粒径分布论文

粒径分布论文（精选8篇）

粒径分布论文 篇1

摘要：为掌握静电喷雾润滑液滴的粒径分布特性, 将图像识别检测技术应用到荷电润滑液滴的粒径测量中。开展了采集图像中液滴区域的特征抽取和识别分析, 建立了液滴的平面二维直径和空间三维直径的转换关系, 提出了一种实用的气雾液滴粒径分布特性的检测方法。在建立液滴采集装置的基础上, 进行了气雾不同截面液滴的采集和识别试验。实验结果表明, 随着静电电压升高, 喷雾索特平均直径减小, 雾滴颗粒趋于均匀, 雾化质量明显改善;在距喷嘴60 mm140 mm的3个截面上, 随着距离的增加, 雾滴索特平均直径增大, 雾滴趋于发散。

关键词：静电喷雾,微量润滑,粒径,Matlab,图像处理,索特平均直径

0 引言

微量润滑 (MQL) 技术是环境友好绿色切削技术的典型代表。MQL技术利用压缩空气将微量润滑液雾化成微米级液滴, 喷向切削区, 对刀具与工件、切屑的接触界面进行润滑, 同时润滑液滴和压缩空气还起到冷却切削区的作用[1]。目前, 国内外一些学者从不同的角度对MQL进行了研究, A.S.Varadarajan[2]将MQL技术应用于切削铝合金及复合材料的加工, C.Angulo[3]利用高速钢刀具对锻造铝合金5083-H112进行MQL铣削研究, 何宁等[4]将低温MQL应用于高速铣削钛合金的加工。这些实验研究表明:在高速切削过程中, 传统的切削液很难进入到切削加工区域, MQL时切削液在压缩气体的作用下, 具有更强的渗透能力, 能起到较好的润滑效果, 工件表面粗糙度减小, 刀具磨损降低。

静电喷雾是凭借静电力使液体微粒化的过程, 在均匀、细化雾滴及提高雾滴在目标物的沉积量、吸附性能等方面有明显效果。静电喷雾广泛应用于农药静电喷雾[5,6]、荷电喷雾燃烧[7,8]、静电涂油[9,10,11]等领域。

静电喷雾微量润滑作为一项新技术, 润滑液荷电雾化液滴的粒径及其分布特性是该技术的基础研究内容。本研究结合MQL技术和静电技术, 利用静电喷雾液滴粒径小、表面张力降低、吸附性好等特点, 可以提高雾化润滑液的润滑和冷却性能。

1 实验方法

1.1 实验材料及设备

基础润滑液为美国ITW集团生产的Accu-Lube LB-2000中黏度纯天然基础油。为提高润滑液的电导率, 本研究将5%的十二烷基苯磺酸钠饱溶液、5%的水与90%的LB-2000润滑液混合, 配制成具有一定电导性的改性润滑液。气雾发生装置为ITW生产的AccuLube准干式微量喷油装置, 静电发生装置为北京华晶汇科技有限公司生产的EST705高精度高稳定静电发生器, 显微镜为日本KEYENCE公司生产的VW-600动态分析三维显微系统。

1.2 润滑液静电雾化系统

润滑液静电雾化发生系统如图1所示。在AccuLube准干式微量喷油装置喷嘴出口, 本研究设置了针状电极电晕发生装置, 其结构示意图如图2所示。当对针状电极施加负高压电位时, 尖端电极附近的空气电离, 形成电子雪崩, 电子吸附到初次雾化液滴上, 导致液滴的表面张力下降, 促使液滴继续细化。实验中, 压缩空气压强为0.2 MPa, 润滑液流量20 ml/h, 静电发生器输出电压分别为0 k V、-15 k V、-25 k V和-35 k V。

1.3 静电雾化液滴采样

静电雾化液滴采样方案如图3所示。为防止硅片表面产生雾滴重叠现象, 气雾首先通过带有小孔的挡板, 确保只有适当数量的雾滴可以达到硅片表面。通过调节h和H值的大小, 采集距喷嘴不同高度截面上的雾滴颗粒。根据截面距离 (h+H) 优化挡板孔径, 随着截面距离的增减, 孔径亦相应地增减:在60 mm截面上, 孔径取0.6 mm;在100 mm截面上, 孔径取1 mm;在140 mm截面上, 孔径取1.5 mm。利用显微镜采集硅片表面液滴图像, 图像中设置的标尺用来标定液滴的尺寸。

1.4 静电雾化液滴粒径检测方法

液滴识别及尺寸检测流程如图4所示。通过液滴识别及尺寸检测的处理程序, 获得不同工况下雾滴尺寸及其分布、雾滴样本的平均索特直径、雾滴的特征直径和发散度等信息。采用图像识别技术检测静电雾化液滴在硅片上的二维平面粒径D2D。D2D并不代表雾化液滴真实的三维空间粒径, 但二者之间存在着相互转换的关系。本研究采用美国学者Kyung-Hee Park[12]提出的雾化液滴二维平面直径与三维空间直径之间的经验公式, 将图像自动识别得到的二维平面直径转化为液滴的实际直径:

2 实验结果及讨论

2.1 静电雾化液滴粒径图像识别检测

液滴图像的识别与检测处理过程分为3个阶段[13]:图像预处理、图像特征抽取、图像的识别与分析。粒径采样原始图像如图5 (a) 所示。

首先, 本研究对图像进行灰度化处理, 处理后的灰度图像如图5 (b) 所示;其次, 利用图像灰度分布阈值法将灰度图像化为二值图像, 实现图像的分割, 选用最小误差法 (阈值法的一种) , 以目标和背景像素灰度均值的平均值作为分割阈值, 取阈值为41, 液滴图像的分割效果较好, 分割并标记出粒径区域, 处理结果如图5 (c) 所示;最后, 统计各液滴区域像素面积, 根据标尺像素值及粒径转换公式 (1) , 将液滴像素面积转化为液滴的真实直径, 统计处理各液滴尺寸。处理多张显微照片后得到的约300个液滴的粒径分布柱状图如图5 (d) 所示。

2.2 不同距离截面雾化液滴粒径

距喷嘴不同距离截面上雾化液滴的索特平均直径的变化情况如图6所示。索特平均直径 (SMD) 定义为雾滴的直径等于全部雾滴样本的总体积对总面积的比值, 其计算如下式所示:

由图6可见, 在不同截面上, 液滴索特平均直径均随静电电压绝对值增大而减小。这是由于随着静电电压的提高, 液滴的荷电量增加, 吸附在液滴表面的电子相互排斥, 产生与表面张力相反的静电力, 降低了液滴的表面张力。在外部气动力的作用下, 液滴更易发生二次雾化, 从而呈现出随电压增加而索特平均直径减小的趋势。在相同电压条件下, 液滴索特平均直径随距离增大而增加。其原因是随着喷雾距离的增大, 液滴在前进过程中相互碰撞凝聚的几率增大, 导致液滴粒径呈不断增大的趋势。

静电电压还影响不同截面上的液滴粒径增幅。由图6可见, 不施加静电电压时, 随着喷雾截面距离的增加, 液滴索特平均直径增加较大;施加静电电压后, 在不同截面上荷电液滴的索特平均直径增幅明显减小。这是由于液滴荷电后, 液滴表面吸附电子, 同性电荷的相互排斥, 减小了液滴在前进过程中碰撞凝聚的几率, 使得荷电液滴粒径并无显著地增加。

2.3 静电雾化液滴的尺寸分布

3个测量截面上粒径尺寸分布曲线如图7所示。由图7可知, 每个截面上液滴的尺寸分布均呈现先增大后减小的趋势, 不同电压下4条曲线大致相同。在电极电压绝对值由0~35 k V的增大过程中, 曲线峰值向左移动, 说明小粒径的液滴数量增多, 电压升高加剧了液滴的破碎。同时, 粒径谱峰形由平缓变得陡峭, 说明了粒径尺寸分布更加集中, 带电雾化液滴的尺寸均匀性提高。由此可见, 在相同气压和润滑液流量条件下, 随着荷电电压的绝对值升高, 有效地减小了雾化液滴粒径, 提高了雾化液滴的尺寸均匀性, 从而改善了雾化质量。

