细颗粒物PM2.5的控制与脱除技术

刘胜强，曾毅夫，周益辉，刘 彰，胡永锋

（凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100）

细颗粒物PM2.5的控制与脱除技术

刘胜强，曾毅夫，周益辉，刘 彰，胡永锋

（凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100）

细颗粒物（PM2.5）由于粒径小能长距离传输、比表面积大、易于富集有毒物质等特性给人类健康和环境产生了很大的危害，因此受到了世界各国的广泛关注。文章简要阐述了PM2.5的来源及危害，重点介绍了PM2.5的控制与脱除技术，包括混合除尘技术、电除尘新技术以及在传统除尘器前设置团聚预处理设施等，分析了各项技术的利弊、应用现状以及应用前景。

细颗粒物；PM2.5；控制与脱除技术；团聚技术；混合除尘技术；电除尘新技术

1 前言

伴随着人类社会的不断发展和科技的进步，城市化和工业化进程日益加快，各种大气污染物急剧增加，大气环境问题不断涌现。目前，影响城市空气质量的主要污染物是大气中漂浮的细颗粒物（PM2.5）。

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物。其主要来源为燃煤、机动车排放、建筑尘、扬尘、生物质燃烧、二次硫酸盐和硝酸盐及有机物。其中燃煤尘、扬尘、有机物及二次硫酸盐和硝酸盐贡献率较大。PM2.5能长期悬浮于大气中，具有很大的比表面积，易于富集多环芳香烃、病毒和细菌等有毒物质，以及痕量有毒元素；PM2.5又称为可入肺颗粒物，能够进入人体肺泡甚至血液循环系统，一旦在人体呼吸系统沉积将产生严重的危害[1]。 同时PM2.5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。PM2.5污染已成为突出的大气环境问题，目前已引起世界各国的高度重视，并相继研究和开发出了PM2.5的检测设备、测试系统和控制与脱除技术。

我国在这方面虽然起步较晚，但也做了很多相应的基础工作，采取了多项措施控制大气环境污染，提高了大气污染物排放浓度限值以及除尘设备的排放标准，研发了新的技术设备。国家环保部于2012年初已将PM2.5纳入了环境空气质量监测项目中。

2 常规除尘技术的不足

常规的高效除尘设备如电除尘器和袋除尘器，对于粒径为0.1～2.5μm的细粒子不能有效捕集。电除尘器对粒径大于10μm的颗粒的除尘效率非常高，但是当颗粒物直径小于2.5μm时，除尘效率就会显著下降，收尘效率会低于90%，在极端情况下，效率甚至会降到50%以下。从电除尘器排放出来数量最多的就是0.2～2.5μm的细颗粒物[2]。袋除尘器也是这样，不论其效率多高，排放的颗粒物大部分粒径都小于2.5μm。统计表明，2010年我国工业烟尘排放总量有821万吨，主要为超细粉尘。因此，我国颗粒物排放控制已进入到大力削减PM2.5的时代。

烟尘排放浓度大幅度削减是有效控制大气中颗粒物复合污染的基础，在PM2.5污染问题日渐突出的情况下，原有的高效除尘器要有效控制PM2.5，就必须以新的思路来开发和推动相关控制技术。

3 PM2.5控制和脱除技术

3.1 团聚技术

团聚技术的原理是利用电场、声场、磁场等外场作用及在烟气中喷入少量化学团聚剂等措施来增进细颗粒物间的有效碰撞接触，促进其碰撞团聚长大，以及利用过饱和水汽在细颗粒物表面核化凝结的凝并长大[3]等。见图1。

图1 颗粒物团聚前后微观形貌

（1）声波团聚技术

声波团聚是利用高强度声场使气溶胶中微米和亚微米级细颗粒物发生相对运动并进而提高它们的碰撞团聚速率，使细颗粒物在很短的时间范围内，粒径分布从小尺寸向大尺寸方向迁移，颗粒数目浓度减少。声波辅助除尘系统主要包括声波发生器、团聚室和颗粒分离器等。

