王錚 謝興星 李小海 張長偉(大唐南京環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司， 江蘇 南京 211111)

燃煤電廠細(xì)顆粒物PM2.5控制技術(shù)

王錚 謝興星 李小海 張長偉(大唐南京環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司， 江蘇 南京 211111)

燃煤電廠是大氣細(xì)顆粒物PM2.5排放的重要來源。本文闡述了燃煤電廠PM2.5的控制技術(shù)，包括燃燒前控制技術(shù)、燃燒中控制技術(shù)和燃燒后控制技術(shù)。重點(diǎn)介紹了燃燒后控制中的多種團(tuán)聚技術(shù)和協(xié)同控制技術(shù)，指出了各種技術(shù)的利弊和應(yīng)用前景。

燃煤電廠；控制技術(shù)

1 引言

細(xì)顆粒物(PM2.5)污染已成為我國突出的大氣環(huán)境問題，是造成大氣能見度降低、形成灰霾天氣的主要原因。鑒于PM2.5重大的環(huán)境和健康危害，2012年3月1日我國將PM2.5指標(biāo)納入新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，從現(xiàn)在開始分步實(shí)施對PM2.5的監(jiān)測，并于2016年1月1日起在全國范圍實(shí)施[1]。

大氣中細(xì)顆粒物PM2.5的來源包括自然源和人為源，人為源又可分為固定源和移動(dòng)源，前者如燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過程，后者如交通運(yùn)輸?shù)?。近十年來，國?nèi)學(xué)者對國內(nèi)部分城市大氣顆粒物源解析研究結(jié)果表明，燃煤電廠是大氣細(xì)顆粒物PM2.5的重要來源[2]。在燃煤電廠污染物控制設(shè)施中，除塵系統(tǒng)及濕法煙氣脫硫系統(tǒng)(WFGD)對顆粒物有很好的控制效果?，F(xiàn)有除塵裝置的對粗顆粒除塵效率雖可高達(dá)99%以上，但細(xì)顆粒PM2.5在傳統(tǒng)除塵設(shè)施的穿透率較高。此外，經(jīng)WFGD系統(tǒng)后PM2.5濃度反而有可能增加，且物性發(fā)生顯著變化[2]。因?yàn)閃FGD對煙氣中的二氧化硫著相對較高的脫除能力，但其對三氧化硫的脫除效率并不高。凈煙氣由WFGD排出后溫度通常低于于酸露點(diǎn)，導(dǎo)致排出的三氧化硫主要以硫酸氣溶膠的形式存在，這些硫酸氣溶膠會(huì)與大氣中的其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),形成二次可吸入顆粒物，這在一定程度上增加了細(xì)顆粒物PM2.5的濃度。

因此，通過一定的手段對燃煤電廠細(xì)顆粒物PM2.5的排放進(jìn)行控制勢在必行。近年來，美國和一些歐洲國家對燃煤電廠細(xì)顆粒物PM2.5控制開展了大規(guī)模的研究工作，但由于燃煤電廠PM2.5的微觀性和復(fù)雜性，以及特護(hù)的化學(xué)行為與動(dòng)力學(xué)行為，對超細(xì)顆粒物的污染控制的研究仍受到極大的制約。目前，主要的控制手段分為燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制(表1)[3]。

表1 燃煤電廠PM2.5控制技術(shù)

2 燃燒前控制技術(shù)

燃燒前控制主要通過洗煤、配煤、摻燒等手段調(diào)配燃料中的礦物組分，一方面減少無機(jī)礦物組分的氣化，從源頭上減少細(xì)顆粒物PM2.5的生成；另一方面，配煤或摻燒后產(chǎn)生的煙氣中的組分互相作用，促進(jìn)細(xì)顆粒物與其他組分的碰撞結(jié)核轉(zhuǎn)變?yōu)榇箢w粒物，有利于除塵設(shè)施和濕法FGD對顆粒物的捕集[4]。

3 燃燒中控制技術(shù)

燃燒中控制技術(shù)主要是通過在燃燒爐中添加高溫條件下能夠穩(wěn)定存在吸附劑方式，使細(xì)顆粒物PM2.5的非均相反應(yīng)和物理吸附抑制細(xì)顆粒物生成，進(jìn)而抑制細(xì)顆粒物的形成，并增大燃煤顆粒物的粒度。此外還能促使細(xì)顆粒物PM2.5捕獲重金屬元素，并于有毒元素進(jìn)行相互作用一并脫除，這也是燃燒中控制PM2.5排放的主要的方法。此外，基于對燃煤電廠汞等微量元素控制技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，在燃燒中控制燃煤汞排放的同時(shí)，對PM2.5的控制有一定的協(xié)同控制效果，這主要是由于細(xì)顆粒物與有毒元素的相互作用最終聯(lián)合脫除。

4 燃燒后控制技術(shù)

