燃煤烟尘细颗粒物排放控制技术及其研究现状

翟美丹，杜胜男

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

1 我国燃煤污染物排放现状

煤炭消耗量在我国能源总消耗量中所占的比重非常大，2018 年我国能源消耗总量为46.4 亿t，其中煤炭消耗总量占能源消耗总量的84.1%[1]。随着社会经济的不断发展，在工业生产过程中会产生越来越多的颗粒物，有些细颗粒物漂浮在空气中，造成空气污染，这是导致雾霾的重要因素之一[2⁃3]，对全球变暖也有不可忽略的作用，严重影响人类的生活及健康[4⁃6]。近年来，我国对污染物排放的标准逐渐提高，2014 年实施了《火电厂大气污染排放标准》（GB 13223—2011），要求颗粒物排放量降到30 mg/m3，重点地区则降到 20 mg/m3[7]。2015 年，《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》要求实施烟尘的超低排放，颗粒物排放量降到10 mg/m3以下[8]。由此可知，细颗粒物排放问题已经受到广泛关注，实现超低排放、保证绿色经济的除尘技术已经成为近年来广泛研究的新方向。

2 细颗粒物脱除技术发展现状

由燃煤引发的污染问题日益显著，国家不断提高颗粒物排放标准，国内细颗粒物脱除技术水平也在不断提高。我国通常采用烟气净化技术控制颗粒物排放。根据净化原理，除尘设备可分为过滤式、机械式、湿式和静电式[9]，但传统的除尘技术对细颗粒物脱除效果无法实现低排放目标。因此，研发新的除尘技术已经迫在眉睫。针对燃煤过程中颗粒物的排放控制，我国脱除细颗粒物的净化技术主要有3种：低低温电除尘技术、团聚技术、协同脱除技术。本文将对这3 种技术进行浅析，以期为满足超低排放、探索更有效的防治环境污染技术提供参考。

2.1 低低温电除尘技术

低低温电除尘技术通过降低烟气的入口温度，减小烟尘的比电阻、体积等，最终达到高效率除尘净化的效果[10]。低低温电除尘技术最早应用于日本，通过降低进口烟气温度来提高电除尘器的脱除效率[11]。日本相关公司通过添加冷却器的方式实现低低温技术，降低了飞灰比电阻，从而提高了电除尘器的除尘效率[12]。低低温脱除技术具有设备运行阻力低、脱除细颗粒物效果好、可有效防止酸雨形成、节能效果好及成本低等优点[13⁃14]，已成为我国实现超低排放的主要除尘技术之一[15]。

黄怡民[16]通过实验考察了电除尘器入口烟气温度对除尘效率的影响。结果表明，当温度分别为130、100、90、80 ℃时，电除尘器的除尘效率（细颗粒物的脱除率）分别为93.16%、94.08%、96.65%、97.22%，由此可见，随着电除尘器入口烟气温度的不断降低，电除尘器的除尘效率逐渐提高。在实验中还发现，当烟气温度降至酸的露点时，在硫酸雾的作用下，细颗粒物表面黏性促进了小颗粒物的团聚，其他研究者也有相同发现[17]。刘含笑等[15]对我国的200 种煤种的收到基灰分和硫分进行数据分析和实验研究，发现200 种煤种的灰硫比（灰硫比是指粉尘质量浓度与SO2质量浓度的比值。实验表明，当灰硫比大于10 时，腐蚀率几乎为0）均大于10，且绝大多数煤种的灰硫比均大于100，由此可以看出，此类采用低低温电除尘技术的燃煤机组不存在发生低温腐蚀的风险。郦建国等[18]通过对浙江某电厂1 000 MW 机组低低温电除尘系统现场测试，研究了飞灰比电阻的变化对低低温状态下除尘效率的影响。结果表明，飞灰的平均粒径增大，细颗粒物的去除效率明显提高，PM1.0、PM2.5、PM10.0的质量浓度分别下降了0.35、0.38、0.28 mg/m3。叶兴联等[19]采用CFD 数值模拟和物理模型相结合的方式对低低温电除尘器风道的烟气流速、烟道阻力进行分析，发现流线型烟风道可以消除烟道内涡流，提高烟气流速，降低阻力。

