工業煙塵廢氣中PM2.5的除塵技術概述

(大連市環境監測中心，遼寧 116023)

1 引 言

近年來，我國很多城市及其周邊地區灰霾頻發。2013年1月29日環境保護部通報，我國中東部地區受灰霾天氣影響，多個城市空氣質量重度污染或嚴重污染，全國灰霾面積約130萬平方公里。目前灰霾已成為困擾居民生產以及生活的重大大氣環境問題。

灰霾是一種天氣現象，是指大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10千米的空氣混濁現象。而大氣能見度的降低，主要是顆粒物對光的吸收和散射造成的。在顆粒物粒子中，PM2.5的消光作用最強。很多科學研究表明，PM2.5是引發城市大氣酸雨、光化學煙霧和灰霾的重要因素，對人體健康會產生嚴重危害，對氣候會產生重要影響。

2 除塵設備技術特點分析

2.1 PM2.5來源

經研究發現，PM2.5主要來源于工業部門煤炭燃燒產生的煙塵廢氣、機動車排放的尾氣、金屬冶煉過程中金屬蒸汽的冷凝聚結等[1]。隨著空氣污染問題日益突出，世界各國高度重視，并相繼研究和開發出了PM2.5的檢測設備、測試系統和控制技術。我國在這方面雖然起步較晚，但也出臺了相應的政策，采取了控制大氣環境污染的多項措施，修改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年初將PM2.5也納入環境空氣質量監測項目中，目前全國有74個城市實時發布PM2.5的監測結果。

隨著工業的高速發展，能源的消耗，越來越多的煙塵廢氣排放到大氣中。工業煙氣中的粉塵顆粒物的控制主要是通過除塵設備來實現的，見圖1。常規的除塵設備對于粒徑小于2.5微米的細顆粒(PM2.5)不能有效捕集，因此在沒有新的高效收集PM2.5的技術情況下，就必須進一步提高現有除塵器的除塵效率，相應減少PM2.5的排放。

圖1 工業生產流程中的粉塵控制

2.2 常規除塵設備

2.2.1布袋式除塵器

布袋式除塵器是一種干式濾塵裝置。濾袋采用紡織的濾布或非紡織的氈制成，利用纖維織物的過濾作用對含塵氣體進行過濾。當含塵氣體進入袋式除塵器地，顆粒大、比重大的粉塵，由于重力的作用沉降下來，落入灰斗，含有較細小粉塵的氣體在通過濾料的孔隙時，粉塵被阻留，使氣體得到凈化。沉積在濾料上的粉塵，可在機械振動的作用下從濾料表面脫落，落入灰斗中，見圖2。

圖2 布袋式除塵器工作原理

優點：去除大顆粒粉塵效率高，一般在99%以上；結構簡單，維護操作方便，造價低廉；對粉塵特性不敏感，不受粉塵及電阻影響。缺點：大多數濾料的材質都是易燃燒、磨擦易產生積聚靜電的，在處理燃燒氣體或高溫氣體時，常常有未完全燃燒的粉塵、火星、有燃燒和爆炸性氣體等進入系統之中，存在著發生燃燒、爆炸事故的危害；對去除PM2.5(細顆粒物)效果不明顯。

2.2.2旋風式除塵器

旋風除塵器是利用旋轉氣流所產生的離心力，將塵粒從含塵氣體中分離出來的除塵裝置。當含塵氣體由進氣口進入旋風除塵器時，氣流由直線運動變為圓周運動，旋轉氣流的絕大部分沿除塵器內壁呈螺旋形向下，朝向錐體流動，通常稱此為外旋氣流。含塵氣體在旋轉過程中產生離心力，將相對密度大于氣體的粉塵粒子甩向除塵器壁面。粉塵粒子一旦與除塵器壁面接觸，便失去徑向慣性力而靠向下的動量和重力沿壁面落下，進入排灰口，見圖3。

圖3 旋風式除塵器工作原理

優點：結構簡單，體積較小，不需要特殊的附屬設備；造價較低，阻力中等；器內無運動部件，操作維修方便。缺點：捕集微粒小于5微米的顆粒物(細顆粒物)效率不高。

2.2.3 靜電式除塵器

靜電除塵器的工作原理是利用強電場電暈極放電電離氣體，使含塵空氣中的顆粒物在電場力的作用下與氣流分離，吸附到集塵極，達到凈化的目的。負極由金屬導線制成，叫電暈極。正極由金屬板制成，叫集塵極，見圖4。

圖4 靜電式除塵器工作原理

優點：阻力損失小，耗能相對較少；除塵效率高，處理煙氣量大，而且可用于煙氣溫度高，壓力大的場合。

缺點：對粉塵比電阻有一定要求。比電阻過低，塵粒難以保持在集塵電極上，致使其重返氣流。比電阻過高，到達集塵電極的塵粒電荷不易放出，在塵層之間形成電壓梯度會產生局部擊穿和放電現象。這些情況都會造成除塵效率下降[2]；一次投資較大，設備比較復雜，要求設備調運和安裝以及維護管理水平高。