燃燒后控制技術(shù)大體上可分為團(tuán)聚技術(shù)和協(xié)同控制技術(shù)兩種主要類型。團(tuán)聚技術(shù)的原理是通過一定的技術(shù)途徑使細(xì)顆粒物PM2.5團(tuán)聚長成粗顆粒后再采用傳統(tǒng)除塵技術(shù)進(jìn)行脫除。而協(xié)同控制技術(shù)則結(jié)合燃煤電廠現(xiàn)有設(shè)備對過程優(yōu)化或者多場協(xié)同作用，從而提升對細(xì)顆粒物PM2.5的脫除效果。

4.1 團(tuán)聚技術(shù)

在傳統(tǒng)除塵器之前設(shè)置預(yù)處理階段，通過物理或者化學(xué)手段將超細(xì)粒PM2.5團(tuán)聚成型較大的課題后再加以清除已經(jīng)成為除塵技術(shù)的研究熱點(diǎn)。團(tuán)聚技術(shù)主要有電團(tuán)聚技術(shù)、聲波團(tuán)聚技術(shù)、磁團(tuán)聚技術(shù)、化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)和蒸汽相變技術(shù)等。

(1)電團(tuán)聚技術(shù)

電團(tuán)聚的工作原理是通過增加細(xì)顆粒物的電荷能力，促進(jìn)細(xì)顆粒以電泳的方式至飛灰顆粒的表面，從而增強(qiáng)顆粒間的團(tuán)聚。電團(tuán)聚主要的技術(shù)方法為同極性或者異極性電荷粉塵的庫倫團(tuán)聚，以及不同電荷粉塵在恒電場或者交變電場中的團(tuán)聚。在所有的技術(shù)中異極性電荷粉塵在交變電場中的團(tuán)聚作用效果最佳。

電團(tuán)聚技術(shù)能使除塵器對細(xì)顆粒物PM2.5的脫除效率大幅提升，但除塵極板在捕捉到一定量的粉塵后，效率將會(huì)大幅下降，需要進(jìn)行再生后使用，這在一定程度的限制了電團(tuán)聚的工業(yè)應(yīng)用。

(2)聲波團(tuán)聚技術(shù)

聲波團(tuán)聚是根據(jù)聲學(xué)原理，利用具有高能力密度的聲區(qū)，使細(xì)顆粒物PM2.5之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，從而提高它們的碰撞團(tuán)聚速率和概率，使細(xì)顆粒物發(fā)生團(tuán)聚性能粗顆粒。

雖然聲波團(tuán)聚因其能夠有效實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒粉塵的收集和去除，但工業(yè)應(yīng)用卻存在著一定問題是：幾十甚至幾百千赫茲的聲波導(dǎo)致運(yùn)行能耗過高；而且需要考慮噪音在環(huán)境和運(yùn)行人員的人生傷害；此外，能在高溫高塵環(huán)境中使用的聲源仍處理理論探究階段。

(3)磁團(tuán)聚技術(shù)

磁團(tuán)聚是指強(qiáng)磁化的顆粒物在磁場的等作用下，利用磁性物質(zhì)的相互作用，發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)而碰撞而產(chǎn)生團(tuán)聚作用，具有γ-Fe2O3和Fe3O4等磁性粒子是燃煤細(xì)顆粒具有鐵磁特性的主要原因。

磁團(tuán)聚技術(shù)在選礦、物料提純、工業(yè)催化等生產(chǎn)中已經(jīng)成功應(yīng)用，但磁團(tuán)聚技術(shù)控制燃煤電廠細(xì)顆粒物PM2.5的排放研究仍處于起步階段。如何提高收集磁性塵粒子的效率，以及如何對磁性塵粒子進(jìn)行清除還需進(jìn)一步深入研究。

(4)化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)

化學(xué)團(tuán)聚是利用吸附劑或者粘結(jié)劑來促進(jìn)細(xì)顆粒物團(tuán)聚從而進(jìn)行脫除的預(yù)處理方法。主要通過物理吸附和換成反應(yīng)相結(jié)合的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)的?；瘜W(xué)團(tuán)聚劑成分包括高聚物粘結(jié)劑、潤濕劑等，一般選擇在電除塵器入口煙道進(jìn)行噴入。然后利用帶有極性基團(tuán)的高分子長鏈以“架橋”方式將多個(gè)細(xì)顆粒子進(jìn)行連接團(tuán)聚，提升電除塵對細(xì)顆粒的脫除性能。

化學(xué)團(tuán)聚吸附原理簡單，不僅能實(shí)現(xiàn)對細(xì)顆粒物和多種污染物的團(tuán)聚協(xié)同脫除，而且對下游設(shè)備影響很小，具有良好的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要在于吸附劑或者粘結(jié)劑的刷選，其中高嶺土、鋁土礦和石灰石等因高吸附性能的展現(xiàn)出工業(yè)應(yīng)用潛質(zhì)。

4.2 蒸汽相變技術(shù)

