細顆粒物控制技術現狀研究

文_齊叢亮 吳傲立 尤勝勝 李玉 沈曉玲 孫彬彬 馮麗華

1.江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司 2.江蘇中海華核環保有限公司

隨著以能源消耗為主的現代工業的迅猛發展，我國的大氣污染問題日益嚴重，許多地區出現灰霾天氣。研究表明，細顆粒物是灰霾的核心污染物，細顆粒物又稱可吸入肺顆粒物、PM2.5，是指空氣動力學直徑小于或等于2.5μm的顆粒物總和。細顆粒物是灰霾污染的核心污染物，因此成為大氣污染防治的重點。

目前，傳統細顆粒物控制技術主要包括靜電除塵技術和袋式除塵技術兩種，與傳統的控制技術相比，一些新興的控制技術如電凝并技術、新型袋式除塵技術、三維過濾技術、可再生控制技術等在細顆粒物的高效捕集上表現出更好的應用前景。

1 傳統細顆粒物控制技術

1.1 靜電除塵技術

靜電除塵技術是利用氣體分子在高壓靜電場中電離出正、負電荷，使粉塵荷電最終吸附在高壓靜電場的陽極板上得到收集的處理技術。靜電除塵器在正常工況下運行除塵效率高，但是對于細顆粒物來說，仍有15%以上的顆粒會離開除塵器排入大氣且對于1μm附近的顆粒物的去除效果較差。這是因為靜電除塵技術主要是靠顆粒荷電被吸附脫除，而1μm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，難以被去除。此外，靜電除塵技術易產生臭氧，在實際應用過程中備受爭議。

為此，可以通過以下兩種方法進行改善：

①通過增大收塵器的體積，增大板間距或利用脈沖電壓來改善電除塵器的供電條件，提供高強度的電暈電場強制粒子電荷。

②通過預荷電的方法，荷電后的顆粒能夠通過顆粒間的慣性碰撞、顆粒擴散、空間電荷力、顆粒間的異極性吸引、顆粒間或顆粒與壁面的向力作用，使微細粒子凝并成較粗的粒子后加以去除。

1.2 袋式除塵技術

袋式除塵是目前使用較為廣泛的除塵技術，主要通過篩分、慣性沖撞、粘附、擴散和靜電等作用使含塵氣體中的固體顆粒物分離。袋式除塵技術具有運行穩定、氣體處理量大，對亞微米級粉塵顆粒收集效果好等優點。然而，袋式除塵技術所使用的編制或氈織的濾布使用壽命較短，在處理含有水分的廢氣時會導致濾袋粘結、堵塞。另外，其承受溫度的能力也有限，限制了袋式除塵在工業上的實際應用。對于袋式除塵技術現有的不足，開發新型的高效過濾材料，或將其他除塵技術與袋式除塵技術相結合，備受人們的關注。

2 新型超細顆粒物控制技術

2.1 電凝并技術

細顆粒物的凝并技術主要包括聲凝并、電凝并、磁凝并、熱凝并和化學凝并等，其中最為常用的是電凝并技術。

電凝并技術主要是通過提高顆粒帶電量，使荷電顆粒以電泳方式到達大顆粒表面，提高顆粒間的有效碰撞。其核心是確定電凝并系數（即兩顆粒物單位時間、單位體積和單位濃度下的碰撞次數）的大小，盡可能地提高超細塵粒的電凝并速度，使超細塵粒在較短的時間內盡可能地凝并而增大粒徑，從而被高效捕集。

近年來的實驗研究表明，在直流、交變電場中的同極性、異極性離子對煙塵具有荷電凝并作用。然而實際應用中的電除塵器的煙塵預荷電裝置大多是電除塵器稍加改進而成，并沒有從根本上解決煙塵荷電凝并與電除塵器體積龐大的問題，而且局限于簡單流動，未考慮在復雜湍流情況下的雙極凝并現象。因此，對細粒子的控制中的電凝并技術，無論是原理還是實驗上都需要進一步的研究改進。

2.2 新型袋式除塵技術

袋式除塵技術的關鍵就在于濾料的選擇，所使用的濾料需要具備如下要求：①容塵量大、吸濕性小，阻力小；②使用壽命長，耐高溫、耐磨、耐腐蝕。

目前，常用的濾料種類較多，按照材質可分為天然纖維、無機纖維和合成纖維。其中，天然纖維主要是棉毛織物，適用于無腐蝕性的氣體；無機纖維主要是指玻璃纖維，其化學性質穩定，能夠耐高溫；合成纖維的性能各異，可以滿足不同的需要，擴大了除塵技術的應用領域。