2.3 常規除塵設備存在的問題

由于行業不同，生產工藝的不同，在生產過程中所產生的污染物的尺寸范圍很大，涵蓋了微米級到毫米級微粒，所以現有的新、老除塵設備很難達到新的排放標準。布袋式除塵器和旋風式在正常運行工況下除塵效率很高，但是對于粒徑為0.1～2.5微米的細粒子不能有效捕集，仍有高達10%左右的顆粒會離開除塵器排入大氣。靜電除塵器主要是靠電荷吸附顆粒物，從而達到除塵效果，但是粒徑在1微米附近的顆粒物處在場荷電和擴散荷電混合區，其荷電能力很差，從而難以去除[3]，這樣會導致一些細小顆粒進入大氣，其中影響最為嚴重的就是環境和健康問題[4]。

2.4 提高除塵器去除PM2.5的方法

就目前國內外研究情況來看，最有效的解決方法是使用混合除塵器、凝并等方式去除煙塵廢氣中的PM2.5。針對不同行業，不同工藝原理，不同污染成份，選擇不同的混合方式和凝并方式。

2.4.1 電袋式混合除塵器

電袋式除塵器的基本原理是基于靜電除塵技術-袋除塵技術相結合的混合型除塵器，使用高壓電極放電讓粉塵顆粒帶電，用濾袋代替收塵極板。

靜電-布袋串聯式：國外叫Compact Hybrid Particulate Collector緊縮混合型除塵器，就是在原有電除塵器后串聯一臺袋式除塵器，用來捕集電除塵器未能捕集的細顆粒物(粒徑小于2.5微米)。

靜電-布袋并聯式：國外叫Advanced Hybrid Particulate Collector先進混合型除塵器，是由一行電除塵器部件和一行濾袋相間排列而構成，濾袋在電除塵的粉塵收集板之間。

經過大量的中試和現場實驗證實這兩種除塵器技術已成熟可靠，對細顆粒物(粒徑小于2.5微米)的捕集效率達到99.9%以上[5]。

2.4.2 靜電旋風式混合除塵器

靜電旋風式除塵器的基本原理是以旋風除塵器外筒體作為集塵極，并在筒體內布置電暈極，由此在旋風除塵器中附加一個高壓靜電場，構成綜合離心分離和靜電分離作用的混合型除塵器。

2.4.3 濕式電除塵器的功能及特點

濕式電除塵器擁有捕集微細粉塵的功能，對細微、潮濕、黏性或者高比電阻粉塵的捕集效果都很理想。濕式電除塵器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。

濕式電除塵器收集粉塵的機理與干式電除塵器的機理一樣，差別是收集粉塵后的清灰方式：干式電除塵器是通過錘擊振打清灰使粉塵脫離電極，而濕式電除塵器則是通過水沖洗電極使粉塵剝離。

由于清灰的方式不同，濕式電除塵器較干式電除塵器有一下優點：①收集粉塵不受粉塵比電阻的限制；②清灰時粉塵不產生二次揚塵；③對可吸入粉塵(PM2.5)顆粒的去除效率很高；④沒有運轉部件，設備可靠性高。

2.4.4 凝并器

微細顆粒物通過不同的方式相對運動，彼此間發生碰撞接觸結合成為較大顆粒的過程成為凝并。在一些特點條件下，凝并對除塵設備有著重要的意義，因為小顆粒凝并成大顆粒后，更容易被除塵器捕集，可以節省能源，也可以減少設備的投資。凝并技術有機械、化學、聲學和靜電技術，其中靜電凝并已取得實用成果[6]。

3 結 論

近十年來，隨著我國工業化和城鎮化進程的加快，煙粉塵排放量不斷增長，我國的顆粒物污染問題日益凸顯，受影響范圍和污染程度逐漸擴大，大氣環境形勢不容樂觀。如何有效控制顆粒物排放、推動空氣質量顯著改善是我國亟待突破的環境問題，除了做好頂層政策設計、制定科學的控制路線圖外，選擇有效的技術手段尤為關鍵，是推動顆粒物污染治理有效開展的重要的不可或缺的途徑。本文通過對不同的常規除塵設備的工作原理以及除塵性能進行研究，重點分析了電袋式混合除塵器、靜電旋風式混合除塵器以及濕式電除塵器三種混合除塵器的技術特點，指出混合除塵器和凝并器能有效提高除塵器去除PM2.5的效率，以期為我國工業領域顆粒物防治提供技術參考。

研究表明，從我國目前大氣顆粒物污染防治要求和工業煙塵污染態勢看，常規除塵器已不能滿足新的排放標準要求。通過對國內外研究情況分析，針對不同行業使用不同的混合除塵器或凝并方式是提高去除工業煙塵廢氣中PM2.5效率的最有效的解決方法，對在工業領域有效減少大氣污染具有重要意義。

參考文獻：

[1]尚偉，黃超，王菲.超細顆粒物PM2.5控制技術綜述.環境科技，2008，12.

[2]David J.Bayless.Kinetics of low-temperature homogenous SO3formation for use in flue gas conditioning for improved electrostatic precipitator performance [C]/ /Proceedings of the Combustion Institute.2000，28：2499-2505.

[3]MCELROY M W，CARR R C，ENSOR D S，et al.Size distribution of fine coal combustion [J].AAAs Sci，1982(4528)：13-19.

[4]趙爽.電凝并脫除可吸入顆粒物的實驗研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[5]尹曉萍，徐平安.國外電袋混合除塵器技術的發展及現狀.中國硅酸鹽學會環境保護分會學術年會論文集[R]，2009.

[6]向曉東.電凝并理論及在除塵應用中的新進展[J].通風除塵，1994，(4)：28-42