細顆粒物PM2.5的控制與脫除技術

劉勝強，曾毅夫，周益輝，劉 彰，胡永鋒

（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

細顆粒物PM2.5的控制與脫除技術

劉勝強，曾毅夫，周益輝，劉 彰，胡永鋒

（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

細顆粒物（PM2.5）由于粒徑小能長距離傳輸、比表面積大、易于富集有毒物質等特性給人類健康和環境產生了很大的危害，因此受到了世界各國的廣泛關注。文章簡要闡述了PM2.5的來源及危害，重點介紹了PM2.5的控制與脫除技術，包括混合除塵技術、電除塵新技術以及在傳統除塵器前設置團聚預處理設施等，分析了各項技術的利弊、應用現狀以及應用前景。

細顆粒物；PM2.5；控制與脫除技術；團聚技術；混合除塵技術；電除塵新技術

1 前言

伴隨著人類社會的不斷發展和科技的進步，城市化和工業化進程日益加快，各種大氣污染物急劇增加，大氣環境問題不斷涌現。目前，影響城市空氣質量的主要污染物是大氣中漂浮的細顆粒物（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、機動車排放、建筑塵、揚塵、生物質燃燒、二次硫酸鹽和硝酸鹽及有機物。其中燃煤塵、揚塵、有機物及二次硫酸鹽和硝酸鹽貢獻率較大。PM2.5能長期懸浮于大氣中，具有很大的比表面積，易于富集多環芳香烴、病毒和細菌等有毒物質，以及痕量有毒元素；PM2.5又稱為可入肺顆粒物，能夠進入人體肺泡甚至血液循環系統，一旦在人體呼吸系統沉積將產生嚴重的危害[1]。 同時PM2.5是導致大氣能見度降低、灰霾天氣和全球氣候變化等重大環境問題的重要因素。PM2.5污染已成為突出的大氣環境問題，目前已引起世界各國的高度重視，并相繼研究和開發出了PM2.5的檢測設備、測試系統和控制與脫除技術。

我國在這方面雖然起步較晚，但也做了很多相應的基礎工作，采取了多項措施控制大氣環境污染，提高了大氣污染物排放濃度限值以及除塵設備的排放標準，研發了新的技術設備。國家環保部于2012年初已將PM2.5納入了環境空氣質量監測項目中。

2 常規除塵技術的不足

常規的高效除塵設備如電除塵器和袋除塵器，對于粒徑為0.1～2.5μm的細粒子不能有效捕集。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，效率甚至會降到50%以下。從電除塵器排放出來數量最多的就是0.2～2.5μm的細顆粒物[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。統計表明，2010年我國工業煙塵排放總量有821萬噸，主要為超細粉塵。因此，我國顆粒物排放控制已進入到大力削減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合污染的基礎，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和推動相關控制技術。

3 PM2.5控制和脫除技術

3.1 團聚技術

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

圖1 顆粒物團聚前后微觀形貌

（1）聲波團聚技術

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

聲波團聚技術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，且在一些關鍵性問題上未能取得一致結論，目前能夠投入工程應用的幾乎沒有。

（2）磁團聚

磁團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，發生相對運動而碰撞團聚在一起，使其粒徑增大。

磁團聚研究為細顆粒物的控制提供了一種新的技術途徑，但試驗得到的效果還不是很理想，離工業應用尚有不少距離。燃油、天然氣、垃圾及生物質等產生的細顆粒物，因其Fe3O4、γ-Fe2O3等磁性物質含量極低，不適合采用磁團聚方法。

（3）化學團聚

化學團聚是一種添加化學團聚劑（吸附劑、黏結劑）促進細顆粒物脫除的預處理方法，主要通過物理吸附和化學反應相結合的機理來實現；根據化學團聚劑加入位置的不同，又可分為燃燒中化學團聚和燃燒后化學團聚，主要針對燃煤細顆粒物的控制。

燃燒中化學團聚技術，只是提供了一種有可能促進細顆粒物脫除的技術途徑，離實際應用還有較長距離，其最大好處在于可同時控制痕量重金屬元素排放。

燃后區化學團聚技術，既不改變正常生產條件，也不改變現有的除塵設備和操作參數，就可促使細顆粒物的有效團聚長大，從而提高后續常規除塵設備對細顆粒的脫除效率，具有一定的應用前景。

