劉勝強(qiáng)，曾毅夫，周益輝，劉 彰，胡永鋒

（凱天環(huán)保科技股份有限公司，長沙 410100）

細(xì)顆粒物PM2.5的控制與脫除技術(shù)

劉勝強(qiáng)，曾毅夫，周益輝，劉 彰，胡永鋒

（凱天環(huán)保科技股份有限公司，長沙 410100）

細(xì)顆粒物（PM2.5）由于粒徑小能長距離傳輸、比表面積大、易于富集有毒物質(zhì)等特性給人類健康和環(huán)境產(chǎn)生了很大的危害，因此受到了世界各國的廣泛關(guān)注。文章簡要闡述了PM2.5的來源及危害，重點(diǎn)介紹了PM2.5的控制與脫除技術(shù)，包括混合除塵技術(shù)、電除塵新技術(shù)以及在傳統(tǒng)除塵器前設(shè)置團(tuán)聚預(yù)處理設(shè)施等，分析了各項(xiàng)技術(shù)的利弊、應(yīng)用現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景。

細(xì)顆粒物；PM2.5；控制與脫除技術(shù)；團(tuán)聚技術(shù)；混合除塵技術(shù)；電除塵新技術(shù)

1 前言

伴隨著人類社會的不斷發(fā)展和科技的進(jìn)步，城市化和工業(yè)化進(jìn)程日益加快，各種大氣污染物急劇增加，大氣環(huán)境問題不斷涌現(xiàn)。目前，影響城市空氣質(zhì)量的主要污染物是大氣中漂浮的細(xì)顆粒物（PM2.5）。

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物。其主要來源為燃煤、機(jī)動車排放、建筑塵、揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、二次硫酸鹽和硝酸鹽及有機(jī)物。其中燃煤塵、揚(yáng)塵、有機(jī)物及二次硫酸鹽和硝酸鹽貢獻(xiàn)率較大。PM2.5能長期懸浮于大氣中，具有很大的比表面積，易于富集多環(huán)芳香烴、病毒和細(xì)菌等有毒物質(zhì)，以及痕量有毒元素；PM2.5又稱為可入肺顆粒物，能夠進(jìn)入人體肺泡甚至血液循環(huán)系統(tǒng)，一旦在人體呼吸系統(tǒng)沉積將產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[1]。 同時PM2.5是導(dǎo)致大氣能見度降低、灰霾天氣和全球氣候變化等重大環(huán)境問題的重要因素。PM2.5污染已成為突出的大氣環(huán)境問題，目前已引起世界各國的高度重視，并相繼研究和開發(fā)出了PM2.5的檢測設(shè)備、測試系統(tǒng)和控制與脫除技術(shù)。

我國在這方面雖然起步較晚，但也做了很多相應(yīng)的基礎(chǔ)工作，采取了多項(xiàng)措施控制大氣環(huán)境污染，提高了大氣污染物排放濃度限值以及除塵設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)了新的技術(shù)設(shè)備。國家環(huán)保部于2012年初已將PM2.5納入了環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測項(xiàng)目中。

2 常規(guī)除塵技術(shù)的不足

常規(guī)的高效除塵設(shè)備如電除塵器和袋除塵器，對于粒徑為0.1～2.5μm的細(xì)粒子不能有效捕集。電除塵器對粒徑大于10μm的顆粒的除塵效率非常高，但是當(dāng)顆粒物直徑小于2.5μm時，除塵效率就會顯著下降，收塵效率會低于90%，在極端情況下，效率甚至?xí)档?0%以下。從電除塵器排放出來數(shù)量最多的就是0.2～2.5μm的細(xì)顆粒物[2]。袋除塵器也是這樣，不論其效率多高，排放的顆粒物大部分粒徑都小于2.5μm。統(tǒng)計表明，2010年我國工業(yè)煙塵排放總量有821萬噸，主要為超細(xì)粉塵。因此，我國顆粒物排放控制已進(jìn)入到大力削減PM2.5的時代。

煙塵排放濃度大幅度削減是有效控制大氣中顆粒物復(fù)合污染的基礎(chǔ)，在PM2.5污染問題日漸突出的情況下，原有的高效除塵器要有效控制PM2.5，就必須以新的思路來開發(fā)和推動相關(guān)控制技術(shù)。

3 PM2.5控制和脫除技術(shù)

3.1 團(tuán)聚技術(shù)

