袋式除塵技術對PM_2.5控制的探討

陳隆樞

（中鋼集團天澄環保科技股份有限公司，武漢 430080）

2013年初，我國遭受了大范圍霧霾天氣影響，空氣質量明顯下降，霧霾面積達130萬平方公里。從1月28日起，我國中東部地區受霧霾天氣影響逐漸擴大，北京、天津、石家莊、濟南等城市空氣質量為六級，屬嚴重污染；鄭州、武漢、西安、合肥、南京、沈陽、長春等城市空氣質量為五級，屬重度污染。其中，武漢市1月空氣污染天數達30天。這種“十面霾伏”的狀況引發了全民對空氣污染的極大關注。

霾對人體健康極為有害，吸入人的呼吸道后，嚴重時會致死。鐘南山院士說，霧霾天氣對人的危害比非典還厲害。因此，我國的大氣污染治理迫在眉睫。

1 中國需要最嚴格的大氣污染物排放標準

形成霾的原因有多種，毫無疑問，其中PM2.5是主要原因。陰霾與輕霧、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙霧等天氣現象一樣，都是因浮游在空中大量極微細的塵粒或煙粒等所致。權威人士指出：出現如此嚴重霧霾，最根本原因是污染物排放的增加；其次是大氣自凈能力的衰減。

PM2.5由以下幾種方式產生：1）人為源或自然源直接以固態形式排出一次顆粒物；2）在高溫狀態下以氣態形式排出，在煙羽的稀釋和冷卻過程中凝結成固態的一次可凝結顆粒物（condensable particles）；3）由氣態的SO2、NOx和揮發性有機物（VOC）等前體物，通過大氣均相或非均相成核而形成二次顆粒物。

減少污染源，削減大氣污染物排放是解決霧霾的根本之道。關于大氣顆粒物和復合污染控制，國際上較多采取以下做法：

（1）較好地掌握大氣顆粒物與復合污染形成及相互影響規律。

（2）在上述基礎上，準確識別對大氣顆粒物形成有主要貢獻的重要污染源和關鍵污染物。

（3）通過對關鍵污染物空氣質量標準的制定與實施，推動對重要污染源排放標準的制定與實施。

（4）推動相關控制技術的研發和控制計劃的實施。

長期以來，我國一直執行寬松的環保標準，不但與發達國家有相當大的差距，甚至低于一些發展中國家，而且存在一些環保法規因疏于監管而執行不到位的情況。其結果是環境質量狀況出現了“局部有所改善，整體仍在惡化”的局面。

當大氣環境污染嚴重超標時，行政管理部門有時候會發布一些強制性的命令。例如，在最近的霧霾事件中，根據《關于北京市空氣重污染日應急方案》，北京共有58家企業實現了停產，以全部切斷污染源；41家企業降低生產負荷以減少污染，實現30%以上的污染減排；強聯水泥、平谷水泥二廠等均實現全部停產，水泥行業也實現了30%以上的減排。這些措施雖然有一定效果，但畢竟只是臨時性的，而且只能治標而不能治本。

為了實現“減少污染源，削減大氣污染物”這一“解決霧霾的根本之道”，必須進一步嚴格大氣排放標準。

在最近的十年中，我國一再修訂大氣污染物排放標準，從排放限值來看，已經接近歐美發達國家的水平。但從另外的角度考慮，則與控制PM2.5的要求差距甚遠。

我國以煤炭為主要能源，而且在今后很長時期內，能源結構不可能發生根本性的變化，煤炭產量逐年不斷攀升。2002年我國煤炭產量為13.8億噸，2012年增長到36.5億噸，為十年前的2.6倍。2011年我國煤炭消耗量即占全球當年煤炭總產量的46%，大部分用于發電或作為工業和民用燃料。

世界陸地總面積為1.49億平方公里，除去無人居住的南極洲面積1400萬平方公里，在其余的1.35億平方公里面積中，中國國土只占7.1%。面對這樣的現實，如果我國大氣污染物排放限值與其他國家相同，按每平方公里國土面積計算的燃煤煙塵量將是世界平均值的6.48倍。

考慮到經濟發展的不均衡性，在我國的局部區域，大氣污染物的平均數量將更高。環境保護部吳曉青副部長指出，京津冀、長三角、珠三角三個區域，國土面積僅占我國國土面積的8%左右，卻消耗全國42%的煤炭，52%的汽、柴油；生產全國55%的鋼鐵，40%的水泥；SO2、NOx和煙塵排放量均占全國的30%，單位平方公里的污染物排放量5倍于其他地區。既加劇了PM2.5的排放，更加重了霾的形成。這些地區每年出現霾的天數在100天以上，個別城市甚至超過200天。

