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烟气中PM2.5控制技术的研究进展
2015年12期 发行日期:2015-04-03
作者:zhoukan2012

        PM2.5污染现状
  PM2.5主要来自于人类的排放,从污染源的形态上可以分为固定污染源和移动污染源,固定污染源主要包括燃煤电厂和工业锅炉,移动污染源包括汽车尾气、扬尘等。从污染物来看,PM2.5主要来源于煤的燃烧,煤炭是我国最主要的能源物质,因此,可以看出,以煤为主导的PM2.5污染状况近年来不会改变。
  据中国环境监测总站发布的《2015 年1 月京津冀、长三角、珠三角区域及直辖市、省会城市和计划单列市空气质量报告》,自2013 年1 月1 日起重点监测的京津冀、长三角、珠三角区域及直辖市、省会城市和计划单列市共74 个城市(简称74个城市)达标天数比例在3.2%~100%之间,平均达标天数比例为48.2%,轻度污染天数比例为25.6%,中度污染为13.3%,重度污染为11.0%,严重污染为1.9%。超标天数中以PM2.5为首要污染物的天数最多,其次是PM10。污染形势非常严峻。
  对于PM2.5的防治,不止要对单一污染物进行控制,同时要对各种污染物进行协同控制,才能有效的控制PM2.5污染形势。这对于中国来说是一场需要不断摸索的持久战。
        烟气PM2.5控制技术
  1. 湿法控制技术
  电除尘器是利用强电场电晕放电,使气体电离、粉尘荷电,在电场力作用下使粉尘从气体中分离出来的装置,具有除尘效率高、气体压力损失小等特点。湿式电除尘技术的捕集机理与干式电除尘相同,但在捕集粉尘的清除方式上与干式电除尘器有区别,前者采用冲刷液冲洗电极,使粉尘呈泥浆状清除,后者则采用机械振打等方式清除电极上的积灰,因此,它们在结构和除尘特性等方面都有明显的差异。由于清灰技术的改进,湿式电除尘没有因振打、电风和气流等因素造成粉尘的二次飞扬,不仅保证了低排放,特别是对PM2.5的微细颗粒、SOX、二恶英、重金属和碱性氯化物颗粒都能有效捕集。随着各国对环保要求的提高,美国、日本和德国等发达国家对微细粉尘、SO3酸雾等污染物治理力度的加大,湿式电除尘器的研制和应用也成为除尘行业的发展方向。
  湿法烟气脱硫(WFGD)是目前采用的主要脱硫工艺, 国内外的相关研究表明:WFGD对大颗粒污染物有很好的脱除效果,但对于细颗粒(粒径 < 2.5μm)的脱除效率很低。
  若能在湿法脱硫的过程中同时脱除可吸入颗粒物,对烟气污染控制将具有重大意义。在湿法脱硫过程中,高温烟气与低温脱硫剂吸收液接触, 发生强烈的传质和传热作用, 使部分吸收液气化,增大了洗涤塔出口的烟气含湿量,同时也使烟气的温度降低。通常在WFGD系统出口, 烟气的含湿量可达到85%~90%以上, 若能改变WFGD系统出口烟气的条件,就能到细颗粒凝结长大所需的过饱和环境,从而可控制WFGD系统PM2.5的排放。通过在脱硫塔内添加蒸汽,利用蒸汽相变促使PM2.5凝结长大,可以有效提高PM10和PM2.5质量和数量浓度脱除效率。
  2. 电凝并技术
  凝并技术是使分散的微细粒子通过物理或化学作用互相接触而结合成较大的颗粒,根据凝并机理的不同,主要分为热凝并、声凝并及电凝并等。由于热凝并与声凝并实行起来比较困难,目前常用的是电凝并技术。
  电凝并技术是近年来提出的一种利用不同极性放电导致粉尘颗粒荷不同电荷,进而在湍流输运和静电力共同作用下凝聚变大的技术。电凝聚技术的工作原理即放置电极同时并列有正、负两种,亦即电场中(电场后)的颗粒会部分荷正电、部分荷负电,荷异性电荷的粉尘颗粒会在适当的流场速度、流场湍流度下发生有效凝聚,从而使细微颗粒的粒径变大,增大驱进速度,利于被除去。这一技术克服了电除尘器对PM2.5荷电不充分的难题,提高了电除尘器的除尘效率,显著减少了总质量排放,特别是PM2.5的排放。同时,高压脉冲放电还可以脱除烟气中的一些有害成分。
  国内多家单位正在研究粉尘凝聚技术,并进行了相关有益实验,获得了国家专利,掌握了核心技术。国外公司从1999年开始研究微粒聚合技术,2002开始工业应用,截至目前应用业绩较少,其测试结果表明:PM2.5排放可减少80%,浊度可降低50%~80%,总质量排放可下降1/3~2/3。
