第二章 粉尘和含尘气体特性

第一节 粉尘

一、粉尘的定义与分类

通常把灰尘、尘埃、烟尘、矿尘、沙尘、烟尘等统称为粉尘，其严格定义为由自然力或机械力产生的，能够悬浮于空气中的固体微细颗粒。粉尘可根据某一特征进行分类。

1.按粉尘生成过程分类

1）机械粉尘：由机械过程（如破碎、筛分、运输等）产生的可悬浮空气中的固体颗粒物。粒径较粗，粒径分布范围较宽，可以在零到数百μm（微米）；

2）烟尘：由高温分解或燃烧过程（如冶炼、燃烧、切割、焊接等）产生的悬浮于烟气中的固体颗粒物。粒径较细，粒径分布在零到数十μm。

3）烟炱：由熔融或燃烧过程（如冶炼燃油、燃煤等）挥发性可燃气体不完全燃烧产生的固体颗粒物，粒径微细，粒径分布在零到数μm。

2.按大气中粉尘颗粒的大小分类

1）飘尘：粒径小于10μm的固体颗粒物，可长期在环境空气中飘浮，也称为浮游粉尘。

2）降尘：指粒径大于10μm的固体颗粒物，在自身重力作用下，可在较短时间内沉降到地面。

3）总悬浮尘：环境空气中粒径小于100μm的固体颗粒物。

3.按工业卫生学分类

1）总粉尘：悬浮在环境空气中粉尘的总量。一般是指粒径小于100μm的粉尘，简记为TSP（总悬浮颗粒物）。

2）可吸入粉尘：由呼吸作用进入人体内部并沉积在呼吸系统的粉尘。一般指粒径小于10μm的粉尘，记为PM10。

3）呼吸性粉尘：由呼吸作用能进入人体内部并沉积在肺上的粉尘。一般指粒径小于2.5μm的粉尘，记为PM2.5。

注意，大气环境空气质量中描述的颗粒物（TSP、PM10、PM2.5）包含固体颗粒物和液体颗粒物，对于一些工业污染物源散发的颗粒物也会出现这种情况。

二、粉尘的基本特性

1.密度

单位体积（用m3）粉尘所具有的质量（用kg）称为粉尘的密度，分为真密度和堆积密度。

1）真密度：除去粉尘中空隙体积后单位体积粉尘所具有的质量，与粉尘的沉降、输送、净化等特性密切相关。

2）堆积密度：在自然堆积状态下单位体积粉尘所具有的质量，也称容积密度，是粉尘储存、运输设备的重要参数。

真密度和堆积密度的关系取决于粉尘堆放体积中的空隙率ε，可用下式表示：

式中　ρv——粉尘的堆积密度（kg/m3）；

　ε——粉尘的空隙率（%）；

　ρp——粉尘的真密度（kg/m3）。

对于球形尘粒，ε=30%～40%，非球形尘粒的ε值则大于球形尘粒的ε值。粉尘越细、ρv越小，ρv/ρp比值越大，粉尘越难捕集，ρv/ρp＞10时，粉尘捕集难度较大。

各类工艺过程排放粉尘的特性参见表2-1。

表2-1 各类工艺过程排放粉尘特性

2.粒径与粒径分布

粉尘粒径是表明单个尘粒大小的尺度。对于球形颗粒，即指直径；如是非球形颗粒，可用等效于球形颗粒的直径表示，如对于线型颗粒物用定向径、颗粒运动力学特性用斯托克斯（Stokes）径等表示。

粉尘的粒径分布是指粉尘中各种粒径尘粒所占的百分数，也称为粉尘分散度。表征有质量粒径分布（按质量分数计量）、计数粒径分布（按颗粒数计量）、表面积粒径分布（按表面积计量）等多种表示方式，除尘技术中一般使用质量粒径分布。表2-2为铸造工厂工艺粉尘的质量粒径分布，表2-3为不同燃烧方式锅炉烟尘的质量粒径分布。

表2-2 铸造工厂工艺粉尘质量粒径分布

表2-3 不同燃烧方式锅炉烟尘质量粒径分布

3.比表面积

单位质量（或体积）粉尘具有的表面积，一般用cm2/g或cm2/cm3表示。它是反应颗粒群总体细度及活性的一个指标，对粉尘的润湿、凝聚、黏附、爆炸等性能有直接影响，大部分工业粉尘的比表面积为103～104cm2/g。