2.4 静电雾化液滴的特征直径及其发散度

特征直径代表某一直径下所有液滴体积占液滴总体积的百分比, 笔者将其比值以下标的形式标出, 用相对尺寸范围Δs表达液滴直径相对于体积中值直径D0.5的范围, 如下式所示:

用发散边界Δb表示最大直D0.99相对于体积中值直径D0.5的发散程度, 如下式所示:

各截面上静电雾化液滴的特征直径如表1所示。随着荷电电压绝对值的增加, 各截面上液滴达到某一体积下的特征直径基本呈减小趋势;随着累计体积的增加, 特征直径减小加剧, 说明荷电更利于大颗粒液滴发生二次雾化, 小液滴颗粒荷电细化效果有限。

各截面上静电雾化液滴的相对尺寸范围和发散边界如图8、图9所示。

实验结果表明, 随着荷电电压绝对值的增加, 液滴的相对尺寸范围和发散边界呈减小趋势, 说明液滴荷电后, 雾化均匀度提高。在60 mm截面上, 液滴的相对尺寸范围和发散边界均有较为显著地减小, 在100 mm、140 mm截面上减小幅度不大, 说明随着截面距离增加, 荷电对提高液滴均匀度效果减弱。这是由于随着喷雾距离增加, 液滴在运动过程中不断放电, 碰撞凝聚几率增加, 静电雾化效果减弱。

3 结束语

利用图像识别检测技术可以有效地识别出采集图像中各液滴区域。本研究通过对各区域像素面积的等效转换, 实现了不同工况下各液滴直径的自动检测以及粒径尺寸分布和均匀性的自动统计。

在距喷嘴不同距离的3个测量截面上, 液滴的索特平均直径均随静电电压绝对值增大而减小, 静电使雾化液滴细化。在相同电压条件下, 随着截面距离的增加, 液滴平均索特直径增大。静电电压还影响不同截面上的液滴粒径增幅, 施加静电电压后, 在不同截面上荷电液滴的索特平均直径增幅明显减小。

在各个测量截面上, 随静电电压绝对值的提高, 雾化液滴尺寸分布曲线峰值左移, 粒径谱峰形不断的由平缓变得陡峭, 说明荷电使液滴粒径尺寸分布更加集中。荷电更利于大颗粒液滴发生二次雾化。对比60 mm截面与其他两个截面, 液滴的相对尺寸范围和发散边界均有较为显著的减小。随截面距离增加, 荷电对提高液滴均匀度效果减弱。

雾化液滴的粒径影响润滑液进入切削区域的能力, 雾化液滴的索特平均直径及其均匀性是衡量散热能力的一个重要依据。因此, 通过对静电喷雾润滑液滴粒径的分布特征的研究, 有利于进一步从微观的角度去研究静电喷雾微量润滑的润滑冷却机理。

粒径分布论文 篇2

反应条件对银胶体粒径及分布的影响

重点考察了利用液相化学还原法制备银胶体时温度、浓度和加料方式对粒径分布的.影响.以PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和六偏磷酸钠为稳定剂,以次亚磷酸钠为还原剂液相还原硝酸银,制备出有不同粒径和分布的银胶体.利用激光衍射粒度分析仪、UV-vis分光光度计和透射电镜(TEM)确定胶体的粒径、分布和形态.研究结果表明:一次性加料获得的粒径和分布较小,硝酸银浓度和温度影响聚并和生长,从而对粒径分布产生复杂影响.

作 者：张昕宁 钱刚 周方超 周兴贵 ZHANG Xin-ning QIAN Gang ZHOU Fang-chao ZHOU Xing-gui  作者单位：华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海,37 刊 名：华东理工大学学报（自然科学版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF EAST CHINA UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 33(6) 分类号：O648 关键词：银胶体   生长   聚并   粒径分布  

粒径分布论文 篇3

笔者于2009年8月18日~9月19日, 走访了北京琉璃河、芜湖海螺、英德海螺、卫辉天瑞、徐州中联、青州中联、英德台泥、湖北亚东、唐山冀东、济南山水、武穴华新、河南同力、吉林亚泰、广东塔牌、福建水泥、广州越堡、荆门葛洲坝、浙江长兴、兰溪红狮和鼎鑫水泥20家大型水泥集团水泥厂;于2009年11月27日~2010年1月25日, 走访了武汉亚东、英德台泥、香港青州、海南国投、江西万年青、广西鱼峰、贵州兴义泰安、红塔滇西、大理三德水泥、重庆拉法基和四川亚东等20多家水泥厂。采用专门装配的一台车载水泥粒径分析仪, 对这些企业的水泥进行现场检测, 所取得的数据代表了我国新型干法水泥粒径分布状况。这些检测结果我们都在第一时间与各企业进行了分析与交流。

水泥的粒径组成、分布对水泥物理力学性能、混凝土施工性能以及耐久性能都有重要影响。水泥粒径分析数据还可以给我们提供生产控制工艺参数、磨机研磨体级配是否合理等信息, 提供调整依据。合理的水泥粒径分布一直是水泥科学和生产工艺技术人员探求的课题。

近几年来, 由于ISO标准的实施和新型干法水泥技术的快速发展, 我国大型水泥的粒径分布发生了巨大变化, 因此这次全国大范围的水泥粒径分布检测活动具有重要意义。

1 水泥颗粒粒径分布检测结果

检测仪器:LS-C (Ⅱ) 干法颗粒分析仪。

为保证各样品间有较好的可比性, 我们在这里仅列出了P·O42.5 (含R型) 等级水泥的数据。磨制这些水泥的磨机包括Φ3.0m~Φ5.5m管磨, 以Φ4.2m磨机最多, 还有2台立磨;多数磨前配有辊压机、闭路。表1是所有水泥样的粒径测试结果。

注:D (4, 3) :体积平均粒径, μm;D50:中位径, μm;D90:90%的颗粒粒径小于它的数值, μm;x':特征粒径, μm;Δ=D (4, 3) -D50;n:均匀性系数。

2 水泥粒径分布统计与分析

对表1中数据进行统计分析的结果见表2。

1) 从上述统计可以看到, 所检测的水泥样品中, ≤3μm的颗粒含量≥13%的高达78.1%, 含量≥15%的32.9%, 而<13%含量的只有21.9%。检测结果表明, 我国大型企业水泥≤3μm的颗粒含量总体偏高, 水泥细度偏细。

大家都知道, ≤3μm的水泥颗粒数量对水泥磨机产量, 对水泥物理力学性能、施工性能、与混凝土外加剂适应性, 甚至对混凝土结构和耐久性能都有重要影响。≤3μm的颗粒属水泥的过细颗粒, 过细颗粒比表面积大, 表面能高, 如果含量过高容易造成黏球、黏衬板和团聚等, 形成粉磨阻力, 导致磨机产量下降、电耗增加和磨内温度升高等。≤3μm的水泥颗粒中除了少量易磨的混合材外, 主要是被破碎的C3S和C3A晶体, 水化快, 基本上1d内水化完, 对提高水泥1d和3d强度有利;但容易引起水泥 (混凝土) 需水量大, 混凝土坍落度经时损失大;同时早期水化热高且集中, 容易引起混凝土塑性开裂, 形成的水泥石结构不密实而影响混凝土耐久性能。为了避免这些不利的情况发生, 许多人提出≤3μm的水泥颗粒含量应≤10%。考虑到水泥颗粒形状的不规则性、检测仪器的检测误差以及混合材掺量、易磨性的差异等, 我们认为P·O42.5水泥中≤3μm的颗粒控制范围在8%~13%为宜。如果水泥中易磨性材料多, 可以用上限控制;反之则用下限控制。

据我们了解, 水泥细度偏细控制的原因主要是追求水泥1d和3d强度。所检测水泥许多1d抗压强度≥15MPa, 3d抗压强度28~30MPa, 远远高于我国P·O42.5R型3d抗压强度21MPa的指标。1d和3d强度高, 混凝土拆模快, 还可少用一点水泥, 可是失去的可能是建筑物寿命减少10年, 甚至更多, 是得不偿失的。

2) 从检测的水泥样品看, 78.6%的水泥3~32μm的颗粒含量在60%以上, 38.6%的水泥3~32μm的颗粒含量在70%以上。

水泥中3~32μm颗粒是水泥颗粒最重要的部分。这些水泥颗粒水化速度适中, 有利于形成密实的水泥石结构, 对水泥3d、28d强度贡献大, 对混凝土施工性能负面影响小, 又能保证水泥在28d到3个月内充分水化, 使熟料的作用充分发挥。

