3.2　颗粒的物理特性

3.2.1　颗粒密度

颗粒密度（density，ρ）是指单位体积颗粒物的质量，单位为kg/m³或g/cm³。颗粒的密度分真密度和堆积密度。

真密度（true density，ρ_p）是指单位体积颗粒去除颗粒内部孔隙和颗粒间空隙后的颗粒质量。真密度是颗粒最基本物理参数，广泛应用于颗粒特征评价，如测定颗粒分布等。真密度值决定于颗粒物化学组成，其测定方法主要有气体容积法和浸液法两种。

堆积密度（bulk density，ρ_b）又称体积密度、松密度或毛体密度，是指颗粒在堆积状态下单位体积的质量。若将颗粒之间的空间体积与包含空间的颗粒总体积之比称为空隙率ε，则颗粒的堆积密度ρ_b与真密度ρ_p、ε之间存在如下关系：

　　（3.1）

对于某种颗粒来说，ρ_p为一定值，ρ_b则随ε而变化，ε值与颗粒种类、粒径及充填方式等因素有关。颗粒愈细，ε值增大；充填过程加压或振动，ε值减小。真密度用于研究颗粒在流体中的运动，堆积密度用于计算物料存仓或灰斗容积。常见工业颗粒物两种密度值见表3-1。

3.2.2　颗粒含水率和润湿性

3.2.2.1　颗粒含水率

颗粒水分包括附着在颗粒表面和凹坑处与细孔中的自由水分，以及紧密结合在颗粒内部的物理结合水分。颗粒组成部分的化学结合水分（如结晶水等）不能用干燥的方法去除，否则会破坏颗粒本身的分子结构，因而不属于颗粒水分的范围。

颗粒水分含量用含水率w（%）表示，定义为颗粒中所含水分质量与颗粒总质量（包括干颗粒质量与水分质量）之比。颗粒含水率会影响颗粒其他物理性质，如导电性、黏附性、流动性等，这些因素在设计净化装置时都需考虑。颗粒的含水率与颗粒的润湿性有关。

含水率测定最基本的方法是将一定质量的尘样放在105℃恒温烘箱中干燥，恒重后再进行称量，烘干前后尘样质量之差即为所含水分。

3.2.2.2　颗粒润湿性

颗粒润湿性是指液体与颗粒相互附着或附着难易的性质。根据颗粒润湿性，颗粒分为两大类：容易被水润湿的亲水性颗粒和难被水润湿的疏水性（憎水性）颗粒（如石墨粉尘、炭黑等）。颗粒润湿性除了与颗粒组成有关外，还受其粒径、表面粗糙度和荷电性等影响。

湿式除尘器的除尘机制主要是利用颗粒被水润湿的机制。对于润湿性差的疏水性颗粒，可在水中加入一些润湿剂（如皂角素等）降低水的表面张力，提高润湿效果，从而使小尘粒凝聚为较大的尘粒而被除去。混凝土、熟石灰和白云石等尘粒，虽是亲水性的，但吸水后形成不溶于水的硬垢，称为水硬性颗粒。硬水性颗粒易在管道、设备内结垢，不宜采用湿式净化装置进行捕集。

3.2.3　颗粒流动性

3.2.3.1　颗粒黏附性

颗粒附着在固体表面上或颗粒彼此相互附着的现象称为黏附（adhesiveness），克服附着现象所需要的力称为黏附力。气体介质的黏附力主要有范德华力、静电引力和毛细管力等。

影响颗粒黏附的因素有粒径、形状、表面粗糙度、含水率、润湿性以及荷电量等。由于黏附力的存在，颗粒的相互碰撞会导致颗粒的凝聚，这种作用将有益于各种净化装置对颗粒的捕集，在电除尘器中表现得最为突出。但是在含尘气流管道和气流净化设备中，需要防止颗粒在器壁上的黏附，以免堵塞管道和设备。

3.2.3.2　颗粒安息角

颗粒通过小孔连续地下落到水平面上时，堆积成的锥体母线与水平面的夹角称为安息角（repose angle），又称静止角或堆积角。安息角是评价颗粒流动特征的一个重要指标。安息角小的颗粒，其流动性好。相反，安息角大的颗粒其流动性差。

安息角是粒状物料特有的性质，与颗粒粒径、形状、含水率、颗粒表面光滑程度等因素有关。对于同一种颗粒，粒径大、接近球形、表面光滑、含水率低时，安息角小。安息角是设计料仓锥度、除尘器灰斗锥度、气流管路倾斜度的主要依据。表3-2是几种常见工业颗粒的安息角。

3.2.4　颗粒电学性能

3.2.4.1　颗粒的荷电性

颗粒在其产生和运动过程中，由于碰撞、摩擦、放射线照射、电晕放电及接触带电体等原因，会带有一定数量的电荷。颗粒的荷电量随温度升高、表面积增大及含水率减小而增大。颗粒荷电量的大小和极性，除与其化学组成、表面积和含水率外，还与其外部荷电条件有关。不同颗粒的天然荷电数据见表3-3。