蒸汽相變技術(shù)利用過飽和水汽在微粒表面的凝結(jié)特性，從而使細(xì)顆粒發(fā)生團(tuán)聚的原理對細(xì)顆粒物進(jìn)行團(tuán)聚脫除。特別適合于煙氣中含濕量較高的過程，在工程應(yīng)用主要將其與濕式洗滌除塵、濕法煙氣脫硫等工藝進(jìn)行結(jié)合[6]。

蒸汽相變技術(shù)是重要的預(yù)調(diào)的方法，但在實(shí)施過程中細(xì)顆粒物與脫硫洗滌液中會(huì)存在過飽和水汽在競爭凝結(jié)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致效果有所下降。此外，系統(tǒng)所配備的除霧器在實(shí)際應(yīng)用中容易發(fā)生堵塞，導(dǎo)致壓降過高。

4.3 協(xié)同控制技術(shù)

協(xié)同控制技術(shù)是指在傳統(tǒng)除塵技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用不同的除塵機(jī)理對傳統(tǒng)的除塵器進(jìn)行改進(jìn)，通過多種技術(shù)協(xié)調(diào)作用實(shí)現(xiàn)對細(xì)顆粒物排放的控制。其中，電袋復(fù)合除塵器和濕式靜電除塵器最為常見。

4.4 電袋復(fù)合除塵器

電袋復(fù)合除塵器有由靜電除塵和布袋除塵兩種成熟的除塵技術(shù)綜合形成。傳統(tǒng)的靜電除塵器中百分之八、九十的粉塵試在第一電場被除去，而剩余的細(xì)粉塵是在其他電場中被除。電袋復(fù)合除塵器只采用第一電場，利用布袋除塵單元剩余的細(xì)粉塵進(jìn)行過濾脫除。這樣有利于布袋除塵單元降低除塵負(fù)荷、提高過濾速度，提升整體效率，增強(qiáng)對細(xì)顆粒物的脫除能力。

4.5 濕式靜電及其他新型除塵器

通過改進(jìn)傳統(tǒng)除塵器的結(jié)構(gòu)以提高其對細(xì)顆粒物的脫除性能是控制燃燒源細(xì)顆粒物的重要手段；目前以濕式靜電除塵器為主。

(1)濕式靜電除塵器(WESP)

濕式靜電除塵器對粉塵的捕集原理與干式靜電除塵器基本一樣，但在清灰方式上有所不同。濕式靜電除塵器適用于濕量高的煙氣，利用過飽和水汽在微粒表面的凝結(jié)特性，以及含有黏性顆粒和霧滴團(tuán)聚的特性，結(jié)合濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)脫硫凈化濕煙氣中的細(xì)粉塵、酸霧及汞等的捕集。

目前濕式靜電除塵器在國內(nèi)燃煤電廠應(yīng)用過程中，存在集塵極板表面布水不均勻及集塵極的腐蝕的問題；此外，濕式靜電除塵器的系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用較高。

(2)其他新型除塵器

由協(xié)同技術(shù)新型衍射的新型除塵器有：介質(zhì)阻擋放電ESP、電植絨集塵極ESP、泛比電阻ESP、移動(dòng)電極ESP、長芒刺ESP 和CAROLA ESP等。這些新型除塵器技術(shù)在一定程度上能防止二次揚(yáng)塵、反電暈現(xiàn)象、提高對微細(xì)粉塵的去除率等，具有一定的工程應(yīng)用前景，但在燃煤電廠中能否對細(xì)顆粒物的穩(wěn)定的控制還需進(jìn)一步探索。

5 結(jié)語

燃煤電廠是大氣細(xì)顆粒物PM2.5排放的重要來源，現(xiàn)有除塵設(shè)備和濕法脫硫設(shè)施很難實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物PM2.5的脫除。燃煤電廠應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上采用更加先進(jìn)的除塵技術(shù)。團(tuán)聚技術(shù)作為預(yù)處理環(huán)節(jié)使細(xì)顆粒物團(tuán)聚形成粗顆粒物、再結(jié)合電袋復(fù)合除塵器和濕式靜電除塵器等加以清除，將成為細(xì)顆粒物PM2.5控制技術(shù)發(fā)展的趨勢。

[1]環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012[S].

[2]代旭東.電廠PM2.5排放現(xiàn)狀與控制技術(shù)[J].能源環(huán)境保護(hù),2011,25(6).

[3]易帆，徐明厚，于敦喜．燃燒過程中超細(xì)顆粒物的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．世界科技研究與發(fā)展，2002，(2)．

[4]魏風(fēng)，張軍營，王春梅，鄭楚光．煤燃燒超細(xì)顆粒物團(tuán)聚促進(jìn)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．煤炭轉(zhuǎn)化，2003，26(3) ：27—31．

[5]向曉東，等．交變電場中電凝并收塵理論與實(shí)驗(yàn)研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(2) ：187—191．

[6]顏金培，楊林軍，張霞,等．應(yīng)用蒸汽相變機(jī)理脫除燃煤可吸入顆粒物實(shí)驗(yàn)研究[J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，(35)．