有机固废燃烧烟气中PM2.5的过滤比较研究

朱芬芬,王 欢,徐智敏,闫法威,李雪梅*,胡 博,李胜红

有机固废燃烧烟气中PM2.5的过滤比较研究

朱芬芬1,王 欢1,徐智敏2,闫法威3,李雪梅1*,胡 博1,李胜红1

(1.中国人民大学环境学院,北京 100872；2.责扬天下(北京)管理顾问有限公司,北京 100081；3.首都机场集团公司北京大兴国际机场规划发展部,北京 102604)

垃圾焚烧是PM2.5的重要来源之一,目前焚烧烟气系统中无有效去除PM2.5的控制单元.在实验室探究了几种过滤介质对木屑､猪五花肉､污泥这3种有机质固体废物燃烧产生的PM2.5的去除效果.这几种过滤介质包括:涤纶针刺毡、聚四氟乙烯(PTFE)覆膜滤料、偏聚氟乙烯(PVDF)微滤膜、石墨烯及其组合.PTFE覆膜滤料+PVDF微滤膜的组合对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效果最好,可以达到97.45%.双层PVDF微滤膜对猪五花肉和污泥燃烧产生的PM2.5过滤效果都最好,分别为99.39%和98.03%.根据实验结果和SEM-EDS分析,PVDF微滤膜对碳组成的颗粒有较高的选择性截留效果.叠加使用过滤介质可以提高对PM2.5的过滤效率,但双层过滤可能会增加阻力,不利于对大量废气进行除尘处理.

PM2.5；有机质固体废物；过滤介质；过滤性能

近年来,雾霾成为全国最受关注的环境热点问题.PM2.5是造成雾霾的主要原因,尤其受到了广泛的关注.PM2.5是指环境空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物,又称细颗粒物.PM2.5可在空气中停留1000h左右,传输的距离可达上千km.PM2.5既可以通过散射和吸收太阳辐射来直接影响气候,也会对大气能见度产生较大影响[1].同时PM2.5还是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体,可通过呼吸道进入肺泡进而进入血液参与血液循环,严重危害人体健康[2-4].垃圾焚烧是PM2.5的来源之一[5].2013～2019年间全国生活垃圾焚烧量逐年攀升,2019年垃圾焚烧处理量达到12174.2万t[6-7].如此快速增长的垃圾焚烧行业,如果不对焚烧尾气进行加强处理,很可能会对大气造成二次污染,释放出大量的PM2.5,加剧雾霾污染.袋式除尘器以其高除尘效率,在工业尾气除尘中应用越来越广泛[8].袋式除尘器常用的滤料有针刺毡滤料、聚四氟乙烯覆膜滤料(PTFE)、石墨烯及聚偏氟乙烯微滤膜(PVDF)等[9-15].然而目前对滤料的研究大多集中在某种滤料对工业烟气的过滤效率,很少有研究评价不同的滤料对垃圾焚烧产生的PM2.5的过滤效率.本文在实验室内用管式炉模拟焚烧炉完全燃烧有机固体废物,比较了不同滤料对3种不同有机质固体废物燃烧产生的PM2.5的过滤效率,并对过滤样品进行了SEM-EDS分析.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 有机质固体废物的制备 先使用破碎机,将一次性木质筷子破碎成木质纤维,然后将其放入振动磨中研磨,变为木屑.从北京市高碑店污水处理厂取脱水后污泥,放入鼓风干燥箱中以105°C烘干,将热干化后的污泥放在干燥器里干燥冷却至室温后放在研钵中进行研磨至粒状,然后将其倒入振动磨中磨成粉末,放入冰箱中保存.从超市买回猪五花肉,放入鼓风干燥箱中105°C烘干,将热干化后的猪五花肉放在干燥器里干燥冷却至室温后用剪刀剪碎,放入冰箱中保存.

