我國超細顆粒物PM2.5團聚技術研究進展

張衛風，廖春玲

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

隨著我國城市建設的繁榮發展，大氣污染成為越來越突出的問題，其最主要的污染物之一就是PM2.5。PM2.5是指懸浮在空氣中，空氣動力學直徑≤2.5 μm的顆粒物，直徑還不到人的頭發絲直徑的1/20［1］。其主要來源是汽車尾氣排放、鍋爐燃燒、廢棄物焚燒、露天燒烤、秸稈和柴草焚燒產生的一次顆粒物及其在大氣中經過光化學反應形成的二次顆粒物和工業生產產生的顆粒物、建筑塵、煙草燃燒等［2-3］。

PM2.5可導致霧霾天氣、降低能見度、影響交通和氣候，由于其體積小、重量輕，比表面積大，在空氣中滯留時間長，極易富集空氣中的重金屬、酸性氧化物和有機污染物等有毒有害物質，一旦被吸入體內，則引發與呼吸系統、心血管系統和中樞神經系統有關的疾病［4］。

目前國內除塵傳統采用的設備主要是電除塵器和袋式除塵器，在容量超過500 MW的鍋爐中，電除塵器和袋式除塵器的脫除效率分別為96.75%～99.16%和99.72%［5］。在工業生產過程當中產生的粉塵顆粒物的尺寸范圍很大，包括了從亞微米的分子簇到毫米級微粒，在正常運行工況下電除塵器對于超細顆粒物的脫除效果不夠理想，仍有高達15%的顆粒排入大氣中［6］。雖然袋式除塵器的脫除效率高于電除塵器，但仍無法滿足PM2.5的脫除效率應高于99.9%的要求［7］。由于除塵后工業排放的大部分顆粒物的粒徑都小于2.5 μm［8］，因此在傳統的電除塵器和布袋除塵器前的增設預處理階段，通過團聚技術使PM2.5顆粒物團聚成較大顆粒物后加以清除，進而提高PM2.5的去除率，是當前PM2.5控制技術的發展趨勢之一。

1 團聚技術

利用化學或物理方法使顆粒物發生相互碰撞并形成粒徑更大的顆粒物的過程稱為團聚。團聚技術主要包括聲團聚技術、磁團聚技術、熱團聚技術、光團聚技術、化學團聚技術、湍流團聚技術、電團聚技術、蒸汽相變團聚技術等。顆粒物團聚前后微觀形貌的變化如圖1所示［8］。

1.1 聲團聚技術

圖1 顆粒物團聚前后微觀形貌Fig.1 Microstructure before and after the particles agglomeration

聲團聚技術是通過高強度聲場使氣溶膠中的微米和亞微米顆粒物發生相對運動，增加碰撞頻率，使細顆粒物的粒徑在很短的時間內從小尺寸向大尺寸范圍演變的技術。Medinikov［9］較早就對聲團聚技術進行了完整的研究。Gallego等［10］在流化床燃煤鍋爐和靜電除塵器之間安裝聲團聚裝置，研究發現顆粒數相對于不采用聲團聚時要減少37%～40%。徐鴻等［11］研究指出在1.72 kHz聲波頻率、140 dB聲強作用下，PM2.5可減少52%～63.6%，PM10減少35.6%～53.3%。孫德帥等［12］在中等強度駐波聲場中，對燃煤中的可吸入顆粒物進行了團聚清除試驗研究，結果表明顆粒粒徑影響聲波團聚過程，直徑小于1.1 μm與4.7～10 μm范圍的顆粒的清除效率遠遠高于1.1～4.7 μm范圍顆粒的清除效率。張明俊等［13］研究了聲團聚數值模擬的區域算法、矩量法和蒙特卡羅方法，認為對聲團聚過程進行可視化數值模擬將會是今后聲團聚數值模擬研究的重要發展方向。

國內對聲團聚技術的大量研究表明，該技術對于細顆粒粉塵的收集非常有效，但是由于聲波發生裝置能耗較高，同時還會產生大分貝噪聲，造成噪聲污染，并且實驗室中研究結果難以直接應用，導致目前能夠真正應用實際工程中的幾乎沒有。因此，如何產生低成本的有效聲場，并避免噪聲污染，是聲波凝聚技術得以應用的重要研究課題［14］。