（4）光團聚技術

光團聚技術是應用光輻射的原理促進顆粒物團聚。超細顆粒物團聚遵循如下過程：入射電子束→等離子體膨發→等離子體云膨脹→成核→冷凝膨脹長大+等離子體云膨脹→凝結→不規則片狀形→團聚→凝膠化。

通過改變激光傳播的折射角、光的強度等多種參數可以促進超細顆粒發生團聚。但其成本相當大，目前還不可能大規模利用。

（5）電凝并技術

電凝并是通過使細顆粒物荷電，促進細顆粒物以電泳方式到達其他細顆粒表面，從而增強顆粒間的凝并效應；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弱。目前，大多數研究將電凝并技術與靜電除塵器相結合，采用ESP捕集電凝并長大后的顆粒。電凝并技術主要分為：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、脈沖預荷電直流收塵復合除塵系統脫除細顆粒物、DBD預荷電直流收塵的復合式除塵系統脫除細顆粒物、Indigo凝聚器等方式。

電凝并是一種可使細顆粒長大的重要預處理手段，在多種團聚促進技術中，電凝并是最可行的凝并方式；將其和現有靜電除塵器結合可望顯著提高對細顆粒物的脫除效果，具有重要的工業應用前景。目前除了利用雙級靜電凝并技術的Indigo凝聚器有工程應用實例外，電凝并技術研究總體上還處于實驗室研究階段。

（6）蒸汽相變技術

應用蒸汽相變促進細顆粒物脫除的原理：在過飽和水汽環境中，水汽在細顆粒物表面凝結，并同時產生熱泳和擴散泳作用，促使細顆粒遷移運動，相互碰撞接觸，使細顆粒粒徑增大、質量增加，從而提高慣性捕集作用。

蒸汽相變是一種重要的預調節措施，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、濕法煙氣脫硫結合是實現工程應用的重要途徑。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細顆粒物脫除，存在過飽和水汽在細顆粒物與脫硫洗滌液中的競爭凝結現象，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細顆粒物脫除，需配置高效除霧器，如絲網除霧器、板波紋填料除霧器，而這些除霧器在實際應用中易堵塞，且阻力較大。

3.2 混合除塵技術

隨著人們對PM2.5危害性認識的提高，國內嚴格的控制法規即將出臺，國內外許多研究人員已經從機理和運行工藝上開始對PM2.5的脫除進行研究，其中，通過靜電和其他方式結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）作為過濾介質凈化煙氣的除塵設備，在水泥、煉焦、化工和冶金業得到廣泛運用。其具有耐高溫和高效性等特點，靜電顆粒層除塵器是在顆粒層除塵器內施加一外加電場，使氣流中的塵粒在進入過濾層前盡量荷電，從而促進塵粒凝聚及顆粒層的過濾作用，提高對細顆粒物的收集效率。

靜電顆粒層除塵器特別適合高溫煙氣中細顆粒物的凈化處理，但目前還基本處于試驗探索階段。

（2）靜電旋風除塵器

旋風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，但僅適用于收集數微米以上的較大塵粒，對細粉塵的捕集效率不高。將其與靜電除塵技術相結合，在旋風除塵器內設置一靜電場構成靜電旋風除塵器，使細顆粒物在除塵器中受到離心力和靜電力的復合作用而分離，除塵效率比單一旋風除塵器高，并且能夠捕集粒徑更小的塵粒。

靜電旋風除塵器特別適合高溫煙氣中細顆粒物的凈化處理，但目前還基本處于試驗探索階段。

（3）電袋復合除塵器

電袋復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的新型除塵設備。采用常規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顆粒[4]。見圖2。

圖2 電袋復合除塵器示意圖

在日趨嚴格的細顆粒物排放限值要求下，采用單一傳統除塵技術難以滿足需求，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合除塵技術，被認為是最有希望取得細顆粒物高效脫除的技術途徑；雖“前電后袋”式除塵器已有工程應用實例，并且除塵效率可明顯高于靜電除塵器；然而，仍有不少關鍵技術問題尚未得到解決，如靜電收集區和袋過濾區的協同作用難以長期維持，限制了該技術的發展和應用。

