粉尘粒径分布测试方法探究

1.筛分析法

筛分析法是粒径分布测量中最简单和最快速的方法，应用广泛。它是将一定量的颗粒物质置于选定的一系列筛子的最上层筛内，在振筛机上振动。由各级筛子将不同粒径的颗粒分开。振动时，小于筛孔尺寸的颗粒，由孔中落下。使用一系列不同筛孔的筛子，可以将颗粒样品分离成不同部分。在筛分结束后，分别称量各筛上的颗粒物质量和底盘中的颗粒物质量。由各级筛及底盘粉尘颗粒物质量m_i可求出各级的质量百分比ΔR_i。

由（11-1）可计算筛分的粒径分布值，如图11-5所示。

图11-5 筛分析

2.惯性分级测定法

利用粉尘粒子在气体、液体介质中的惯性不同，可以对其进行分级，这种分析方法称为惯性分级测定法。

在气体或液体介质中悬浮的粉尘粒子当受到重力、惯性力或离心力的作用时，大于某一粒径的粒子能够从介质中分离而沉降下来。沉降速度的大小取决于粉尘粒径的大小。

若粉尘粒子随着气流一起运动，可以利用惯性力（或惯性离心力）使其从气流中分离出来，进而分级。不同粒径的尘粒所受到的惯性力是不同的。联级冲击器就是根据粉尘粒子的惯性冲击原理对粉尘进行分级的仪器。其结构和工作原理如图11-6所示。

图11-6 联级冲击器结构和工作原理

从圆形或条缝形喷嘴喷出的含尘气流，直接喷向喷嘴前方一定距离的冲击板。冲量较大的尘粒会偏离气流撞击在冲击板上，并由于粘性力、静电力和范德瓦尔力的作用互相粘附，沉积于冲击板表面；而冲量较小的粉尘则随着气流进入到下一级。把几个喷嘴依次串联，逐渐减小喷嘴直径，气流从各喷嘴喷出的速度将逐级增高，从气流中分离出来的粉尘粒子也逐渐缩小。

联级冲击器常用的是5～10级，最多可达20级。每一级冲击器主要由喷嘴、冲击板等组成。

每级冲击器的喷嘴可以是单孔的，也可是多孔的。多孔喷嘴的孔数最多达数百个。

冲击板最常用的是平板，可用于圆形或条缝形喷嘴级联冲击器。此外，还有旋转圆鼓形冲击板、锥形冲击板、直角形冲击板。

为了防止冲击到冲击板上的粉尘将已捕集的粉尘冲刷下来，或反弹回气流引起二次扬尘，在冲击板上增加衬垫，这样做的另一好处是方便捕尘和称量，保证称量的精度。

使用联级冲击器可以同时测出粉尘浓度和粒径分布数据。联级冲击器的优点：结构简单、紧凑，体积小；性能稳定；使用维护方便；既适合现场使用，也适合实验室使用。其分析粒径范围：0.3～20μm。

3.沉降天平法

1）基本原理：利用粒径大小不同的粉尘在液体介质中的沉降速度不同的原理，可以测量粉尘的粒径分布。

粉尘在液体介质中受重力的作用而沉降，如果忽略粉尘下降的加速过程，按斯托克斯公式可确定其沉降速度v_s（m/s）为(www.xing528.com)

式中 ρ_p、ρ_w——尘粒和液体的密度（kg/m³）；

μ_w——液体的粘滞系数（Pa·s）。

①在已知液体的性质（ρ_w和μ_w）及尘粒密度（ρ_p）的条件下，若测出沉降速度v_s，即可求得粉尘的粒径d_p（m）：

②根据需要测定的粒径d_p，可求出沉降时间t（s）：

式中 H——沉降高度（m）。

2）沉降天平法工作原理：利用粒径不同的粉尘粒子在液体介质中沉降速度的不同使尘粒分级，并且用天平来称量一定时间间隔的粉尘沉降累积质量，这就是沉降天平法。

不同粒径的粉尘在均匀分布的悬浊液中，以本身的沉降速度沉降在天平盘上。天平连续累积称出由一定高度的悬浊液中沉降到天平盘上的粉尘量。这部分沉降到天平盘上的粉尘包括两个部分：其一，沉降时间比斯托克斯公式计算得出的时间t短的那部分粉尘粒子；其二，因为沉降高度不同的关系，在计算时间t内落下的那部分粉尘粒子。

若按沉降速度v_s沉降的粉尘粒径为d_t，经时间t后，沉降析出的粉尘累积质量为m，大于粒径d_t的那部分粉尘粒子的累积质量为m_t，则

若悬浮液中的沉降粉尘是同一种粒径的粉尘组成的单分散相体系，那么在沉降过程中，沉降量随时间成比例地增加，沉降曲线是一条直线。粉尘粒子从液面到底部的时间，就是该种粒径粒子完全沉降的时间。

如果悬浮液中沉降粉尘由4种粒径d₁、d₂、d₃和d₄的粉尘组成，则沉降曲线如图11-7所示的0PQRN折线形式。粉尘粒径为d₁、d₂、d₃和d₄的粒子完全沉降的时间分别为t₁、t₂、t₃和t₄。那么，当这些粉尘共同沉降时，沉降质量在开始阶段随时间成比例增加。到沉降时间t₁，粒径d₁的粉尘沉降完毕，其余继续沉降。根据式（11-5），由折点P延长直线交纵轴的截距即为粒径d₁粉尘的质量m₁。该质量m₁应该等于在沉降时间t₁称量的沉降质量减去直线PQ的斜率与t₁的乘积，从图上看，正是在纵坐标上的截距。而粒径d₂的粉尘质量m₂-m₁应是沉降质量减去m₁和直线QR斜率与t₂的乘积。依次类推，得到粒径为d₃的粉尘质量为m₃-m₂，粒径d₄的粉尘质量为m₄-m₃。

图11-7 包含4种粒径粉尘的沉降曲线

实际上，悬浮液中的粉尘大小不一，是多分散相系统。因此，在测定中，沉降曲线是一条光滑的m=F（t）曲线。图解时，在曲线上的一些点相应作切线，交于纵轴，得出一系列截距。按照与上述类似的方法，可计算出各切点对应的粒径的粉尘质量（见图11-8）。在相应于时间t₁、t₂、t₃、……的各点上作切线，其与纵坐标的交点为m₁、m₂、m₃、……这一系列的截距可做出m=F（t）曲线。可另以横坐标为d_e做图，将相应的m₁、m₂、m₃、……作为纵坐标标出，这样连接成的曲线就是筛上的累积曲线R（d_p）。

图11-8 粉尘粒径累计分布曲线