5《大气污染控制工程》教案-第五章

（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dV，为与颗粒体积相等的 球的直径。若颗粒体积为V,则dV＝(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dS，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。 综上所述，粒径的测定和定义方法可归纳为两类： 一类是按颗粒的几何性质来直接测定和定义的，如显微镜法和筛分 法； 另一类则是按照颗粒的某种物理性质间接测定和定义的。如斯托克 斯直径、等体积直径等。粒径的测定方法不同，其定义方法也不同，得 到的粒径数值往往差别很大，很难进行比较，因而实际中多是根据应用 目的来选择粒径的测定和定义方法。 此外，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 表示颗粒形状与球形颗粒不一致程度的度量。 圆球度是与颗粒体积相等的圆球的表面积和颗粒表面积之比。以ФS 表示，它的值总是小于1。（数值越接受1，表示越接近球形） 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。也称粉尘的分散度。 以颗粒的个数表示所占的比例时，称为个数分布； 以颗粒的质量表示所占比例时，称为质量分布。 以颗粒的表面积表示所占比例时，称为表面积分布。 除尘技术中多采用粒径的质量分布。 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 (1)个数频率：第i粒径间隔中的颗粒个数ni与颗粒总个数∑ni之比 （或百分比），即： （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 颗粒总个数之经（或百分比），即： 注：F=0.5时所对应的粒径d50称为个数中位粒径（NMD） （3）个数频率密度：指单位粒径间隔时的个数频率。
注：个数频率密度最大时所对应的粒径称为个数众径（dd） 2．质量分布 假设所有颗粒具有相同的密度，颗粒的质量与其粒径的立方成正 比。则颗粒以个数表示的粒径分布，可以转换为以颗粒的质量表示的粒 径分布。 质量频率： 质量筛下累积频率：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： 质量频率密度：指单位粒径间隔时的质量频率。 同理，质量筛下累积频率G=0.5时对应的粒径d50，称为质量中位粒径 （MMD）；质量频率密度最大时所对应的粒径称为质量众径。 为了更好地理解上述概念，请看例题5-1。 3.平均粒径 为了更加简明地表示颗粒的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，下面给出几种常用的平均粒径表示方法： ①长度（算术）平均粒径 证明过程： 由式(5-6)可知，，所以： ；。 因此，。
粉尘的安息角与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，其流动性好；安息角大的粉尘，其流动性差。粉尘的安息角
与滑动角是设计除尘器灰斗（或粉料仓）的锥角及除尘管路或输灰管路
倾斜角的主要依据。
三、粉尘的比表面积
粉状物料的许多理化性质，往往与其表面积大小有关，细颗粒往往
表现出显著的物理、化学活动性。
若将粉体颗粒间和内部空隙的体积与堆积粉尘的总体积之比称为空
隙率，用ε表示，则空隙率ε与ρb和ρp之间的关系为：
ρb=(1-
ε)ρp…………………..（5-37）（请同学们课下推导此公式）
二、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称为粉尘的安息角。也称动安息角或堆积
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。
附着强度，即克服附着现象所需要的力(垂直作用在粒粒重心上)称 为粘附力。
粉尘的粘附是一种常见的实际现象，既有其有利的一面，也有其有 害的一面。
颗粒之间的粘附力有三种：分子力、毛细力和静电力。 断裂强度表征粉尘自黏性的基本指标，在数值上等于粉尘断裂所需 的力除以其断裂的接触面积。根据断裂强度的大小，将各种粉尘分为四 类：不黏性、微黏性、中等黏性和强黏性。见表5-9。 八、粉尘的自燃性和爆炸性 1.粉尘的自燃性 自燃指粉尘在常温下存放过程中自然发热，此热量经长时间的积 累，达到该粉尘的燃点而引起的燃烧现象。 粉尘自烟的原因在于自然发热，并且产热速率超过排热速率，使物 系热量不断积累所致。引起粉尘自燃发热的原因有：①氧化热；②分解 热；③聚合热；④发酵热。 2.粉尘的爆炸性 这里所说的爆炸是指可燃物的剧烈氧化作用，在瞬间产生大量的热量 和燃烧产物，在空间造成很高的温度和压力，故称为化学爆炸。可燃物 包括可燃粉尘、可燃气体和蒸气等。 引起可燃物爆炸必须具备的条件有两个：一是由可燃物与空气或氧 构成的可燃混合物达到一定的浓度（上限和下限）；二是存在能量足够 的火源。 可燃混合物中可燃物的浓度，只有在一定范围内才能引起爆炸。能够 引起可燃混合物爆炸的最低可燃物浓度，称为爆炸浓度下限；最高可燃 物浓度称为爆炸浓度上限。在可燃物浓度低于爆炸浓度下限或高于爆炸 浓度上限时，均无爆炸危险。由于上限浓度值过大(如糖粉在空气中的 爆炸浓度上限为13.5kg／m3)，在多数场合下都达不到，故实际意义不 大。 ’ 此外，有些粉尘与水接触后会引起自燃或爆炸，如镁粉、碳化钙粉 等；有些粉尘互相接触或混合后也会引起爆炸，磷、锌粉与镁粉等。
①筛下累积频率F（或G）表达式： ②频率密度函数： 式中：dg——几何平均粒径。
σg——几何标准偏差，定义为： ③ ④累积频率曲线在对数概率坐标纸上为一直线，斜率σg取决于： ⑤平均粒径的换算关系为：（MMD质量中位粒径、NMD个数中位 粒径、SMD面积中位粒径）
