翟美丹，杜勝男

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

1 我國(guó)燃煤污染物排放現(xiàn)狀

煤炭消耗量在我國(guó)能源總消耗量中所占的比重非常大，2018 年我國(guó)能源消耗總量為46.4 億t，其中煤炭消耗總量占能源消耗總量的84.1%[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的顆粒物，有些細(xì)顆粒物漂浮在空氣中，造成空氣污染，這是導(dǎo)致霧霾的重要因素之一[2?3]，對(duì)全球變暖也有不可忽略的作用，嚴(yán)重影響人類(lèi)的生活及健康[4?6]。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，2014 年實(shí)施了《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011），要求顆粒物排放量降到30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)則降到 20 mg/m3[7]。2015 年，《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》要求實(shí)施煙塵的超低排放，顆粒物排放量降到10 mg/m3以下[8]。由此可知，細(xì)顆粒物排放問(wèn)題已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，實(shí)現(xiàn)超低排放、保證綠色經(jīng)濟(jì)的除塵技術(shù)已經(jīng)成為近年來(lái)廣泛研究的新方向。

2 細(xì)顆粒物脫除技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由燃煤引發(fā)的污染問(wèn)題日益顯著，國(guó)家不斷提高顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)細(xì)顆粒物脫除技術(shù)水平也在不斷提高。我國(guó)通常采用煙氣凈化技術(shù)控制顆粒物排放。根據(jù)凈化原理，除塵設(shè)備可分為過(guò)濾式、機(jī)械式、濕式和靜電式[9]，但傳統(tǒng)的除塵技術(shù)對(duì)細(xì)顆粒物脫除效果無(wú)法實(shí)現(xiàn)低排放目標(biāo)。因此，研發(fā)新的除塵技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。針對(duì)燃煤過(guò)程中顆粒物的排放控制，我國(guó)脫除細(xì)顆粒物的凈化技術(shù)主要有3種：低低溫電除塵技術(shù)、團(tuán)聚技術(shù)、協(xié)同脫除技術(shù)。本文將對(duì)這3 種技術(shù)進(jìn)行淺析，以期為滿足超低排放、探索更有效的防治環(huán)境污染技術(shù)提供參考。

2.1 低低溫電除塵技術(shù)

低低溫電除塵技術(shù)通過(guò)降低煙氣的入口溫度，減小煙塵的比電阻、體積等，最終達(dá)到高效率除塵凈化的效果[10]。低低溫電除塵技術(shù)最早應(yīng)用于日本，通過(guò)降低進(jìn)口煙氣溫度來(lái)提高電除塵器的脫除效率[11]。日本相關(guān)公司通過(guò)添加冷卻器的方式實(shí)現(xiàn)低低溫技術(shù)，降低了飛灰比電阻，從而提高了電除塵器的除塵效率[12]。低低溫脫除技術(shù)具有設(shè)備運(yùn)行阻力低、脫除細(xì)顆粒物效果好、可有效防止酸雨形成、節(jié)能效果好及成本低等優(yōu)點(diǎn)[13?14]，已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)超低排放的主要除塵技術(shù)之一[15]。

黃怡民[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了電除塵器入口煙氣溫度對(duì)除塵效率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)溫度分別為130、100、90、80 ℃時(shí)，電除塵器的除塵效率（細(xì)顆粒物的脫除率）分別為93.16%、94.08%、96.65%、97.22%，由此可見(jiàn)，隨著電除塵器入口煙氣溫度的不斷降低，電除塵器的除塵效率逐漸提高。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙氣溫度降至酸的露點(diǎn)時(shí)，在硫酸霧的作用下，細(xì)顆粒物表面黏性促進(jìn)了小顆粒物的團(tuán)聚，其他研究者也有相同發(fā)現(xiàn)[17]。劉含笑等[15]對(duì)我國(guó)的200 種煤種的收到基灰分和硫分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)200 種煤種的灰硫比（灰硫比是指粉塵質(zhì)量濃度與SO2質(zhì)量濃度的比值。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)灰硫比大于10 時(shí)，腐蝕率幾乎為0）均大于10，且絕大多數(shù)煤種的灰硫比均大于100，由此可以看出，此類(lèi)采用低低溫電除塵技術(shù)的燃煤機(jī)組不存在發(fā)生低溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。酈建國(guó)等[18]通過(guò)對(duì)浙江某電廠1 000 MW 機(jī)組低低溫電除塵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了飛灰比電阻的變化對(duì)低低溫狀態(tài)下除塵效率的影響。結(jié)果表明，飛灰的平均粒徑增大，細(xì)顆粒物的去除效率明顯提高，PM1.0、PM2.5、PM10.0的質(zhì)量濃度分別下降了0.35、0.38、0.28 mg/m3。葉興聯(lián)等[19]采用CFD 數(shù)值模擬和物理模型相結(jié)合的方式對(duì)低低溫電除塵器風(fēng)道的煙氣流速、煙道阻力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)流線型煙風(fēng)道可以消除煙道內(nèi)渦流，提高煙氣流速，降低阻力。