1.2 磁團聚技術

磁團聚就是磁性或弱磁性顆粒經磁場作用后，帶有磁性的顆粒發生相對運動而相互碰撞接觸、團聚和顆粒尺寸變大的技術。何葉青等［15］研究了Nd-Fe-B（釹鐵硼）磁粉顆粒的磁團聚，發現顆粒的間距越小則磁團聚的作用越明顯。韓松等［16］研究表明在燃煤電廠鍋爐帶有弱磁性的飛灰中，顆粒物粒徑越小則磁團聚現象越明顯，對于PM2.5的脫除效果就越明顯。李永旺等［17］通過實驗研究了粒徑大小、顆粒質量濃度、外磁場強度以及顆粒在磁場中的停留時間對團聚脫除效率的影響，結果表明增大質量濃度粒子、增大磁感應強度和延長粒子在磁場中停留時間，可以提高飛灰粒子的團聚脫除效率；當飛灰粒子達到飽和磁化時，則團聚脫除效率不再隨磁場強度的增大而發生變化。

磁團聚技術對亞微細顆粒的除塵效率是很高的，當前的問題主要是如何實現高效捕捉弱磁性顆粒和清理裝置表面吸附的顆粒。這些問題極大限制了磁團聚技術的實際應用。

1.3 熱團聚技術

熱團聚又稱為熱擴散聚并，是指含超細顆粒物的氣固兩相流流經存在溫度場的流道，使顆粒物受熱泳力作用向冷壁面運動，并在冷壁面上發生沉積團聚的技術。流場環境中的溫度越高，顆粒物的布朗運動會越快，布朗力作用效果就越顯著，就越有利于細顆粒物的團聚。Lind等［18］在滴管爐內進行了燃燒實驗，研究了初始溫度氧氣濃度對燃煤飛灰顆粒熱團聚效果的影響，結果表明：當氧氣濃度為15%時，燃燒溫度較高，顆粒發生團聚，產生的顆粒團粒徑較大。許世森［19］研究了細微塵粒的預團聚對旋風分離器高溫除塵性能影響，結果發現在高溫條件下，細顆粒物的預團聚可提高裝置的除塵效率。楊瑞昌等［20］提出了PM2.5顆粒在溫度場內沉積效率的經驗公式。

在目前研究中，熱團聚的團聚過程十分緩慢，而且熱團聚的最佳沉積效率最高只能達到30%，目前要推廣應用還比較困難。

1.4 光團聚技術

光團聚是指利用激光輻射原理促進細顆粒團聚的技術。Lushnikov等［21］通過機理分析認為細顆粒光凝聚過程為：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。Di等［22］研究改變激光傳播的折射角、光的強度變化等多種參數對顆粒數目、粒徑和形態的影響，結果發現細小顆粒物粘結成緊促凝聚結構，并呈現出各種不規則片狀結構。目前光凝聚技術投資成本較高，技術尚不夠成熟，仍處于研究階段。

1.5 化學團聚技術

化學團聚技術是使用各種吸附劑通過化學反應促使細顆粒凝聚變大的技術。對于燃煤鍋爐飛灰，可以分為燃燒中凝聚和燃燒后凝聚，前者是指在爐膛內噴入凝聚劑或直接在煤粉中混入固態凝聚劑，后者是指在電除塵器入口處噴入凝聚劑［14］。Zhuang等［23］通過試驗研究發現燃燒時加入吸附劑、煙道內加入粘結劑可以有效促進細顆粒的凝聚。Mao 等［24］對SO2和促進細顆粒物團聚長大綜合協同脫除進行了理論分析。Rajniak等［25］研究不同密度、黏度、液滴大小的團聚促進劑對顆粒物團聚效果的影響，得到了顆粒物團聚與團聚促進劑濃度的關系。趙永椿等［26-29］利用由SiO2細顆粒（平均粒徑0.10 μm）與預熱空氣配成的模擬煙氣，研究了團聚促進劑溶液濃度、pH值和細顆粒物濃度以及團聚室溫度等因素對顆粒物團聚效果的影響，結果表明化學團聚對超細顆粒物的脫除效果顯著，噴入團聚促進劑的煙塵排放濃度遠比無團聚的情況要低。劉加勛等［30］基于快速沉降理論，提出了一種燃煤細顆粒化學凝聚模型。董勇等［31］研究發現在流態化脫硫塔中加入團聚促進劑，可顯著提高脫硫灰對細顆粒物的團聚效果。趙汶等［32］研究了在添加團聚促進劑前后，細顆粒物濃度及其粒度分布的變化，結果表明化學團聚技術有效促進顆粒物團聚。

