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。

下面以粒径分布测定数据的整理过程来说明粒径分布的表示方法及相应定义。

1.个数分布个数分布:每一间隔内的颗粒个数（1）个数频率：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数Σni之比（2）个数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比。

个数筛下累积频率分布曲线（3）个数频率密度：为单位粒径间隔（即1μm）时的频率。

个数频率密度分布曲线粒数众径－频度p 最大时对应的粒径，此时0dd d dd d 2p2p p==F 粒数中位径（NMD ）为累计频率F=0.5时对应的粒径。

2.质量分布以颗粒的质量表示不同粒径范围内的颗粒的质量所占的比例。

类似于数量分布，也有质量频率、质量筛下累积频率、质量频率密度等，在所有颗粒具有相同密度、颗粒质量与粒径立方成正比的假设下，粒数分布与质量分布可以相互换算，同样的，也有质量众径和质量中位径（MMD ）右图是频数分布直方图（a）、频度分布的直方图（b）和筛上累积分布及筛下累积分布的曲线（c）。

筛上累积分布和筛下累积分布相等(R=D=50%)时的粒径为中位径，记作d50，即 (c) 中R（F）与D两曲线交点处对应的粒径。

中位径是除尘技术中常用的一种表示粉尘粒径分布特性的简明方法。

(b)中频度分布达到最大值时相对应的粒径称作众径，记作dd。

三、平均粒径前面定义的众径和中位径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：（1）长度平均直径（2）表面积平均直径（3）体积平均直径（4）体积－表面积平均直径（5）几何平均直径对于频率密度分布曲线对称的分布，众径d d 、中位径d 50 和算术平均直径L _d 相等L _50d d d d ==，频率密度非对称的分布，L _50d d d d 〈〈单分散气溶胶，；否则，。

四、粒径分布函数用一些半经验函数描述一定种类粉尘的粒径分布 1.正态分布 频率密度：筛下累积频率标准差（1）正态分布是最简单的分布函数，它的个数频率密度p 分布曲线是关于算术平均粒径p -d 的对称性钟形曲线，因而p -d 值与中位粒径d 50和众径d d 皆相等，即L _50d d d d ==（2）累计频率曲线在正态概率坐标纸上为一条直线，其斜率取决于σ正态分布的个数筛下累积频率分布曲线从曲线中我们可以得出：正态分布函数很少用于描述粉尘的粒径分布，因为大多数粉尘的频度曲线向大颗粒方向偏移。

2.对数正态分布大多数粒子的粒径分布在矩形坐标图中是偏态的，若横坐标用对数坐标（ln dp ）代替，可转化为近似正态分布的对称性钟型曲线。

对数正态分布的主要特点是：如果某种粉尘的粒径分布遵从对数正态分布，则无论是以质量表示还是以个数或表面积表示的粒径分布，都遵从对数正态分布，且几何标准差相等。

式中:115015050d d d 、、分别是以粒子的质量、个数和表面积表示的对数正态分布的中位径。

（1）以lndp 代替dp 得到的正态分布的频度曲线（2）对数正态分布在对数概率坐标纸上为一直线，斜率决定于g对数正态分布的累积频率分布曲线可见几何标准差为两个粒径之比，量纲为一，且1g ≥σ。

当1g =σ时，则成为单分散的粉尘。

若用MMD 表示质量中位粒径，NMD 表示个数中位粒径，SMD 表示面积中位粒径，则三者的换算关系：可用g σ、MMD 和NMD 计算出各种平均直径：式中：L _d ln 为算术平均粒径、S —d ln 为表面积平均粒径、—V d ln 为体积平均粒径。

例题：经测定某城市大气中飘尘的质量粒径分布遵从对数正态分布规律，其中中位径d50=5.7μm ，筛上累积分布R=15.87％时，粒径d15.87=9.0μm 。

试确定以个数表示时对数正态分布函数的特征数和算术平均粒径。

解：对数正态分布函数的特征数是中位径d50和几何标准差σg 。

由于对数正态分布中以个数和质量表示的几何标准差相等，故58.17.50.95087.15===d d gσ个数表示的中位径为)(04.3)58.1ln 3exp(7.5)ln 3exp(225050m d d g μσ==='该飘尘的算术平均粒径为m d d g μσ375.3)58.1ln 5.0exp(04.3)ln 5.0exp(22501=='=3.罗辛－拉姆勒分布（Rosin －Rammler ）罗辛-拉姆勒分布简称为R-R 分布，质量筛下累积频率表达式为：式中：n----分布指数 β-------分布系数若设，则得到一般Pd 多选用质量中位径d 50或d 63.2判断粒径分布数据是否符合R －R 分布若得到一条直线，则说明粒径分布数据符合R-R 分布，由直线的截距求出常数β，由直线的斜率求出指数n 。