我们认为, 3~32μm的颗粒含量控制在65%~75%是比较合理的。这一范围颗粒含量太少 (如≤60%) , 粗颗粒就会太多, 水泥强度会下降, 粗颗粒熟料内核长时间都不水化, 造成资源浪费;但这一区间的颗粒含量也不能太高 (如≥75%) , 它会使水泥细度整体过细, 颗粒分布过窄, 水泥混凝土施工性能 (需水量、流动性、混凝土与外加剂相容性和坍落度经时损失等) 劣化, 水泥粉磨能耗增加。

3) 所检测的水泥中有24.7%的样品D90≤35μm, 有15.1%的样品D90≥50μm。D90≤35μm, 则表明水泥过细;D90≥50μm, 表明水泥颗粒偏粗。

4) n值大小一般反映颗粒分布状况, n值大, 分布窄, 反之则宽。但在这次检测结果中, n值与颗粒分布宽窄的关系并不好。n≤1的几个样品≤3μm的颗粒含量都高, 而3~32μm的颗粒含量偏低, 但颗粒分布并不宽。例如6号样n=0.93, ≤3μm的颗粒含量19.64%, ≥65μm的颗粒含量只有0.76%, 颗粒分布并不宽!相反有的样品 (例如2、3和7号样) n≥1.2, 但这些样品≤3μm的颗粒含量≤12%, 32~65μm颗粒含量13%~18%, 颗粒分布也不窄。

检测结果中, n值与3~32μm的颗粒含量相关性很好, 3~32μm的颗粒含量高, n值也高, 反之则低。

5) 我们在这里特别计算了每个样品的D (4, 3) 与D50的差值Δ。发现两者差值Δ越大, 颗粒分布越宽, 反之则窄。Δ值大小与粒径分布状况有很好的相关性。其相关性比n值好。所测样品52.1%的Δ值在3~4.5μm, 这些样品的粒径分布比较合理。有7.1%样品的Δ≤2μm, 这些样品粒径分布过窄, 对应的x'≤13μm, 这样的粒径分布将影响水泥混凝土施工性能。19.7%的样品Δ≥4.5μm, 这些水泥粒径分布过宽, ≤3μm颗粒和D90都偏高, 细颗粒和粗颗粒对水泥性能的不利影响都存在。

6) 32~65μm是水泥中较粗的颗粒, 从统计结果看, 这一区间颗粒含量在10%~20%之间是适宜的。51.5%的检测样品都在这一范围。这一区间的颗粒含量如果太少 (<10%) , 样品Δ值也小, 水泥过细, 颗粒分布窄。而这一区间颗粒含量>20%, 水泥偏粗, Δ值则偏大, 颗粒分布过宽。

7) 所检测的水泥中有2个是立磨样品, 这2个水泥样粒径分布较好, Δ值为3.79μm和2.89μm, D90为43.67μm和43.39μm, ≤3μm的颗粒含量为10.75%和13.34%, 过粉磨现象不严重。只是3~32μm含量稍偏低, 均<65%, 32~65μm含量则稍偏高, 均>23%。

8) 粒径分布与粉磨工艺关系:检测的开路磨的水泥粒径分布都比较合适, 没有过窄和过宽的问题。粒径分布宽窄与磨前有无辊压机无对应关系, ≤3μm的颗粒的多少与有无辊压机、开闭路工艺也没有对应关系。粒径分布不合理主要与控制有关, 即通过生产控制是可以调整好的。

9) 粒径分布过窄 (Δ≤2μm) 的样品, 水泥过细, ≤32μm的颗粒含量>92%, 32~65μm含量<10%, 主要是生产控制追求过高的1d和3d强度造成的。粒径分布过宽 (Δ≥5μm) 的样品, ≤3μm的颗粒并不少 (≥14.5%) , 但3~32μm颗粒含量偏低 (大多≤56%) 。粒径分布过宽与磨内各仓配球不合理关系很大。如磨制22号样品的粉磨系统, 磨前有辊压机, 入磨粒径≤1mm, 二仓配段, 研磨能力好;一仓平均球径46mm, 明显偏高。后将一仓球径降低后磨机产量提高, 3~32μm颗粒含量也提高, 粒径分布趋于合理, 水泥性能得到提高。

3 结论

1) 我国大型企业水泥颗粒偏细, ≤3μm的颗粒含量≥13%的水泥高达78.1%, ≥15%含量的占32.9%, 而<13%含量的只有21.9%。将近48%的水泥3~32μm的颗粒含量在65%~75%之间, 是比较合理的;有21.4%的水泥其含量≤60%, 偏低;有16%的水泥其含量≥75%, 偏高。

2) 可以用D (4, 3) 与D50的差值Δ来判断水泥粒径的分布状况。Δ值越大, 颗粒分布越宽, 反之则窄, Δ值大小与粒径分布状况有很好的相关性。所测样品52.1%的Δ值在3~4.5μm, 比较合理;有7.1%样品的Δ≤2μm, 这些样品粒径分布过窄;19.7%的样品Δ≥4.5μm, 这些水泥粒径分布过宽。

粒径分布过窄 (Δ≤2μm) 的样品, 水泥都过细, ≤32μm的颗粒>90%, 32~65μm含量<10%, 这样的粒径分布往往是追求过高的1d和3d强度造成的。粒径分布过宽 (Δ≥4.5μm) 的样品, ≤3μm的颗粒并不少, 但3~32μm颗粒含量偏低。这些情况往往是磨内各仓配球和填充率不合理造成的。

3) 检测的立磨和开路磨的水泥粒径分布都比较合适, 没有过窄和过宽的问题。粒径分布宽窄与磨前有无辊压机无对应关系, ≤3μm的颗粒的多少与有无辊压机、开闭路工艺也没有对应关系。粒径分布不合理主要与控制有关, 通过生产控制可以调整好。

粒径分布论文 篇4

关键词：颗粒物,排放因子

隧道法是测定交通扬尘排放因子的重要方法之一。其基本原理是在隧道内除了机动车行驶所造成的污染外没有其它污染源的情况下,通过测定出隧道内颗粒物的浓度,扣除进入隧道空气中颗粒物的环境本底浓度,则可计算得出交通颗粒物排放因子[1]。利用这种方法得出的机动车污染物排放因子是代表车流在真实道路和真实行驶状态下污染物的整体排放水平,具有很强的实际应用价值,20世纪80年代以来这种方法被发达国家广泛采用[2]。

1 实验方法

1. 1 隧道的地理位置

贵阳黔灵山路大关隧道位于贵阳市老城区北部与观山湖新城区结合部隧道左线( 老城区进入观山湖区) 长974 m,右线( 观山湖区进入老城区方向) 长983. 41 m,隧道内轮廓拱顶高8 m,净宽14. 99 m,内净空面积96. 3 m2[3]。本研究隧道为右线,观测时处于自然通风。

1. 2 采样时间与方法

采样时间: 2014 - 4 - 18至2014 - 5 - 3日,设3个监测点,以隧道入口为背景参照点,在隧道中部设置1个监控采样点,隧道出口设立第3个监测点。采用Lighthouse国际有限公司的Lighthouse HANDHELD 3016型监测仪对隧道内环境空气进行观测。颗粒物质量浓度和颗粒数浓度分别采集30个观测值,仪器自动计算均值,同时人工记录采样时机动车流量和机动车类型,观测风速。

1. 3 数据处理

排放因子的估算方法[1]如下:

式中: Q: 污染物总质量,g; A: 隧道截面积,96.3 m2;t: 采样时间,s; V: 平均风速,m / s; Ct,C0: 隧道出口,入口监测值; EF: 排放因子,g /km; N: 标准车辆数;L: 隧道长,km。

