燃煤电厂细颗粒物PM2.5控制技术

王铮 谢兴星 李小海 张长伟(大唐南京环保科技有限责任公司， 江苏 南京 211111)

燃煤电厂细颗粒物PM2.5控制技术

王铮 谢兴星 李小海 张长伟(大唐南京环保科技有限责任公司， 江苏 南京 211111)

燃煤电厂是大气细颗粒物PM2.5排放的重要来源。本文阐述了燃煤电厂PM2.5的控制技术，包括燃烧前控制技术、燃烧中控制技术和燃烧后控制技术。重点介绍了燃烧后控制中的多种团聚技术和协同控制技术，指出了各种技术的利弊和应用前景。

燃煤电厂；控制技术

1 引言

细颗粒物(PM2.5)污染已成为我国突出的大气环境问题，是造成大气能见度降低、形成灰霾天气的主要原因。鉴于PM2.5重大的环境和健康危害，2012年3月1日我国将PM2.5指标纳入新修订的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，从现在开始分步实施对PM2.5的监测，并于2016年1月1日起在全国范围实施[1]。

大气中细颗粒物PM2.5的来源包括自然源和人为源，人为源又可分为固定源和移动源，前者如燃料燃烧、工业生产过程，后者如交通运输等。近十年来，国内学者对国内部分城市大气颗粒物源解析研究结果表明，燃煤电厂是大气细颗粒物PM2.5的重要来源[2]。在燃煤电厂污染物控制设施中，除尘系统及湿法烟气脱硫系统(WFGD)对颗粒物有很好的控制效果。现有除尘装置的对粗颗粒除尘效率虽可高达99%以上，但细颗粒PM2.5在传统除尘设施的穿透率较高。此外，经WFGD系统后PM2.5浓度反而有可能增加，且物性发生显著变化[2]。因为WFGD对烟气中的二氧化硫着相对较高的脱除能力，但其对三氧化硫的脱除效率并不高。净烟气由WFGD排出后温度通常低于于酸露点，导致排出的三氧化硫主要以硫酸气溶胶的形式存在，这些硫酸气溶胶会与大气中的其他物质发生反应,形成二次可吸入颗粒物，这在一定程度上增加了细颗粒物PM2.5的浓度。

因此，通过一定的手段对燃煤电厂细颗粒物PM2.5的排放进行控制势在必行。近年来，美国和一些欧洲国家对燃煤电厂细颗粒物PM2.5控制开展了大规模的研究工作，但由于燃煤电厂PM2.5的微观性和复杂性，以及特护的化学行为与动力学行为，对超细颗粒物的污染控制的研究仍受到极大的制约。目前，主要的控制手段分为燃烧前控制、燃烧中控制和燃烧后控制(表1)[3]。

表1 燃煤电厂PM2.5控制技术

2 燃烧前控制技术

燃烧前控制主要通过洗煤、配煤、掺烧等手段调配燃料中的矿物组分，一方面减少无机矿物组分的气化，从源头上减少细颗粒物PM2.5的生成；另一方面，配煤或掺烧后产生的烟气中的组分互相作用，促进细颗粒物与其他组分的碰撞结核转变为大颗粒物，有利于除尘设施和湿法FGD对颗粒物的捕集[4]。

3 燃烧中控制技术

燃烧中控制技术主要是通过在燃烧炉中添加高温条件下能够稳定存在吸附剂方式，使细颗粒物PM2.5的非均相反应和物理吸附抑制细颗粒物生成，进而抑制细颗粒物的形成，并增大燃煤颗粒物的粒度。此外还能促使细颗粒物PM2.5捕获重金属元素，并于有毒元素进行相互作用一并脱除，这也是燃烧中控制PM2.5排放的主要的方法。此外，基于对燃煤电厂汞等微量元素控制技术的研究发现，在燃烧中控制燃煤汞排放的同时，对PM2.5的控制有一定的协同控制效果，这主要是由于细颗粒物与有毒元素的相互作用最终联合脱除。

4 燃烧后控制技术

燃烧后控制技术大体上可分为团聚技术和协同控制技术两种主要类型。团聚技术的原理是通过一定的技术途径使细颗粒物PM2.5团聚长成粗颗粒后再采用传统除尘技术进行脱除。而协同控制技术则结合燃煤电厂现有设备对过程优化或者多场协同作用，从而提升对细颗粒物PM2.5的脱除效果。

4.1 团聚技术

在传统除尘器之前设置预处理阶段，通过物理或者化学手段将超细粒PM2.5团聚成型较大的课题后再加以清除已经成为除尘技术的研究热点。团聚技术主要有电团聚技术、声波团聚技术、磁团聚技术、化学团聚技术和蒸汽相变技术等。

(1)电团聚技术

电团聚的工作原理是通过增加细颗粒物的电荷能力，促进细颗粒以电泳的方式至飞灰颗粒的表面，从而增强颗粒间的团聚。电团聚主要的技术方法为同极性或者异极性电荷粉尘的库伦团聚，以及不同电荷粉尘在恒电场或者交变电场中的团聚。在所有的技术中异极性电荷粉尘在交变电场中的团聚作用效果最佳。

电团聚技术能使除尘器对细颗粒物PM2.5的脱除效率大幅提升，但除尘极板在捕捉到一定量的粉尘后，效率将会大幅下降，需要进行再生后使用，这在一定程度的限制了电团聚的工业应用。

(2)声波团聚技术

声波团聚是根据声学原理，利用具有高能力密度的声区，使细颗粒物PM2.5之间发生相对运动，从而提高它们的碰撞团聚速率和概率，使细颗粒物发生团聚性能粗颗粒。

虽然声波团聚因其能够有效实现细颗粒粉尘的收集和去除，但工业应用却存在着一定问题是：几十甚至几百千赫兹的声波导致运行能耗过高；而且需要考虑噪音在环境和运行人员的人生伤害；此外，能在高温高尘环境中使用的声源仍处理理论探究阶段。