颗粒荷电后，将改变其凝聚性、附着性及其稳定性等物理性质。颗粒的荷电性在除尘技术中有重要作用，如电除尘器就是利用颗粒的荷电性进行除尘的，在袋式除尘器和湿式除尘器中也可以利用颗粒或者液滴的荷电性来提高其捕集效率。

3.2.4.2　颗粒的比电阻

颗粒导电性可用比电阻表示，单位为Ω·cm，即面积为1cm、厚度为1cm的颗粒层的电阻值称为颗粒的比电阻。颗粒导电机制有两种：温度>200℃时，主要靠颗粒本体电子或离子所产生的容积导电；温度<100℃时，靠颗粒表面吸附的水分和化学膜发生的表面导电。

因此，颗粒的比电阻与气体温度、湿度和成分，颗粒粒径、成分以及堆积松散度等有关。图3-1为典型的温度-比电阻关系曲线，在表面导电占优势的低温范围内，颗粒比电阻称为表面比电阻，其值随温度升高而增大，随含水率增大而减小；在容积导电占优势的高温范围内，颗粒比电阻称为体积比电阻，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，颗粒比电阻是表面比电阻和容积比电阻的合成。工业排气中的颗粒比电阻值变化范围大致为10³～10¹⁴Ω·cm。

3.2.5　颗粒比表面积

粒状物料的许多物理、化学性质与其表面积大小有关。例如，颗粒运动受到的流体阻力，因其表面积增大而增大；氧化、溶解、蒸发、吸附及催化等反应速度，也因颗粒表面积增大而增大；有些颗粒的爆炸性和毒性，也随其表面积增加而增加。

单位质量（体积）颗粒所具有的总表面积称为颗粒比表面积（specific surface area），单位m²/m³或cm²/g。颗粒比表面积是用来表示颗粒总体细度的一种粒度特征值。

颗粒比表面积值的变化范围很广，表3-4为几种工业颗粒的比表面积。大部分烟尘的比表面积在1000～10000 cm²/g范围内变化。

3.2.6　颗粒自燃性和爆炸性

3.2.6.1　颗粒的自燃性

颗粒的自燃（pyrophorisity）是指颗粒在常温下存放过程中自然发热，此热量经长时间的积累，达到该颗粒的燃点而引起燃烧的现象。颗粒自燃在于自然发热，且产热速率超过排热速率，热量不断积累所致。

引起颗粒自然发热的主要途径有：①氧化热，即颗粒与空气中的氧接触而发热，包括金属粉类、碳素粉末类和其他粉末类；②分解热，因颗粒中一些化学物质自然分解而发热，包括漂白粉、次亚硫酸钠等；③聚合热，因颗粒中所含的聚合物单体发生聚合而发热，如丙烯腈、苯乙烯、异丁烯酸盐等；④发酵热，因微生物和酶的作用使颗粒中所含有机物降解而发热，如干草、饲料等。

各种颗粒的自燃温度相差很大，黄磷、还原铁粉、还原镍粉、烷基铝等与空气的反应活化能极小，自燃温度低，常温下暴露于空气中就可以直接起火。影响颗粒自燃的因素，除颗粒本身结构和物理化学性质外，还有颗粒的存在状态。处于悬浮状态的颗粒自燃温度要比堆积状态粉体的自燃温度高。

3.2.6.2　颗粒的爆炸性

颗粒爆炸（explosion）指可燃性颗粒在爆炸极限范围内，遇到热源（明火或高温），快速发生化学反应，同时释放大量的热，形成很高的温度和很大的压力，系统的能量转化为机械能，产生光和热的辐射，形成很强的破坏力。

颗粒爆炸多半在有铝粉、锌粉、各种塑料粉末、有机合成粉末料、小麦粉、糖、植物纤维尘等产生场所发生。颗粒爆炸难易与颗粒物理、化学性质和环境条件有关。一般地，燃烧热越大的物质越容易爆炸，如煤尘、炭、硫黄等；氧化速度快的物质容易爆炸，如镁粉、铝粉、氧化亚铁、染料等；容易带电的颗粒也很容易引起爆炸，如树脂粉末、纤维尘、淀粉等；颗粒粒径越小，比表面积越大，水分含量越小，爆炸危险性越大。

颗粒爆炸条件有三个：①以适当的浓度在空气中悬浮，形成尘云；②有充足的空气和氧化剂；③有火源或者强烈振动与摩擦。引起爆炸的最低浓度叫做爆炸下限，最高浓度叫做爆炸上限，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。爆炸上限浓度值很大，多数情况都达不到，实际意义不大。对于有爆炸危险的颗粒，通风除尘系统设计必须给予充分注意，采取必要的防爆措施。