  3. 静电复合式除尘技术
  目前,常规的高效除尘器对于粒径在0.1~2.0μm之间的粒子不能进行有效捕集。传统的静电除尘器对于10μm以上的颗粒除尘效率可以达到99%以上,但当颗粒物直径小于2μm时,除尘效率就会显著下降,低于90%,甚至会降到50%以下。袋除尘器去除的颗粒物粒径大部分都小于2.5μm。因此要有效去除PM2.5,就必须提高现有除尘器的除尘效率,并且研究出新型高效的除尘工艺。
  电袋复合除尘器,能够结合两种高效除尘设备的优点,弥补彼此的不足,得到一种更为高效实用的除尘设备。这对于提升我国除尘技术与装备,降低工业粉尘排放浓度,减少大气污染,具有十分重要的意义。
  为了满足现行除尘要求,清洁生产,国内外把重点放在了混合式除尘系统的研究上,混合式除尘系统一般由静电和其他除尘机理相结合的方式组成。如静电+旋风除尘器、静电+颗粒层除尘器、静电+布袋等。
  在美国能源部的资助下,美国能源环境研究中心的Miller等开发了一种结合紧凑的系统“先进混合除尘器”(Advanced Hybrid Particulate Collector)。其基本思想是把静电除尘和布袋除尘集于一个腔内,把滤袋置于静电极板和极线之间,实现了真正的混合。由于静电除尘器后的烟气中颗粒已经很少,加上由于这些颗粒都带有相同电荷而相互排斥,能在滤袋表面形成更多孔隙和凝并的颗粒层,从而过滤阻力较小,表面清灰容易,脉冲清灰时间增加,能耗降低,因此过滤速度可以提高到传统速度的4~8倍,并可压缩滤袋的间距,不管空间还是投资方面都将大幅减小,而颗粒带电又增强了粉尘层和纤维层对细颗粒的作用,同时,其体积小,滤袋和极板的投资少。另外,二者在一个室中充分混合,静电清灰产生的二次扬尘可被滤袋所捕集,而滤袋脉冲清灰的扬尘又会进入电场区,这些扬尘由于在滤袋表面进行了凝并,颗粒粒径增大,所以进入电场区以后很容易被电场捕集,这样克服了二者清灰带来的效率降低,从而大大提高了除尘效率,特别是PM2.5的脱除效率,可以采用性能较好的覆膜滤料,这样会进一步增加对PM2.5的脱除效率。但是,此技术的难点之一就是滤袋的保护。由于滤袋处于高压电场中,加上,荷电颗粒不断在滤袋表面积累,这样很容易在滤袋后的龙骨和滤袋表面的粉尘层发生击穿产生电火花并烧毁滤料。Miller等采取了以下解决办法:①在滤袋与电极间加开孔率为40%左右的孔板,使布袋周围的等势线降低近百倍,既保护了滤袋,又可作为极板进行收尘;②采用导电的滤料和覆膜,并在高压电极和布袋间加一排接地线或接地网。这样将防止静电在滤袋上积累。通过上述技术,滤袋周围电火花的发生率几乎为零,从而在技术上基本解决了滤袋被静电破坏的问题。
  此外,近年来国内对于PM2.5的治理技术,还有多个课题以及研发方向都取得了一定的成果。如筛网式除尘技术、气流转向技术、双极性荷电技术等。
         结   语
  综合目前的技术来看,凝并器具有以下优点:①运行成本相对较低,压力损失较小,运行可靠,维护少,适应性好;②减少烟尘总质量排放,提高除尘设备的除尘效率;显著减少PM2.5及有毒重金属的排放,减轻因微粒排放引起的人体危害,提高大气能见度;③在一定范围内提高电除尘器对不同煤种的适应性;④为静电除尘器的减容创造条件。脉冲荷电与直流收尘相结合是一种有效的控制纳米级飞灰颗粒污染物的途径,但是正脉冲放电与负直流收尘相结合时,存在一个跳变电压,当脉冲峰值电压高于此电压时,对小于0.1μm的颗粒的脱除效率才会大幅提升。正脉冲放电的跳变电压低于负脉冲,具有更好的安全性和经济性,是改造传统静电除尘器的较佳选择。总体来说,凝并器去除空气中的PM2.5具有十分可观的发展前景。
  同时,去除多种污染物,实现脱硫、脱销、颗粒物等的去除一体化也是目前研究的一个焦点,以现有的除尘、脱硫、脱硝等污染控制技术为核心,结合煤预处理技术、燃烧过程中污染物控制技术,形成从源头到终端控制的一个完整的污染物控制链,最大限度减少投资成本、节省能源,从源头上减少污染物的排放。

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