工業細粒物PM2.5預團聚及去除新技術研究進展

程治良，譚其祥，李瑞恒，全學軍，王進軍

(重慶理工大學 化學化工學院，重慶　400054)

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工業細粒物PM2.5預團聚及去除新技術研究進展

程治良，譚其祥，李瑞恒，全學軍，王進軍

(重慶理工大學 化學化工學院，重慶400054)

摘要：分析了目前傳統工業除塵系統的不足，指出對工業細粒物進行預團聚后，再應用常規除塵設備脫除工業細粒物是一條提高細粒物去除效果的行之有效的技術路線?？偨Y了細粒物預團聚的物理與化學方法，并介紹了濕法除塵方面的新技術，以及水力噴射空氣旋流器(WSA)脫除工業細粒物的新技術及其除塵效果。WSA具有結構簡單、無內部組件、不結垢和堵塞、除塵效率高等優點，對于研發新型除塵設備具有參考價值。

關鍵詞：工業細粒物；預團聚；水力噴射空氣旋流器；除塵

近年來，我國多地持續出現的霧霾天氣引起了民眾對空氣質量的高度關注。環保部2013年的《中國環境狀況公報》數據表明，全國平均霾日數為35.9天，部分地區甚至超過了100天[1]，如圖1所示。引起霧霾天氣的元兇主要就是顆粒物(particulatematter,PM)。依據空氣動力學當量直徑的不同，又分為PM10(≤10μm)的可吸入顆粒和PM2.5(≤2.5μm)的細顆粒物，后者可進入人體肺部，危害更大。我國于2012年公布的將于2016年全面實施的《環境空氣質量標準》中規定：居民區、商業交通居民混合區、工業區等二類區域的PM2.5的濃度限值年平均值和日平均值分別為35和75μg/m3。

細顆粒物PM2.5超標所引起的危害很大，嚴重影響民眾健康。PM2.5具有較大的比表面積，表面活性和吸附能力很強，能富集重金屬、有機物致癌物、細菌病毒等，且由于當量直徑較小，能被人體吸入肺部，引起肺炎、肺氣腫甚至肺癌等呼吸系統疾病，此外，還可以使心血管疾病患病率和死亡率增大[2]。2012年世界衛生組織(WHO)發布的《全球疾病負擔評估1990—2010》(GBD)報告[3]指出：PM2.5污染在全球健康風險因子中位居第7，造成全世界320萬人過早死亡。而在中國，大氣PM2.5污染已成為主要健康風險因子之一，2010年導致了超過120萬人的過早死亡和每年超過2 500萬人的健康損失[4]。當然，PM2.5超標還會引起能見度降低、光化學煙霧、酸雨等災害，對氣候產生重要影響。

治理PM2.5污染必須施行源頭治理的策略，研發相關源頭治理技術，是當前我們經濟社會發展的亟需，具有重要的經濟和社會意義。目前對于工業細粒物的脫除技術主要有2種：一種是對工業細粒物進行預團聚，使其先團聚成大顆粒后再用電除塵等現有設備加以脫除[5-6]；另一種是采取濕法除塵的技術來提高除塵效率。本文綜述了近年來顆粒預團聚技術的研究進展，并介紹了濕法除塵方面的新技術。

圖1　2013年全國霾日分布示意圖

1細粒物預團聚技術研究進展

目前，燃煤電廠除塵設備90%以上為電除塵器?？稍陔姵龎m器前增設細粒物預團聚裝置，再采用常規除塵器脫除。該技術具有很好的運用前景。細粒物預團聚技術主要有電團聚、聲波團聚、化學團聚、蒸汽相變團聚、光團聚、熱團聚、磁團聚、湍流團聚等。

1.1電團聚

電團聚主要通過電荷的遷移與擴散作用與顆粒物之間相互碰撞，增加細顆粒物的荷電能力，使不同粒徑的細顆粒物之間相互碰撞形成預團聚體。電團聚的研究核心是如何提高電團聚速率。運用異極荷電在交變電場中發生團聚的原理，延長細粒物在電場的停留時間能有效調高團聚速率，具有很好的工業運用前景。但是細顆粒物的微觀復雜性使得目前只是對荷電方式及團聚電場進行了實驗室研究，電團聚理論尚不完善。