4.含水率

粉尘中所含水分质量与粉尘总质量的比值，范围在百分之几到百分之几十，它影响粉尘的黏附性和静电特性。通常采用干燥称量法测定烘干前后的粉尘质量之差，求得粉尘含水率。

5.润湿性

尘粒与液体相互附着的性质，可用润湿角θ来表征，见表2-4。θ≤60°的润湿性好的粉尘称为亲水性粉尘，如玻璃、石英、锅炉飞灰、黄铁砂粉等；θ＞90°润湿性差的粉尘称为憎水性粉尘，如石蜡、聚四氟乙烯、炭黑、煤粉等；吸水后能形成不溶于水硬垢的粉尘称为水硬性粉尘，如水泥、熟石灰与白云石砂等。粉尘粒径越小，润湿性越差，一般粒径＜5μm时，粉尘很难被水润湿。

表2-4 部分物质的润湿角

6.黏附性

黏附性是尘粒黏附于固体表面或尘粒之间互相凝聚的现象。前者易使除尘设备和管道堵塞，后者则有利于颗粒间结合变为大颗粒，使除尘效果提高。黏附是物体表面之间存在的一种力的表现，这种力可以是分子力、毛细力或静电力，统称黏附力。粒径dc＜1.0μm的尘粒，主要靠分子力作用而产生黏附；吸湿性、溶水性、含水率高的粉尘，主要靠表面水分的毛细力产生黏附；带电尘粒主要靠异性静电力产生黏附；纤维粉尘的黏附则主要与壁面状态有关。

7.堆积角

粉尘通过小孔连续下落到某一水平面上自然堆积成尘堆的锥体母线与水平面上的夹角称为堆积角或安息角。堆积角的大小与物料的种类、粒径、形状和含水率等因素有关，一般均值为35°～40°，见表2-5。对于同一种粉尘，粒径越小，堆积角越大。

表2-5 常见粉尘性质

8.滑动角

滑动角是指光滑平面倾斜到一定角度时，粉尘开始滑动的角度，一般为40°～55°。

粉尘的堆积角与滑动角是评价粉尘摩擦和流动特性的重要指标，是设计除尘器、输灰溜管以及除尘器灰斗、料仓的重要依据。

9.磨损性

粉尘在运动流动过程中对固体界壁的磨损性能，主要取决于颗粒的硬度、密度、粒径以及运动速度等因素，尤其与运动速度的2～3次方成正比。磨损还与冲刷面材料、放置角度有关，粒子以90°直冲器壁时，产生渐次变形磨损，对硬质壁板如陶瓷板尤为严重；粒子以倾斜角冲刷器壁时产生微切割磨损，以30°冲角最为严重，如钢铁板材。

10.静电特性

粉尘由于激烈的撞击、摩擦、放射性照射、电晕放电等原因而荷电。粉尘的静电特性对捕集和清灰都有很大影响，尤其是静电除尘器。比电阻是评定粉尘导电性能的一个指标，见表2-1。粉尘比电阻过高不易荷电，造成除尘效率下降，粉尘比电阻过低不易荷电，造成收尘二次返混。

11.爆炸性

当物质的比表面积增加时，其化学活性迅速增强。某些在堆积状态下不易燃烧的可燃物粉尘，当它以粉末状悬浮于空气中时，与空气中的氧有了充分的接触机会，在一定的温度和质量浓度下可能发生爆炸。这个能够引起爆炸的可燃物质量浓度称为爆炸质量浓度，能够引起爆炸的最低质量浓度称为爆炸下限质量浓度。部分粉尘的爆炸下限质量浓度见表2-5。

三、粉尘的危害

粉尘排入大气，对人体健康、自然景物与生态环境、产品质量与经济发展都有影响。影响的严重程度取决于排出的总尘量、粉尘的物理化学性质以及排放源的周围环境。

1.对人体健康的影响

1）呼吸器官：由于大量粒径小于2.5μm的二氧化硅、石棉、水泥、重金属微尘等引起的各种职业性尘肺；

2）毒性反应：由于氟化盐、铍尘等毒性粉尘引起各种中毒病理；

3）对眼睛或皮肤的刺激：由于酸雾、微粒或纤维尘引起眼睑水肿、结膜炎和皮肤病。

2.对自然景观与生态环境的影响

1）污染：由于排出的大量粉尘及焦油或胶粘性粉尘造成环境污染；

2）混浊度（降低能见度）：由于排出大量微细粉尘（即粒径小于1μm）造成阴霾或尘雾。

3.对产品质量与经济发展的影响

1）材料和设备（活性和非活性）的损坏：由于腐蚀性、磨琢性粉尘引起对产品质量的侵害；

2）污染防治：增加对粉尘污染的治理费用；

3）二次经济损失：由于区域环境污染而引起投资环境恶化及经济萎缩。