燃煤电站污染物控制设施增强PM2.5脱除的方法

刘 勇，杨林军，赵 汶

（东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096）

大气中空气动力学直径小于2.5μm的细颗粒物（PM2.5）污染，是导致大气能见度降低、灰霾天气和全球气候变化等重大环境问题的重要因素。由于PM2.5比表面积大，易富集各种重金属及化学致癌物质，从而对人体健康造成严重危害。

目前，PM2.5污染已成为我国突出的大气环境问题，其中，燃煤电站是引起我国大气环境中PM2.5含量增加的主要原因之一。我国大中型燃煤电站采用的烟气治理流程大多为烟气经SCR脱硝、电除尘后进入湿法烟气脱硫（WFGD）系统，最后经烟囱排入大气环境。除SCR脱硝外，电除尘、WFGD等现有污染物控制设施本身具有脱除颗粒物的功效，如电除尘器的总除尘效率可达99%以上，但对PM2.5的捕集效果不佳。由于脱硫浆液的洗涤作用，WFGD系统可协同脱除烟气中的粗粉尘，但PM2.5反而有所增加[1、2]。因此，对现有污染物控制设施进行过程优化以及利用电、声、化学、水汽相变等外场作用以提高其对细颗粒物的脱除效果是近期控制PM2.5的重要技术发展方向[3]。

1 利用外场作用增强PM2.5的脱除

粒径过小是导致现有污染物控制设施对PM2.5捕集效果不佳的主要因素。因此，利用电、声、化学、水汽相变等外场作用，使PM2.5通过物理或化学作用长大成较大颗粒后再加以脱除是增强现有污染物控制设施脱除PM2.5的重要技术途径[3]。

1.1 声波团聚技术

声波团聚主要是利用高强度声场对不同大小颗粒夹带程度的不同，使大小不同的颗粒物发生相对运动进而提高它们的碰撞团聚速率，实现颗粒物团长大。通常，按所用声源频率及有无外加种子颗粒可分为3类：1）低频声波团聚：主要以电声喇叭、汽笛等为声源，频率大多≤6kHz；2）高频声波团聚：主要以压电陶瓷换能器为声源，频率≥10kHz；3）双模态声波团聚：团聚室内加入一定浓度、适当大小（约几十微米）的种子颗粒，利用种子颗粒几乎不发生声波夹带与细颗粒的充分夹带，进而提高碰撞团聚效率。

有关声波团聚技术的研究已有较长历史，其中国外以美国宾夕法尼亚州大学及西班牙马德里声学所所作的工作最具代表性。前者主要针对频率≤6kHz的低频声波团聚技术，涉及声波团聚的操作参数影响规律、团聚后微粒的坚固性、双模态团聚等方面的研究。西班牙马德里声学研究所主要针对高频声波团聚技术的研究，自20世纪70年代以来，一直致力于高频声源（频率10k～20kHz）的开发研制工作，并于20世纪 90年代进行了高频声波团聚微粒的中试研究[4]。国内的东南大学、浙江大学、清华大学等单位也均做过相关研究，但目前声波团聚技术仍基本处于试验研究阶段，未见工业应用，这与以下两方面因素有关：1）已有研究主要集中于声波团聚操作参数影响等宏观特性的研究，缺乏深层次的理论探究；2）缺乏适宜在高温烟尘环境下可长期稳定运行的声源且能耗偏高，也是制约该技术发展的重要原因。

1.2 电凝并技术

电凝并是通过提高细颗粒物的荷电能力，促进细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量，从而增强颗粒间的凝并效应。电凝并的效果取决于粒子的浓度、粒径、电荷的分布以及外电场的强弱，不同粒子的不同运动速率和方向导致了细颗粒物间的碰撞和凝并。20世纪90年代，Watanabe等[5]提出的同极性荷电粉尘在交变电场中凝并的三区式静电凝并除尘器引起了除尘领域的广泛关注。目前，电凝并研究主要可概括为四方面：1）异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并；2）同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并；3）异极性荷电粉尘在直流电场中的凝并；4）异极性荷电粉尘的库仑凝并。其中，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并被认为是电凝并除尘技术的主要发展方向。

电凝并是一种可使细颗粒长大的重要预处理手段，在声、磁、电、热、化学等多种外场促进技术中，电凝并被认为是最为可行的方式，将其和现有电除尘器结合可望显著提高对细颗粒物的脱除效果，具有重要的工业应用前景。