綜上所述，采用低低溫電除塵技術(shù)，使冷凝后的SO2吸附在顆粒物表面，可有效降低低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；低低溫電除塵技術(shù)在傳統(tǒng)的低溫?zé)煔庀到y(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了煙氣溫度，改變了粉塵性質(zhì)，大大降低了飛灰比電阻，增加了飛灰平均粒徑，使其更易被電除塵器捕集[20?21]；低低溫電除塵技術(shù)提高了電場(chǎng)擊穿電壓，避免了反電暈的產(chǎn)生，降低了煙氣的流速，增加了煙氣在電場(chǎng)中停留的時(shí)間，從而有效提高除塵效率，并在一定程度上達(dá)到了超低排放的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.2 團(tuán)聚技術(shù)

近年來(lái)，為了達(dá)到細(xì)顆粒物的超低排放，國(guó)內(nèi)外研究者在除塵前利用物理或化學(xué)手段，使小粒徑顆粒物團(tuán)聚成大粒徑顆粒物，從而提高細(xì)顆粒的去除效率。團(tuán)聚技術(shù)是目前技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，對(duì)凈化起到了促進(jìn)作用。團(tuán)聚技術(shù)主要包括聲團(tuán)聚技術(shù)[22?23]、化 學(xué) 團(tuán) 聚 技 術(shù)[24]、電 團(tuán) 聚 技 術(shù)[25]、磁 團(tuán) 聚 技術(shù)[26]、蒸汽相變團(tuán)聚技術(shù)等[27]。

2.2.1 聲團(tuán)聚技術(shù) 聲團(tuán)聚技術(shù)是利用聲波促進(jìn)煙氣中細(xì)顆粒物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)它們的碰撞率，從而使細(xì)顆粒物碰撞凝結(jié)長(zhǎng)大[28?29]。C.Sheng 等[30]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聲團(tuán)聚技術(shù)對(duì)細(xì)顆粒物的去除效果明顯，當(dāng)聲波頻率為1 kHz 時(shí)，細(xì)顆粒物濃度下降85.2%，大大提高了除塵效率；聲波團(tuán)聚的最佳頻率與顆粒物的粒徑有關(guān)，粒徑越小所需的聲波頻率越高，張光學(xué)等[31]在實(shí)驗(yàn)中也得到了相同結(jié)論。陳厚濤等[32]對(duì)細(xì)顆粒物的聲團(tuán)聚清除效果進(jìn)行了進(jìn)一步研究，在實(shí)驗(yàn)室采用頻率為1 kHz，聲場(chǎng)強(qiáng)度分別為 151、153、155、158 dB 及 160 dB 的條件下觀察了粒徑分布和濃度變化。結(jié)果表明，聲場(chǎng)強(qiáng)度的增加有助于細(xì)顆粒物的脫除，粒徑為0.07 μm 左右的超細(xì)顆粒物更容易通過(guò)聲波團(tuán)聚清除。

聲團(tuán)聚技術(shù)雖然可去除細(xì)顆粒物，但聲波發(fā)生裝置不環(huán)保，能耗過(guò)高，并且伴隨著大分貝噪聲的產(chǎn)生，造成噪聲污染，目前還沒(méi)有真正應(yīng)用到實(shí)際工程中。因此，研究如何經(jīng)濟(jì)環(huán)保地達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，是聲團(tuán)聚技術(shù)得以應(yīng)用并發(fā)展的重要課題。