王連澤等[7]將含塵氣體置于不同電場風速下，分別通過加載不同正負電壓的電場后在合二為一的條件下測試系統對細顆粒物的捕集效率，發現細顆粒物的團聚效率增加約10%。團聚效率主要受正負電場強度的共同影響。向曉東等[8]在研究三區式靜電除塵器后，設計了改進后的雙區式電團聚除塵設備，將預荷電區與團聚區合并，使團聚區更長，細粒物在團聚區停留時間從三區式的0.6s增至1.0s，反復荷電與團聚使得細顆粒物粒徑不斷增大，除塵效率達98%。

對于同極性荷電顆粒，周建剛等[9]對煙道中的同極性荷電粉塵的團聚效率進行了研究，考察了電場類型、場強、頻率對團聚效果的影響。結果表明：在頻率由0升至160Hz過程中，亞微米級顆粒的數量不斷減少，微米級細顆粒物增加，在頻率為0～80Hz的條件下變化較為明顯，而在80～160Hz的變化較為平緩；在相同條件下，交變電場的團聚效果比直流電場好，可能是因為直流電場中電子及細顆粒物受到的電場力是單方向的，接地極板會復合掉電荷和電子，影響團聚效率。

駱仲泱等[10]研究了直流電場中細顆粒物的荷電特性，指出直流電場中的顆粒荷電主要是場致荷電和擴散荷電，粒徑小于0.2μm的顆粒以擴散荷電為主，大于0.2μm的顆粒以場致荷電為主，粒徑越大，荷電量越大，電壓越大。譚百賀等[11]在將直流電場施加在電除塵器中研究了異極荷電顆粒的團聚效率，結果表明：當直流團聚區的電場強度由0升至1.6kV/cm時，對于亞微米級細顆粒物的團聚效率只由14.8%增加至24%，脫除效果并不顯著。

1.2聲團聚

聲波團聚就是利用高強度聲場引起細顆粒物之間產生相對運動，從而增加它們之前的碰撞效率，在顆粒間作用力的作用下，微粒以一定的比例粘附在一起形成預團聚體[12-13]。低頻高強聲波更有利于聲波團聚。但聲波團聚能耗較大，還會產生噪聲污染，而且對于聲團聚研究僅限于聲強、頻率、細粒物粒徑的研究，對于如濕度、溫度等均沒有進行探索。

聲波團聚機理有同向團聚理論、流體力學作用、聲輻射壓力作用、聲致湍流。同向團聚理論、流體力學作用是主要的聲波團聚機理。流體力學作用的主要機理為聲尾跡效應。如圖2所示，前一個顆粒在聲場中運動，背面產生低壓的尾跡區域，后一個顆粒在前一個顆粒的尾跡區域中加速向前運動，在聲波的下半周期，兩顆粒調換位置做相同的運動，在幾個聲波周期后，兩顆粒之間距離減小，產生碰撞并團聚[14]。

徐鴻等[15]在不同聲壓級、頻率、粉塵濃度的情況下進行了研究，指出頻率控制在低頻范圍1～5kHz時，能使細顆粒物產生較大的振幅，產生相對運動碰撞并團聚。在聲強為128dB的條件下對3個不同頻率(1.7,2.9,4.3kHz)進行驗證，發現細顆粒物均有較強的團聚趨勢。在2.9kHz頻率下，細顆粒物團聚效果最明顯；聲強為140dB時，團聚效率最高，PM2.5減少52.0%～63.6%,PM10減少35.6%～53.3%。

圖2　聲尾跡效應示意圖[14]

1.3化學團聚

化學團聚指使用帶有極性基團的高分子長鏈以“架橋”方式將多個細顆粒連接團聚[16-17]。高分子團聚劑引起顆粒團聚有2個步驟：第一是對顆粒的吸附作用，團聚劑溶于水后與細粒物發生電中和作用；第二就是團聚劑的“架橋”作用?；瘜W團聚不僅能有效脫除工業細粒物，還能同時脫除多種污染物，且不用改變正常生產條件和設備操作運行參數[18]。董勇等[19]指出，化學團聚主要有3種團聚方式(如圖3所示)：① 液滴捕集超細顆粒物形成鏈狀或叢狀顆粒群；② 較大顆粒為載體的表面粘附；③ 顆粒層層包裹形成包衣結構。