1.1.2 过滤材料 使用的过滤材料如图1所示,包括涤纶针刺毡滤布､泡沫镍三维石墨烯、聚四氟乙烯(PTFE)覆膜滤布、聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜.

图1 过滤材料

a.涤纶针刺毡滤布;b.泡沫镍三维石墨烯;c.聚四氟乙烯(PTFE)覆膜滤布;d.聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜

1.2 方法

按照图2所示组装实验装置,使用塑料管和聚四氟乙烯生料带连接各个仪器并密封.实验所用气源由氮空一体机供给.玻璃转子流量计控制流量.使用管式炉高温加热燃烧有机质固体废物.通过文献调研､垃圾焚烧厂现场调查和预试验,最终对燃烧条件进行了评估,得到如下燃烧设定条件.每次实验取约2g的有机质固体废物,将空气流量设为100mL/min,使用管式炉加热至850°C保持90min.由于在此条件下,猪五花肉并没有充分燃烧,形成黑色的炭化片状物,PM2.5累积收集量过小,故取约1g的猪五花肉,将空气流量设为250mL/min,使用管式炉加热至850°C保持120min.有机质固体废物燃烧产生的PM2.5经过滤型装置,进入微电脑激光粉尘仪,其功能是收集燃烧过程中烟气中的PM2.5,并将数据传输到计算机.为了实现采集的是PM2.5组分,选择了相应的PM2.5切割器,在PM2.5切割器安装之前,在冲击板上涂抹硅脂以捕集>2.5μm的颗粒物.最后再添加玻璃纤维滤膜收集燃烧过程中的PM2.5.

图2 实验流程

①氮空一体机;②玻璃转子流量计;③管式炉;④微电脑激光粉尘仪;⑤电脑;⑥一级过滤型装置;⑦二级过滤型装置;⑧燃烧小舟

1.2.1 有机质固体废物燃烧产生的PM2.5质量检测方法 使用玻璃纤维滤膜收集产生的PM2.5,采样前后滤膜的质量差即为PM2.5质量.每次实验中,首先称出玻璃纤维滤膜的初始质量1(mg),将滤膜毛面向上放入切割器滤膜夹组件,以滤膜压板固定,启动仪器.7h后,取出玻璃纤维滤膜,称取滤膜质量2(mg).

(1)PM2.5背景质量

将微电脑激光粉尘仪开启后3～7min(有机质固体废物还未燃烧)的PM2.5浓度的平均值作为空气PM2.5浓度值.按以下公式计算可以得出空气PM2.5质量3.

3=××(1)

式中:3为PM2.5背景质量,mg;为空气PM2.5浓度值,mg/m3;为空气流量,m3/min;为实验时间,min.

(2)单位质量有机质固体废物燃烧产生的PM2.5质量

4= (2­1)-3(2)

5=4÷(3)

式中:1为玻璃纤维滤膜初始质量,mg;2为有机质固体废物燃烧后滤膜质量,mg;3为空气PM2.5质量,mg;4为校正后的PM2.5质量,mg;5为单位质量有机质固体废物燃烧产生的PM2.5质量,mg/g;为有机质固体废物质量,g.

1.2.2 有机质固体废物残渣热灼减率 进行残渣热灼减率实验,检验有机固体废物是否充分燃烧.待管式炉中温度降至100°C左右时,将其中的燃烧残渣取出,放在玻璃干燥器中,冷却至室温后称重.然后将残渣放置在马弗炉中,在650°C下灼烧3h.待马弗炉的温度降至100°C左右时,将灼烧残渣取出,放置在玻璃干燥器中冷却至室温,称重.

= (-) ÷× 100% (4)

式中:为热灼减率,%;为焚烧残渣从管式炉中取出后,冷却至室温的质量,g;为焚烧残渣经马弗炉灼热后冷却至室温的质量,g.

1.2.3 过滤型装置去除PM2.5效果评价方法 将待测过滤型材料剪裁成直径50mm的圆形,二级过滤时,第2个过滤材料剪成20mm的圆形,放置在如图3的装置中.用聚四氟乙烯生料带缠绕在装置外达到密封的目的.