團(tuán)聚技術(shù)的原理是利用電場、聲場、磁場等外場作用及在煙氣中噴入少量化學(xué)團(tuán)聚劑等措施來增進(jìn)細(xì)顆粒物間的有效碰撞接觸，促進(jìn)其碰撞團(tuán)聚長大，以及利用過飽和水汽在細(xì)顆粒物表面核化凝結(jié)的凝并長大[3]等。見圖1。

圖1 顆粒物團(tuán)聚前后微觀形貌

（1）聲波團(tuán)聚技術(shù)

聲波團(tuán)聚是利用高強(qiáng)度聲場使氣溶膠中微米和亞微米級細(xì)顆粒物發(fā)生相對運(yùn)動并進(jìn)而提高它們的碰撞團(tuán)聚速率，使細(xì)顆粒物在很短的時間范圍內(nèi)，粒徑分布從小尺寸向大尺寸方向遷移，顆粒數(shù)目濃度減少。聲波輔助除塵系統(tǒng)主要包括聲波發(fā)生器、團(tuán)聚室和顆粒分離器等。

聲波團(tuán)聚技術(shù)的研究已有近百年歷史，但由于能耗過高，缺乏適宜在高溫含塵環(huán)境中長期使用的聲源以及缺乏深層次的理論探究，無法提供有效的理論指導(dǎo)，且在一些關(guān)鍵性問題上未能取得一致結(jié)論，目前能夠投入工程應(yīng)用的幾乎沒有。

（2）磁團(tuán)聚

磁團(tuán)聚是指被磁化的顆粒物、磁性粒子在磁偶極子力、磁場梯度力等作用下，發(fā)生相對運(yùn)動而碰撞團(tuán)聚在一起，使其粒徑增大。

磁團(tuán)聚研究為細(xì)顆粒物的控制提供了一種新的技術(shù)途徑，但試驗(yàn)得到的效果還不是很理想，離工業(yè)應(yīng)用尚有不少距離。燃油、天然氣、垃圾及生物質(zhì)等產(chǎn)生的細(xì)顆粒物，因其Fe3O4、γ-Fe2O3等磁性物質(zhì)含量極低，不適合采用磁團(tuán)聚方法。

（3）化學(xué)團(tuán)聚

化學(xué)團(tuán)聚是一種添加化學(xué)團(tuán)聚劑（吸附劑、黏結(jié)劑）促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除的預(yù)處理方法，主要通過物理吸附和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)；根據(jù)化學(xué)團(tuán)聚劑加入位置的不同，又可分為燃燒中化學(xué)團(tuán)聚和燃燒后化學(xué)團(tuán)聚，主要針對燃煤細(xì)顆粒物的控制。

燃燒中化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)，只是提供了一種有可能促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除的技術(shù)途徑，離實(shí)際應(yīng)用還有較長距離，其最大好處在于可同時控制痕量重金屬元素排放。

燃后區(qū)化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)，既不改變正常生產(chǎn)條件，也不改變現(xiàn)有的除塵設(shè)備和操作參數(shù)，就可促使細(xì)顆粒物的有效團(tuán)聚長大，從而提高后續(xù)常規(guī)除塵設(shè)備對細(xì)顆粒的脫除效率，具有一定的應(yīng)用前景。

（4）光團(tuán)聚技術(shù)

光團(tuán)聚技術(shù)是應(yīng)用光輻射的原理促進(jìn)顆粒物團(tuán)聚。超細(xì)顆粒物團(tuán)聚遵循如下過程：入射電子束→等離子體膨發(fā)→等離子體云膨脹→成核→冷凝膨脹長大+等離子體云膨脹→凝結(jié)→不規(guī)則片狀形→團(tuán)聚→凝膠化。

通過改變激光傳播的折射角、光的強(qiáng)度等多種參數(shù)可以促進(jìn)超細(xì)顆粒發(fā)生團(tuán)聚。但其成本相當(dāng)大，目前還不可能大規(guī)模利用。

（5）電凝并技術(shù)