2.2.2 電團(tuán)聚技術(shù) 電團(tuán)聚技術(shù)是利用電荷的擴(kuò)散作用，使細(xì)顆粒物發(fā)生碰撞并使粉塵荷電，再通過(guò)荷電粒子的運(yùn)動(dòng)到達(dá)粉塵表面，最終形成預(yù)團(tuán)聚體[33]。電團(tuán)聚技術(shù)的核心是提高團(tuán)聚速率，使細(xì)顆粒物瞬間團(tuán)聚變大，實(shí)現(xiàn)高效率脫除的目的。近年來(lái)，電團(tuán)聚技術(shù)發(fā)展較快，細(xì)顆粒物脫除效果明顯提高。J.H.Ji 等[27]使用線?板式DC 電暈電極，分析了電團(tuán)聚技術(shù)的細(xì)顆粒物去除效率。結(jié)果表明，在電場(chǎng)頻率為60～500 Hz 時(shí)，細(xì)顆粒物的濃度降低25.0%～29.0%。劉道清等[34]采用由交替布置的線?板式正負(fù)放電通道組成的電凝并器，分析了凝并對(duì)顆粒的粒徑及去除效率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)電凝并器工作時(shí)，顆粒粒徑明顯增大，當(dāng)凝并特征值達(dá)1.53 時(shí)，細(xì)顆粒物濃度下降了69.7%，而且細(xì)顆粒物濃度隨著電壓的升高繼續(xù)降低，可見(jiàn)電團(tuán)聚技術(shù)效果顯著，可大大提高細(xì)顆粒物的去除效率。J.Zhu 等[35]在靜電除塵器的基礎(chǔ)上采用雙極荷電，研究了電團(tuán)聚對(duì)細(xì)顆粒物的去除效果。結(jié)果表明，電團(tuán)聚技術(shù)有效提升了細(xì)顆粒物的除塵效率，除塵效率可達(dá)98.0%。

由上述研究可知，電團(tuán)聚作為多種團(tuán)聚技術(shù)中最可行的團(tuán)聚手段，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α５?，目前除了工程?yīng)用的Indigo 凝聚器，電團(tuán)聚技術(shù)總體上還處于試驗(yàn)階段[36]。

2.2.3 化學(xué)團(tuán)聚技術(shù) 化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)是利用各種吸附劑捕獲細(xì)顆粒物的方法，通過(guò)往煙氣中噴入團(tuán)聚劑，使細(xì)顆粒物與團(tuán)聚劑發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)促使細(xì)顆粒凝聚變大，從而提高細(xì)粒子的去除效率[37]。秦占峰等[38]利用化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)對(duì)電廠的300 MW 燃煤機(jī)組進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。數(shù)據(jù)顯示，加入化學(xué)團(tuán)聚劑后，細(xì)顆粒物的濃度下降了44.7%，平均 質(zhì)量濃度 約為 3.7 mg/m3，K.E.Baldrey[39]、M.D.Durham 等[40]也得出了相同結(jié)論。劉勇等[41]將果膠、非離子型聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、黃膠原、聚合氯化鋁等幾種高分子團(tuán)聚劑添加到除塵器進(jìn)口煙氣中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，加入團(tuán)聚劑后，在物理或化學(xué)作用下，細(xì)顆粒被固定在鏈狀聚合物的不同吸附位，加劇了細(xì)顆粒物團(tuán)聚，形成易被捕捉的大顆粒物，使電除塵器的細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度由 8 mg/m3降到 5 mg/m3，除塵效率提高了10.0%。楊曉媛等[42]采用非離子型聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁、羧甲基纖維素鈉及黃膠原4 種化學(xué)團(tuán)聚劑，通過(guò)改變其種類(lèi)、濃度等分析細(xì)顆粒物的凝并效果以及除塵效率。結(jié)果表明，羧甲基纖維素鈉和黃膠原的粒徑范圍變化較大，由0.295～137.700 μm變?yōu)?0.295～340.000 μm 和 0.295～165.000 μm；加入化學(xué)團(tuán)聚劑后，除塵效率都有所下降，其中加入黃原膠的除塵效果最佳。