图3 过滤型装置

(1)经过滤型装置阻隔后PM2.5浓度

使用一台微电脑激光粉尘仪,分别测定经过不同过滤型装置后的PM2.5浓度值.每种过滤型装置测定3次取平均值.使用同1.2.1的方法,得到经过滤型装置阻隔后单位质量有机质固体废物燃烧产生的PM2.5质量6.

(2)过滤型装置过滤效率

用表示过滤型装置过滤效率,按以下公式进行计算:

= (5-6) ÷5× 100% (5)

式中:5为单位质量有机质固体废物燃烧产生的PM2.5质量,mg/g;6为经过滤型装置阻隔后单位质量有机质固体废物燃烧产生的PM2.5质量,mg/g.

1.2.4 SEM-EDS分析 扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)是材料分析领域中两种常用的分析仪器.SEM广泛用于材料的表征,EDS用于材料的成分分析.SEM和EDS组合使用时,既可以观察样品的表面样貌,又能分析微区成分[16].本实验使用清华大学机械学院的SEM-EDS设备,观察不同有机质固体废物燃烧产生的颗粒物表面形貌,并进行元素成分分析.同时,由于不同过滤介质对不同有机质废物燃烧产生的PM2.5过滤效率不同,为了探究造成这一过滤效率差异的机理,还选取了分别对木屑、猪五花肉、污泥燃烧产生的PM2.5过滤效果最佳的过滤介质组合的过滤样品进行SEM-EDS分析.

2 结果与讨论

2.1 不同有机质固体废物残渣热灼减率分析

3种有机质固体废物燃烧后的残渣产率及残渣热灼减率实验结果如表1所示.结果表明3种有机质固体废物的残渣产率都低于40%,且木屑和猪五花肉燃烧后残渣产率均低于1.5%,减量化效果显著.热灼减率测定结果表明,有机质固体废物的残渣热灼减率均低于5%,尤其是污泥,残渣热灼减率低于1%,基本上达到了完全燃烧的水平.综上所述,利用1.2中的燃烧参数进行燃烧实验可以满足减量化和完全燃烧的需求.

表1 有机质固体废物燃烧残渣产率及残渣热灼减率

2.2 不同过滤型装置对有机质固体废物燃烧产生的PM2.5过滤效率研究

2.2.1 木屑作为燃烧源的PM2.5过滤研究 当不加任何PM2.5处置措施时,燃烧1g木屑7h所产生的PM2.5质量为(1.177±0.194)mg.加入不同的滤料后,单位质量木屑燃烧产生的PM2.5经过过滤后的收集量及PM2.5过滤效率如图4所示.

一次过滤时,PTFE覆膜针刺毡对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效果最好,可以达到61.43%.涤纶针刺毡对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效率次之,为51.66%.PVDF微滤膜对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效率仅20.99%,效果不太理想.废气在经过泡沫镍三维石墨烯后,PM2.5甚至会增加.这可能是因为石墨烯本身就是微细碳颗粒集合,在一定条件下,它本身会释放微细碳颗粒,所以,高温､又有风速的情况下,很可能释放了部分颗粒,随废气进入了微电脑激光粉尘仪.二次过滤时,第二层过滤介质为PVDF微滤膜时,效果最好.其中,PTFE覆膜针刺毡+PVDF微滤膜的组合对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效果最好,可以达到97.45%.涤纶针刺毡+PVDF微滤膜的组合效果次之,对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效率为90.31%.双层涤纶针刺毡､双层PTFE覆膜针刺毡､PTFE覆膜针刺毡+涤纶针刺毡的组合对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效率分别为83.01%､86.75%､88.02%.

