几何平均粒径：(5-15)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dd、中位直径d50和算术平均直径 相等，即dd=d50= ；对于频率密度分布曲线是非对称性的分布，ddd50 。对于单分散气溶胶，所有颗粒的粒径相同， dg；否则 dg。四、粒径分布函数 The function of particle
9、diameter distributing如图5-3至图5-5中的分布曲线，它们的典型特征是：频率密度（p或q）曲线大致呈钟形，累积频率（F或G）呈“S”形。因此，可以找到一些简单的方程式来描述给出的分布曲线。这一方程既可以用p(或q)对dp，也可以用F（或G）对dp的函数形式给出。理想的函数形式应是只包含两个常数，一个常数应表示该粉尘颗粒总体尺寸的大小，即平均粒径；另一个常数应表示粒径范围关于该平均值的分散情况。常用的有正态分布函数、对数正态分布函数、罗辛一拉姆勒（Rosin - Rammler）分布函数等半经验函数形式。第二节 粉尘的物理性质Physical property of the
10、 dust 本节要介绍的粉尘物理性质包括粉尘的密度、安息角与 滑动角、比表面积、含水率、润湿性、荷电性和导电性、粘 附性及自燃性和爆炸性等。 一、粉尘的密度 density of the dust 若所指的粉尘体积不包括粉尘颗粒之间和颗粒内部的空隙体积，而是粉尘自身所占的真实体积，则以此真实体积求 得的密度称为粉尘的真密度，并以p表示。呈堆积状态存在的粉尘（即粉体），它的堆积体积包括颗粒之间和颗粒内部 的空隙体积，以此堆积体积求得的密度称为粉尘的堆积密度 ，并以b表示。可见，对同一种粉尘来说， b p 。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 b
11、 和 p 之间的关系为：（537） 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。空隙率 与粉尘的种类、粒径大小及充填方式等因素有关。粉尘愈细，吸附的空气愈多， 值愈大；充填过程加压或进行振动， 值减小。 二、粉尘的安息角与滑动角 quite angle and glide angle of the dust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称为粉尘的安息角，也称动安息角或堆积角等，一般为35 550 。粉尘的滑动角系指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，也称静安息角，一般为400550。粉
12、尘的安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标。安息角小的粉尘，其流动性好；安息角大的粉尘，其流动性就差。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 the compared surface area of dust粉状物料的许多理化性质，往往与其表面积大小有关，细颗粒表现出显著的物理、化学活性。例如，通过颗粒层的流体阻力，会因细颗粒表面积增大而增大；氧化、溶解、蒸发、吸附、催化及生理效应等，都因细颗粒表面积增大而被加速，有些粉尘的爆炸性和毒性，随粒径减小而增加。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。以
13、粉尘自身体积（即净体积）表示的比表面积Sv: （538） 式中： 粉尘的平均表面积，cm2 。 粉尘的平均净体 积，cm3。 粉尘的表面积体积平均直径，cm。以粉尘质量表示的比表面积 Sm则为：（539） 式中： 粉尘真密度，g/cm3。以堆积体积表示的比表面积Sb应为：(5-40)四、粉尘的含水率 Moisture content of the dust 粉尘中的水分含量，一般用含水率W表示，是指粉尘中所含水分质量与粉尘总质量（包括干粉尘与水分）之比。粉尘含水率的大小，会影响到粉尘的其它物理性质，如导电性、粘附性、流动性等，所有这些在设计除尘装置时都 必须加以考虑。粉尘的含水率与粉尘的吸湿性
14、，即粉尘从周围空气中吸 收水分的能力有关。若尘粒能溶于水，则在潮湿气体中尘粒 表面上会形成溶有该物质的饱和水溶液。如果溶液上方的水 蒸气分压小于周围气体中的水蒸气分压，该物质将由气体中 吸收水蒸气，这就形成了吸湿现象。 五、粉尘的润湿性 Wetting of the dust粉尘颗粒与液体接触后能否相互附着或附着难易程度的性质称为粉尘的润湿性。当尘粒与液体接触时，如果接触面能扩大而相互附着，则称为润湿性粉尘；如果接触面趋于缩小而不能附着，则称为非润湿性粉尘。粉尘的润湿性与粉尘的种类、粒径和形状、生成条件、组分、温度、含水率、表面粗糙度及荷电性等性质有关。水对飞灰的润湿性要比对滑石粉好得多：球形颗粒的润湿性要比形状不规则表面粗糙的颗粒差；粉尘越细，润湿性越差，如石英的润湿性虽好，但粉碎成粉末后润湿性将大为降低。粉尘的润湿性随压力的增大而增大，随温度的升高而下降。粉尘的润湿性还与液体的表面张力及尘粒与液体之间的粘附力和接触方式有关。例如，酒精、煤油的表面张力小，对粉尘的润湿性就比水好。粉尘的润湿性用液体对试管中粉尘的润湿速度来表征。常取润湿时间为20 min，测出此时的润湿高度L20（mm）,于是润湿速度为：（mm/min）（541） 按润湿速度v20作为评定粉尘润湿性的指标，可将粉尘分为四类（表5一7）。六、粉尘的荷电性和导电性burden electrici