化學凝聚技術不僅對細顆粒脫除效果顯著，還可以實現多種污染物同時脫除，具有較好的商業前景，但廉價實用的高效化學團聚促進劑很難獲得，對于煙氣量大的情況還須添加大量的吸附劑，增加運行成本。另外，燃燒中噴入團聚劑還會影響鍋爐的熱效率及其運行，同時化學凝聚還可能造成二次污染。因此研究高效的團聚劑是今后研究的趨勢。

1.6 湍流團聚技術

湍流團聚技術是指顆粒物在湍流流場中運動時，不同粒徑的顆粒隨流場運動，顆粒之間發生碰撞、團聚的技術。許世森［33］研究發現在湍流場中熱團聚、梯度團聚和湍流團聚同時存在的現象，隨著細顆粒物的粒徑增大，3種團聚作用依次增強，湍流脈動速度對于粒徑較小的顆粒團聚效果顯著。魏鳳等［28］研究表明湍流場中熱團聚、梯度團聚和湍流團聚共存，并且顆粒物的粒徑越大，團聚作用就越強。劉忠等［34-35］利用數值方法模擬了細顆粒物在湍流場中的運動軌跡及團聚效果，結果表明：流場流速越大，顆粒受到湍流擾動的影響就越大，湍流團聚的效率就越高；湍流場中熱團聚、布朗團聚和湍流團聚同時存在，但湍流團聚發揮主要作用，布朗團聚和熱團聚的作用可以忽略。

由于我國湍流團聚技術起步較晚和湍流本身的復雜性，目前，我國湍流團聚的研究主要在理論和數值模擬方面。我國單獨使用湍流團聚技術脫除細顆粒并未見工業應用的報道，目前主要將該技術作為一種輔助設備，同其他團聚技術相結合使用，因而湍流團聚技術在國內進行大規模推廣應用任重而道遠。

1.7 電團聚技術

電團聚技術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，從而增強顆粒間團聚的技術。近年來，電團聚技術發展較快，應用結果表明，使用電團聚技術的電除塵器去除可吸入顆粒物的效果可提高30%～40%［36］。

目前，電團聚技術廣泛應用在4個方面：異極性荷電粉塵的庫侖團聚、同極性荷電粉塵在交變電場中的團聚、異極性荷電粉塵在交變電場中的團聚和異極性荷電粉塵在直流電場中的團聚。

Watanabe［37］在交變電場中采用三區式靜電團聚除塵器對同極性顆粒進行了實驗研究，當頻率在5 Hz區域上下浮動時，0.06～12 μm范圍內的除塵效率由常規的電除塵器的95%提高到98%。羅果萍等［38］建立了亞微米粒子電團聚過程的分形生長數學模型，對亞微米塵粒電團聚進行了分形研究。趙爽等［39］進行了電團聚脫除可吸入顆粒物的試驗研究，結果表明，在0.5～1.0 μm粒徑段的細顆粒物的團聚效率遠遠高于相同工況下其他粒徑的顆粒。陳旺生等［40］發現當離子風速度為2 m·s-1左右，偶極荷電靜電除塵器對細顆粒物的除塵效率遠高于普通的靜電除塵器。劉道清等［41］提出了一體式雙極荷電團聚方法，由于在整個電場長度上均產生荷電與團聚效應，該團聚方法團聚效果顯著。

在多種團聚技術中，電團聚是最可行的團聚方式，將其和靜電除塵器結合可顯著提高PM2.5的脫除效果，在工業應用上具有很大的潛力。國內某公司自主研發雙極荷電團聚技術，利用該技術和電除塵器結合對煙氣量25 000 m3·h-1、入口煙塵濃度為10.4 g·m-3的工況進行實驗，結果顯示PM2.5的質量濃度下降了15.9%，數量濃度下降了20.8%［42］。