声波团聚技术的研究已有近百年历史，但由于能耗过高，缺乏适宜在高温含尘环境中长期使用的声源以及缺乏深层次的理论探究，无法提供有效的理论指导，且在一些关键性问题上未能取得一致结论，目前能够投入工程应用的几乎没有。

（2）磁团聚

磁团聚是指被磁化的颗粒物、磁性粒子在磁偶极子力、磁场梯度力等作用下，发生相对运动而碰撞团聚在一起，使其粒径增大。

磁团聚研究为细颗粒物的控制提供了一种新的技术途径，但试验得到的效果还不是很理想，离工业应用尚有不少距离。燃油、天然气、垃圾及生物质等产生的细颗粒物，因其Fe3O4、γ-Fe2O3等磁性物质含量极低，不适合采用磁团聚方法。

（3）化学团聚

化学团聚是一种添加化学团聚剂（吸附剂、黏结剂）促进细颗粒物脱除的预处理方法，主要通过物理吸附和化学反应相结合的机理来实现；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烧后化学团聚，主要针对燃煤细颗粒物的控制。

燃烧中化学团聚技术，只是提供了一种有可能促进细颗粒物脱除的技术途径，离实际应用还有较长距离，其最大好处在于可同时控制痕量重金属元素排放。

燃后区化学团聚技术，既不改变正常生产条件，也不改变现有的除尘设备和操作参数，就可促使细颗粒物的有效团聚长大，从而提高后续常规除尘设备对细颗粒的脱除效率，具有一定的应用前景。

（4）光团聚技术

光团聚技术是应用光辐射的原理促进颗粒物团聚。超细颗粒物团聚遵循如下过程：入射电子束→等离子体膨发→等离子体云膨胀→成核→冷凝膨胀长大+等离子体云膨胀→凝结→不规则片状形→团聚→凝胶化。

通过改变激光传播的折射角、光的强度等多种参数可以促进超细颗粒发生团聚。但其成本相当大，目前还不可能大规模利用。

（5）电凝并技术

电凝并是通过使细颗粒物荷电，促进细颗粒物以电泳方式到达其他细颗粒表面，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。目前，大多数研究将电凝并技术与静电除尘器相结合，采用ESP捕集电凝并长大后的颗粒。电凝并技术主要分为：异极性荷电粉尘的库仑凝并、同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并、异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并、异极性荷电粉尘在直流电场中的凝并、脉冲预荷电直流收尘复合除尘系统脱除细颗粒物、DBD预荷电直流收尘的复合式除尘系统脱除细颗粒物、Indigo凝聚器等方式。

电凝并是一种可使细颗粒长大的重要预处理手段，在多种团聚促进技术中，电凝并是最可行的凝并方式；将其和现有静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。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外，电凝并技术研究总体上还处于实验室研究阶段。

（6）蒸汽相变技术

应用蒸汽相变促进细颗粒物脱除的原理：在过饱和水汽环境中，水汽在细颗粒物表面凝结，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，使细颗粒粒径增大、质量增加，从而提高惯性捕集作用。

蒸汽相变是一种重要的预调节措施，特别适合于烟气中含湿量较高的过程，将其与湿式洗涤除尘、湿法烟气脱硫结合是实现工程应用的重要途径。目前存在的主要问题是，利用烟气脱硫洗涤过程中的相变促进细颗粒物脱除，存在过饱和水汽在细颗粒物与脱硫洗涤液中的竞争凝结现象，会明显削弱蒸汽相变效果。利用脱硫洗涤后高湿烟气相变促进细颗粒物脱除，需配置高效除雾器，如丝网除雾器、板波纹填料除雾器，而这些除雾器在实际应用中易堵塞，且阻力较大。

3.2 混合除尘技术

随着人们对PM2.5危害性认识的提高，国内严格的控制法规即将出台，国内外许多研究人员已经从机理和运行工艺上开始对PM2.5的脱除进行研究，其中，通过静电和其他方式结合的研究受到了广泛的重视。