综上所述，采用低低温电除尘技术，使冷凝后的SO2吸附在颗粒物表面，可有效降低低温腐蚀风险；低低温电除尘技术在传统的低温烟气系统基础上进一步降低了烟气温度，改变了粉尘性质，大大降低了飞灰比电阻，增加了飞灰平均粒径，使其更易被电除尘器捕集[20⁃21]；低低温电除尘技术提高了电场击穿电压，避免了反电晕的产生，降低了烟气的流速，增加了烟气在电场中停留的时间，从而有效提高除尘效率，并在一定程度上达到了超低排放的标准和要求。

2.2 团聚技术

近年来，为了达到细颗粒物的超低排放，国内外研究者在除尘前利用物理或化学手段，使小粒径颗粒物团聚成大粒径颗粒物，从而提高细颗粒的去除效率。团聚技术是目前技术发展的新趋势，对净化起到了促进作用。团聚技术主要包括声团聚技术[22⁃23]、化 学 团 聚 技 术[24]、电 团 聚 技 术[25]、磁 团 聚 技术[26]、蒸汽相变团聚技术等[27]。

2.2.1 声团聚技术 声团聚技术是利用声波促进烟气中细颗粒物之间的相对运动，增强它们的碰撞率，从而使细颗粒物碰撞凝结长大[28⁃29]。C.Sheng 等[30]的实验结果表明，声团聚技术对细颗粒物的去除效果明显，当声波频率为1 kHz 时，细颗粒物浓度下降85.2%，大大提高了除尘效率；声波团聚的最佳频率与颗粒物的粒径有关，粒径越小所需的声波频率越高，张光学等[31]在实验中也得到了相同结论。陈厚涛等[32]对细颗粒物的声团聚清除效果进行了进一步研究，在实验室采用频率为1 kHz，声场强度分别为 151、153、155、158 dB 及 160 dB 的条件下观察了粒径分布和浓度变化。结果表明，声场强度的增加有助于细颗粒物的脱除，粒径为0.07 μm 左右的超细颗粒物更容易通过声波团聚清除。

声团聚技术虽然可去除细颗粒物，但声波发生装置不环保，能耗过高，并且伴随着大分贝噪声的产生，造成噪声污染，目前还没有真正应用到实际工程中。因此，研究如何经济环保地达到超低排放标准，是声团聚技术得以应用并发展的重要课题。

2.2.2 电团聚技术 电团聚技术是利用电荷的扩散作用，使细颗粒物发生碰撞并使粉尘荷电，再通过荷电粒子的运动到达粉尘表面，最终形成预团聚体[33]。电团聚技术的核心是提高团聚速率，使细颗粒物瞬间团聚变大，实现高效率脱除的目的。近年来，电团聚技术发展较快，细颗粒物脱除效果明显提高。J.H.Ji 等[27]使用线⁃板式DC 电晕电极，分析了电团聚技术的细颗粒物去除效率。结果表明，在电场频率为60～500 Hz 时，细颗粒物的浓度降低25.0%～29.0%。刘道清等[34]采用由交替布置的线⁃板式正负放电通道组成的电凝并器，分析了凝并对颗粒的粒径及去除效率的影响。结果表明，当电凝并器工作时，颗粒粒径明显增大，当凝并特征值达1.53 时，细颗粒物浓度下降了69.7%，而且细颗粒物浓度随着电压的升高继续降低，可见电团聚技术效果显著，可大大提高细颗粒物的去除效率。J.Zhu 等[35]在静电除尘器的基础上采用双极荷电，研究了电团聚对细颗粒物的去除效果。结果表明，电团聚技术有效提升了细颗粒物的除尘效率，除尘效率可达98.0%。

由上述研究可知，电团聚作为多种团聚技术中最可行的团聚手段，具有很大的发展潜力。但是，目前除了工程应用的Indigo 凝聚器，电团聚技术总体上还处于试验阶段[36]。