2 结果与讨论

2. 1 隧道空气质量

隧道颗粒物数浓度与颗粒物粒径呈反相关关系,颗粒物数浓度随粒径增加而减少( 见图1( a) ) 。隧道空气中粒径在0. 3 ~ 1. 0μm颗粒物占总颗粒物数浓度的98% ,粒径0. 3μm的颗粒物是主要的颗粒物( 见图2( a) ) 占隧道空气总颗粒物84% 。颗粒物质量浓度和PM质量浓度与颗粒物粒径呈正相关关系,隧道空气颗粒物质量浓度和PM质量浓度随粒径增加而增加( 见图1( b) 、1( c) ) ,隧道空气 中粒径在2. 5 ~ 10μm颗粒物贡献了94% 质量浓度,其中5μm是主要的粒子,贡献了39% 的质量浓度( 见图2( b) ) 。隧道空气颗粒物质量浓度和数浓度的变化趋势与其他研究者结果相似[4,5,6,7,8,9]。

2. 2 道路排放因子

根据公式1和公式2计算结果见图3,不同粒径颗粒物质量浓度和数浓度排放因子呈反相关关系: 数浓度排放因子随粒径的增加浓度降低,质量浓度排放因子随粒径的增加浓度增加。如图4所示:粒径0. 3、0. 5、1. 0μm数浓度排放因子分别占综合数浓度排放因子的43%、28%和14%。粒径5.0、10. 0μm质量浓度排放因子分别占综合质量排放因子的41% 和36% 。PM2. 5和PM10质量浓度排放因子分别为0. 017 g /km和0. 334 g /km。质量浓度排放因子和数浓度排放因子分布情况与国内外其他研究结果相似[10,11]。质量浓度排放因子和数浓度排放因子的累计浓度排放因子随粒径的增加而增加。

2. 3 讨论

相关分析结果( 见表1) 表明,粒径在0. 3μm的颗粒物仅与粒径在0. 5μm的颗粒物达到显著相关,与其他粒径大于0. 5μm的颗粒物不相关; 粒径在0. 5μm颗粒物分别与粒径在1. 0、2. 5、5. 0μm的颗粒物达到极显著相关,与粒径在10. 0μm的颗粒物达到极显著相关,表明粒径在0. 5μm的颗粒物与粒径在1. 0、2. 5、5. 0μm的颗粒物来源关系密切。粒径在1. 0、2. 5、5. 0μm的颗粒物互相达到极显著相关关系,表明这些颗粒物来源关系密切。

机动车排放颗粒物来源包括燃料燃烧所产生的一次和二次颗粒物,机动车燃料燃烧要排放出上百种不同性质的化合物,通常对大气产生污染的物质主要是CO、HC、NOx、有机酸、颗粒物,少量的SO2和NH3二次颗粒物的反应物。另一类是由于机动车在行驶过程中非燃料燃烧的颗粒物: 制动片的磨粒、轮胎橡胶与路面材料的磨粒、粉粒料等运输过程中产生飞散和机动车车身与底盘部位的污垢和尘土等在行驶时撒落地面,以及机动车行驶时的气流扰动将路面积尘吸出而引起尘土等颗粒物的二次扬尘。一般粒径在PM0. 5颗粒物以燃料燃烧所产生的一次和二次颗粒物为主,大于PM1颗粒物以矿物盐即扬尘为主[7,8,9]。因此,本研究0. 3μm粒径段的颗粒物浓度与1. 0、2. 5、5. 0、10. 0μm的颗粒物的相关性不好是因为来源不同。粒径1. 0、2. 5、5. 0、10. 0μm的颗粒物可能来自矿物盐和扬尘为主,因此相关性达到极显著水平。

根据相关研究结果[10],土壤尘是隧道细粒子的主要来源,占隧道细粒子质量浓度元素浓度总量的87%。黔灵山路大关隧道质量浓度主要是粒径2. 5 ~10. 0μm粒子贡献,且这些粒子的相关性达到极显著水平,按照类比分析可以断定黔灵山路大关隧道质量浓度贡献主要来自土壤扬尘。

有研究认为,SO2、硫酸雾、多环芳烃( PAHs) 及致病微生物等都可以附着在颗粒物表面,能吸附空气中的气态或液态污染物并进入人体的呼吸道,粒径越小的颗粒物,相对表面积越大,在相同质量下,细微颗粒物所吸附的有害物质远远多于粗颗粒物。并且由于细颗粒的粒径小,能沉积在呼吸道深部肺泡内,存留时间可达数周至数年,比粒径较大的颗粒物的危害更大,同时细粒子是造成能见度降低的主要因子,也是我国大城市灰霾污染严重的元凶[7]。贵阳黔灵山路大关隧道机动车道路细颗粒物排放特征表明,机动车道路颗粒物排放以1. 0μm以下的细粒子为主,质量浓度贡献者来自2. 5μm以上的粒子。当前以削减PM10和PM2. 5质量浓度的控制机动车颗粒物排放对策不全面,控制机动车道路排放要以控制质量浓度和数浓度相结合的削减措施,才能有效地降低大气颗粒物对人体健康的危害。同时提醒我们城市机动车保有量的快速增加,给城市环境空气质量的改善带来不断增加的压力和挑战,关注环境空气质量不能只关注环境空气颗粒物质量浓度的变化,也要关注环境空气中颗粒物不同粒径粒子数浓度的变化。

3 结论

从机动车道路排放因子来分析机动车排放以细颗粒物和超细颗粒为主,但是其占的质量权重低,粒径在2. 5μm以上的颗粒物数浓度相对较低,质量权重大。因此,治理机动车对环境空气污染的对策分为环境因素、技术革新水平两方面。环境方面增加公共交通在人们出行的比例、降低道路积尘量、适当降低城市发展规模、抛弃发展超大城市的发展思路、提高城市绿地占比、在污染严重时采取增加环境湿度等措施; 技术革新包括提高发动机技术水平、提高电动车使用率、提高油品品质、提高清洁能源使用率等措施。总之,从降低质量浓度和降低不同粒径粒子排放数量两方面相结合,才能真正降低机动车的道路污染。科学地建设城市和不断的技术革命是降低机动车道路空气污染的主要方针和措施。

参考文献

[1]朱晨.北京市交通扬尘排放因子及其排放清单的研究[D].北京:清华大学,2002.

[2]王玮,刘红杰,丁焰,等.公路隧道石岩调查交通来源空气污染方法[J].环境科学研究,2001,14(4):1-4.

[3]唐珲.贵金线3#隧道施工技术方案研究和选用[J].城市建设理论研究(电子版),2013(34):34-36.

[4]王芬娟,方栋.机动车颗粒物数排放因子和特征[J].北京大学学报(自然卷),2012,48(6):1023-1029.

[5]朱春,张旭.柴油/CNG公交车排放颗粒物粒径分布隧道实测研究[J].环境科学,2010,31(10):2279-2284.

[6]陈建华,王玮,刘红杰,等.北京市交通路口大气颗粒物污染特征研究[J].环境科学研究,2005,18(2):34-38.

[7]髙继东.城市机动车道路排放和排放特性研究[D].天津:天津大学,2002.

[8]刘川,黄晓峰,兰柴娟,等.深圳市机动车PM2.5排放因子隧道测试研究[J].环境科学与技术,2012,35(12):150-153.

[9]阳红,孙德仕.机动车运行产生颗粒物机理分析[J].陕西环境,2002,9(1):150-153.

[10]位楠楠,刘卫,肖德涛,等.隧道大气细颗粒物及其元素的粒径分布特征[J].环境科学研究,2011,24(5):475-481.