電凝并是通過使細(xì)顆粒物荷電，促進(jìn)細(xì)顆粒物以電泳方式到達(dá)其他細(xì)顆粒表面，從而增強(qiáng)顆粒間的凝并效應(yīng)；電凝并的效果取決于粒子的濃度、粒徑、電荷的分布以及外電場的強(qiáng)弱。目前，大多數(shù)研究將電凝并技術(shù)與靜電除塵器相結(jié)合，采用ESP捕集電凝并長大后的顆粒。電凝并技術(shù)主要分為：異極性荷電粉塵的庫侖凝并、同極性荷電粉塵在交變電場中的凝并、異極性荷電粉塵在交變電場中的凝并、異極性荷電粉塵在直流電場中的凝并、脈沖預(yù)荷電直流收塵復(fù)合除塵系統(tǒng)脫除細(xì)顆粒物、DBD預(yù)荷電直流收塵的復(fù)合式除塵系統(tǒng)脫除細(xì)顆粒物、Indigo凝聚器等方式。

電凝并是一種可使細(xì)顆粒長大的重要預(yù)處理手段，在多種團(tuán)聚促進(jìn)技術(shù)中，電凝并是最可行的凝并方式；將其和現(xiàn)有靜電除塵器結(jié)合可望顯著提高對細(xì)顆粒物的脫除效果，具有重要的工業(yè)應(yīng)用前景。目前除了利用雙級靜電凝并技術(shù)的Indigo凝聚器有工程應(yīng)用實(shí)例外，電凝并技術(shù)研究總體上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

（6）蒸汽相變技術(shù)

應(yīng)用蒸汽相變促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除的原理：在過飽和水汽環(huán)境中，水汽在細(xì)顆粒物表面凝結(jié)，并同時產(chǎn)生熱泳和擴(kuò)散泳作用，促使細(xì)顆粒遷移運(yùn)動，相互碰撞接觸，使細(xì)顆粒粒徑增大、質(zhì)量增加，從而提高慣性捕集作用。

蒸汽相變是一種重要的預(yù)調(diào)節(jié)措施，特別適合于煙氣中含濕量較高的過程，將其與濕式洗滌除塵、濕法煙氣脫硫結(jié)合是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的重要途徑。目前存在的主要問題是，利用煙氣脫硫洗滌過程中的相變促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除，存在過飽和水汽在細(xì)顆粒物與脫硫洗滌液中的競爭凝結(jié)現(xiàn)象，會明顯削弱蒸汽相變效果。利用脫硫洗滌后高濕煙氣相變促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除，需配置高效除霧器，如絲網(wǎng)除霧器、板波紋填料除霧器，而這些除霧器在實(shí)際應(yīng)用中易堵塞，且阻力較大。

3.2 混合除塵技術(shù)

隨著人們對PM2.5危害性認(rèn)識的提高，國內(nèi)嚴(yán)格的控制法規(guī)即將出臺，國內(nèi)外許多研究人員已經(jīng)從機(jī)理和運(yùn)行工藝上開始對PM2.5的脫除進(jìn)行研究，其中，通過靜電和其他方式結(jié)合的研究受到了廣泛的重視。

（1）靜電顆粒層除塵器

顆粒層除塵器是利用粒狀物料（通常是1.5～5mm石英砂）作為過濾介質(zhì)凈化煙氣的除塵設(shè)備，在水泥、煉焦、化工和冶金業(yè)得到廣泛運(yùn)用。其具有耐高溫和高效性等特點(diǎn)，靜電顆粒層除塵器是在顆粒層除塵器內(nèi)施加一外加電場，使氣流中的塵粒在進(jìn)入過濾層前盡量荷電，從而促進(jìn)塵粒凝聚及顆粒層的過濾作用，提高對細(xì)顆粒物的收集效率。

靜電顆粒層除塵器特別適合高溫?zé)煔庵屑?xì)顆粒物的凈化處理，但目前還基本處于試驗(yàn)探索階段。

（2）靜電旋風(fēng)除塵器

旋風(fēng)除塵器是一種依靠離心力將固體顆粒從氣固兩相流中分離出來的裝置，但僅適用于收集數(shù)微米以上的較大塵粒，對細(xì)粉塵的捕集效率不高。將其與靜電除塵技術(shù)相結(jié)合，在旋風(fēng)除塵器內(nèi)設(shè)置一靜電場構(gòu)成靜電旋風(fēng)除塵器，使細(xì)顆粒物在除塵器中受到離心力和靜電力的復(fù)合作用而分離，除塵效率比單一旋風(fēng)除塵器高，并且能夠捕集粒徑更小的塵粒。

