3.2　顆粒的物理特性

3.2.1　顆粒密度

顆粒密度（density，ρ）是指單位體積顆粒物的質量，單位為kg/m³或g/cm³。顆粒的密度分真密度和堆積密度。

真密度（true density，ρ_p）是指單位體積顆粒去除顆粒內部孔隙和顆粒間空隙后的顆粒質量。真密度是顆粒最基本物理參數(shù)，廣泛應用于顆粒特征評價，如測定顆粒分布等。真密度值決定于顆粒物化學組成，其測定方法主要有氣體容積法和浸液法兩種。

堆積密度（bulk density，ρ_b）又稱體積密度、松密度或毛體密度，是指顆粒在堆積狀態(tài)下單位體積的質量。若將顆粒之間的空間體積與包含空間的顆粒總體積之比稱為空隙率ε，則顆粒的堆積密度ρ_b與真密度ρ_p、ε之間存在如下關系：

　　（3.1）

對于某種顆粒來說，ρ_p為一定值，ρ_b則隨ε而變化，ε值與顆粒種類、粒徑及充填方式等因素有關。顆粒愈細，ε值增大；充填過程加壓或振動，ε值減小。真密度用于研究顆粒在流體中的運動，堆積密度用于計算物料存?zhèn)}或灰斗容積。常見工業(yè)顆粒物兩種密度值見表3-1。

3.2.2　顆粒含水率和潤濕性

3.2.2.1　顆粒含水率

顆粒水分包括附著在顆粒表面和凹坑處與細孔中的自由水分，以及緊密結合在顆粒內部的物理結合水分。顆粒組成部分的化學結合水分（如結晶水等）不能用干燥的方法去除，否則會破壞顆粒本身的分子結構，因而不屬于顆粒水分的范圍。

顆粒水分含量用含水率w（%）表示，定義為顆粒中所含水分質量與顆粒總質量（包括干顆粒質量與水分質量）之比。顆粒含水率會影響顆粒其他物理性質，如導電性、黏附性、流動性等，這些因素在設計凈化裝置時都需考慮。顆粒的含水率與顆粒的潤濕性有關。

含水率測定最基本的方法是將一定質量的塵樣放在105℃恒溫烘箱中干燥，恒重后再進行稱量，烘干前后塵樣質量之差即為所含水分。

3.2.2.2　顆粒潤濕性

顆粒潤濕性是指液體與顆粒相互附著或附著難易的性質。根據(jù)顆粒潤濕性，顆粒分為兩大類：容易被水潤濕的親水性顆粒和難被水潤濕的疏水性（憎水性）顆粒（如石墨粉塵、炭黑等）。顆粒潤濕性除了與顆粒組成有關外，還受其粒徑、表面粗糙度和荷電性等影響。

濕式除塵器的除塵機制主要是利用顆粒被水潤濕的機制。對于潤濕性差的疏水性顆粒，可在水中加入一些潤濕劑（如皂角素等）降低水的表面張力，提高潤濕效果，從而使小塵粒凝聚為較大的塵粒而被除去。混凝土、熟石灰和白云石等塵粒，雖是親水性的，但吸水后形成不溶于水的硬垢，稱為水硬性顆粒。硬水性顆粒易在管道、設備內結垢，不宜采用濕式凈化裝置進行捕集。

3.2.3　顆粒流動性

3.2.3.1　顆粒黏附性

顆粒附著在固體表面上或顆粒彼此相互附著的現(xiàn)象稱為黏附（adhesiveness），克服附著現(xiàn)象所需要的力稱為黏附力。氣體介質的黏附力主要有范德華力、靜電引力和毛細管力等。

影響顆粒黏附的因素有粒徑、形狀、表面粗糙度、含水率、潤濕性以及荷電量等。由于黏附力的存在，顆粒的相互碰撞會導致顆粒的凝聚，這種作用將有益于各種凈化裝置對顆粒的捕集，在電除塵器中表現(xiàn)得最為突出。但是在含塵氣流管道和氣流凈化設備中，需要防止顆粒在器壁上的黏附，以免堵塞管道和設備。

3.2.3.2　顆粒安息角

顆粒通過小孔連續(xù)地下落到水平面上時，堆積成的錐體母線與水平面的夾角稱為安息角（repose angle），又稱靜止角或堆積角。安息角是評價顆粒流動特征的一個重要指標。安息角小的顆粒，其流動性好。相反，安息角大的顆粒其流動性差。

安息角是粒狀物料特有的性質，與顆粒粒徑、形狀、含水率、顆粒表面光滑程度等因素有關。對于同一種顆粒，粒徑大、接近球形、表面光滑、含水率低時，安息角小。安息角是設計料倉錐度、除塵器灰斗錐度、氣流管路傾斜度的主要依據(jù)。表3-2是幾種常見工業(yè)顆粒的安息角。

3.2.4　顆粒電學性能

3.2.4.1　顆粒的荷電性

顆粒在其產生和運動過程中，由于碰撞、摩擦、放射線照射、電暈放電及接觸帶電體等原因，會帶有一定數(shù)量的電荷。顆粒的荷電量隨溫度升高、表面積增大及含水率減小而增大。顆粒荷電量的大小和極性，除與其化學組成、表面積和含水率外，還與其外部荷電條件有關。不同顆粒的天然荷電數(shù)據(jù)見表3-3。