图4 单位质量木屑燃烧产生的PM2.5收集量及PM2.5过滤效率

2.2.2 猪五花肉作为燃烧源的PM2.5过滤研究 当不加任何PM2.5处置措施时,单位质量猪五花肉燃烧产生的PM2.5质量平均值为(11.878±0.559) mg.加入不同的滤料后,单位质量猪五花肉燃烧产生的PM2.5的收集量及不同过滤型装置对猪五花肉燃烧产生的PM2.5过滤效率如图5所示.

一次过滤时,PVDF微滤膜对猪五花肉燃烧产生的PM2.5的过滤效率最高,达到85.72%.PTFE覆膜针刺毡对猪五花肉燃烧产生的PM2.5的过滤效果次之,为76.69%.涤纶针刺毡对猪五花肉燃烧产生的PM2.5的过滤效率最低,为68.31%.二次过滤时,仅测试了单层过滤效果最高的PVDF微滤膜双层叠加,以及PVDF微滤膜和单层过滤效果次之的PTFE覆膜针刺毡的组合.其中,双层PVDF微滤膜对猪五花肉燃烧产生的PM2.5过滤效果极高,可以达99.39%.PVDF微滤膜+PTFE覆膜针刺毡的组合对猪五花肉燃烧产生的PM2.5的过滤效果也很好,为96.12%.

图5 单位质量猪五花肉燃烧产生的PM2.5收集量及PM2.5过滤效率

2.2.3 污泥作为燃烧源的PM2.5过滤研究 当不加任何PM2.5处置措施时,单位质量污泥燃烧产生的PM2.5质量为(0.761±0.163)mg.加入不同的滤料后,燃烧单位质量污泥产生的PM2.5收集量及PM2.5过滤效率如图6所示.

以污泥作为燃烧源的PM2.5分析实验中,仅测试了分别对木屑和猪五花肉燃烧产生的PM2.5过滤效率最好的两种组合.实验结果显示,对猪五花肉燃烧产生的PM2.5过滤效果最好的双层PVDF微滤膜对污泥燃烧产生的PM2.5过滤效果也最好,达98.03%.对木屑燃烧产生的PM2.5过滤效果最好的PTFE覆膜针刺毡+PVDF微滤膜组合对污泥燃烧产生的PM2.5过滤效果为89.62%.因此推断,污泥燃烧产生的PM2.5性质可能比较类似于猪五花肉燃烧产生的PM2.5.

图6 单位质量污泥燃烧产生的PM2.5收集量及PM2.5过滤效率

2.2.4 不同过滤型装置对3种有机质固体废物燃烧产生的PM2.5过滤效率的比较 总的来看,燃烧猪五花肉产生的PM2.5最多,超过了10mg/g.添加过滤装置后,除了泡沫镍三维石墨烯增加了木屑燃烧PM2.5的产量,其他的装置都对PM2.5产生过滤效果.当然,因为实验中仅使用2g的燃烧物且都是采用新滤布,实验结果体现的大部分是过滤材料本身的过滤效果而非实际运行条件下已经积灰后的效果.单层过滤装置的过滤效率不如组合叠加的装置效率高,并且相同的过滤装置对不同的有机质固体废物燃烧产生的PM2.5的过滤效率也不一样,例如,一次过滤时,PTFE覆膜针刺毡对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效果最好,而对猪五花肉燃烧产生的PM2.5的过滤效果不是最好.二次过滤时,对木屑燃烧产生的PM2.5的过滤效果最好的是PTFE覆膜针刺毡+PVDF微滤膜,而猪五花肉和污泥则是双层PVDF微滤膜.