趙汶、劉勇等[16,20]先通過向脫硫系統中進入電除塵器的煙氣中添加果膠(pectingum，PG)，發現電除塵器對細粒物的脫除效率由約83%上升到約92%，；而后向進入濕法煙氣脫硫系統的煙氣添加非離子型聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)、羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose,CMC)、黃原膠(xanthangum,XTG)、聚合氯化鋁(polyaluminumchloride,PAC)、聚合硫酸鐵(polyferricsulfate,PFS)，考察了團聚劑濃度、pH值及煙氣溫度的影響，結果表明：當濃度達到0.05%時，煙氣溫度為120～250 ℃時脫除效率最高；降低pH值使得團聚劑高分子鏈更加柔軟伸展[21]，細粒物更能被高分子鏈吸附，有利于細粒物的團聚；但團聚霧滴難以完全蒸發會影響團聚效果。李海龍、趙永椿等[22-23]對于燃后區化學團聚技術進行了系統的研究，選取了PAM、CMC、XTG、PAC四種團聚劑，也得到類似的結論。無機高分子材料PAC具有很強的電中和作用，但對于細粒物的團聚效果不明顯證明了引起細粒物團聚的因素是高分子鏈的“架橋”作用，而不是電中和作用。

化學團聚雖然具有多種優點，但目前的研究主要集中在對團聚劑的研究，且團聚劑的選擇方面過于單一，應適當考慮選取更多種類、更加經濟的高分子材料進行試驗，并應將多種因素綜合考慮，深入分析團聚劑與細顆粒物的反應機理，從而為工業應用技術奠定理論基礎。

圖3　循環流化床煙氣脫硫工藝中顆粒的團聚方式[19]

1.4蒸汽相變團聚

蒸汽相變就是通過添加蒸汽、混合不同溫度的兩股飽和氣體、冷卻中高溫濕氣體等措施[24-25]使水汽達到過飽和，利用過飽和水汽在細顆粒物表面的凝結形成預團聚體。蒸汽相變協同濕法脫硫(WFGD)系統能達到工業粉塵與SO2同時脫除的效果，使得蒸汽相變對比其他預團聚技術有更明顯的技術優勢。雖然提高蒸汽添加量理論上可使細顆粒物凝結長大至更大的尺寸，但蒸汽相變過程的復雜變化會使實際效果有誤差，仍需對技術提出改進，且會增大廢水產量，引起新的污染。由于需要在脫硫區或脫硫凈化濕煙氣加入蒸汽，可能會與脫硫劑發生凝結，還應試驗研究脫硫劑及脫硫塔對于細顆粒物脫除效率的影響，分析其氣液熱值交換的規律，從而完善蒸汽相變的工業運用。

劉錦輝等[26]考察了活化水添加量、蒸汽添加量、細粒物數量濃度及除霧器性能對脫除效率的影響。結果表明：隨著活化水及蒸汽添加量的增加，預團聚體液滴的粒徑也增加，脫除效率增加；細粒物的濃度越低，單個細粒物得到的蒸汽量越多。鮑靜靜等[27-28]以旋風分離器處理后的無煙煤為顆粒源，考察了不同脫硫劑條件下整個系統對細顆粒物的脫除效率，并指出，原始煙氣含濕量較低，不適合直接加入蒸汽，但可以采取兩種措施：一是在脫硫區加入蒸汽，利用煙氣與脫煙液之間的熱值交換使煙氣達到飽和狀態；二是在脫硫凈化濕煙氣中加入蒸汽，由于該煙氣含濕度達到90%～95%，只需加入少量蒸汽就可達到過飽和狀態。而且過飽和度越大，不僅可使發生核化凝結的微粒臨界粒徑減小，促使更多的細顆粒核化凝結長大，還可以使微粒表面凝結的蒸汽量增加，使預團聚體的粒徑增大。但對于脫硫劑及脫硫條件如何影響系統脫除細顆粒性能這一問題并沒有深入研究。

熊桂龍等[29]指出只靠過飽和蒸汽在顆粒物表面的凝結作用不易使得亞微米級微粒長大為3～5μm的微米級微粒后被高效除霧器脫除，且過高的蒸汽添加量會帶來大量的能耗需求。利用對噴流結合蒸汽相變的方法脫除細顆粒物，不僅可以促進水汽在細顆粒表面凝結長大，同時可使表面凝結有水膜的細顆粒物間發生相互碰撞，促使其進一步碰撞凝并長大，增大除塵效率。