1.8 蒸汽相變團聚技術

蒸汽相變團聚是指在過飽和蒸汽環境中，蒸汽以PM2.5固體顆粒為凝結核發生相變凝結，并在熱泳力和擴散泳力作用下促使顆粒遷移運動，相互碰撞接觸，從而使PM2.5顆粒凝并長大的技術。早在1951年，Schauer［43］研究發現利用蒸汽可顯著提高文丘里洗滌器對超細顆粒物的脫除效率。Bologa［44］等采用蒸汽相變團聚結合靜電除塵器技術，對平均粒徑為66 mm、濃度35～55 g·m-3的顆粒進行脫除研究，結果表明脫除效率可達到90%～95%。楊林軍等［45-48］根據濕法脫硫塔內煙氣的高濕特性與蒸汽相變促進PM2.5凝結長大的原理，提出了利用蒸汽相變團聚技術促使PM2.5長大并高效脫除PM2.5的控制新方法，并且建立了相應的實驗裝置，系統地研究了在不同操作條件下PM2.5的脫除效率，結果發現隨著煙氣過飽和度的升高、除霧器效率的提高和顆粒數量濃度的減小，蒸汽相變促進細顆粒物脫除作用增強。凡鳳仙等［49］通過理論分析發現蒸汽相變凝結后的顆粒粒徑趨于一致，初始顆粒物的粒徑分布（粒度、分散度）對顆粒增長的宏觀效果影響很小。對于濕法脫硫工藝、半干半濕法脫硫工藝、濕式除塵工藝，由于這些工藝均需噴水或添加蒸汽，因而可以和蒸汽相變團聚技術相結合，提高這些工藝在應用中的經濟優勢。

2 各類團聚技術的比較

各類團聚技術的比較見表1。

表1 各類團聚技術情況Tab.1 Different agglomeration technologies

3 結語與展望

超細顆粒物PM2.5對人體健康以及環境造成極大的危害，PM2.5團聚技術可以有效地促使顆粒物團聚變大從而被現有的除塵設備加以去除，進而提高除塵效率，減少PM2.5的排放，減輕對環境的污染。目前雖然我國超細顆粒物PM2.5團聚技術的相關研究取得了一定的研究進展，但尚存在一些問題有待進一步研究，為此筆者提出以下幾點建議：

1）PM2.5團聚機理以及相關影響因素的研究。國內目前的研究多集中在利用各類團聚技術提高脫除細顆粒效率方面，由于PM2.5的微觀性和復雜性，相關的團聚控制機理研究較弱，不確定因素較多，制約著PM2.5團聚技術的發展。因此應進一步通過試驗深入研究PM2.5團聚機理以及相關影響因素，并積極探討團聚技術有關的研究思路和方法，從而有效控制PM2.5的排放。

2）PM2.5團聚技術工程應用方面的研究。團聚技術工程應用價值在于將PM2.5進行團聚的同時，除塵系統運行安全穩定，也在于一次性投資和運行成本。如對于聲團聚技術，如何產生低成本的穩定有效聲場，使聲團聚技術得以應用；在磁團聚技術中如何高效捕捉弱磁性顆粒和清理裝置表面吸附的顆粒物將是未來研究的方向；在熱團聚技術中如何縮短熱團聚過程將大幅度提高熱團聚技術的最佳沉積效率；在化學團聚中研究高效的化學團聚劑是化學團聚技術未來的重要研究方向之一。

3）PM2.5團聚技術應用中如何防止二次污染問題的研究。團聚技術的研發主要是為了提高除塵器中PM2.5的去除率，如果在團聚的過程中出現二次污染，如聲團聚技術中的噪聲污染，化學團聚中添加的團聚促進劑可能造成的污染等，將大大影響該技術的應用。因此PM2.5團聚技術的二次污染預防問題也將是未來研究的方向之一。

4）PM2.5團聚技術之間相互結合的混合團聚技術研究。不同的團聚技術都有其自身的優缺點，有些團聚技術由于其缺點已經很大程度影響該技術的研究發展，如果將其與其他團聚技術結合，取長補短，從而高效經濟的去除PM2.5是未來團聚技術的重要方向之一。雙極荷電湍流團聚技術就是有效的例證，該技術有效結合了雙極電團聚技術和湍流團聚技術，研究技術成熟，運行可靠，PM2.5團聚效果顯著，在工程應用中具有巨大潛力。

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