(3)磁团聚技术

磁团聚是指强磁化的颗粒物在磁场的等作用下，利用磁性物质的相互作用，发生相对运动而碰撞而产生团聚作用，具有γ-Fe2O3和Fe3O4等磁性粒子是燃煤细颗粒具有铁磁特性的主要原因。

磁团聚技术在选矿、物料提纯、工业催化等生产中已经成功应用，但磁团聚技术控制燃煤电厂细颗粒物PM2.5的排放研究仍处于起步阶段。如何提高收集磁性尘粒子的效率，以及如何对磁性尘粒子进行清除还需进一步深入研究。

(4)化学团聚技术

化学团聚是利用吸附剂或者粘结剂来促进细颗粒物团聚从而进行脱除的预处理方法。主要通过物理吸附和换成反应相结合的机理来实现的。化学团聚剂成分包括高聚物粘结剂、润湿剂等，一般选择在电除尘器入口烟道进行喷入。然后利用带有极性基团的高分子长链以“架桥”方式将多个细颗粒子进行连接团聚，提升电除尘对细颗粒的脱除性能。

化学团聚吸附原理简单，不仅能实现对细颗粒物和多种污染物的团聚协同脱除，而且对下游设备影响很小，具有良好的应用前景。目前，国内外研究热点主要在于吸附剂或者粘结剂的刷选，其中高岭土、铝土矿和石灰石等因高吸附性能的展现出工业应用潜质。

4.2 蒸汽相变技术

蒸汽相变技术利用过饱和水汽在微粒表面的凝结特性，从而使细颗粒发生团聚的原理对细颗粒物进行团聚脱除。特别适合于烟气中含湿量较高的过程，在工程应用主要将其与湿式洗涤除尘、湿法烟气脱硫等工艺进行结合[6]。

蒸汽相变技术是重要的预调的方法，但在实施过程中细颗粒物与脱硫洗涤液中会存在过饱和水汽在竞争凝结的现象，从而导致效果有所下降。此外，系统所配备的除雾器在实际应用中容易发生堵塞，导致压降过高。

4.3 协同控制技术

协同控制技术是指在传统除尘技术的基础上，利用不同的除尘机理对传统的除尘器进行改进，通过多种技术协调作用实现对细颗粒物排放的控制。其中，电袋复合除尘器和湿式静电除尘器最为常见。

4.4 电袋复合除尘器

电袋复合除尘器有由静电除尘和布袋除尘两种成熟的除尘技术综合形成。传统的静电除尘器中百分之八、九十的粉尘试在第一电场被除去，而剩余的细粉尘是在其他电场中被除。电袋复合除尘器只采用第一电场，利用布袋除尘单元剩余的细粉尘进行过滤脱除。这样有利于布袋除尘单元降低除尘负荷、提高过滤速度，提升整体效率，增强对细颗粒物的脱除能力。

4.5 湿式静电及其他新型除尘器

通过改进传统除尘器的结构以提高其对细颗粒物的脱除性能是控制燃烧源细颗粒物的重要手段；目前以湿式静电除尘器为主。

(1)湿式静电除尘器(WESP)

湿式静电除尘器对粉尘的捕集原理与干式静电除尘器基本一样，但在清灰方式上有所不同。湿式静电除尘器适用于湿量高的烟气，利用过饱和水汽在微粒表面的凝结特性，以及含有黏性颗粒和雾滴团聚的特性，结合湿法烟气脱硫系统，能有效实现脱硫净化湿烟气中的细粉尘、酸雾及汞等的捕集。

目前湿式静电除尘器在国内燃煤电厂应用过程中，存在集尘极板表面布水不均匀及集尘极的腐蚀的问题；此外，湿式静电除尘器的系统投资和运行费用较高。

(2)其他新型除尘器

由协同技术新型衍射的新型除尘器有：介质阻挡放电ESP、电植绒集尘极ESP、泛比电阻ESP、移动电极ESP、长芒刺ESP 和CAROLA ESP等。这些新型除尘器技术在一定程度上能防止二次扬尘、反电晕现象、提高对微细粉尘的去除率等，具有一定的工程应用前景，但在燃煤电厂中能否对细颗粒物的稳定的控制还需进一步探索。

5 结语

燃煤电厂是大气细颗粒物PM2.5排放的重要来源，现有除尘设备和湿法脱硫设施很难实现细颗粒物PM2.5的脱除。燃煤电厂应根据实际情况，在现有设施的基础上采用更加先进的除尘技术。团聚技术作为预处理环节使细颗粒物团聚形成粗颗粒物、再结合电袋复合除尘器和湿式静电除尘器等加以清除，将成为细颗粒物PM2.5控制技术发展的趋势。

[1]环境空气质量标准GB3095-2012[S].

[2]代旭东.电厂PM2.5排放现状与控制技术[J].能源环境保护,2011,25(6).

[3]易帆，徐明厚，于敦喜．燃烧过程中超细颗粒物的研究现状与发展趋势[J]．世界科技研究与发展，2002，(2)．

[4]魏风，张军营，王春梅，郑楚光．煤燃烧超细颗粒物团聚促进技术的研究进展[J]．煤炭转化，2003，26(3) ：27—31．

[5]向晓东，等．交变电场中电凝并收尘理论与实验研究[J]．环境科学学报，2000，20(2) ：187—191．

[6]颜金培，杨林军，张霞,等．应用蒸汽相变机理脱除燃煤可吸入颗粒物实验研究[J］．中国电机工程学报，2007，(35)．