澳大利亚Indigo（因迪格）技术有限公司于2002年推出了Indigo凝聚器工业产品[6]，至2008年10月，Indigo凝聚器已经在澳大利亚、美国、中国等国家的8家电厂中使用，测试结果表明，PM2.5、PM1.0排放可分别减少80%、90%以上。但目前除了利用双级静电凝并技术的Indigo凝聚器有工程应用实例，以及浙江菲达公司与浙江大学于2012年5月在上海吴泾电厂投入工业化试验外，其他相关工程的实际应用报道较少，因而电凝并技术研究总体上还处于实验室研究阶段。

1.3 化学团聚技术

化学团聚是一种通过添加团聚剂（吸附剂、黏结剂）促进细颗粒物脱除的预处理方法。根据化学团聚剂加入位置的不同，又可分为燃烧中化学团聚和燃后区化学团聚，其中燃烧后化学团聚的技术原理如图1所示。该技术是通过向烟气中喷入少量团聚促进剂，利用絮凝作用增加细颗粒之间的液桥力和固桥力，促使细颗粒物团聚长大，进而提高后续现有常规除尘设备的脱除效率，具有改造简单、投资运行费用较低等特点。该技术与在电除尘器入口烟道喷NH3、SO3等物质的烟气调质措施有些相似，但后者主要用以降低粉尘比电阻，无法促使细颗粒物团聚长大。

图1 细微颗粒化学团聚长大原理示意

国内的华中科技大学、东南大学、哈尔滨工业大学及美国ADA-ES Inc公司开展过相关研究。华中科技大学赵永椿等[7]采用由SiO2细颗粒（平均粒径0.10μm）与预热空气配成的模拟烟气试验考察了团聚促进剂溶液pH值、浓度和团聚室温度及细颗粒浓度等因素对团聚效果的影响。东南大学杨林军等使用电称低压冲击器（ELPI）分析测试了团聚剂添加前后细颗粒物浓度及其粒度分布的变化；并采用燃煤热态试验系统，分别进行了在电除尘器、脱硫塔入口烟道喷入化学团聚剂促进电除尘器、WFGD系统脱除PM2.5的试验研究。结果表明：化学团聚技术可使PM2.5平均粒径增大约4倍，浓度降低40%以上，电除尘器、WFGD系统对PM2.5的脱除效率可分别提高约40%、30%。

1.4 水汽相变技术

在利用外场作用促进PM2.5的脱除中，基于过饱和水汽在微粒表面凝结特性的水汽相变技术是一种重要手段。其促进细颗粒长大的机理是：在过饱和水汽环境中，水汽以细颗粒为凝结核发生相变，并同时产生热泳和扩散泳作用，促使细颗粒迁移运动，相互碰撞接触，使颗粒质量增加、粒度增大；特别适合于烟气中水汽含量较高的过程。

利用水汽相变促进颗粒物脱除已有较久的研究历史，其中以美国Calvert等提出的流量力/冷凝洗涤器、德国Heidenreich等的多级填料塔串联工艺、我国东南大学的应用水汽相变促进WFGD系统脱除PM2.5最具代表性。东南大学杨林军等[8、9]针对湿法烟气脱硫过程中水汽含量较高的特点，分别开展了在脱硫塔入口烟气中添加适量蒸汽提高烟气含湿量，再利用烟气与脱硫液间的热质交换，使PM2.5发生凝结长大并由脱硫液捕集，以及在脱硫净烟气中添加适量蒸汽使PM2.5发生凝结长大并由高效除雾器捕集的研究（后者的技术原理如图2所示）。结果表明，脱硫洗涤过程中相变促进PM2.5脱除的效果与塔设备类型、空塔气速、塔进口气液温差等紧密相关，采用填料塔、旋流板塔等气液接触性能较好的塔设备，并取较低的空塔气速（≤2m/s）才有一定的效果。与之相比，由于燃煤烟气经湿法脱硫后已达到饱和状态，且烟温降至45℃～65℃，在脱硫净化湿烟气中添加蒸汽较易建立PM2.5凝结长大所需的过饱和水汽环境。该技术现已成功应用于某50×104Nm3/h规模的湿式氨法脱硫工业装置，可使PM2.5排放浓度降低30%～50%。