2濕法除塵新技術研究進展

除了預先將PM2.5進行團聚，再進行處理的技術，國內外還開展了捕集脫除工業尾氣中的PM2.5的新技術研究[30]，如圖4所示。但這些技術都存在隨著顆粒物粒徑的下降處理效果降低的缺點，只有濕法靜電除塵的耦合技術(Wet-ESP，wetelectrostaticprecipitation)的處理效果穩定，受顆粒物的直徑的變化影響不大。但Wet-ESP技術存在電極材料易于腐蝕等問題。為了解決腐蝕問題，Bayless等[31]研發了纖維膜Wet-ESP，以纖維膜代替了傳統的鋼板作為收塵極，水充滿于帶電的纖維膜內，可帶走纖維膜的表面沉淀物，并維持穩定的電場。但該技術仍存在設備結構復雜、維護困難、處理和運行成本偏高等問題。

基于濕法技術與其他技術相耦合可顯著提高細顆粒物PM2.5的捕集效率的認識，學者們對此開展了廣泛研究。2006年JaworekA等[32]依據庫侖力吸引微粒向荷電液滴表面沉淀的原理，研發了荷電霧滴Wet-Electro-Scubber，具有良好的去除細顆粒效果。KorellJ等[33]將填料洗滌塔和靜電除塵耦合，可同時去除汞、二噁英和細顆粒物等。清華大學的王曉華[34]系統研究了熱泳、水蒸汽和水膜與靜電場耦合對顆粒脫除效率的影響規律，指出濕法與靜電場的耦合的確可以提高顆粒物的去除率。

圖4　PM2.5處理新技術及其效果[30]

為了降低處理成本，研發適合我國國情的PM2.5去除技術，四川大學的朱家驊教授團隊[35]根據PM2.5擬流體性質，發現圍繞氣液傳熱傳質表面的速度場、溫度場和濃度場在恰當的耦合方式下對邊界層內的微粒具有內源性場的作用，推動微粒向氣液界面運動，產生類似于Wet-ESP的分離效果，并由此構建了廢氣-廢水交叉流陣列的PM2.5處理系統，以廢治廢，降低了處理成本，并成功應用石油鉆進柴油機的尾氣PM2.5的處理中[36]，捕獲效率可達90%以上，如圖5所示。

圖5　分離柴油機尾氣PM2.5的變溫交叉流系統、過程參數及現場照片[35]

工業尾氣中的PM2.5捕集脫除技術的發展趨勢是采用濕法捕集技術，具有去除效果好、成本低、可同時脫硫等優點。但常見的濕法處理設備如洗滌塔、填料塔、交叉流液柱設備等都是常規重力設備[37]，由于重力場較弱，使相間質量傳遞、作用力等都比較弱。而在超重力環境下，相間傳質速率比傳統的塔式反應器中要高1～3個數量級[38]，將其用于PM2.5的捕集，可大大提高捕集效率。中北大學的付加等[39]利用超重力設備逆流和錯流型旋轉填充床，對平均粒徑為2.25μm的粉煤灰模擬的細顆粒物捕集去除率可達98.5%和97.5%。實驗流程如圖6所示。

圖6　超重力旋轉填料床除塵實驗流程

3水力噴射-空氣旋流耦合場濕法除塵新技術研究

本課題組研發的水力噴射空氣旋流器(Water-spargedaerocyclone，WSA)是一種利用液體射流場和氣體旋流超重力場耦合強化氣液傳質的新型設備，具有結構簡單、無內部組件、不結垢和堵塞、傳質效率高等優點，并成功用于氨氮廢水的吹脫[40]、豬場廢水同時脫氮除磷和去除COD[41]、煙氣脫硫[42]和含鉻廢水的處理[43]。將其用于工業細粒物處理已取得了良好的除塵效果，對于研發新的除塵設備具有參考價值。

細顆粒物PM2.5在WSA中捕集去除流程如圖7所示。貯槽中水經離心泵輸出后進入WSA的液體夾套，并經過其多孔壁上的小孔產生面向旋流器中心的穩定軸對稱射流；空氣由鼓風機輸出后，經過轉子流量計；在進入WSA前，通過文丘里管向氣體中加入混合均勻的PM2.5模擬物滑石粉，而后切向進入WSA的頂部，產生強烈的空氣旋流場，撞擊徑向射流液柱，并向下做螺旋運動；經過氣液兩相相互作用后，氣霧從WSA的中心排氣管排出至一個氣液分離器實現氣液分離后排空，帶出的少量吸收液從氣液分離器底部排出，而大部分吸收液則從WSA的底部排出。為了維持氣液良好的接觸狀態，WSA底部需維持一定的液封高度。