粒径分布论文 篇5

汽车已经成为我国城市不可缺少的交通运输工具。截至2006年底,我国民用汽车保有量为4985万辆[1],到2020年将增长到1.2亿辆,不可避免带来大气颗粒物污染的加重。2004年北京市可吸入颗粒物的23%由机动车尾气所致[2]。2003年上海市PM10(空气动力学直径小于等于10μm)和PM2.5(空气动力学直径小于等于2.5μm)中的分担率的27%[3]和30%[4]来自机动车尾气。

为了减少汽车尾气对大气环境的影响,人们被建议少乘私家车,多改乘坐大型客车。上海是中国的经济中心。大型客车多达87.06万辆[5]。不少企事业单位为了方便职工,都采用大型客车接送职工。绝大多数大型客车以柴油为燃料。柴油发动机运行排放出的颗粒物粒子浓度比汽油机和液化石油气(LPG)发动机的更多[6],而且主要是以细和超细颗粒物为主[7,8,9]。细(空气动力学直径(da),0.1μm≤da≤2.0μm)和超细颗粒物(da≤0.1μm)与粗颗粒物(2.5μm≤da≤10μm)相比,更容易沉积到肺叶、呼吸细支气管及肺泡,从而造成呼吸道和肺部疾病[10]。此外,有毒有害金属元素和有机污染物更易富集在细和超细颗粒物[11,12]。因此,细和超细颗粒对人体有更大的危害[13,14]。由此可知,研究大型客车尾气对大气环境颗粒物的影响是非常必要的。但目前国内有关此类研究的报道甚少。

本研究在对上海嘉定区可吸入颗粒物粒径分布进行连续在线测量时,得到了大型客车尾气对大气颗粒物粒径分布的影响特征。结合上海市大型客车的实际运行情况,初步估算上海市大型客车尾气对大气颗粒物的贡献,并进一步就如何减少大型客车尾气对大气颗粒物的影响进行了讨论。

1 试验与方法

1.1 采样点

采样点为上海市嘉定区中科院上海应用物理研究所(应物所)内离所大门100m,高12m的建筑物平台、离大门20m高1.5m处及大型客车排气口。该监测点周围500m范围内是研究机构和居民住宅,无高大建筑物和交通干道,无工业设施,并且绿化覆盖率高。所内接送职工的大型客车每天16:40~17:00停在离所大门10m处,共9辆,均为柴油车。

1.2 采样和分析

实验所用仪器为DEKATI公司研发的电称低压冲击器(ELPI),它的原理是建立在PM10(空气动力学直径小于等于10μm)荷电,惯性分级和电检测的基础之上,采集的电流信号通过计算机进行处理分析,被转化为颗粒物的粒子数浓度和质量浓度[15]。本研究在线测定了不同粒径大气颗粒物粒子浓度和质量浓度的日变化。其结果分别如图1和图3所示。所测粒子的粒径如表1所示。采样时间为2007年10月15、17日和2007年11月2日。采样时间内气象条件如表2所示。

2 结论与讨论

2.1 大型柴油客车尾气对大气颗粒物分布的影响

图1上海嘉定区不同粒径可吸入大气颗粒物在不同时间(左为10月15日,右为10月17日)内粒子浓度分布的日变化,图中数字代表颗粒物的粒径(单位μm)。

图2上海嘉定区不同粒径可吸入大气颗粒物在不同时间(左为10月15日,右为10月17日)内质量浓度分布的日变化,图中数字代表颗粒物的粒径(单位μm)。

图1、2反映了上海嘉定区不同粒径可吸入颗粒物粒子浓度和质量浓度日变化,其中左,右分别是颗粒物在10月15日和17日的日变化。相同粒径颗粒物(左右图的横向比较)和不同粒径颗粒物在相同时间(同图纵向比较)的粒子数浓度和质量浓度不同,表明颗粒物的两浓度具有时间依存性和粒径相关性。粒子浓度(图1)显单模态结构,随粒径的减少而增加,大部分的粒子集中在0.11μm以下的颗粒物中;质量浓度(图2)显双模态分布[16],其峰值在0.40~0.65μm和6.80~9.97μm。从图1可以看出,粒径大于4.40μm的颗粒物粒子数浓度日变化不明显,而小于4.40μm的颗粒物粒子数浓度日变化显著。该粒径段内颗粒物的粒子浓度在15日相同时间内,即,16:30~17:30,同时出现峰值,而且随粒径减少而增大;在17日却没有相同的蜂群出现。相比该粒径段颗粒物的质量浓度(图2)发现,有同样的现象。为了便于比较二日间16:30~17:30内的颗粒物粒子浓度和质量浓度,对二日16:30~17:30内的颗粒物粒子浓度和质量浓度分别积分平均,得到二日该时间内的颗粒物粒子浓度和质量浓度的粒径分布(图3)。

图3中,10月15(■,□)和17日(●,○)16:30~17:30内的颗粒物平均粒子浓度(■,●)和质量浓度(□,○)粒径分布。

颗粒物粒子数浓度表现为,在第5级到第12级(9.97~6.8μm,6.8~4.4μm,4.4~2.6μm,2.50~1.60μm,1.60~1.00μm,1.00~0.65μm,0.65~0.40μm)15日不大于17日;在第4级到第1级(0.4~0.26μm,0.26~0.17μm,0.17~0.11μm,0.11~0.06μm,0.06~0.03μm)则是15大于17日,且相差的量随粒径减少而增大。颗粒物质量浓度显双模态分布,其峰值出现在第6级(0.40~0.65μm)和第8级(6.80~9.97μm),并在峰值上表现为15日大于17日。颗粒物质量浓度颗粒物粒子浓度和质量浓度的变化与气象条件[17]和污染源[18]的两者变化有关。表1显示出采样点在15日和17日的气象条件(温度,湿度和风向)相似。因此15日的16:30~17:30内大气颗粒物主要污染源是一种能同时产生多种粒径,且粒径范围主要集中在0.4μm以下的源。对污染排放源进行调查发现,应物所接送用的大型客车发动机在15日16:30~15:00一直处于运行状态,而17日同样时间内处于停止状态。柴油发动机运行排放出的颗粒物粒径范围在0.4μm[19]。由此推断15日16:30~17:30的峰值可能是由大型柴油客车尾气所致。

为了证明这一推断,用ELPI直接对一辆处于不同运行状态中(发动时和正常运行)的大型柴油客车尾气颗粒物浓度进行稀释测定。通过扣除本底,得到该大型柴油客车尾气中颗粒物的粒子浓度和质量浓度的粒径分布,如图4所示。

图4不同运行状态(启动时(●,○)和正常运行(■,□))中的大型柴油客车尾气颗粒物的粒子浓度(■,●)和质量浓度(□,○)粒径分布

由图4可以得到,大型柴油客车尾气颗粒物的粒子数浓度除了第1级(0.03~0.06μm)外均随粒径的增加而减少,99%的颗粒物都集中在第1级至第5级(0.03~0.40μm)这个范围。与10月15日的粒子浓度分布(图3)基本一样;质量浓度显双模态分布,其峰值分别在第4级至第6级(0.40~0.65μm)和第12级(6.80~9.97μm),正好与15日质量浓度分布(图3)一致。由此证明15日16:30~17:30的峰值是由大型柴油客车尾气所致。

2.2 上海市大型柴油客车排放颗粒物的估算

大型柴油客车尾气中颗粒物浓度与该客车的运行状态等有关[20]。由图四可知,大型柴油客车正常运行时所排放颗粒物的粒子数浓度和质量浓度比启动时更多。由方程(1)可估算上海市大型柴油客车排放颗粒物单位时间的质量。

其中:

M-大型柴油客车单位时间内排放颗粒物的量,毫克/分钟

N-上海市大型柴油客车的拥有量,辆

n-大型柴油客车发动机单位时间内的转数,转/分钟

Q-大型柴油客车发动机工作单位转数内的排气量,升/转

ρ-大型柴油客车正常运行时尾气中PM10颗粒物的质量浓度,毫克/立方米

大型柴油客车的Q一般在6~10升/转范围左右,n在高速最大功率运转时一般在2000转/分钟左右。本研究中大型客车的Q,n分别是8升/转和700转/分钟,对图4中大型柴油客车尾气PM10颗粒物质量浓度积分得到ρ值,ρ=5.04mg/m3。上海市大型载客柴油客车为87.06万辆[5],由此可估算出上海市大型客车每分钟可排放2.4×107mg(24kg)的PM10颗粒物。这就是说,上海市的大型客车每停1min,可少排放PM10颗粒物大致为24kg。在此,建议大型客车在需等待时,即使在红灯的时候,最好关闭发动机,以减少大气环境的污染。

3 结论

粒径分布论文 篇6

关键词：内燃机,柴油机,生物柴油,稳态工况,颗粒粒径分布

0 概述

随着世界性石油危机和环境污染的日益加剧,开展车用替代燃料的研究具有极其重大的意义。柴油机较好的燃油经济性可以很好地节约能源,但是其颗粒排放对人体健康危害影响很大[1]。目前,排放法规仅对柴油机排放颗粒物的质量进行了限制,没有关于颗粒物粒径的规定。国内外研究者对柴油机颗粒物粒径分布、毒性及影响因素进行了大量研究[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