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>1时，近似于对数正态分布；n>3时，更适合于正态分布。

某种粉尘的粒径分布究竟适合上述三种中的哪一种，只需将该粉尘的累积分布(R 或D)测定值同时标绘在正态概率纸、对数正态概率纸和R-R 分布纸上，当实验值的标点在哪种概率纸上形成一条直线时，则此粉尘的粒径分布就服从哪种分布。

第二节粉尘的物理性质本节主要以粉尘的密度、流动性（安息角、滑动角）、比表面积、润湿性、荷电性、导电性及粘附性等物理性质为主，以通过粉尘特性选择合适的除尘方式。

影响选型的因素还有粉尘的如：燃烧性、自燃性、爆炸性、水解性等化学性质。

对某些特定场合，还需考虑其放射性。

一、粉尘的密度ρ，单位kg/m3或g/cm3单位体积粉尘的质量——P粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙－—真密度ρ用堆积体积计算——堆积密度b空隙率——粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比ε粉尘越细，吸附的空气越多，ε值越大；充填过程加压或振动，则ε值减小 对一定的粉尘一般认为P ρ为定值，而b ρ随ε变化。

二、粉尘的安息角与滑动角粉尘自漏斗连续落到水平面上，堆积成圆锥体。

圆锥体的母线同水平面的夹角称为该粉尘的安息角，也叫休止角、堆积角等。

粉尘的滑动角系指自然堆放在光滑平面上的粉尘，随光滑平板做倾斜运动时,平板上粉尘开始发生滑动的平板倾斜角。

也称静安息角。

安息角和滑动角的影响因素：粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性。

粉尘的安息角及滑动角是评价粉尘流动性的一个重要指标。

安息角小的粉尘，流动性好，安息角大的粉尘，其流动性就差。

粉尘的安息角和滑动角是设计除尘器灰斗(或料仓)的锥度、除尘管路或输灰管路斜度的重要依据。

三、粉尘的比表面积单位体积粉尘所具有的表面积：以质量表示的比表面积：以堆积体积表示的比表面积：四、粉尘的含水率粉尘中的水分包括附在颗粒表面和包含在凹坑和细孔中的自由水分以及颗粒内部的结合水分。

含水率——水分质量与粉尘总质量之比：%100⨯+=dW Wm m m ω含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等特性。

吸湿现象：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，该物质将从气体中吸收水蒸汽，这就形成了吸湿现象。

平衡含水率——与气体相对湿度（水蒸气分压）对应。

五、粉尘的润湿性1）尘粒能否与液体相互附着或附着难易的性质称为粉尘的润湿性。

当固体粒子与液体接触时,如果接触面能扩大而相互附着,就是能润湿；如果接触面趋于缩小而不能附着,则是不能润湿。

2）容易被水润湿的物质称为亲水性物质，难以被水润湿的物质称为疏水性物质。

3）润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、温度、含水率、表面粗糙度及荷电性有关，还与液体的表面张力及尘粒与液体之间的粘附力、接触方式及相对于尘粒的运动速度等有关。

粉尘的润湿性随压力增大而增大，随温度升高而下降润湿速度——4）润湿性是选择湿式除尘器的主要依据对于5μm以下特别是1μm以下的尘粒，即使是亲水的，也很难被水润湿，这是由于细粉的比表面积大，对气体的吸附作用强，尘粒和水滴表面都有一层气膜，因此只有在尘粒与水滴之间具有较高的相对运动速度时（如文丘里喉管中），才会被润湿。

水硬性粉尘如水泥粉尘、熟石灰及白云石砂等不宜采用湿式洗涤器净化。

六、粉尘的荷电性和导电性1.粉尘的荷电性1)天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷2）荷电因素－电离辐射、高压放电、高温产生的离子或电子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦、产生过程中荷电。

3）天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量的1/104）荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加，且与化学组成有关5）粉尘荷电后，凝聚性、附着性、稳定性等都发生变化，对人体危害增强。

6）利用粉尘荷电后的性质变化，实现除尘——电除尘（布袋除尘、湿法除尘补集细小颗粒）2.粉尘的导电性粉尘的导电性通常用电阻率来表示：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。