3.3 電除塵新技術

目前，電除塵器新技術是針對減少二次揚塵的發生、反電暈、克服高比電阻的影響以及解決微細粉塵的收集等嚴重制約粉塵排放控制的突出問題而展開的，要滿足更嚴的排放標準，大力發展和綜合應用電除塵新技術是治理PM2.5最佳的現實選擇。

（1）濕式電除塵器

濕式電除塵器（WESP）擁有捕集微細粉塵的功能，對微細、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，這是由于被捕集的粉塵和水之間有黏著力的結果。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、促進冷凝，也能對酸霧進行捕集[5]。因此，濕式電除塵器可有效去除SO3、重金屬、細顆粒粉塵、細小液滴等，去除效率可達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結合（見圖3），用于捕集脫硫凈化濕煙氣中的細粉塵、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；據此提出了薄膜濕式靜電除塵技術，利用薄膜取代了傳統的金屬集塵電極，使濕式電除塵器在處理高比電阻微細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境中金屬極板被腐蝕的難題。同時，WESP系統的投資和運行費用較高。

圖3 整體式WESP/WFGD系統

（2）低低溫電除塵器

在電除塵器上游設置熱回收裝置，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稱為低低溫電除塵技術。系統一般由2個主要設備組成，一是低溫換熱器、二是低低溫電除塵器。低低溫電除塵器的運行溫度為90℃～100℃，對任何灰質的粉塵，比電阻都在反電暈臨界值以內，不會發生反電暈。另外，煙氣溫度降低，煙氣流速也相應減小，在電除塵器內的停留時間增加，比集塵面積增加，除塵性能顯著提高，從而達到更嚴格的煙塵排放標準，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行在酸露點以下，但仍不會被結露腐蝕[6]。但采用低低溫電除塵技術，需要解決以下兩個問題：1）由于粉塵的比電阻降低，粉塵黏結力減小，為了防止二次揚塵，需要從振打方式和極板結構方面采取改進措施；2）含高濃度粉塵的原煙氣通過換熱器需要采取相適應的換熱器結構和清灰方式。

（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的刷子，當含塵煙氣通過粉塵捕集區時，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到形成反電暈的厚度時，就隨移動極板運行至沒有煙氣流通的灰斗內，被旋轉的清灰刷徹底清除，從而確保收塵極始終保持“清潔”的狀態[7]。由于清灰在無煙氣流通的灰斗內進行，從而消除了清灰的二次揚塵。這種新型電場的應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定，不會出現類似常規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。但該技術結構相對復雜，對制造、安裝工藝及維護要求較高。見圖4。

圖4 移動電極式電除塵器結構示意圖

（4）煙氣調質

煙氣調質系統是通過調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特性，提高電除塵效率的裝置。目前主要有水調質、SO3調質、NH3調質、SO3+NH3雙重調質、Na2CO3調質等，其中SO3調質是燃煤鍋爐應用最廣泛、最成熟可靠的技術，它可提高表面導電性，降低粉塵比電阻值[8]。煙氣調質技術的應用，徹底改變了傳統電除塵被動適應粉塵、工況參數的除塵技術模式，是電除塵技術的革命性革新。但要注意不是所有的工況都適合使用煙氣調質，也會受煙氣條件和粉塵性質的影響和制約，其對煤種、煙氣條件的適應性往往需經過理論分析后，再經試驗來確定。

（5）電除塵器電源新技術

電除塵器電源的新技術為電除塵技術提供了新的動力，為電除塵效率的提高及保證出口粉塵排放濃度≤30mg/m3提供了技術支持，其中高頻電源、三相電源等的應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，并具有優良的本體機械結構，所有的電源技術在本體基礎上才能發揮電源應有的作用。

4 結語

大氣顆粒物尤其是細顆粒物PM2.5對人體健康以及環境會產生很大的危害。目前，電廠和工業窯爐均采用了較為先進的除塵設備和濕法煙氣脫硫設施，這些措施對于煙塵中粗顆粒物的去除效果很好，但對細粒子的脫除效果則不盡人意，因此應根據實際情況，在現有的除塵設施的基礎上，采用更為先進的混合除塵技術或電除塵新技術，并且鑒于細顆粒物難以有效脫除，在傳統的除塵設施前采用團聚預處理技術使之成為較大顆粒物加以脫除將成為除塵技術的發展趨勢。超細顆粒物控制技術的研究與應用對于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