2.3 SEM-EDS结果及分析

图7 木屑燃烧产生的PM2.5形态及成分

2.3.1 不同有机质固体废物燃烧产生的颗粒物的SEM-EDS分析结果 3种有机质固体废物燃烧产生的颗粒物的SEM-EDS分析结果如图7、图8、图9所示.结果显示,3种有机质固体废物燃烧释放的PM2.5形态明显存在差异.木屑燃烧产生的颗粒物形态多样复杂,除C和O是主要元素以外,Si、Al、Ca含量也较高.这可能是由于本实验中用于制作木屑的筷子本身成分较为复杂,在燃烧时发生多种反应而形成形态不规则的颗粒物.猪五花肉燃烧产生的颗粒物形态较为单一,大多为圆形颗粒,主要含量为C和O,个别颗粒中的Si､Al含量较高.一些圆形颗粒会在膜上聚集在一起,形成类似葡萄串或圆形饼状聚集体的形态.污泥燃烧产生的颗粒物形态较为复杂,但大多也类似圆形或块状,主要元素组成仅为C和O,少数颗粒中的Si含量较高.电镜下观察到有些大颗粒.根据形态判断,大多数应是由粒径小于2.5μm的颗粒在膜上聚集在一起,形成的较大颗粒.另有部分颗粒可能是空气中的大颗粒在制样和转移样品的过程中掉落在样品上.

图8 猪五花肉燃烧产生的PM2.5形态及成分

图9 污泥燃烧产生的PM2.5形态及成分

图10 PTFE覆膜针刺毡覆膜一侧(a、b、c)与未覆膜一侧(d、e、f)

图11 PVDF膜

图13 木屑燃烧产生的PM2.5被截留在第二层PVDF膜上的形态及成分

2.3.2 不同过滤介质上颗粒物的SEM-EDS分析结果 分别对木屑、猪五花肉、污泥燃烧产生的PM2.5过滤效果最佳的过滤介质及过滤样品进行SEM- EDS分析,如图10～17所示.PTFE覆膜涤纶针刺毡在电镜下可看到纤维和覆膜交替出现,因此PTFE覆膜并没有完全覆盖住涤纶针刺毡.同时,PTFE覆膜涤纶针刺毡孔径很大,在10～20μm左右.PVDF微滤膜单一孔径大小不一,在0.8～4μm之间,大于厂家标注的0.22μm,但由于其由多层介质重叠组成,其层叠组合形成的孔径可能在0.22μm左右.此外,从形状来看,PTEF覆膜涤纶针刺毡呈纤维交织状,而PVDF微滤膜则是细小孔洞状.总体而言, PTFE覆膜涤纶针刺毡和PVDF微滤膜的微孔多、孔径小,并且具有良好的机械性能,对颗粒物能起到拦截作用,对PM2.5能产生很高的去除效率[17-19].但是,由于PVDF微滤膜的孔径更小,因此对更加细小的颗粒的截留效果更好.从过滤样品的SEM-EDS图可知,木屑燃烧产生的PM2.5被截留在第1层PTFE覆膜针刺毡上的颗粒的成分复杂,元素种类多,而在第2层PVDF膜上的颗粒主要由C组成.如2.3.1所述,猪五花肉燃烧产生的PM2.5大多为圆形颗粒,由图14和图15可知,由于PVDF膜多层介质的重叠组合,圆形颗粒被截留在PVDF膜上,并且有的颗粒呈堆积聚集状,截留颗粒的成分主要为C元素.污泥燃烧产生的PM2.5被截留在过滤介质上的形态多为堆积块状且C含量高.由于过滤介质的层叠组合,依靠滤层的拦截、碰撞、扩散和静电吸引等效应将3种有机质固体废物燃烧产生的PM2.5都截留在了滤料表面及缝隙中,且颗粒物会碰撞聚集在一起.此外,从截留颗粒物的组成成分可以看出,PTFE涤纶针刺毡相对来说对截留的颗粒没有太大的选择性,而PVDF微滤膜对由C组成的颗粒具有较好的截留效果.这可能是由于PTFE孔径相对更大,含碳颗粒的粒径小并且颗粒物多呈圆形或球状[20-21],能更好的被拦截在PVDF微滤膜层叠组合形成的圆形孔洞结构表面.说明圆形孔洞结构的过滤装置更利于对C组成的颗粒的截留.

