電袋復合除塵器捕集微細粉塵PM2.5技術探討

鄭奎照

（福建龍凈環保股份有限公司，福州 364000）

1 前言

近年來，PM2.5微細顆粒物產生的灰霾現象日益嚴重，已成為了社會高度關注的環保大事。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發絲粗細的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。且其能進入人體的細支氣管和肺泡，影響人體健康。研究表明，PM10和PM2.5兩種顆粒物相比較，后者有機提取物的毒性要大于前者，可致哺乳動物細胞發生惡性轉化，引起細胞DNA斷裂、染色體損傷、細胞間通訊抑制，因此可以認為，顆粒物可損害呼吸功能，引起炎癥、哮喘等呼吸系統疾病，使心臟病的患病率與死亡危險增加，并具有潛在的致癌性。因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。

國家高度重視PM2.5污染的控制，2011年環保部發布《火電廠大氣污染物排放標準》，進一步提高了煙塵排放限值要求，要求新建燃煤發電廠煙塵排放濃度小于30mg/m3，重點地區小于20mg/m3；2011年11月，國務院《國家環境保護“十二五”規劃》明確提出“在京津冀、長三角和珠三角等區域開展臭氧、細顆粒物（PM2.5）等污染物監測”；2011年12月，環保部審議并原則通過了新的《環境空氣質量標準》，新標準首次將PM2.5納入常規空氣質量評價，在全國范圍內實施。PM2.5超細粉塵的治理被提到了前所未有的高度，加強PM2.5控制技術裝備的研發迫在眉捷。

2 國內外捕集PM2.5微細顆粒物技術

國內有關高等學院和研究機構的測試結果表明，靜電除塵器和常規袋除塵器難以捕集0.1～1μm的粉塵顆粒，需要采用靜電增強除塵技術。華北電力大學齊立強等[1]對華北某電廠670t/h煤粉鍋爐尾三電場靜電除塵器的入口和出口的煙道進行等速采樣測試，發現電除塵器入口與出口的飛灰濃度分布明顯不同，出口飛灰中細灰顆粒占飛灰的比例由入口的23.2%上升到93.6%，并說明“電除塵器對超細顆粒的捕集能力較低”。黃斌[2]等認為電袋復合除塵器一方面通過靜電凝并使微細顆粒變成較大顆粒，另一方面顆粒帶電又增強了粉塵層和纖維層對細顆粒的作用。清華大學通過對靜電除塵器、袋除塵器和電袋復合除塵器三種除塵器的測試，認為電袋復合除塵器對PM2.5粉塵的捕集效率是三種除塵器中最高的。美國電力研究所和能源與環境研究中心，對電袋復合除塵器進行測試，結果證明對PM2.5微細粉塵的捕集效率可以達到90%。

中國工程院院士清華大學教授徐旭昌在《燃煤源可吸入顆粒物的物理化學特征》一書的序中[3]指出，“通過對不同荷電顆粒運動的研究，發現了荷電顆粒在兩相流中兩兩相關的相互吸引、排斥、纏繞等規律；通過對微米級顆粒物在碰撞與團聚的動力學過程研究，發現了形成顆粒層結構與顆粒荷電、顆粒其它特性的關系，提出了微米顆粒動力學研究的新方法，為新型的電袋聯合脫除技術的發展提供了基礎數據，指明了新的研究方向。”

北京理工大學邵華[4]通過試驗發現，電袋復合除塵器的粉塵捕集平均粒徑由不荷電時的7.07μm增加到荷電時的10.58μm，由測試結果可以看出，在粒徑小于10μm時，各區間的質量百分含量隨著電場強度的增強均有減少的趨勢，尤其PM2.5的含量減少的最多。

3 PM2.5微細顆粒物捕集技術的選擇

PM2.5可入肺粉塵控制技術主要的傳統組合技術有：靜電加旋風除塵技術、靜電加顆粒層除塵技術、電袋復合除塵器技術、靜電除塵器加濕法脫硫技術，以及顆粒聚并長大技術（含電凝并、聲波團聚、磁團聚、相關凝結長大和喘流團聚等）。