lnMMD=lnNMD+3ln2σg……………..(5-24) lnSMD=lnNMD+2ln2σg……………...(5-25) ⑥可由σg、MMD（或NMD）计算出各种平均粒径。 表面积-体积平均粒径：
注：堆积体积Vb=(1-ε)Vp，按照定义可得到5-40式。
四、粉尘的含水率
粉尘中的水分包括附着在颗粒表面上的和包含在凹坑处与细孔中的
自由水分，以及紧密结合在颗粒内部的结合水分。
粉尘中的水分含量，用含水率w表示，指粉尘中所含水分质量与粉尘
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总质量（包括干粉尘与水分）之比。
粉尘含水率的大小，会影响到粉尘的其他物理性质，如导电性、黏
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。
五、粉尘的润湿性 粉尘颗粒能否与液体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，接触面能扩大而相互附着，就是能润湿；反 之，接触面趋于缩小而不能附着，则是不能润湿。一般根据粉尘能被液 体润湿的程度将粉尘大致分为两类：容易被水润湿的亲水性粉尘（润湿 性粉尘），难以被水润湿的疏水性粉尘（非润湿性粉尘）。
润湿性是选用湿式除尘器的主要依据；各种湿式除尘装置，主要是 依靠粉尘与水的润湿作用来捕集粉尘的。 六、粉尘的荷电性及导电性
l.粉尘的荷电性 粉尘在其产生及运动过程中，由于相互碰撞、摩擦、放射线照射、 电晕放电及接触带电体等原因，几乎总是带有一定量的电荷。粉尘荷电 后将改变其某些物理性质，如凝聚性、附着性及在气体中的稳定性等。 粉尘的荷电量随温度增高、表面积加大和含水率减小而增加，还与其化 学组成有关。 粉尘的荷电在除尘中有重要作用，如电除尘器就是利用粉尘的荷电 而除尘的， 2.粉尘的导电性 粉尘的导电性与金属导线类似，用电阻率（比电阻）ρd表示。 式中：V——通过粉尘层的电压，V；
③标准差： ④正态分布是最简单的函数形式，它的个数频率密度p分布曲线是关 于算术平均粒径的对称性钟形曲线，因而有=d50=dd。 ⑤它的F曲线在正态概率坐标纸上是一条直线，其斜率取决于标准偏 差σ值，其值可以从F曲线查出并按下式计算：
2、对数正态分布 如果以粒径的对数lndp代替粒径dp对频率密度p（或q）作曲线，得到 一像正态分布一样的对称性钟形曲线，则可认为该粉尘粒径分布符合对 数正态分布。
比表面积：单位体积(或质量)粉尘所具有的表面积。
①以粉尘自身体积(即净体积)为基准表示的比表面积SV，定义为： 式中：——粉尘的平均表面积，cm2；——粉尘的表面积体积平均粒
径，cm。
——粉尘的平均体积，cm3；
②以粉尘质量为基准表示的比表面积Sm，定义为：
式中:ρp——粉尘真密度，g/cm3。
③以粉尘堆积体积为基准表示的比表面积Sb，定义为：
3、罗辛－拉姆勒分布（自学）
第二节 粉尘的物理性质
本节主要介绍粉尘的物理性质，包括粉尘的密度、安息角、滑动 角、比表面积、含水率、润湿性、荷电性、导电性、黏附性、自燃性和 爆炸性。 一、粉尘的密度
单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，单位kg/m3或g/cm3。 根据粉尘测定条件及应用条件的不同，可分为真密度和堆积密度。 (1)真密度：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，以ρp表示。 (2)堆积密度：包括物体颗粒之间和颗粒内部的空隙体和会求得的密 度称为堆积密度，用ρb表示。
J——通过粉尘层的电流密度，A/cm2； δ——粉尘层的厚度，cm。 粉尘的导电机制有两种，取决于粉尘、气体的温度和组成成分。在 表面导电占优势的低温范围内（100℃以下），粉尘电阻称为表面电阻 率，其值随温度升高而增大，随含水率增大而减小；在体积导电占优势 的高温范围（200℃以上）内，粉尘比电阻称为体积电阻率，其值随温 度升高而减小；在两种导电机制皆重要的中间温度范围内，粉尘比电阻 是表面比电阻和容积比电阻的合成。其值最高。见图（5-11）P148 七、粉尘的粘附性 粉尘颗粒附着在固体表面上，或者颗粒彼此相互附着的现象称为粘 附。后者也称自粘。
粉尘的润湿性用液体对试管中粉尘的润湿速度来表征。通常取润湿时 间为20min，测出此时的润湿高度L20（mm），于是润湿速度为：
粉尘的润湿性与粉尘的性质，如粒径，生成条件、温度、含水率、 表面粗糙度、荷电性等有关，还与液体的表面张力、尘粒和液体间的粘 附力及相对运动速度等有关。此外，粉尘的润湿性还随压力的增加而增 加，随温度升高而减小，随液体表面张力减小而增强。
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dF，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dM，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dA，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dA＝(4A ／π)1/2。 根据黑乌德测定分析表明，同一颗粒的dF＞dA＞dM。
②表面积平均粒径 ③体积平均粒径
④体积－表面积平均粒径 ⑤几何平均粒径
用每一个粒子粒径表示： 用粒径间隔粒子平均粒径表示： 如按lndg表示几何平均粒径：
或者 注：对于频率密度分布曲线对称的分布，其众径dd、中位直径d50、 几何平均直径相等；而对于非对称性分布的，有dd＜d50＜。 讲解例题5-2。 四、粒径分布函数 1、正态分布 正态分布也称高斯分布。 ①频率密度p或(q)函数为： ②筛下累积频率F（或G）：
角。
滑动角：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；也成静安息角。
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。对于一种粉尘，粒径越小，安
息角越大；粉尘含水率增加，安息角增大；表面越光滑和越接近球形的
颗粒，安息角越小。