我國排放大氣污染物的一些重點行業也在全球占據顯著地位：自2002年以來，中國10種有色金屬產量一直居世界第一；2011年我國粗鋼產量占世界產量的45.5%；水泥行業的情況更為突出，2011年產量占據全球產量的60%左右。按此計算，平均每平方公里國土所容納的水泥行業煙（粉）塵量是世界平均值的8.45倍。

上述情況表明，僅僅滿足于大氣污染物排放限值接近或等同于發達國家的水平，遠遠不能達到治理我國大氣污染的目標。因此我國需要更低的排放限值、更加嚴格的大氣污染物排放標準，而且在該標準中應包括PM2.5的排放指標。

對于制訂嚴格的環保標準，有人擔心會增加企業負擔，阻礙經濟發展。應當看到，嚴重的霧霾給社會經濟造成的巨大損失遠遠大于污染治理所需的費用，大氣污染已經成為了經濟發展的嚴重阻礙。為了應對嚴重污染事件而強制企業停產，僅一條現代化的水泥生產線停產一天，將會減少產量數千噸到一萬多噸，經濟損失即達數百萬元。還有通過人工降雨等措施來消除污染，氣象專家認為“既不經濟也不現實”。根據已有的科技水平，人工降雨消霧只能在局部的很小范圍內進行，并且時間短暫，效果也不明顯，況且，動輒數千萬的花費也難以承受。因而不能在繼續承受嚴重污染帶來巨大損失的同時，再花費高昂代價去采取一些治標不治本的臨時措施，應該盡快制定世界最嚴格的環保法規，并嚴加監管，以換取我國大氣環境的根本好轉。

2 袋式除塵技術是削減污染物排放的主力軍

嚴格的環保標準需要高效的環保技術作為保障。袋式除塵能為最嚴格的標準提供最可靠的技術支撐，是減少大氣污染物排放的主力軍。在20世紀的最初10年中，我國兩次修訂大氣污染物排放標準，得益于袋式除塵技術的有力支持，對削減污染物排放發揮了重大作用。

在各類除塵技術中，袋式除塵器技術具有最高的除塵效率。在產生粉塵或煙塵的各個行業中，凡采用袋式除塵技術的系統，其固體顆粒物排放濃度普遍穩定在30mg/Nm3以下，遠遠低于采用其他除塵技術。凈化燃煤鍋爐煙氣的袋式除塵系統大部分排放濃度在20～30mg/Nm3，有許多低于10mg/Nm3；凈化高爐煤氣和水煤氣的袋式除塵系統則全部在5～10mg/Nm3；用于垃圾焚燒發電廠的袋式除塵系統，更獲得了排放濃度為低于5mg/Nm3的效果。

需要說明的是，排放濃度遠低于國家排放限值的那些袋式除塵系統，都是采用了目前常規的袋式除塵設備、濾料、控制系統和運行參數。這說明，目前的袋式除塵技術可以支持排放限值更低的環保標準。之所以還有一部分袋式除塵系統不盡人意，除了少量以次充好、假冒偽劣產品因素之外，主要是在對袋式除塵技術的理解、對相關標準和規范的遵循、制作和安裝質量的把握、運行管理的到位與否等方面出現問題，而不在袋式除塵技術本身。

在控制PM2.5方面，雖然目前尚未大量進行專項研究，但現有的袋式除塵技術對微細粒子已經達到相當高的捕集效率。對覆膜濾料的測試表明，該種濾料對0.01～1.0μm粉塵的分級捕塵率可達97%～99%，總捕塵率可達99.999%，比未覆膜的濾料要高一個數量級。

超細面層濾料對于微細粒子也有很好的捕集效果。國內自主研發的賽膜高精濾料，由纖度為0.08旦的超細纖維針刺而成，并進行特殊的后處理。與纖度2.2旦的普通纖維制成的針剌氈相比，具有更細、更加均勻的孔隙，有更高的孔隙率，對微細粒子的捕集效果與覆膜濾料相當。

水刺是一種新的濾料制造工藝，由極細的高壓水柱形成水針，其直徑比針刺工藝所用刺針要細，所以水刺氈幾乎沒有針孔，表面比針刺氈更光潔、平整。水刺氈濾料具有更高的過濾精度，對PM2.5能獲得更好的捕集效果。由于水刺不會損傷纖維，可降低濾料的標重而不影響其性能，并可使用玻纖織物作為基布，從而降低濾料成本。某公司采用水刺工藝將一層枝狀超細PTFE纖維復合在各種基材（織物或針刺氈）上，成功開發出高性能濾料，已在許多垃圾焚燒爐等煙氣凈化工程中應用，效果良好。