1.氣泵；2.閥門；3.轉子流量計；4.文丘里管；5.流化床式粉塵發生器；6.水力噴射空氣旋流器；7.液體儲槽；8.循環水泵；9.篩板式氣液分離器；10.粉塵采樣濾盒；11.粉塵采樣器。

圖7水力噴射空氣旋流器捕集工業PM2.5流程

實驗使用工業級粉煤灰來模擬氣相中的顆粒物。實驗前須將滑石粉放入120℃烘箱內干燥2h以上，以去除因大氣濕度所帶來的粉塵團聚現象。使用激光粒度分布儀對烘干后的滑石粉進行測量，結果如表1所示，其中位徑為1.919μm，PM2.5含量為64%，處理效果如圖8所示。PM2.5的捕集去除率通過式(1)進行計算。

(1)

式中c0和ct為WSA的進出口氣流中的PM2.5濃度。

由圖8可知，當進口氣速為13.17m/s和液相射流流速為1.84m/s時，粉煤灰模擬的細顆粒物PM2.5在WSA中的捕集去除率可達98.8%以上，除塵效果較好。另外，由圖可以看出，PM2.5的濃度對其在WSA中捕集去除率的影響較小，當其濃度由2 373mg/m3增大至5 277mg/m3時，PM2.5的去除率由98.8%增大至99.1%。這一研究結果與我們前期的脫氨結果類似[40]，可能由于PM2.5的去除主要由氣液耦合作用激烈程度決定，氣液耦合場越激烈，液相射流霧化程度越高，其對細顆粒物的潤濕作用越強，PM2.5的去除率越高，而在一定范圍內PM2.5的濃度對其去除率影響則很小。

表1　模擬粉塵的粒度分布

圖8　水力噴射空氣旋流器捕集細顆粒物

4結束語

1) 傳統工業除塵裝置工業細粒物的脫除效果并不理想，運用預處理技術使工業細顆粒物團聚長大成為大顆粒，在實驗室條件下能有一定的脫除效果，但對于復雜的工況效果下的工業細粒物的脫除研究仍然不夠。

2) 提出了運用水力噴射空氣旋流除塵新技術，指出WSA利用液相射流和空氣旋流超重力的耦合作用，工業細粒物的脫除效率能達到98.8%以上，具有良好的除塵效果。另外，進一步研究細粒物在多相流耦合場中的運動規律和脫除機制，可深化對多相流界面運動的認識，更能對研發新型除塵設備有好的啟發，這將對我國實現“節能減排”戰略產生積極作用。

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(責任編輯劉舸)

Review on Pre-Agglomeration and New Removal MethodsofIndustrialFineParticulateMatter

CHENG Zhi-liang, TAN Qi-xiang, LI Rui-heng, QUAN Xue-jun, WANG Jin-jun

(College of Chemistry and Chemical Engineering，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400054，China)

Abstract:Thedisadvantagesoftraditionalindustrialdustremovalsystemswerediscussed,andaneffectivemethodfordustremovaltopre-agglomeratefineparticulatemattersbeforeusingconventionaldustremovalsystemswassuggested.Thephysicalandchemicalmethodsofpre-agglomeratingindustrialfinemattersweresummarized;moreover,anewdustremovalmethodbyusingawater-spargedaerocyclone(WSA)wasintroduced.TheWSAwascharacterizedbyhigherefficiencydustremoval,simplerstructure,nointernalpartsandnofoulingandpluggingwithinit,whichisbeneficialtothefurtherresearchofdevelopingnewdustremovalequipments.

Keywords：industrialparticulatematter；pre-agglomeration；water-spargedaerocyclone(WSA)；dustremoval

收稿日期：2016-03-22

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21176273)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2015jcyjA20005)；重慶理工大學星火計劃項目(2014XH16)；重慶理工大學大學生創新創業項目

作者簡介：程治良(1986—)，男，博士，講師，主要從事特種廢水處理和PM2.5捕集等方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.013

中圖分類號：X513

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0075-08

引用格式：程治良，譚其祥，李瑞恒，等.工業細粒物PM2.5預團聚及去除新技術研究進展[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):75-82.

Citationformat：CHENGZhi-liang,TANQi-xiang,LIRui-heng,etal.ReviewonPre-AgglomerationandNewRemovalMethodsofIndustrialFineParticulateMatter[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(6):75-82.