本文通过建立发动机排放颗粒物稀释采样系统,用EEPS3090粒径仪对柴油机燃用不同掺混体积比的麻疯树油制生物柴油在外特性、标定转速及最大转矩转速下的排放颗粒数浓度粒径分布特性、颗粒数及几何平均直径的变化规律进行了研究。

1 试验测试系统及燃料特性

1.1 颗粒采样系统

本文的采样系统主要由部分流稀释取样系统和颗粒分析仪组成,主要设备包括379020型旋转盘稀释器、空气流量计和EEPS3090粒径仪,图1为颗粒物测试系统示意图。

1.2 试验用发动机

试验用发动机为电控高压共轨涡轮增压直喷发动机,其主要技术参数如表1所示。

1.3 试验用燃料

本文试验研究中使用的燃料有两种:石化柴油和麻疯树油制生物柴油。生物柴油与石化柴油以不同的体积比混合组成生物柴油混合燃料:纯石化柴油和纯生物柴油分别记为JBD0和JBD100,生物柴油体积比为5%、10%、20%、50%的混合燃料分别记为JBD5、JBD10、JBD20、JBD50。各种燃料的主要理化特性如表2所示。

1.4 试验方案

针对生物柴油不同掺混比例对排气颗粒物粒径分布的影响进行了试验。发动机工况为外特性工况,转速从1200~3200r/min,每隔400r/min取1个点,共6个工况点;标定转速3200r/min和最大转矩转速2000r/min负荷特性,负荷分别为10%、25%、50%、75%和100%。为了更加真实地模拟排气在实际环境中的稀释过程,选取稀释比为500,初级稀释温度为80℃。为了得到较为精确的结果,对每一工况点进行3组采样,每组采样1min,然后取平均值。

2 结果分析

2.1 颗粒数浓度粒径分布

图2为发动机燃用不同配比生物柴油在全负荷时颗粒粒径分布随转速的变化。由图2可知,随着生物柴油混合比例的增加,核态颗粒峰值数量先增加后减少,JBD50的峰值数量最多;JBD20和JBD100的峰值粒径基本保持不变,但峰的宽度明显变宽。核态颗粒数量增加的主要原因是生物柴油密度和黏度均比石化柴油大,在相同燃油喷射压力下燃油的雾化效果较差,未燃碳氢增多。除了在2400、2800和3200r/min JBD0和JBD5均未检测到核态颗粒峰值外,其他转速下各种燃料的颗粒粒径数浓度均呈双峰对数正态分布,核态颗粒的数量峰值比聚集态的高2个数量级,但JBD50和JBD100的2个峰值随着转速的升高逐渐接近,标定工况下两者处于同一数量级。这主要是因为转速升高缩短了燃烧持续期,大量碳烟粒子来不及氧化,从而使聚集态的颗粒数量增加。当生物柴油的掺混比例大于20%时,各转速下颗粒数量峰值均出现在核态区域,这说明加入较高比例的生物柴油可以大幅增加核态颗粒的数量。随着转速的增加,各种燃料的核态和聚集态峰值没有明显的变化规律,但各种燃料核态峰值的最大值出现在1200r/min处,聚集态峰值的最大值出现在3200r/min处。

图3为最大转矩转速2000r/min时颗粒粒径数浓度分布随负荷的变化。由图3可知,燃用生物柴油后核态颗粒的数量有所增加。生物柴油掺混比例大于20%的混合燃料在所有负荷下的颗粒都呈核态和聚集态的双峰分布,而JBD0和JBD5燃料仅在高于75%负荷工况下才出现核态颗粒峰值。聚集态颗粒的峰值粒径随生物柴油比例的增加而减小,聚集态颗粒的数量峰值随负荷增加先增加后减少,在25%负荷工况下达到最高,这与烟度测量结果一致。JBD50和JBD100燃料的核态颗粒数量峰值和聚集态颗粒数量峰值随负荷增加先接近然后逐渐远离,低负荷下两者处于同一数量级,而高负荷时核态峰值比聚集态峰值高2个数量级左右。

图4为标定转速3200r/min时颗粒数浓度粒径分布随负荷的变化。在10%~75%负荷下,JBD0、JBD5、JBD10、JBD20燃料的颗粒粒径数浓度呈双峰对数正态分布;25%~75%负荷下,JBD50和JBD100燃料的颗粒数浓度粒径分布呈仅有1个核态峰值(峰值粒径10~25nm)的单峰分布。随着负荷增大,所有燃料的核态数量峰值均先增大后减小,在50%负荷时达到最大。相同负荷下,随着生物柴油掺混比的增加,核态数量峰值升高,峰的宽度增大。JBD0、JBD5、JBD10燃料的聚集态峰值粒径随负荷变化无明显变化,都在50nm左右,同一种燃料的峰值数值数量最大,75%负荷时的聚集态峰值数量最小;相同负荷下,峰值数量随生物柴油掺混比的增加而减少。

2.2 颗粒数的影响

图5为全负荷时总颗粒数、核态颗粒数和聚集态颗粒数随转速的变化。由图5可以看出,随着生物柴油掺混比例的增加,总颗粒数和核态颗粒数均呈先上升后下降的趋势,JBD50的总颗粒数最高。生物柴油掺混比例越高,核态颗粒数在总颗粒数中所占份额越大,JBD0占68.3%,而JBD100则占96.7%。1200~2000r/min的中低转速下,各种燃料的核态颗粒数在总颗粒数中所占的比重均在90%以上,聚集态颗粒数量较低,且各种燃料之间差别不大。这是因为转速较低,燃烧持续期较长,碳烟颗粒氧化的较充分。2400~3200r/min的中高转速下,聚集态颗粒数量比低转速下大幅度增加,且转速越高聚集态颗粒的数量越多。随着生物柴油掺混比例

的增加,聚集态颗粒数量减少。这是因为生物柴油中含氧,可增加燃烧中的供氧量,而且生物柴油中基本不含芳烃。

图6为发动机燃用不同配比生物柴油在最大转矩转速2000r/min时的总颗粒数、核态颗粒数和聚

集态颗粒数随负荷的变化。各种燃料的核态颗粒数在总颗粒中所占的比重随负荷升高先减小后增加,在25%负荷时各种燃料的核态颗粒所占比重最小,相同负荷下,生物柴油掺比越高,核态颗粒数所占比例也越高。整个负荷特性下,JBD0的核态颗粒平均

占总颗粒数的62.8%,JBD100的核态颗粒占95.3%。这可能是因为生物柴油的黏度较高,密度较大,从而影响了雾化效果,使燃烧不充分,产生大量未燃碳氢。各种燃料的聚集态颗粒数随负荷升高先增加后减少,在25%负荷时达到最高,全负荷时聚集态颗粒数量比25%负荷时减少了1个数量级,这可能是因为改进喷油规律改善燃烧、合理组织燃烧以减少碳烟排放量,而且缸内温度升高有利于碳烟的氧化。相同负荷下,生物柴油比例增加,则聚集态颗粒数量减少。

图7为发动机燃用不同配比生物柴油在标定转速3200r/min时的总颗粒数、核态颗粒数和聚集态颗粒数随负荷的变化。各种燃料的核态颗粒数量随负荷升高先增加后减少,在50%负荷时达到最大值。相同负荷下,总体上核态颗粒数量在总数量中所占比重随生物柴油掺混比例的增加而增加。整个负荷特性下,JBD0的核态颗粒平均占总颗粒数的57.5%,JBD100的核态颗粒占93.4%。与2000r/min负荷特性相比,各种燃料的总颗粒数中核态颗粒所占比重有所减少,高速下聚集态颗粒数增加对核态颗粒的生成具有抑制作用。聚集态颗粒数量随负荷增大先减少后增加,在50%~75%负荷时降到最低。相同负荷下,与核态颗粒数量的变化规律相反,生物柴油掺混比越大聚集态颗粒数量越少。

2.3 几何平均直径Dg的影响

表3为全负荷时发动机燃用不同配比生物柴油的几何平均粒径Dg随转速的变化。Dg在中低转速几乎不变,转速高于2400r/min时,Dg随转速升高而增加。1200~2000r/min相同转速下,随生物柴油掺比的增加Dg基本稳定,2400~3200r/min时,随掺混比的增加Dg逐渐变小。JBD100的Dg在整个转速范围内的变化幅度较小,在13~16nm之间。