（1）静电颗粒层除尘器

颗粒层除尘器是利用粒状物料（通常是1.5～5mm石英砂）作为过滤介质净化烟气的除尘设备，在水泥、炼焦、化工和冶金业得到广泛运用。其具有耐高温和高效性等特点，静电颗粒层除尘器是在颗粒层除尘器内施加一外加电场，使气流中的尘粒在进入过滤层前尽量荷电，从而促进尘粒凝聚及颗粒层的过滤作用，提高对细颗粒物的收集效率。

静电颗粒层除尘器特别适合高温烟气中细颗粒物的净化处理，但目前还基本处于试验探索阶段。

（2）静电旋风除尘器

旋风除尘器是一种依靠离心力将固体颗粒从气固两相流中分离出来的装置，但仅适用于收集数微米以上的较大尘粒，对细粉尘的捕集效率不高。将其与静电除尘技术相结合，在旋风除尘器内设置一静电场构成静电旋风除尘器，使细颗粒物在除尘器中受到离心力和静电力的复合作用而分离，除尘效率比单一旋风除尘器高，并且能够捕集粒径更小的尘粒。

静电旋风除尘器特别适合高温烟气中细颗粒物的净化处理，但目前还基本处于试验探索阶段。

（3）电袋复合除尘器

电袋复合除尘器是一种综合了静电除尘和袋除尘两种成熟除尘技术的新型除尘设备。采用常规静电除尘的第一电场作为一级除尘单元，除去烟气中的粗颗粒烟尘，然后利用袋除尘器作为二级除尘单元除去剩余的微细颗粒[4]。见图2。

图2 电袋复合除尘器示意图

在日趋严格的细颗粒物排放限值要求下，采用单一传统除尘技术难以满足需求，综合静电除尘和袋除尘两种成熟除尘理论而提出的电袋复合除尘技术，被认为是最有希望取得细颗粒物高效脱除的技术途径；虽“前电后袋”式除尘器已有工程应用实例，并且除尘效率可明显高于静电除尘器；然而，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的协同作用难以长期维持，限制了该技术的发展和应用。

3.3 电除尘新技术

目前，电除尘器新技术是针对减少二次扬尘的发生、反电晕、克服高比电阻的影响以及解决微细粉尘的收集等严重制约粉尘排放控制的突出问题而展开的，要满足更严的排放标准，大力发展和综合应用电除尘新技术是治理PM2.5最佳的现实选择。

（1）湿式电除尘器

湿式电除尘器（WESP）拥有捕集微细粉尘的功能，对微细、潮湿、黏性或高比电阻粉尘的捕集效果都很理想。WESP不存在粉尘收集后的再飞扬，这是由于被捕集的粉尘和水之间有黏着力的结果。由于湿式电除尘器能提供几倍于干式电除尘器的电晕功率，这就大大提高了对PM2.5的捕集效率，湿式电除尘器通过对流冷却降低烟气温度、促进冷凝，也能对酸雾进行捕集[5]。因此，湿式电除尘器可有效去除SO3、重金属、细颗粒粉尘、细小液滴等，去除效率可达90%以上；大大降低了烟气的不透明度（浑浊度）。

目前，WESP常与湿法烟气脱硫系统结合（见图3），用于捕集脱硫净化湿烟气中的细粉尘、酸雾及汞等。存在的主要问题是WESP集尘极板表面布水不均匀及集尘极的腐蚀问题；据此提出了薄膜湿式静电除尘技术，利用薄膜取代了传统的金属集尘电极，使湿式电除尘器在处理高比电阻微细粉尘时能获得更高的除尘效率，且解决了湿式电除尘器在潮湿环境中金属极板被腐蚀的难题。同时，WESP系统的投资和运行费用较高。