在實際工程中，袋式除塵器對微細粒子也有很好的捕集效果。有研究者對兩臺燃煤鍋爐進行了除塵效果測試。鍋爐1為煤粉爐，額定蒸發量為670t/h；鍋爐2為鏈條爐，額定蒸發量為90t/h。兩臺爐均采用脈沖袋式除塵器、PPS針剌氈濾袋。分別測試了兩個除塵系統的除塵效果，也測試了對微細粒子的捕集性能。

結果表明：鍋爐1煙塵排放濃度為18mg/Nm3，鍋爐2為27mg/Nm3；鍋爐1的PM2.5的排放濃度為1.2mg/Nm3，鍋爐2為3.5mg/Nm3。1號爐袋式除塵器對PM10、PM2.5和PM1.0的捕集效率也很高，均在99.5%以上；而2號爐袋式除塵器對上述顆粒物的捕集效率相對較低，在90%左右。

在氣態污染物的減排方面，袋式除塵技術發揮著不可替代的作用。依靠袋式除塵系統實現了電解鋁含氟煙氣的凈化；對于工業過程中產生的瀝青煙氣，最有效的凈化方法是以粉塵吸咐并以袋式除塵器分離。

試驗結果表明，在半干法脫硫中，采用袋式除塵器比采用電除塵器可提高脫硫效率約10個百分點。濾袋表面的粉塵層含有未反應的脫硫劑，相當于“固定床”的作用。若濾袋表面粉塵層厚度為20mm，過濾風速為0.8～1m/min，則含塵氣流通過粉塵層的時間為1.2～1.5s，顯著延長了脫硫反應時間，從而提高了脫硫效率。

對于垃圾焚燒煙氣的凈化，袋式除塵是唯一有效的除塵技術。垃圾焚燒煙氣所含的二英等多種有害氣體，是依靠袋式除塵器的“固定床”特性而去除。一種新凈化技術是令袋式除塵器的濾料上附著催化劑，促使二英分解。

3 袋式除塵技術的進一步提升

為了適應未來更加嚴格的環保標準，為了更有效控制PM2.5的排放，袋式除塵技術需要從現有較為粗放的過濾向“精細過濾”的方向提升。

（1）高效捕集PM2.5的“精細過濾”材料

研制耐高溫、耐腐蝕的超細纖維（海島纖維、納米纖維等），在此基礎上開發超細面層濾料（梯度濾料）。

水刺濾料工藝有待進一步成熟，應充分發揮其優越性，研制多種能有效控制PM2.5的水刺濾料。

覆膜濾料需要進一步提高膜的質量穩定性以及貼膜牢度，解決在應用過程中薄膜易受損的問題。

（2）微細粉塵預荷電技術與裝置

通過使微細粒子荷電，提高濾袋對其的捕集效率，并導致濾袋表面粉塵層的疏松化，從而降低設備阻力。

使粉塵預荷電并保持所攜帶的電荷，是電袋復合的根本。預荷電裝置應有良好的荷電能力。袋式除塵器的結構也須適應預荷電技術，防止粉塵攜帶電荷的丟失。不要求預荷電裝置具有捕集粉塵的功能，因為現代的袋式除塵技術完全具備直接處理高含塵濃度氣體的能力，并使出口粉塵濃度遠低于國家排放限值，以及保持較低的設備阻力，不需要增添預除塵裝置。

（3）“精細”清灰裝置與清灰制度

從脈沖噴吹裝置和清灰制度的改進入手，針對粉塵的不同性質、不同粒度，實現清灰強度的“精細化”，既保持較低的設備阻力，又不致清灰過度而破壞對微細粉塵的捕集效果。

清灰制度向“離散”和“跳躍”的方向發展，以減少清灰時粉塵的再次附著。

4 結語

減少污染源，削減大氣污染物排放是解決霧霾的根本之道。我國大氣污染物排放量占據世界半壁江山，甚至更多，但國土面積只及世界有人居住陸地面積的7.1%，因此需要最嚴格的大氣污染物排放標準，并嚴加監管。

袋式除塵能為最嚴格的排放標準提供可靠的技術支撐。在各類除塵技術中，袋式除塵器技術能實現最低的排放濃度，是削減大氣污染物排放的主力軍。

袋式除塵技術對于微細粒子已有很高的捕集效率。為了有效控制PM2.5，袋式除塵技術還須進一步提升，向“精細過濾”方向發展。主要從“精細”過濾材料、預荷電技術與裝置、“精細”清灰裝置與清灰制度等方面進行研究與開發。■