以上研究表明，使用化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)，細(xì)顆粒物的團(tuán)聚效果明顯提高，容易將小顆粒物團(tuán)聚成大顆粒物。但是，化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)存在兩點(diǎn)不足：一是團(tuán)聚劑價(jià)格較貴，尤其是對(duì)煙氣量大的環(huán)境，團(tuán)聚劑的需求量大，成本以及實(shí)施普及的難度大大增加；二是化學(xué)反應(yīng)生成物還可能會(huì)造成二次污染，出現(xiàn)更加難以解決的困難，因此探索高效無(wú)污染的團(tuán)聚劑是今后研究的重點(diǎn)。

各種細(xì)顆粒物團(tuán)聚技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各種細(xì)顆粒物團(tuán)聚技術(shù)對(duì)比[27,43]

綜上所述，電團(tuán)聚技術(shù)和化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景也較為廣闊。除了聲團(tuán)聚技術(shù)，電團(tuán)聚技術(shù)、化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)能較好地實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物的脫除，磁團(tuán)聚技術(shù)和蒸汽相變團(tuán)聚技術(shù)也具有一定的研究意義。磁團(tuán)聚技術(shù)是利用磁場(chǎng)作用促使顆粒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生碰撞，使帶有磁性的細(xì)顆粒物團(tuán)聚的技術(shù)。但是，目前存在的問(wèn)題是弱磁顆粒的團(tuán)聚效果不佳，這也限制了磁團(tuán)聚技術(shù)在工程中的應(yīng)用。蒸汽相變團(tuán)聚技術(shù)，是在過(guò)飽和蒸汽環(huán)境中，蒸汽以PM2.5顆粒為凝結(jié)核，促使顆粒質(zhì)量變大，并在擴(kuò)散作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)碰撞，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物團(tuán)聚粒徑變大的技術(shù)。蒸汽相變團(tuán)聚技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中能耗較高，但與濕式除塵器可以更好地結(jié)合達(dá)到除塵的目的，所以其應(yīng)用前景還有待研究探討。

2.3 協(xié)同脫除技術(shù)

隨著燃煤煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，越來(lái)越多的煙氣治理技術(shù)被提出、嘗試與應(yīng)用[44]。協(xié)同脫除技術(shù)就是利用各污染物減排裝置協(xié)同處理能力，在提高各污染物去除效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)污染物煙塵、NOx和SO2的一體化協(xié)同脫除，使燃煤煙氣達(dá)到超低排放的目的。協(xié)同脫除主要有兩種形式，一是電除塵和布袋除塵方式的協(xié)同（電袋復(fù)合除塵器）；二是布袋除塵器。針對(duì)細(xì)微顆粒的脫除問(wèn)題，對(duì)二者通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析研究，取得了一定的成果與進(jìn)展。

電袋復(fù)合除塵器是一種結(jié)合電除塵和袋式除塵兩種除塵理論而提出的一種新式除塵技術(shù)，具有運(yùn)行阻力低且穩(wěn)定、除塵效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、濾袋使用周期長(zhǎng)、節(jié)約成本、方便實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)[45?46]。羅香鑾[47]將4 臺(tái)75 t 鍋爐原配套靜電除塵器改為電袋復(fù)合除塵器，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，入口煙氣中細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度為30.0 mg/m3；出口煙氣中細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度為6.5 mg/m3，符合超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。郝歡等[48]利用CFD 軟件對(duì)電袋復(fù)合除塵器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了電袋復(fù)合除塵器的影響因素——煙塵的入口流速、導(dǎo)流板、管道長(zhǎng)度等對(duì)除塵效果的影響。結(jié)果表明，煙氣入口流速的影響不大，最優(yōu)的模型是在入口的第2 個(gè)彎道設(shè)3 個(gè)導(dǎo)流板，且管道長(zhǎng)度為0.5 m，此時(shí)氣流分布基本均勻，積塵率降低，除塵效果最佳，達(dá)到超低排放的要求。隨著國(guó)家對(duì)污染控制要求的不斷提高，除塵技術(shù)也在不斷更新發(fā)展。2017 年，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》（HJ 2301—2017）：若一次除塵就達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，則適宜采用超凈電袋復(fù)合除塵器；對(duì)脫除高溫?zé)煔?，則可以采用高溫電袋復(fù)合除塵器，更好地實(shí)現(xiàn)超低排放長(zhǎng)期有效的穩(wěn)定運(yùn)行。