图3 整体式WESP/WFGD系统

（2）低低温电除尘器

在电除尘器上游设置热回收装置，使电除尘器入口烟气温度降低，从而使除尘器性能提高的技术称为低低温电除尘技术。系统一般由2个主要设备组成，一是低温换热器、二是低低温电除尘器。低低温电除尘器的运行温度为90℃～100℃，对任何灰质的粉尘，比电阻都在反电晕临界值以内，不会发生反电晕。另外，烟气温度降低，烟气流速也相应减小，在电除尘器内的停留时间增加，比集尘面积增加，除尘性能显著提高，从而达到更严格的烟尘排放标准，另一方面由于烟气温度降低，SO3会雾化而吸附于粉尘上被带走，因此虽然电除尘器运行在酸露点以下，但仍不会被结露腐蚀[6]。但采用低低温电除尘技术，需要解决以下两个问题：1）由于粉尘的比电阻降低，粉尘黏结力减小，为了防止二次扬尘，需要从振打方式和极板结构方面采取改进措施；2）含高浓度粉尘的原烟气通过换热器需要采取相适应的换热器结构和清灰方式。

（3）移动电极式电除尘器

移动电极式电除尘器是一种新型电除尘器，由前级常规电场和后级移动电极电场组成。移动电极电场采用可移动的收尘极板和可旋转的刷子，当含尘烟气通过粉尘捕集区时，粉尘在电场静电力作用下，被移动极板吸附，附着于移动收尘极板上的粉尘在尚未达到形成反电晕的厚度时，就随移动极板运行至没有烟气流通的灰斗内，被旋转的清灰刷彻底清除，从而确保收尘极始终保持“清洁”的状态[7]。由于清灰在无烟气流通的灰斗内进行，从而消除了清灰的二次扬尘。这种新型电场的应用不仅可以降低电除尘器出口粉尘浓度，而且可以使出口粉尘浓度保持稳定，不会出现类似常规电除尘器出口粉尘浓度周期性波动的情况，特别适用于旧的电除尘器改造。但该技术结构相对复杂，对制造、安装工艺及维护要求较高。见图4。

图4 移动电极式电除尘器结构示意图

（4）烟气调质

烟气调质系统是通过调整烟气或烟气粉尘的组分及一些物理特性，从而降低粉尘比电阻值或改变粉尘的物理化学特性，提高电除尘效率的装置。目前主要有水调质、SO3调质、NH3调质、SO3+NH3双重调质、Na2CO3调质等，其中SO3调质是燃煤锅炉应用最广泛、最成熟可靠的技术，它可提高表面导电性，降低粉尘比电阻值[8]。烟气调质技术的应用，彻底改变了传统电除尘被动适应粉尘、工况参数的除尘技术模式，是电除尘技术的革命性革新。但要注意不是所有的工况都适合使用烟气调质，也会受烟气条件和粉尘性质的影响和制约，其对煤种、烟气条件的适应性往往需经过理论分析后，再经试验来确定。

（5）电除尘器电源新技术

电除尘器电源的新技术为电除尘技术提供了新的动力，为电除尘效率的提高及保证出口粉尘排放浓度≤30mg/m3提供了技术支持，其中高频电源、三相电源等的应用取得了较好的效果。但电除尘效率的保证，必须是比集尘面积足够大，并具有优良的本体机械结构，所有的电源技术在本体基础上才能发挥电源应有的作用。

4 结语

大气颗粒物尤其是细颗粒物PM2.5对人体健康以及环境会产生很大的危害。目前，电厂和工业窑炉均采用了较为先进的除尘设备和湿法烟气脱硫设施，这些措施对于烟尘中粗颗粒物的去除效果很好，但对细粒子的脱除效果则不尽人意，因此应根据实际情况，在现有的除尘设施的基础上，采用更为先进的混合除尘技术或电除尘新技术，并且鉴于细颗粒物难以有效脱除，在传统的除尘设施前采用团聚预处理技术使之成为较大颗粒物加以脱除将成为除尘技术的发展趋势。超细颗粒物控制技术的研究与应用对于PM2.5的治理具有特别重要的意义。

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[7] 孔春林，张德轩，张国文.转动电极式电除尘技术简介及其可靠性实验研究[J].除尘气体净化，2009，1：40-43.

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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