图14 猪五花肉燃烧产生的PM2.5被截留在第一层PVDF膜上的形态及成分

图15 猪五花肉燃烧产生的PM2.5被截留在第二层PVDF膜上的形态及成分

图16 污泥燃烧产生的PM2.5被截留在第一层PVDF膜上的形态及成分

图17 污泥燃烧产生的PM2.5被截留在第二层PVDF膜上的形态及成分

3 结论

3.1 不同燃烧源燃烧产生的PM2.5性质不同.污泥燃烧产生的PM2.5性质比较类似于猪五花肉燃烧产生的PM2.5.实验结果显示,双层PVDF微滤膜对猪五花肉燃烧产生的PM2.5过滤效果极高,可以达到99.39%.双层PVDF微滤膜对污泥燃烧产生的PM2.5过滤效果也最好,达98.03%.对木屑燃烧产生的PM2.5过滤效果最好PTFE覆膜针刺毡+PVDF微滤膜组合对污泥燃烧产生的PM2.5过滤效果为89.62%.

3.2 PVDF微滤膜对C组成的颗粒有较高的选择性截留效果.PTFE覆膜针刺毡对截留的颗粒没有过多的选择性.

3.3 对不同的燃烧源使用相同的过滤介质组合,得到的结果略有不同.例如,单层PVDF微滤膜对木屑燃烧产生的PM2.5的效率仅有20.99%.而对猪五花肉燃烧产生的PM2.5的过滤效率可以达到85.72%.

3.4 叠加使用过滤介质可以大大提高对PM2.5的过滤效率.一次过滤时,对PM2.5的过滤效率最高为85.72%,大部分过滤介质对PM2.5的过滤效率仅有50%～70%.而二次过滤时,对PM2.5的过滤效率普遍可以达到85%以上,并有多种组合的PM2.5过滤效率可以达到接近100%.但双层过滤可能会增加阻力,不利于对大量废气进行除尘处理.

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Comparative study on filtration of PM2.5in combustion flue gas of organic solid waste.

ZHU Fen-fen1, WANG Huan1, Xu Zhi-min2, YAN Fa-wei3, LI Xue-mei1*, HU Bo1, LI Sheng-hong1

(1.School of Environment & Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.Zengyangtianxia (Beijing) Management Consulting Co., Ltd., Beijing 100081, China；3.Planning and Development Department, Beijing Daxing International Airport, Capital Airports Holding Company, Beijing 102604, China)., 2021,41(9)：4193～4203

Waste incineration is one of the important sources of PM2.5. At present, there is no control unit for the effective removal of PM2.5in the flue gas system. In this paper, the removal effect of several filter media on PM2.5produced by the combustion of three kinds of organic solid wastes, namely sawdust, pork and sludge, was studied. These filter media are polyester knitting fabric, polytetrafluoroethylene (PTFE) fabric, polyvinylidene fluoride (PVDF) micro-filtration membranes, graphene and their combinations.The combination of PTFE fabric and PVDF micro-filtration membrane has the best filtration effect on PM2.5produced by sawdust burning, which can reach 97.45%. The filtration effect of double layer PVDF micro-filtration membrane on PM2.5of pork and sludge burning are 99.39% and 98.03%, respectively.According to the experimental results and SEM-EDS analysis, PVDF micro-filtration membrane has a high selectivity retention effect on particles made of C.The combined use of filter can greatly improve the filtration efficiency of PM2.5.However, double-layer filtration may increase resistance, which is not conducive to a large number of exhaust gases for dust treatment.

PM2.5；organic solid waste；filter medium；filtration performance

X705,X513

A

1000-6923(2021)09-4193-11

朱芬芬(1978-),女,湖南邵东人,教授,博士,主要从事固体废物处理处置与资源化的研究.发表论文约50篇.

2021-02-15

国家重点研发计划(2019YFC1906501)

* 责任作者, 高级工程师, xuemeili_ch@aliyun.com