布袋除塵器是利用粉塵的物理性質(zhì)，即質(zhì)量大的煙塵靠自身重力沉降，而布袋的濾料阻擋細(xì)小顆粒物，從而對(duì)煙氣進(jìn)行脫除凈化的一種濾塵裝置。王小龍[49]在燃煤鍋爐后面安裝布袋除塵器，分析是否滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，布袋除塵器具有運(yùn)行安全可靠、運(yùn)行阻力小的特點(diǎn)，應(yīng)用效果顯著，除塵效率高。但是，受煙氣中化學(xué)腐蝕性物質(zhì)的影響，布袋有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，除塵效率會(huì)受到影響，所以需要定期更換布袋，在一定程度上會(huì)增加運(yùn)行成本。

李學(xué)軍等[50]以660 MW 煤粉鍋爐為研究對(duì)象，分析了常規(guī)靜電除塵器、電袋除塵器和布袋除塵器在負(fù)荷和燃煤煤質(zhì)都相同情況下的去除效率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同除塵設(shè)備對(duì)不同粒徑顆粒的去除效率 %

由表2 可知，相對(duì)于傳統(tǒng)電除塵器，電袋復(fù)合除塵器和布袋除塵器都提高了細(xì)顆粒物的去除效率，不同的是電袋復(fù)合除塵器和布袋除塵器對(duì)PM0.3細(xì)顆粒物的去除效率相差較大；布袋除塵器的除塵效率隨著顆粒粒徑的降低而降低，但除塵效率相對(duì)穩(wěn)定。

董銳鋒等[51]選取電袋復(fù)合除塵器（袋式除塵器）、SCR 高效脫銷(xiāo)、高效脫硫、屋脊式高效除霧器的結(jié)合方式，在不同負(fù)荷下，分別對(duì)SO2、NOx及煙塵的排放質(zhì)量濃度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同負(fù)荷下SO2、NOx及煙塵的排放質(zhì)量濃度

由表3 可知，當(dāng)采取電袋復(fù)合除塵器（袋式除塵器）、SCR 高效脫銷(xiāo)、高效脫硫、屋脊式高效除霧器的結(jié)合方式時(shí)，其除塵效率符合超低排放標(biāo)準(zhǔn)[51]，煙塵的排放濃度穩(wěn)定可靠。

綜上所述，電袋復(fù)合除塵器和布袋除塵器在去除微小粒子方面存在一定的優(yōu)勢(shì)，但在經(jīng)濟(jì)性方面仍存在一定的問(wèn)題。隨著電袋復(fù)合除塵器和布袋除塵器的進(jìn)一步改進(jìn)和研究，在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中，電袋復(fù)合除塵器和布袋除塵器與脫硫、脫銷(xiāo)技術(shù)相結(jié)合，在污染物的協(xié)同處理實(shí)現(xiàn)超低排放的問(wèn)題上可寄予更多的期待。

3 結(jié)論及展望

（1）低低溫除塵技術(shù)不僅可以降低飛灰比電阻，提高除塵效率，還可以降低風(fēng)壓負(fù)擔(dān)，表明低低溫除塵技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益較好，但在二次揚(yáng)塵問(wèn)題方面還有待進(jìn)一步研究。

（2）在團(tuán)聚技術(shù)中，化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)和電團(tuán)聚技術(shù)可行性較高，除塵效率高，應(yīng)用前景也較為廣闊，但目前還處于研究階段，在集塵板積灰和二次污染問(wèn)題方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。

（3）在處理細(xì)小微粒方面，電袋復(fù)合除塵技術(shù)、布袋除塵技術(shù)是較為典型的兩種技術(shù)，也是未來(lái)協(xié)同脫除污染物、實(shí)現(xiàn)超低排放的主要技術(shù)。

低低溫電除塵技術(shù)、團(tuán)聚技術(shù)、電袋復(fù)合除塵技術(shù)、布袋除塵技術(shù)等一系列新技術(shù)的應(yīng)用，有效地降低了污染物出口濃度，提高了空氣質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SO2、NOx及煙塵細(xì)小微粒的協(xié)同凈化，達(dá)到了超低排放要求。隨著排放限值的嚴(yán)格化、標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)顆粒物特性，各種除塵技術(shù)及其技術(shù)特點(diǎn)也將得到改進(jìn)和更新，未來(lái)實(shí)現(xiàn)超低排放將會(huì)更加簡(jiǎn)單便捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保。