3.1 靜電除塵技術

黃斌[2]等提出，首先從原理上來說靜電除塵器主要是靠顆粒荷電被吸附而脫除，但是1μm附近的顆粒由于處在場荷電和擴散荷電的混合區，其荷電能力很差，從而很難脫除。再者從運行方面而言，由于靜電除塵的二次揚塵使得PM2.5仍難得到控制。隨著人們對PM2.5危害性的認識，國內嚴格的控制法規即將出臺，國內外許多研究人員已經開始對PM2.5脫除從機理和運行工藝上進行研究，其中通過靜電與其它方式結合的研究受到了廣泛的重視。靜電對小顆粒物的作用是通過電暈極產生電場在場中形成一個電子濃度Ni，顆粒通過其中從而荷電，其中較小顆粒0.1μm主要通過自身和電子的隨機擴散和碰撞而帶電，荷電數由下式中的①給出；較大顆粒（＞0.1μm）主要通過附著電場中方向運動的電子從而帶電荷電數由下式②給出，剩余顆粒屬于以上二者混合荷電機理。

式中：dp—顆粒直徑；k=1.38×10-23，為Boltzmann常數。

3.2 濕式靜電除塵技術

濕式電除塵器作為控制燃煤煙氣PM2.5的設備，在發達國家的電力等工程領域得到了一定的推廣應用。濕式電除塵器是用噴水或溢流水等方式使集塵極表面形成一層水膜，將沉集在極板上的粉塵沖走的電除塵器。濕式清灰可以避免已捕集粉塵的再飛揚，達到很高的除塵效率。但存在著腐蝕電極、污泥和污水的處理問題。

3.3 袋除塵技術

黃斌[2]等認為，袋除塵器主要靠慣性碰撞、攔截和擴散脫除粉塵，同樣，由于1μm附近的粉塵顆粒正好處于慣性和擴散控制混合區，袋對其的脫除效率同樣很低。即便現在采用的覆膜濾料增強了攔截作用，對PM2.5捕集作用顯著增強，但也仍未能達到預期水平。

3.4 電袋復合除塵技術

電袋復合除塵器有機結合了電除塵器和袋除塵器，在具有電除塵器和袋除塵器優點的同時，利用電場使粉塵荷電，使微細粒子在電場中發生靜電凝并而形成較大顆粒；未被電場捕集的粉塵在流向濾袋區的過程中，再次發生靜電凝并，以及帶電粉塵在濾袋表面沉積過程中發生庫侖力、極化力和電場力的作用，使得微細粉塵PM2.5吸附、凝并，從而實現高效捕集。

4 電袋復合除塵器捕集PM2.5微細顆粒物機理探討

4.1 電袋復合除塵器中的靜電力

電袋復合除塵器前級電場使經過電場的粉塵電暈荷電，在靜電力的作用下被極板捕集。同時經過前級電場使得未被電場捕集而流向后級濾袋區的絕大部分粉塵帶電，這些帶電粉塵產生靜電力。按物理學方法，帶電塵粒產生的靜電力有3種：庫侖力、極化力和外電場力，其中的極化力包括鏡像力和電泳力。

庫侖力是點電荷Q1與Q2之間的相互作用力，大小和Q1、Q2的乘積成正比，和它們之間的距離r的平方成反比，作用力的方向沿著它們的連線，同性電荷相斥，異性電荷相吸引。按向曉東[5]的研究，這種力的作用還可以表達成一個點電荷在另一個點電荷形成的電場中所受的力。并由疊加原理，可以得到在多個點電荷群中某一點電荷所受的力。把這一推理擴展到帶電粒子和帶電纖維的靜電力分析中，球型粉塵帶電量為q，圓柱狀纖維單位長度帶電量為Q的庫侖力為式③：

式中：r —單位長度帶電量為Q的柱狀纖維中心線距球型粉塵中心的距離；

ε0—真空介電常數；

Ef—帶電纖維在r處產生的電場。當在金屬表面以外（距離為r）放置一個正電荷（+q）時，那么該電荷即將在金屬表面上（不是內部）感應出負電荷（-q）；這兩個正、負電荷之間將要相互吸引，該吸引力可以采用所謂鏡像電荷的概念來計算：認為在金屬表面以內離表面r處有一個負電荷（-q），這個（-q）與表面以外的（+q）的庫侖作用力就是鏡像力（力的大小與r成反比）。鏡像力是電場中的中性體由于受到電場的極化作用會產生靜電感應，導致中性體內產生電荷分布。

帶電球型粒子和中性導電纖維間的鏡像力為式④：

帶電球型粒子和于非導電纖維的鏡像力為式⑤：

式中：df— 為纖維直徑；

εf— 為非導電纖維的相對介電常數。

在非均勻電場中，中性粒子會感應形成負電荷和正電荷，感應的負電荷處于較高的場強中，而感應的正電荷處于較低的電場中，感應負電荷的靜電引力將大于感應正電荷的靜電排斥力，使得中性粒子總是朝場強高的區域遷移。這樣中性粒子會受到一個與場強增強方向一致的靜電引力叫電泳力。