2.2.3 化学团聚技术 化学团聚技术是利用各种吸附剂捕获细颗粒物的方法，通过往烟气中喷入团聚剂，使细颗粒物与团聚剂发生物理、化学反应促使细颗粒凝聚变大，从而提高细粒子的去除效率[37]。秦占峰等[38]利用化学团聚技术对电厂的300 MW 燃煤机组进行了工业应用试验。数据显示，加入化学团聚剂后，细颗粒物的浓度下降了44.7%，平均 质量浓度 约为 3.7 mg/m3，K.E.Baldrey[39]、M.D.Durham 等[40]也得出了相同结论。刘勇等[41]将果胶、非离子型聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、黄胶原、聚合氯化铝等几种高分子团聚剂添加到除尘器进口烟气中进行了实验分析。结果表明，加入团聚剂后，在物理或化学作用下，细颗粒被固定在链状聚合物的不同吸附位，加剧了细颗粒物团聚，形成易被捕捉的大颗粒物，使电除尘器的细颗粒物质量浓度由 8 mg/m3降到 5 mg/m3，除尘效率提高了10.0%。杨晓媛等[42]采用非离子型聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、羧甲基纤维素钠及黄胶原4 种化学团聚剂，通过改变其种类、浓度等分析细颗粒物的凝并效果以及除尘效率。结果表明，羧甲基纤维素钠和黄胶原的粒径范围变化较大，由0.295～137.700 μm变为 0.295～340.000 μm 和 0.295～165.000 μm；加入化学团聚剂后，除尘效率都有所下降，其中加入黄原胶的除尘效果最佳。

以上研究表明，使用化学团聚技术，细颗粒物的团聚效果明显提高，容易将小颗粒物团聚成大颗粒物。但是，化学团聚技术存在两点不足：一是团聚剂价格较贵，尤其是对烟气量大的环境，团聚剂的需求量大，成本以及实施普及的难度大大增加；二是化学反应生成物还可能会造成二次污染，出现更加难以解决的困难，因此探索高效无污染的团聚剂是今后研究的重点。

各种细颗粒物团聚技术对比见表1。

表1 各种细颗粒物团聚技术对比[27,43]

综上所述，电团聚技术和化学团聚技术实现起来相对简单，应用前景也较为广阔。除了声团聚技术，电团聚技术、化学团聚技术能较好地实现细颗粒物的脱除，磁团聚技术和蒸汽相变团聚技术也具有一定的研究意义。磁团聚技术是利用磁场作用促使颗粒发生相对运动产生碰撞，使带有磁性的细颗粒物团聚的技术。但是，目前存在的问题是弱磁颗粒的团聚效果不佳，这也限制了磁团聚技术在工程中的应用。蒸汽相变团聚技术，是在过饱和蒸汽环境中，蒸汽以PM2.5颗粒为凝结核，促使颗粒质量变大，并在扩散作用下发生运动碰撞，从而实现细颗粒物团聚粒径变大的技术。蒸汽相变团聚技术在应用过程中能耗较高，但与湿式除尘器可以更好地结合达到除尘的目的，所以其应用前景还有待研究探讨。

2.3 协同脱除技术

随着燃煤烟尘排放标准的不断提升，越来越多的烟气治理技术被提出、尝试与应用[44]。协同脱除技术就是利用各污染物减排装置协同处理能力，在提高各污染物去除效率的同时，实现污染物烟尘、NOx和SO2的一体化协同脱除，使燃煤烟气达到超低排放的目的。协同脱除主要有两种形式，一是电除尘和布袋除尘方式的协同（电袋复合除尘器）；二是布袋除尘器。针对细微颗粒的脱除问题，对二者通过进行实验和数值模拟的方法分析研究，取得了一定的成果与进展。