表4和表5分别为最大转矩转速和标定转速负荷特性下的几何平均粒径Dg。整个负荷特性下对Dg取平均值发现,生物柴油比例越高Dg越小。2000r/min负荷特性下,JBD0的平均Dg为34.9nm,JBD100的平均Dg为14.1nm;3200r/min负荷特性下两种燃料的Dg分别为39.3nm和19.8nm。这说明生物柴油可以显著降低颗粒的几何平均粒径。各种燃料在标定转速负荷特性下的平均Dg均高于最大转矩转速时。这是由于高转速时燃烧持续期较短,燃烧生成的碳烟粒子氧化时间缩短,使最终排出机外的颗粒粒径较大。

3 结论

(1) 生物柴油掺混比大于20%时,所有负荷的颗粒均呈包含核态和聚集态的双峰对数正态分布。随生物柴油掺混比例的提高,核态峰的宽度变宽,峰值先增大再减小,聚集态峰值减小。标定转速、25%~75%负荷下,JBD50和JBD100的颗粒分布呈仅含核态的单峰分布。负荷增大,各种燃料的核态峰值数量先增大后减小,在50%负荷达到最大。

(2) 外特性下,随生物柴油混合比的增加,核态颗粒数先增加后减少,混合比为50%时达到最大;聚集态颗粒数随生物柴油混合比的增加而减少。最大转矩转速下,负荷升高总颗粒数增加,核态颗粒数所占比重先减少后增加,聚集态颗粒数先增加后减少。标定转速下,随负荷的升高,各种燃料的总颗粒数和核态颗粒数先增加后减少,聚集态颗粒数则先减少后增加。

(3) 外特性中高转速下,随转速的增加,Dg变大,而生物柴油混合比增加导致Dg变小。最大转矩转速和标定转速负荷特性下,生物柴油混合比增加,Dg减小,各种燃料在标定转速负荷特性的Dg大于最大转矩转速的Dg。

参考文献

[1]Churg A,Brauer M.Human lung parenchyma retains PM2.5[J].Am J Respir Crit Care Med,1997,155(6):2109-2111.

[2]Kittelson D B.Engines and nano-particles:a riview[J].Jour-nal of Aerosol Science,1998,29(5/6):575-588.

[3]Abdul-Khalek I S.Influence of dilution conditions on diesel ex-haust nanoparticle emissions:experimental investigation andtheoretical assessment[D].Minnisota:Ph.D.Dissertation ofUniversity of Minnisota,1999.

[4]Mayer A,Czerwinski J,Wyser M,et al.Impact of RME/diesel blends on particle formation,particle filtration and PAHemissions[C]//SAE 2005-01-1728,2005.

[5]成晓北,黄荣华,陈德良.直喷式柴油机微粒排放尺寸分布特性的研究[C].武汉:中国内燃机学会2005年学术年会暨APC2005年学术年会论文集,2005.

[6]李新令,黄震,王嘉松,等.柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究[J].内燃机学报,2007,25(2):113-117.Li X L,Huang Z,Wang J S,et al.Investigation on concentra-tions and size distribution characteristic of particles from dieselengine[J].Transactions of CSICE,2007,25(2):113-117.

[7]李新令.发动机超细颗粒排放特性及其在排气稀释过程中变化研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[8]陆小明.生物柴油发动机燃烧过程与PAHs排放特性研究[D].北京:北京理工大学,2006.

[9]陆小明,葛蕴珊,韩秀坤,等.生物柴油发动机颗粒排放物粒径及其分布试验研究[J].环境科学,2007,28(4):701-705.Lu X M,Ge Y S,Han X K,et al.Experimental study on par-ticle size distributions of an engine fueled with blends of biodie-sel[J].Environmental Science,2007,28(4):701-705.

粒径分布论文 篇7

关键词：颗粒物,消光系数,粒径分布

大气颗粒物污染除了对人体健康造成危害, 也对气溶胶消光系数造成一定影响, 并最终导致大气能见度下降, 给人们的感官和生产生活造成一定影响。但是不同原因引起的颗粒物污染造成气溶胶消光系数上升的程度是不一样的, 本文将就典型天气下气溶胶消光系数的变化和颗粒物数浓度之间的关系进行初步的探讨。[1,2]

1 材料与方法

1.1 实验设备

大气颗粒物粒径及数浓度的测量由大气细粒子谱分析仪完成。其中, 空气动力学粒径谱仪原理:由于不同粒径的颗粒物的飞行速度不同, 利用粒子飞行时间测量粒径。扫描电迁移率粒径谱仪原理:利用不同粒径的颗粒物带点后在电场中迁移速度不同, 使不同粒径的颗粒物有效分离。气溶胶消光系数、散射系数、吸收系数和黑碳采用光声气溶胶消光仪 (PAX) 分析, 其原理是基于气体的光声效应, 用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上, 样品吸收光能, 并以释放热能的方式退激, 释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热, 从而导致介质产生周期性压力波动, 这种压力波动可用灵敏的传声器检测, 并通过放大得到光声信号。

1.2 观测时间及地点

2013年3月-8月, 对南京地区的大气颗粒物和气溶胶光学变化特征进行连续观测, 并选取典型天气进行比较。实验站点在江苏省环境保护监测中心站6层楼顶, 采样头距离地面高度约为25m, 周围主要为居民区, 无其他明显污染源。

2 结果与分析

2.1 秸秆焚烧、沙尘过境和正常天气下光学性质对比

2013年3月9-10日江苏境内出现一次沙尘过境, 6月10-11日秸秆焚烧对南京市区造成影响, 10日晚间至次日早晨, 市内出现烟雾, 能见度大幅下降。两次事件期间均出现大气颗粒物浓度的短时飙升, 但市民主观感受却有相当大的差别。2013年7月21日-7月22日, 南京市空气质量均处于良-优水平, AQI小于100, 以此时间段作为优良天气进行参比。

如图1所示, 7月份正常天气下, PM2.5和PM10质量浓度都很低, 基本都在100ug/m3以内, 消光系数也相对较低。3月9-10日沙尘过境时, PM10浓度大幅上升, 最高时超过750 ug/m3, PM2.5则基本保持不变, 说明该种天气下颗粒物以粒径较大的PM10为主。6月10日晚到11日凌晨秸秆焚烧时, PM2.5和PM10质量浓度都出现大幅升高, 峰值时均接近500 ug/m3且PM2.5/PM10超过0.5, 这表明此时空气中颗粒物主要以粒径较小的PM2.5为主。

与此同时, 两种天气下消光系数的变化也形成对比, 沙尘过境时消光系数没有明显变化, 秸秆焚烧时则大幅升高, 接近1500 1/Mm, 而消光系数越高能见度就越低, 因此在颗粒物浓度都明显升高的情况下, 人们对大气的视觉感官却完全不同。

三种天气下气溶胶消光系数和PM10, PM2.5质量浓度相关性的对比表明:粒径较小的颗粒物是导致消光系数升高的主要原因。

2.2 秸秆焚烧、沙尘过境和正常天气下粒径谱分析

2013年7月21日-7月22日, 南京市空气质量均处于良-优水平, AQI小于100, 以此时间段作为优良天气进行参比。此段时间内, 颗粒物粒径主要分布在50nm左右, 数浓度峰值出现在21日下午6时, 最高为4*104个/cm3。 (图2)

沙尘天气时, 颗粒物粒径主要分布在100nm左右, 南京颗粒物数浓度相对正常天气下无明显变化, 数浓度在9日的零时和10日的4时出现峰值, 最高仅为5*104个/cm3。 (图3)

秸秆焚烧时, 南京地区颗粒物粒径主要分布在150nm左右, 数浓度在11日凌晨高达105个/cm3, 是南京优良天气下的2倍。 (图4)

因此, 结合第一部分的分析可以看出, 沙尘天气时虽然颗粒物质量浓度大幅飙升, 其颗粒物数浓度并未同时大幅上升, 而秸秆焚烧时, 不仅颗粒物质量浓度升高, 颗粒物数浓度也达到优良天气时的两倍, 粒径较小的积聚模态粒子是影响气溶胶光学性质的首要因素, 也是秸秆焚烧导致能见度下降的主要原因。

3 结论

3.1 大气中引起气溶胶消光系数下降的主要是细颗粒物PM2.5浓度的上升。

3.2 沙尘天气下, 颗粒物质量浓度上升, 数浓度没有明显升高;秸秆焚烧时, 颗粒物质量浓度和数浓度都明显上升。

3.3 粒径较小的积聚模态粒子是影响气溶胶光学性质的首要因素, 也是秸秆焚烧导致能见度下降的主要原因。

参考文献

[1]谢小芳, 孙在, 付志民, 杨文俊, 林建忠.杭州市大气超细颗粒数浓度谱季节性特征[J].环境科学, 2013, 34 (2) :434-440.