图2 水汽相变促进脱硫净烟气中细颗粒凝结长大的技术原理

2 高效除尘技术

利用高效除尘技术脱除PM2.5，主要包括电袋复合除尘器、湿式静电除尘器及新型电除尘器等。

2.1 电袋复合除尘器

电袋复合除尘器是一种新型除尘设备，其综合了静电除尘和袋除尘两种成熟的除尘技术特点。通常，常规电除尘器的第一电场除尘量大，能除去烟气中80%～90%的粉尘，剩下的10%～20%的粉尘则由剩余电场去除。电袋除尘器充分利用了电除尘器的这一特性，只采用第一电场，余下的细微粉尘由袋除尘脱除，使袋除尘单元的除尘负荷显著降低，这样一方面可以选择更高的过滤速度，并使除尘压降大大减小，同时，还发挥了袋除尘器对超细粉尘除尘效率高的特点，从而大大提高了对PM2.5的捕集效率。

20世纪90年代，美国电力研究所开发了静电和袋除尘器串连的紧凑型混合颗粒收集器（COHPAC），随后，美国北达科他（North Dakota）大学能源与环境研究中心（EERC）开发了更紧凑的先进混合型除尘器（AHPC），实现了电除尘与袋除尘的协同作用，并进行了工业性应用试验，结果表明，该技术对粒径介于0.01～50μm的粉尘有99.98%以上的捕集效率。近几年来，国内有关的企业和科研院所相继开展了电袋复合除尘技术的研究与开发，如清华大学、福建龙净、浙江菲达等院校或企业，在实际燃煤电厂中应用的实例也日趋增多。

电袋除尘被认为是最有希望取得PM2.5高效脱除的技术途径，但也仍有不少关键技术问题尚未得到解决。如静电收集区和袋过滤区协同作用的长期维持、静电除尘单元臭氧的产生及其对袋除尘单元是否存在影响等，目前均尚无定论。

2.2 湿式静电除尘器（WESP）

WESP对粉尘的捕集原理与干式ESP基本相同，都是采用电晕放电的方法，使气体发生电离，产生正离子和自由电子，在放电极和集尘极间形成稳定的电晕，使该区域的粉尘颗粒荷电，最终被集尘极捕集。但在捕集粉尘的清灰方式上，WESP采用冲刷液冲洗集尘极，使粉尘呈泥浆状清除，也可通过冷却集尘极板促使烟气中水汽在集尘极表面凝结形成一层液膜，进而清除捕集的粉尘颗粒。干法ESP则主要采用机械振打的方式清除集尘极上的积灰。因此，颗粒的重新携带和由于振打带来的损失对于干式ESP来说是需要考虑的，而WESP需关注的主要问题是使集尘极表面的水膜均匀稳定，不产生断流和干区，以及集尘极的防腐等。与干式ESP相比，WESP特别适合于以下场合：1）烟气含湿量高，烟温接近露点温度；2）烟气中含有黏性颗粒和雾滴（如硫酸雾）；3）需要有效捕集亚微米细颗粒。因此，目前WESP常与湿法烟气脱硫系统结合，设置于脱硫塔塔顶或塔出口，用于捕集脱硫净化湿烟气中的细粉尘、酸雾及汞等。

使用WESP最大的优点是不但可以脱除燃煤飞灰，还可有效脱除湿法烟气脱硫过程中形成的细颗粒及酸雾。WESP现已在制酸和冶金等工业过程中取得了广泛和成功的应用，但在电厂中的应用还不普及，投资运行费用也较高。随着国家对PM2.5的控制要求不断提高，WESP在新建电厂或电厂改造中的应用将会越来越多。

2.3 新型电除尘器

电除尘器是目前治理工业粉尘污染的主要设备，90%～95%的燃煤电厂采用的都是电除尘器。针对影响电除尘效率的主要因素，对传统电除尘器加以升级改造，提高其对PM2.5的脱除效果，是降低PM2.5排放的重要技术途径。通常，影响电除尘器捕集PM2.5性能的因素主要有：1）振打清灰引起的二次扬尘；2）微细粉尘荷电不充分；3）电极结构和形状、电除尘器内气体流动方式等。

有研究表明，在电除尘器的出口粉尘中，约有20%是由清灰过程中的二次扬尘造成的。特别是PM2.5，在振打时易造成二次扬尘，是导致电除尘器对PM2.5捕集效率低的主要原因之一。采用移动电极电除尘可有效提高对微细粉尘的捕集效果。移动电极ESP采用可移动的集尘极板和可旋转的刷子来构成移动电极电场，附着于集尘极上的粉尘在尚未达到形成反电晕的厚度时，就随移动电极运行至没有烟气通过的灰斗内，被旋转的清灰刷彻底清除，可有效抑制高比电阻粉尘引起的反电晕和振打引起的二次扬尘问题。