在空氣中，作用在帶電纖維附近的中性塵粒上的電泳力為式⑥：

式中：εp— 塵粒相對介電常數；dp— 粉塵粒徑；Q — 纖維帶電量。

4.2 電袋復合除塵器中靜電力的作用

（1）粉塵在電場區后到達濾袋表面前的過渡區電凝并

粉塵在電場區的凝并由于篇幅所限這里不作研究，本文只研究離開前級電場區后的粉塵。未被電場區捕集的粉塵流向后級的過渡區，這些正負荷電粉塵之間、正荷電粉塵與中性粉塵之間、負荷電粉塵和中性粉塵之間受到庫侖力，使得微細粒子在過渡區發生凝并，形成較大粒徑的粉塵而不易穿透后級濾袋，更容易被后級濾袋捕集。

（2）粉塵在達到濾袋表面后的電凝并

1）帶電粉塵與預涂灰粉塵的吸附和凝并

電袋復合除塵器的電場區未被捕集的粉塵必須通過濾袋過濾，不管粉塵是否帶電，當這些粉塵受到煙氣流負壓作用，全部向濾袋表面驅進，而被吸附在濾袋表面。

相關學者對帶電粉塵的纖維過濾性能進行大量不同的研究，認為濾袋纖維在開始工作時是不帶電的中性纖維，帶電粉塵由于庫侖力的作用，粉塵會向中性纖維驅進，帶電粉塵吸附在纖維上。因此與不帶電粉塵相比，捕集效率更高。這一現象被Oak[6]等人的試驗驗證，不加電場時，纖維的背風面幾乎沒有沉積粉塵，只有加電場時纖維背風面才有積塵。而實際電袋復合除塵器為保護濾袋免受油煙的影響，新濾袋安裝完后立即進行預涂灰。這些預涂灰本身由大小不同粒徑粉塵組成，濾袋經過預涂灰后在濾袋表面形成一層粉塵層，在濾袋剛開始投入運行時，這層粉塵層阻擋細粉塵進入濾袋纖維內部，達到高的捕集效率。因此在實際過濾過程中，潔凈濾料在預涂灰后直到使用壽命終結就不再是潔凈濾料了，同時為防止過度清灰時纖維過濾效率下降，需要控制清灰的壓力和間隔，使濾袋表面總是保持殘留一層薄的粉塵層。這樣濾料的內部過濾作用很少，基本上都是表面過濾。

2） 帶電粉塵層的凝并

當帶電粉塵不斷聚集在濾袋表面后，在濾袋表面形成一層帶負電的粉塵層，隨著荷電粉塵在濾袋表面不斷沉積，由于粉塵濃度不斷增大，這些帶電粉塵聚集在濾袋表面形成為大量負粒子的粉塵堆，從而形成電場，產生一定的電場強度。

這些粉塵層的作用之一是：煙氣中不帶電和帶正電的粉塵降落在濾料表面過程中，被帶負電的粉塵吸附，使其不易穿過粉塵層表面，因而不會滲入到濾料內部。根據塵粒的荷電機理有電場荷電和擴散荷電兩種文獻[7]，對于粒徑小、比電阻高的粉塵很難在電場中荷電，因此經過電場后中性粒子大部分為粒徑小的粉塵。

粉塵層的作用之二是：經過粉塵層形成的電場區間，雖然作用到粒子和纖維上的外加電場力不大，但粉塵層對帶電和不帶電塵粒的捕集是近距離的，這樣極化效應就會發生作用，產生塵鏈聚集。以及中性粒子在非均勻電場中產生電泳力，使中性粒子朝電場高的區域移動而被捕集。

粉塵層的作用之三是：對新降落在粉塵層的帶負電粉塵一方面受到負電粉塵的排斥力作用以及帶電粉塵層不斷釋放靜電，形成與氣流相反的阻力，減緩粒子穿越表面粉塵層的速度和產生粉塵在濾袋表面的阻尼振蕩；另一方面由于相同極性粉塵相互排斥，濾料表面的粉塵層疏松、粉塵層阻力小，濾料（包括粉塵層）壓差小，對粉塵的吸力小，即粉塵的穿透力小。這樣荷電粉塵加強了濾袋表面粉塵層的作用，即加強了表面過濾作用。