顆粒荷電后，將改變其凝聚性、附著性及其穩(wěn)定性等物理性質。顆粒的荷電性在除塵技術中有重要作用，如電除塵器就是利用顆粒的荷電性進行除塵的，在袋式除塵器和濕式除塵器中也可以利用顆粒或者液滴的荷電性來提高其捕集效率。

3.2.4.2　顆粒的比電阻

顆粒導電性可用比電阻表示，單位為Ω·cm，即面積為1cm、厚度為1cm的顆粒層的電阻值稱為顆粒的比電阻。顆粒導電機制有兩種：溫度>200℃時，主要靠顆粒本體電子或離子所產生的容積導電；溫度<100℃時，靠顆粒表面吸附的水分和化學膜發(fā)生的表面導電。

因此，顆粒的比電阻與氣體溫度、濕度和成分，顆粒粒徑、成分以及堆積松散度等有關。圖3-1為典型的溫度-比電阻關系曲線，在表面導電占優(yōu)勢的低溫范圍內，顆粒比電阻稱為表面比電阻，其值隨溫度升高而增大，隨含水率增大而減小；在容積導電占優(yōu)勢的高溫范圍內，顆粒比電阻稱為體積比電阻，其值隨溫度升高而減小；在兩種導電機制皆重要的中間溫度范圍內，顆粒比電阻是表面比電阻和容積比電阻的合成。工業(yè)排氣中的顆粒比電阻值變化范圍大致為10³～10¹⁴Ω·cm。

3.2.5　顆粒比表面積

粒狀物料的許多物理、化學性質與其表面積大小有關。例如，顆粒運動受到的流體阻力，因其表面積增大而增大；氧化、溶解、蒸發(fā)、吸附及催化等反應速度，也因顆粒表面積增大而增大；有些顆粒的爆炸性和毒性，也隨其表面積增加而增加。

單位質量（體積）顆粒所具有的總表面積稱為顆粒比表面積（specific surface area），單位m²/m³或cm²/g。顆粒比表面積是用來表示顆粒總體細度的一種粒度特征值。

顆粒比表面積值的變化范圍很廣，表3-4為幾種工業(yè)顆粒的比表面積。大部分煙塵的比表面積在1000～10000 cm²/g范圍內變化。

3.2.6　顆粒自燃性和爆炸性

3.2.6.1　顆粒的自燃性

顆粒的自燃（pyrophorisity）是指顆粒在常溫下存放過程中自然發(fā)熱，此熱量經長時間的積累，達到該顆粒的燃點而引起燃燒的現(xiàn)象。顆粒自燃在于自然發(fā)熱，且產熱速率超過排熱速率，熱量不斷積累所致。

引起顆粒自然發(fā)熱的主要途徑有：①氧化熱，即顆粒與空氣中的氧接觸而發(fā)熱，包括金屬粉類、碳素粉末類和其他粉末類；②分解熱，因顆粒中一些化學物質自然分解而發(fā)熱，包括漂白粉、次亞硫酸鈉等；③聚合熱，因顆粒中所含的聚合物單體發(fā)生聚合而發(fā)熱，如丙烯腈、苯乙烯、異丁烯酸鹽等；④發(fā)酵熱，因微生物和酶的作用使顆粒中所含有機物降解而發(fā)熱，如干草、飼料等。

各種顆粒的自燃溫度相差很大，黃磷、還原鐵粉、還原鎳粉、烷基鋁等與空氣的反應活化能極小，自燃溫度低，常溫下暴露于空氣中就可以直接起火。影響顆粒自燃的因素，除顆粒本身結構和物理化學性質外，還有顆粒的存在狀態(tài)。處于懸浮狀態(tài)的顆粒自燃溫度要比堆積狀態(tài)粉體的自燃溫度高。

3.2.6.2　顆粒的爆炸性

顆粒爆炸（explosion）指可燃性顆粒在爆炸極限范圍內，遇到熱源（明火或高溫），快速發(fā)生化學反應，同時釋放大量的熱，形成很高的溫度和很大的壓力，系統(tǒng)的能量轉化為機械能，產生光和熱的輻射，形成很強的破壞力。

顆粒爆炸多半在有鋁粉、鋅粉、各種塑料粉末、有機合成粉末料、小麥粉、糖、植物纖維塵等產生場所發(fā)生。顆粒爆炸難易與顆粒物理、化學性質和環(huán)境條件有關。一般地，燃燒熱越大的物質越容易爆炸，如煤塵、炭、硫黃等；氧化速度快的物質容易爆炸，如鎂粉、鋁粉、氧化亞鐵、染料等；容易帶電的顆粒也很容易引起爆炸，如樹脂粉末、纖維塵、淀粉等；顆粒粒徑越小，比表面積越大，水分含量越小，爆炸危險性越大。

顆粒爆炸條件有三個：①以適當?shù)臐舛仍诳諝庵袘腋。纬蓧m云；②有充足的空氣和氧化劑；③有火源或者強烈振動與摩擦。引起爆炸的最低濃度叫做爆炸下限，最高濃度叫做爆炸上限，可燃物濃度低于爆炸濃度下限或高于爆炸濃度上限時，均無爆炸危險。爆炸上限濃度值很大，多數(shù)情況都達不到，實際意義不大。對于有爆炸危險的顆粒，通風除塵系統(tǒng)設計必須給予充分注意，采取必要的防爆措施。