电袋复合除尘器是一种结合电除尘和袋式除尘两种除尘理论而提出的一种新式除尘技术，具有运行阻力低且稳定、除尘效率高、结构紧凑、滤袋使用周期长、节约成本、方便实施等优点[45⁃46]。罗香銮[47]将4 台75 t 锅炉原配套静电除尘器改为电袋复合除尘器，实测结果显示，入口烟气中细颗粒物质量浓度为30.0 mg/m3；出口烟气中细颗粒物质量浓度为6.5 mg/m3，符合超低排放的标准。郝欢等[48]利用CFD 软件对电袋复合除尘器进行了数值模拟分析，研究了电袋复合除尘器的影响因素——烟尘的入口流速、导流板、管道长度等对除尘效果的影响。结果表明，烟气入口流速的影响不大，最优的模型是在入口的第2 个弯道设3 个导流板，且管道长度为0.5 m，此时气流分布基本均匀，积尘率降低，除尘效果最佳，达到超低排放的要求。随着国家对污染控制要求的不断提高，除尘技术也在不断更新发展。2017 年，环境保护部发布了《火电厂污染防治可行技术指南》（HJ 2301—2017）：若一次除尘就达到超低排放标准，则适宜采用超净电袋复合除尘器；对脱除高温烟气，则可以采用高温电袋复合除尘器，更好地实现超低排放长期有效的稳定运行。

布袋除尘器是利用粉尘的物理性质，即质量大的烟尘靠自身重力沉降，而布袋的滤料阻挡细小颗粒物，从而对烟气进行脱除净化的一种滤尘装置。王小龙[49]在燃煤锅炉后面安装布袋除尘器，分析是否满足排放标准。研究表明，布袋除尘器具有运行安全可靠、运行阻力小的特点，应用效果显著，除尘效率高。但是，受烟气中化学腐蚀性物质的影响，布袋有腐蚀风险，除尘效率会受到影响，所以需要定期更换布袋，在一定程度上会增加运行成本。

李学军等[50]以660 MW 煤粉锅炉为研究对象，分析了常规静电除尘器、电袋除尘器和布袋除尘器在负荷和燃煤煤质都相同情况下的去除效率，结果见表2。

表2 不同除尘设备对不同粒径颗粒的去除效率 %

由表2 可知，相对于传统电除尘器，电袋复合除尘器和布袋除尘器都提高了细颗粒物的去除效率，不同的是电袋复合除尘器和布袋除尘器对PM0.3细颗粒物的去除效率相差较大；布袋除尘器的除尘效率随着颗粒粒径的降低而降低，但除尘效率相对稳定。

董锐锋等[51]选取电袋复合除尘器（袋式除尘器）、SCR 高效脱销、高效脱硫、屋脊式高效除雾器的结合方式，在不同负荷下，分别对SO2、NOx及烟尘的排放质量浓度进行了实验分析，结果见表3。

表3 不同负荷下SO2、NOx及烟尘的排放质量浓度

由表3 可知，当采取电袋复合除尘器（袋式除尘器）、SCR 高效脱销、高效脱硫、屋脊式高效除雾器的结合方式时，其除尘效率符合超低排放标准[51]，烟尘的排放浓度稳定可靠。

综上所述，电袋复合除尘器和布袋除尘器在去除微小粒子方面存在一定的优势，但在经济性方面仍存在一定的问题。随着电袋复合除尘器和布袋除尘器的进一步改进和研究，在未来的实际应用中，电袋复合除尘器和布袋除尘器与脱硫、脱销技术相结合，在污染物的协同处理实现超低排放的问题上可寄予更多的期待。

3 结论及展望

（1）低低温除尘技术不仅可以降低飞灰比电阻，提高除尘效率，还可以降低风压负担，表明低低温除尘技术经济效益较好，但在二次扬尘问题方面还有待进一步研究。

（2）在团聚技术中，化学团聚技术和电团聚技术可行性较高，除尘效率高，应用前景也较为广阔，但目前还处于研究阶段，在集尘板积灰和二次污染问题方面还需进一步改进。

（3）在处理细小微粒方面，电袋复合除尘技术、布袋除尘技术是较为典型的两种技术，也是未来协同脱除污染物、实现超低排放的主要技术。

低低温电除尘技术、团聚技术、电袋复合除尘技术、布袋除尘技术等一系列新技术的应用，有效地降低了污染物出口浓度，提高了空气质量，实现了对SO2、NOx及烟尘细小微粒的协同净化，达到了超低排放要求。随着排放限值的严格化、标准化，根据颗粒物特性，各种除尘技术及其技术特点也将得到改进和更新，未来实现超低排放将会更加简单便捷、经济环保。