粒径分布论文 篇8

针对脱硫石膏特性及其对水泥粉磨过程和性能的影响方面,有文献提到,脱硫石膏单掺或与天然石膏按比例双掺作为水泥的缓凝剂,凝结时间和3d、28d强度都略有延长和增加[1~4];由于脱硫石膏已是细粉状物料,在粉磨时间相同时,加脱硫石膏的水泥比表面积明显偏大,且脱硫石膏的易磨性比天然石膏要好[5]。但这些文献对脱硫石膏的粒径分布和水的存在特征是如何影响水泥性能和粉磨过程,以及不同种类脱硫石膏对水泥性能的影响的研究涉及不多。为此,本试验采用不同含水量的石膏配制水泥进行小磨粉磨试验,通过脱硫石膏和所配水泥的粒径分布以及脱硫石膏中水的存在特征,探索其对水泥粉磨过程的影响;并采用两种不同种类的脱硫石膏与天然石膏搭配配成水泥,研究其对水泥性能的影响。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

2种脱硫石膏化学成分见表1,其他材料包括天然石膏、石灰石、粉煤灰和水泥熟料。文中未注明种类的脱硫石膏均指B厂脱硫石膏。

%

1.2 试验方法

1)粒径分布试验采用KCT-1沉降分析天平对石膏和水泥样品进行粒径分布试验;

2)石膏中水的脱除:称样(2.000 0±0.000 5)g,加热温度范围30~250℃,温度间隔10℃分段测定,恒温时间2h。

3)差热分析试验:对A、B厂脱硫石膏进行了分析测定,温度范围从室温到800℃,升温速率为10℃/min。

4)粉磨试验:采用试验小磨进行,熟料及混合材总量5kg,与石膏共同入磨,粉磨时间30min,脱硫石膏对粉磨过程影响的样品配比见表2。

5)水泥性能测试:按照GB/T 1346—2001和GB/T17671—1999进行,水泥配比见表3。

%

g

注:A2、A4为A厂脱硫石膏;B2、B4为B厂脱硫石膏。

2 结果与分析

2.1 脱硫石膏粒径分布特征

脱硫石膏与经粉磨后的天然石膏的粒径分布特征测试结果见表4。

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从表4可以看出,脱硫石膏的颗粒分布基本呈正态分布,B厂脱硫石膏在20~60μm粒径的颗粒含量超过77%,20~80μm粒径颗粒含量占95%以上,粒径分布范围比较窄,A厂脱硫石膏的粒径分布特征也基本相似;而细磨天然石膏粒径分布相对较宽,<20μm的占29.4%,20~40μm的占31.9%,>40μm的约占40%。这与两种石膏的颗粒形成方式不同有关,天然石膏是经粉磨而成,故粒径分布有大有小;而脱硫石膏是在脱硫装置中SO3与石灰或石灰石经反应自然形成,由于反应时间、反应物浓度等因素相差不大,故形成的反应产物晶粒尺寸也就相差不大,因而脱硫石膏的粒径分布较窄。

2.2 脱硫石膏中水的存在形式和含水量

各脱硫石膏和天然石膏加热脱水试验结果见图1~图3。由图1~图3可见,脱硫石膏的脱水特征与天然石膏有较大的差异,首先是A厂脱硫石膏的含水量高达28.47%,B厂脱硫石膏的含水量为27.00%,而天然石膏为20.27%,多出的部分主要分布在40~90℃,可见这部分的水是自由水,在40℃时只要脱水条件适当,就可将这部分水的大部分脱去;其次是结晶水的脱除温度不同,脱硫石膏结晶水的脱除温度相对较高,大约高出10℃,脱硫石膏脱除3/2个结晶水的脱水温度约为110℃,而天然石膏的为100℃左右。两者结晶水的含量稍有不同,脱硫石膏的为21.00%,而天然石膏的为19.84%,含量不同的原因与两种石膏的纯度有关,前者所含的杂质较少。

图4是两种石膏的差热分析测试结果。由图4看出,脱硫石膏在50℃左右有一个吸热峰,这与自由水脱除有关;比较第一和第二个结晶水脱除的吸热峰位置,也可得到与上述分析相同的结论。

另外,脱硫无水石膏的相变温度要远高于天然石膏的相变温度,前者520℃左右,而后者在360℃左右,这也显示了两种石膏存在的差异。

2.3 石膏中的水分对粉磨过程的影响

粉磨试验所观察到的现象和水泥细度见表5和表6。

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由表5和表6试验结果可以看到,含水量较低的脱硫石膏所得到的水泥细度最细,含水率较高的天然石膏配制的水泥细度最粗;相同含水量的脱硫石膏与天然石膏相比较,脱硫石膏配制的水泥细度更细些。由此可知,影响粉磨过程的主要因素是石膏中的含水量,对于含脱硫石膏样品TL20,由于烘干脱水脱除的是自由水部分,可见脱硫石膏中的自由水是影响水泥粉磨过程的主要因素,天然石膏中的外加自由水起到了同样的不利作用;含水量高则对粉磨过程不利,当石膏中含水量均为30%时,不论是天然石膏还是脱硫石膏,均在钢球表面黏附有较多的物料;另外含水量较高的条件下,脱硫石膏对粉磨过程的不利影响要小于天然石膏;当含水量较低时,脱硫石膏并不会引起黏球现象的产生。

2.4 不同脱硫石膏对水泥性能的影响

脱硫石膏对水泥性能影响的试验结果见表7。从表7中可以看出,掺A厂脱硫石膏的水泥初凝时间稍有延长,终凝时间变化不明显,当混合材只有石灰石的时候,3d抗压强度变化不明显,28d抗压强度明显下降。掺B厂脱硫石膏的水泥初凝时间有升有降,终凝时间有延长趋势,3d、28d抗压强度变化不明显。可见,用脱硫石膏部分替代天然石膏生产水泥,对凝结时间的影响不是很明显;不同种类的脱硫石膏对水泥强度性能的影响也是不同的。

3 结束语

脱硫石膏和天然石膏中的结晶水存在方式、自由水含量和粒度分布均有较大差异,脱硫石膏结晶水的脱除温度比天然石膏高,脱硫石膏在40℃左右可脱除大部分自由水,脱硫石膏的颗粒主要分布在20~60μm范围,天然石膏的颗粒主要分布在0~40μm;脱硫石膏中的自由水是影响水泥粉磨过程的重要因素,高的自由水含量对粉磨过程不利;用脱硫石膏部分替代天然石膏生产水泥,对凝结时间的影响不是很明显;不同种类的脱硫石膏对水泥强度性能的影响也是不同的。

摘要：针对脱硫石膏的粒径和水的存在特征对水泥粉磨过程和性能的影响进行了试验研究。试验结果表明,脱硫石膏和天然石膏中的结晶水存在方式、自由水含量和粒度分布均有较大差异,其中高的自由水含量对粉磨过程不利;用脱硫石膏部分替代天然石膏生产水泥,对凝结时间的影响不是很明显;不同种类的脱硫石膏对水泥强度性能的影响也是不同的。

关键词：脱硫石膏,天然石膏,水泥,粉磨过程

参考文献

[1]顾雪慈,赵虎奎,练礼财,等.脱硫石膏代替天然石膏作水泥缓凝剂[J].水泥,2006,(12):32-35.

[2]徐留艳,李付宇.脱硫石膏作缓凝剂的试验及应用[J].水泥技术,2008,(3):90-91.

[3]王方群,原永涛,齐立强,等.脱硫石膏性能及其综合利用[J].粉煤灰综合利用,2004,(1):41-44.

[4]丛钢,龚七一,丁宇,等.脱硫石膏作水泥缓凝剂研究[J].水泥,1997,(4):6-8.