靜電旋風(fēng)除塵器特別適合高溫?zé)煔庵屑?xì)顆粒物的凈化處理，但目前還基本處于試驗(yàn)探索階段。

（3）電袋復(fù)合除塵器

電袋復(fù)合除塵器是一種綜合了靜電除塵和袋除塵兩種成熟除塵技術(shù)的新型除塵設(shè)備。采用常規(guī)靜電除塵的第一電場作為一級除塵單元，除去煙氣中的粗顆粒煙塵，然后利用袋除塵器作為二級除塵單元除去剩余的微細(xì)顆粒[4]。見圖2。

圖2 電袋復(fù)合除塵器示意圖

在日趨嚴(yán)格的細(xì)顆粒物排放限值要求下，采用單一傳統(tǒng)除塵技術(shù)難以滿足需求，綜合靜電除塵和袋除塵兩種成熟除塵理論而提出的電袋復(fù)合除塵技術(shù)，被認(rèn)為是最有希望取得細(xì)顆粒物高效脫除的技術(shù)途徑；雖“前電后袋”式除塵器已有工程應(yīng)用實(shí)例，并且除塵效率可明顯高于靜電除塵器；然而，仍有不少關(guān)鍵技術(shù)問題尚未得到解決，如靜電收集區(qū)和袋過濾區(qū)的協(xié)同作用難以長期維持，限制了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3.3 電除塵新技術(shù)

目前，電除塵器新技術(shù)是針對減少二次揚(yáng)塵的發(fā)生、反電暈、克服高比電阻的影響以及解決微細(xì)粉塵的收集等嚴(yán)重制約粉塵排放控制的突出問題而展開的，要滿足更嚴(yán)的排放標(biāo)準(zhǔn)，大力發(fā)展和綜合應(yīng)用電除塵新技術(shù)是治理PM2.5最佳的現(xiàn)實(shí)選擇。

（1）濕式電除塵器

濕式電除塵器（WESP）擁有捕集微細(xì)粉塵的功能，對微細(xì)、潮濕、黏性或高比電阻粉塵的捕集效果都很理想。WESP不存在粉塵收集后的再飛揚(yáng)，這是由于被捕集的粉塵和水之間有黏著力的結(jié)果。由于濕式電除塵器能提供幾倍于干式電除塵器的電暈功率，這就大大提高了對PM2.5的捕集效率，濕式電除塵器通過對流冷卻降低煙氣溫度、促進(jìn)冷凝，也能對酸霧進(jìn)行捕集[5]。因此，濕式電除塵器可有效去除SO3、重金屬、細(xì)顆粒粉塵、細(xì)小液滴等，去除效率可達(dá)90%以上；大大降低了煙氣的不透明度（渾濁度）。

目前，WESP常與濕法煙氣脫硫系統(tǒng)結(jié)合（見圖3），用于捕集脫硫凈化濕煙氣中的細(xì)粉塵、酸霧及汞等。存在的主要問題是WESP集塵極板表面布水不均勻及集塵極的腐蝕問題；據(jù)此提出了薄膜濕式靜電除塵技術(shù)，利用薄膜取代了傳統(tǒng)的金屬集塵電極，使?jié)袷诫姵龎m器在處理高比電阻微細(xì)粉塵時能獲得更高的除塵效率，且解決了濕式電除塵器在潮濕環(huán)境中金屬極板被腐蝕的難題。同時，WESP系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用較高。

圖3 整體式WESP/WFGD系統(tǒng)

（2）低低溫電除塵器

在電除塵器上游設(shè)置熱回收裝置，使電除塵器入口煙氣溫度降低，從而使除塵器性能提高的技術(shù)稱為低低溫電除塵技術(shù)。系統(tǒng)一般由2個主要設(shè)備組成，一是低溫?fù)Q熱器、二是低低溫電除塵器。低低溫電除塵器的運(yùn)行溫度為90℃～100℃，對任何灰質(zhì)的粉塵，比電阻都在反電暈臨界值以內(nèi)，不會發(fā)生反電暈。另外，煙氣溫度降低，煙氣流速也相應(yīng)減小，在電除塵器內(nèi)的停留時間增加，比集塵面積增加，除塵性能顯著提高，從而達(dá)到更嚴(yán)格的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)，另一方面由于煙氣溫度降低，SO3會霧化而吸附于粉塵上被帶走，因此雖然電除塵器運(yùn)行在酸露點(diǎn)以下，但仍不會被結(jié)露腐蝕[6]。但采用低低溫電除塵技術(shù)，需要解決以下兩個問題：1）由于粉塵的比電阻降低，粉塵黏結(jié)力減小，為了防止二次揚(yáng)塵，需要從振打方式和極板結(jié)構(gòu)方面采取改進(jìn)措施；2）含高濃度粉塵的原煙氣通過換熱器需要采取相適應(yīng)的換熱器結(jié)構(gòu)和清灰方式。