即使粉塵沒有被濾袋表面帶負電的粉塵捕集，在穿越預涂灰粉塵層的帶電粉塵粒子后也會與中性纖維相互吸引，提高濾袋的捕集效果。

這些不斷沉積在濾袋表面的帶電粉塵的電量一部分隨粉塵清灰被降落在除塵器的灰斗，通過灰斗的金屬壁釋放；另一部分通過粉塵本身傳遞到懸掛濾袋的花板釋放。由于清灰有間隔和粉塵本身的導電性有限，使得濾袋表面帶電粉塵量和帶電量在發生周期變化。只要前級電場一直在工作，帶電粉塵的源也就不會間斷，在濾袋表面的帶電粉塵的作用也就不會喪失。

正負荷電粉塵、正荷電粉塵與中性粉塵、負荷電粉塵和中性粉塵受到庫侖力和氣溶膠粒子的偶極效應，使得微細粒子的凝并作用更加明顯。加上帶電粉塵層的加強表面過濾作用。因此電袋復合除塵器對PM2.5粉塵具有較好的捕集效果。

5 開發聯合捕集PM2.5和脫汞（重金屬）多污染物協同處理技術

我國是汞污染嚴重的國家，其中燃煤所造成的汞排放問題尤為突出。隨著污染情況的加劇以及國際控汞公約的即將簽署，對燃煤電廠進行汞排放控制已經成為國內外的共識。我國政府已高度重視汞污染防治工作，國務院多次轉發相關污染控制通知，并已正式發布了《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》。目前我國燃煤電廠大氣汞污染控制試點工作正式啟動，并即將出臺火電廠汞排放標準。在汞排放控制技術方面，利用現有的煙氣凈化設備（除塵或脫硫設施）進行協同除汞已成為技術開發的主流方向，其中粉狀活性炭吸附脫汞技術（ACI）已得到初步商業化應用。電袋復合除塵器在活性炭脫汞方面具有如下優點：（1）除塵效率高，可以滿足中長期粉塵排放標準要求。

（2）對捕集PM2.5微細粉塵，可以比靜電除塵器和袋式除塵器有更高的效率，同樣對極細的顆粒汞也有良好的捕集效果。

（3）清灰周期長，這樣可延長吸附劑和汞的作用時間，提高汞的捕集效率。

（4）荷電粉塵和荷電吸附劑的氣溶膠效應，有利于對含汞化合物顆粒和單質汞的吸附，提高汞的捕集效率。

（5）當添加劑在后級濾袋場加入時，由于前級電場收集了絕大部分粉塵，會有如下優點：

1）前級電場收下的粉塵沒有添加吸附劑，因此不受吸附劑的影響，可以繼續和相關建材搭配使用。

2） 流經到后級濾袋的粉塵量較少，噴入的吸附劑受到的粉塵污染（中毒）小，可以提高吸附劑及汞的吸附效果，同時減少吸附劑的噴入量，如果對吸附劑進行脫毒回用，還可以減少脫毒回用處理的工作量；

3） 被吸附劑污染的粉塵量少，處理費用低。

（6）美國EERC（能源與環境研究中心）對電袋除塵汞的脫除進行了測試，測試結果表明電袋除塵器對汞的脫除效率可以達到90%以上。

6 結語

電袋復合除塵器經過理論分析，證明是目前捕集PM2.5粉塵的最佳技術之一。但是電袋復合除塵器目前在所應用的除塵器總量中，相對靜電除塵器還很少。隨著環保要求的提高，電袋復合除塵器在除塵器的增效升級改造中將起到更加重要的作用，同時在建設生態型社會中將會發揮更大的作用。

[1]齊立強，等.燃煤鍋爐電除塵器飛灰物化性質及逃逸機制[J].中國電機工程學報，27（5）.

[2]黃斌，姚強，等.靜電增強脫除PM2.5研究進展[J].電站系統工程，19（6）.

[3]郝吉明，等.燃煤源可吸入顆粒物的物理化學特征[M].北京：科學出版社，2008，6.

[4]邵華.電袋復合除塵器去除PM2.5的基礎實驗研究[D].北京工業大學碩士論文，2009.

[5]向曉東.煙塵纖維過濾理論、技術及應用[M].北京：冶金工業出版社，2007，3.

[6]Oak MJ，Saville D A.The Buildup of Dendrite Structures on Fibers in the Presence of Srtong Electrostatic Fields.J.Colloid and Interface Science， 76（1），1980，259-262.

[7]劉后啟，林宏，等.電除塵器[M].北京：中國建筑工業出版社，1987，12.