电除尘器对PM2.5捕集效率较低与其荷电不充分也存在较大关系，采用高压窄脉冲放电、高频电源、三相电源等先进电控设备，增加细颗粒的荷电量，可提高电除尘器对PM2.5的捕捉能力。此外，采用新型双区电除尘器也可提高PM2.5的捕集效果，其主要特点是将粉尘荷电区与收尘区分开，并采用独立电源分别对荷电区与收尘区供电，使荷电与收尘各区段的电气运行条件最佳化，从而提高电除尘效率。

3 气态污染物控制设施中PM2.5的形成

燃烧产生的颗粒物在最终排放到大气环境中之前，还需经过（湿法）脱硫、脱硝等气态污染物控制设施。在WFGD过程中，一方面，通过脱硫浆液的洗涤作用可协同脱除烟气中的PM2.5；同时，由于存在脱硫浆液雾化夹带、脱硫产物结晶析出，以及各种气-液、气-液-固脱硫反应等物化过程，本身又可能会形成PM2.5，使得烟气经湿法脱硫后PM2.5排放浓度反而增加[1,2]。以石灰石-石膏法为例，在脱硫浆液雾化喷淋中，细小的脱硫浆液有可能被烟气直接携带出脱硫系统或蒸发析出细小晶粒随烟气带出，石膏结晶过程中也会形成非常细小的晶粒并有可能带出脱硫系统。氨法脱硫则因产生大量的(NH4)2SO3、(NH4)2SO4等气溶胶微粒，导致脱硫后PM2.5浓度显著增加。除无机盐微粒外，WFGD过程中还可形成硫酸雾，硫酸雾排入大气环境后可进一步转化为二次气溶胶微粒。采用新型电除尘、电袋等高效除尘技术，只能降低进入湿法脱硫塔的PM2.5浓度，而对于WFGD过程中形成的PM2.5无能为力。又如在SCR脱硝装置中，SCR催化剂可促使少量SO2氧化成SO3，使烟气中的SO3含量增加，SO3可进一步与NH3、H2O反应形成硫酸盐类细颗粒物，从而增加脱硝后烟气中PM2.5的浓度[10]。因此，抑制SCR脱硝、湿法烟气脱硫过程中PM2.5的形成，也是最终降低燃煤电站PM2.5排放必须要解决的关键问题，但在这方面鲜有相关报道。

4 结语

燃煤电站排放的大量PM2.5已经给大气环境和人类健康带来了严重威胁，通过对现有污染物控制设施进行过程优化，以及利用电、声、化学、水汽相变等外场作用，提高其对PM2.5的脱除效果，是近期控制燃煤电站PM2.5排放的重要技术途径；同时，抑制SCR脱硝、湿法烟气脱硫等现有气态污染物控制设施中PM2.5的形成也是降低燃煤电站PM2.5排放必须要解决的关键问题。

[1]王珲，宋蔷，姚强，等.电厂湿法脱硫系统对烟气中细颗粒物脱除作用的实验研究[J].中国电机工程学报，2008，28（5）：1-7.

[2]Meij R，Winkel H T.The emissions and environmental impact of PM10and trace elements from a modern coal-fired power plant equipped with ESP and wet FGD[J].Fuel Processing Technology，2004，85（6-7）：641- 656.

[3]杨林军.燃烧源细颗粒物污染控制技术[M].北京：化学工业出版社，2011：6.

[4]Gallego J A，Sarabia R F，et al.Application of acoustic agglomeration to reduce fine particle emissions from coal combustion plants [J].Environmental Science & Technology，1999，33（21）： 3843-3849.

[5]Watanabe T.Tochikubo F，Koizumi Y，et al.Submicron particle agglomeration by an electrostatic agglomerator [J].J Electrostatics，1995，34： 367-383.

[6]Truce R, Wilkins J，et al.使用INDIGO凝聚器-提高细微颗粒的捕集[C].ICESPX Cairns，Australia，2006.

[7]赵永椿，张军营，魏凤，等.燃煤超细颗粒物团聚促进机制的实验研究[J].化工学报，2007，58（11）：2876-2881.

[8]Yang LJ, Bao JJ, Yan JP, et al. Removal of fine particles in wet flue gas desulfurization system by heterogeneous condensation.Chemical Engineering Journal，2010，156： 25-32.

[9]Bao JJ，Yang LJ，etal.Experimental study of fine particles removal in the desulfurated scrubbed flue gas. Fuel, 2011.

[10]Huang ZG，Zhu ZP，Liu ZY，Liu QY. Formation and reaction of ammonium sulfate salts on V2O5/AC catalyst during selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia at low temperatures. Journal of Catalysis，2003,214 ：213-219.