（3）移動電極式電除塵器

移動電極式電除塵器是一種新型電除塵器，由前級常規(guī)電場和后級移動電極電場組成。移動電極電場采用可移動的收塵極板和可旋轉(zhuǎn)的刷子，當(dāng)含塵煙氣通過粉塵捕集區(qū)時，粉塵在電場靜電力作用下，被移動極板吸附，附著于移動收塵極板上的粉塵在尚未達(dá)到形成反電暈的厚度時，就隨移動極板運(yùn)行至沒有煙氣流通的灰斗內(nèi)，被旋轉(zhuǎn)的清灰刷徹底清除，從而確保收塵極始終保持“清潔”的狀態(tài)[7]。由于清灰在無煙氣流通的灰斗內(nèi)進(jìn)行，從而消除了清灰的二次揚(yáng)塵。這種新型電場的應(yīng)用不僅可以降低電除塵器出口粉塵濃度，而且可以使出口粉塵濃度保持穩(wěn)定，不會出現(xiàn)類似常規(guī)電除塵器出口粉塵濃度周期性波動的情況，特別適用于舊的電除塵器改造。但該技術(shù)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對制造、安裝工藝及維護(hù)要求較高。見圖4。

圖4 移動電極式電除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

（4）煙氣調(diào)質(zhì)

煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)是通過調(diào)整煙氣或煙氣粉塵的組分及一些物理特性，從而降低粉塵比電阻值或改變粉塵的物理化學(xué)特性，提高電除塵效率的裝置。目前主要有水調(diào)質(zhì)、SO3調(diào)質(zhì)、NH3調(diào)質(zhì)、SO3+NH3雙重調(diào)質(zhì)、Na2CO3調(diào)質(zhì)等，其中SO3調(diào)質(zhì)是燃煤鍋爐應(yīng)用最廣泛、最成熟可靠的技術(shù)，它可提高表面導(dǎo)電性，降低粉塵比電阻值[8]。煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用，徹底改變了傳統(tǒng)電除塵被動適應(yīng)粉塵、工況參數(shù)的除塵技術(shù)模式，是電除塵技術(shù)的革命性革新。但要注意不是所有的工況都適合使用煙氣調(diào)質(zhì)，也會受煙氣條件和粉塵性質(zhì)的影響和制約，其對煤種、煙氣條件的適應(yīng)性往往需經(jīng)過理論分析后，再經(jīng)試驗(yàn)來確定。

（5）電除塵器電源新技術(shù)

電除塵器電源的新技術(shù)為電除塵技術(shù)提供了新的動力，為電除塵效率的提高及保證出口粉塵排放濃度≤30mg/m3提供了技術(shù)支持，其中高頻電源、三相電源等的應(yīng)用取得了較好的效果。但電除塵效率的保證，必須是比集塵面積足夠大，并具有優(yōu)良的本體機(jī)械結(jié)構(gòu)，所有的電源技術(shù)在本體基礎(chǔ)上才能發(fā)揮電源應(yīng)有的作用。

4 結(jié)語

大氣顆粒物尤其是細(xì)顆粒物PM2.5對人體健康以及環(huán)境會產(chǎn)生很大的危害。目前，電廠和工業(yè)窯爐均采用了較為先進(jìn)的除塵設(shè)備和濕法煙氣脫硫設(shè)施，這些措施對于煙塵中粗顆粒物的去除效果很好，但對細(xì)粒子的脫除效果則不盡人意，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，在現(xiàn)有的除塵設(shè)施的基礎(chǔ)上，采用更為先進(jìn)的混合除塵技術(shù)或電除塵新技術(shù)，并且鑒于細(xì)顆粒物難以有效脫除，在傳統(tǒng)的除塵設(shè)施前采用團(tuán)聚預(yù)處理技術(shù)使之成為較大顆粒物加以脫除將成為除塵技術(shù)的發(fā)展趨勢。超細(xì)顆粒物控制技術(shù)的研究與應(yīng)用對于PM2.5的治理具有特別重要的意義。

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Control of Fine Particulate PM2.5and Removal Technique

LIU Sheng-qiang, ZENG Yi-fu, ZHOU Yi-hui, LIU Zhang, HU Yong-feng

X701

A

1006-5377（2014）06-0016-05