新型袋式除塵技術最主要的改進是開發耐腐蝕、耐高溫的新型濾料，經研究發現，采用復合濾料和后處理工藝能顯著加強濾料的耐腐蝕性。目前，復合型濾料已在水泥、天然氣、化工等行業成功應用。

耐高溫的濾料種類也已經趨于多樣化，由于純高溫纖維濾料的生產成本較高，目前主要采用既能發揮進口耐高溫纖維的特性，又能降低成本的新型耐高溫針刺復合濾料的方法，開發出了耐高溫復合濾料系列產品。新型袋式除塵技術在凈化180～280℃的氣體時具有很高的去除效率，但是對更高溫度范圍的含塵氣體處理能力有限。

此外，將袋式除塵技術與靜電除塵技術相結合，也可提高對PM2.5顆粒的捕集效率，降低運行成本。然而，在應用過程中也存在一定的弊端，靜電除塵部分會產生一定量的臭氧，對袋式除塵濾袋有一定的腐蝕作用，減少了濾袋的使用壽命，限制了其在顆粒物捕集方面的實際應用。

2.3 三維過濾技術

傳統的室內空氣顆粒物控制技術所使用的過濾材料存在運行風阻較大、能耗高等問題，因此，亟須開發一種新型的高效過濾材料。三維過濾芯材料是目前新風系統市場上最先進、最有效的過濾材料之一，它能夠有效過濾空氣中的細顆粒物。

與傳統的袋式或濾網過濾材料相比，三維濾纖濾芯具有諸多的優點。首先，與傳統的袋式或濾網過濾所采用的阻擋顆粒物的過濾方式不同，三維濾纖濾芯能夠沿纖維的全長對顆粒物進行分離過濾，主要利用靜電作用完成吸附，因此也不會出現傳統袋式或濾網過濾的堵塞問題；其次，三維濾纖濾芯的纖維可以產生靜電，能夠吸附無論是正電荷、負電荷還是零電荷的各種類型的顆粒物，擴大了設備的使用范圍，使設備更具有實用性；最后，即使是在室外空氣污染較嚴重的地方，三維濾纖濾芯仍然具有較長的生命周期，最長可達到2年更換一次（具體更換時間以當地室外環境為準），并且在整個的使用周期中，設備的風阻非常低，這也大大減少了設備的使用能耗。

由瑞典研發的Flimmer-fiter濾纖濾芯是世界上第一個采用三維技術的過濾裝置，它具有非常高的過濾分離能力，被稱為“智能化”過濾，可以從根本上避免室外污染對室內空氣質量的影響。根據相關的試驗表明，Flimmer三維濾纖濾芯的過濾效率達到歐標F7級，可以過濾0.1μm以上的細菌和微塵。此外，經過中國疾病防控中心檢測的相關數據結果顯示，Flimmer三維濾纖濾芯對PM2.5的過濾效率可以達到81.3%，是目前經權威部門鑒證的最有效過濾PM2.5的方式之一。

2.4 可再生控制技術

目前，國內市場上廣泛使用的袋式等除塵裝置中的過濾材料在一定時間后會達到飽和，需要對其進行定期的更換以保證除塵效率，這就增加了設備的使用成本。因此，細顆粒物的可再生控制技術引起了人們的廣泛關注。可再生控制技術能夠增加除塵裝置的容塵量，減少設備的運行成本，具有良好的市場前景。

苗雷等發明了一種顆粒物捕集器的再生控制方法和裝置，在顆粒物捕集器中的碳載量在預設范圍內且氣體溫度大于預設溫度的情況下，觸發顆粒物捕集器的被動再生，通過被動再生與主動再生相結合，從而實現能耗的降低。劉屹等發明了一種主動再生式顆粒捕集再生控制軟件系統，包括電源處理模塊、信號采集模塊、驅動控制模塊、串口通訊模塊和系統顯示模塊，通過這個系統設置使得顆粒物的控制實現智能化，并且能夠提高顆粒物的捕集效率。

超細顆粒物可再生控制技術可以實現顆粒物捕集的自動化處理，可以解決傳統除塵裝置存在的濾布定期更換的問題，滿足工業除塵的實際需要，成為了當下細顆粒物控制技術的研究熱點。

3 結語

傳統的除塵技術在使用過程中出現了諸多問題，迫使人們著力研究各種新技術，以滿足當下實際生產生活的需要。本論文中所涉及到的電凝并技術、新型袋式除塵技術、三維過濾技術以及可再生控制技術都是潛在的高效捕集超細顆粒物的除塵技術，特別是三維過濾及可再生控制技術，都是當下研究的熱點技術，但也仍然存在一些需要解決的問題。