有機固廢燃燒煙氣中PM2.5的過濾比較研究

朱芬芬,王 歡,徐智敏,閆法威,李雪梅*,胡 博,李勝紅

有機固廢燃燒煙氣中PM2.5的過濾比較研究

朱芬芬1,王 歡1,徐智敏2,閆法威3,李雪梅1*,胡 博1,李勝紅1

(1.中國人民大學環境學院,北京 100872；2.責揚天下(北京)管理顧問有限公司,北京 100081；3.首都機場集團公司北京大興國際機場規劃發展部,北京 102604)

垃圾焚燒是PM2.5的重要來源之一,目前焚燒煙氣系統中無有效去除PM2.5的控制單元.在實驗室探究了幾種過濾介質對木屑?豬五花肉?污泥這3種有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5的去除效果.這幾種過濾介質包括:滌綸針刺氈、聚四氟乙烯(PTFE)覆膜濾料、偏聚氟乙烯(PVDF)微濾膜、石墨烯及其組合.PTFE覆膜濾料+PVDF微濾膜的組合對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效果最好,可以達到97.45%.雙層PVDF微濾膜對豬五花肉和污泥燃燒產生的PM2.5過濾效果都最好,分別為99.39%和98.03%.根據實驗結果和SEM-EDS分析,PVDF微濾膜對碳組成的顆粒有較高的選擇性截留效果.疊加使用過濾介質可以提高對PM2.5的過濾效率,但雙層過濾可能會增加阻力,不利于對大量廢氣進行除塵處理.

PM2.5；有機質固體廢物；過濾介質；過濾性能

近年來,霧霾成為全國最受關注的環境熱點問題.PM2.5是造成霧霾的主要原因,尤其受到了廣泛的關注.PM2.5是指環境空氣動力學當量直徑小于或等于2.5μm的顆粒物,又稱細顆粒物.PM2.5可在空氣中停留1000h左右,傳輸的距離可達上千km.PM2.5既可以通過散射和吸收太陽輻射來直接影響氣候,也會對大氣能見度產生較大影響[1].同時PM2.5還是重金屬、多環芳烴等有毒物質的載體,可通過呼吸道進入肺泡進而進入血液參與血液循環,嚴重危害人體健康[2-4].垃圾焚燒是PM2.5的來源之一[5].2013～2019年間全國生活垃圾焚燒量逐年攀升,2019年垃圾焚燒處理量達到12174.2萬t[6-7].如此快速增長的垃圾焚燒行業,如果不對焚燒尾氣進行加強處理,很可能會對大氣造成二次污染,釋放出大量的PM2.5,加劇霧霾污染.袋式除塵器以其高除塵效率,在工業尾氣除塵中應用越來越廣泛[8].袋式除塵器常用的濾料有針刺氈濾料、聚四氟乙烯覆膜濾料(PTFE)、石墨烯及聚偏氟乙烯微濾膜(PVDF)等[9-15].然而目前對濾料的研究大多集中在某種濾料對工業煙氣的過濾效率,很少有研究評價不同的濾料對垃圾焚燒產生的PM2.5的過濾效率.本文在實驗室內用管式爐模擬焚燒爐完全燃燒有機固體廢物,比較了不同濾料對3種不同有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5的過濾效率,并對過濾樣品進行了SEM-EDS分析.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 有機質固體廢物的制備 先使用破碎機,將一次性木質筷子破碎成木質纖維,然后將其放入振動磨中研磨,變為木屑.從北京市高碑店污水處理廠取脫水后污泥,放入鼓風干燥箱中以105°C烘干,將熱干化后的污泥放在干燥器里干燥冷卻至室溫后放在研缽中進行研磨至粒狀,然后將其倒入振動磨中磨成粉末,放入冰箱中保存.從超市買回豬五花肉,放入鼓風干燥箱中105°C烘干,將熱干化后的豬五花肉放在干燥器里干燥冷卻至室溫后用剪刀剪碎,放入冰箱中保存.

1.1.2 過濾材料 使用的過濾材料如圖1所示,包括滌綸針刺氈濾布?泡沫鎳三維石墨烯、聚四氟乙烯(PTFE)覆膜濾布、聚偏氟乙烯(PVDF)微濾膜.

圖1 過濾材料

a.滌綸針刺氈濾布;b.泡沫鎳三維石墨烯;c.聚四氟乙烯(PTFE)覆膜濾布;d.聚偏氟乙烯(PVDF)微濾膜

1.2 方法

按照圖2所示組裝實驗裝置,使用塑料管和聚四氟乙烯生料帶連接各個儀器并密封.實驗所用氣源由氮空一體機供給.玻璃轉子流量計控制流量.使用管式爐高溫加熱燃燒有機質固體廢物.通過文獻調研?垃圾焚燒廠現場調查和預試驗,最終對燃燒條件進行了評估,得到如下燃燒設定條件.每次實驗取約2g的有機質固體廢物,將空氣流量設為100mL/min,使用管式爐加熱至850°C保持90min.由于在此條件下,豬五花肉并沒有充分燃燒,形成黑色的炭化片狀物,PM2.5累積收集量過小,故取約1g的豬五花肉,將空氣流量設為250mL/min,使用管式爐加熱至850°C保持120min.有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5經過濾型裝置,進入微電腦激光粉塵儀,其功能是收集燃燒過程中煙氣中的PM2.5,并將數據傳輸到計算機.為了實現采集的是PM2.5組分,選擇了相應的PM2.5切割器,在PM2.5切割器安裝之前,在沖擊板上涂抹硅脂以捕集>2.5μm的顆粒物.最后再添加玻璃纖維濾膜收集燃燒過程中的PM2.5.

圖2 實驗流程

①氮空一體機;②玻璃轉子流量計;③管式爐;④微電腦激光粉塵儀;⑤電腦;⑥一級過濾型裝置;⑦二級過濾型裝置;⑧燃燒小舟

1.2.1 有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5質量檢測方法 使用玻璃纖維濾膜收集產生的PM2.5,采樣前后濾膜的質量差即為PM2.5質量.每次實驗中,首先稱出玻璃纖維濾膜的初始質量1(mg),將濾膜毛面向上放入切割器濾膜夾組件,以濾膜壓板固定,啟動儀器.7h后,取出玻璃纖維濾膜,稱取濾膜質量2(mg).

(1)PM2.5背景質量

將微電腦激光粉塵儀開啟后3～7min(有機質固體廢物還未燃燒)的PM2.5濃度的平均值作為空氣PM2.5濃度值.按以下公式計算可以得出空氣PM2.5質量3.

3=××(1)

式中:3為PM2.5背景質量,mg;為空氣PM2.5濃度值,mg/m3;為空氣流量,m3/min;為實驗時間,min.

(2)單位質量有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5質量

4= (2-1)-3(2)

5=4÷(3)

式中:1為玻璃纖維濾膜初始質量,mg;2為有機質固體廢物燃燒后濾膜質量,mg;3為空氣PM2.5質量,mg;4為校正后的PM2.5質量,mg;5為單位質量有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5質量,mg/g;為有機質固體廢物質量,g.

1.2.2 有機質固體廢物殘渣熱灼減率 進行殘渣熱灼減率實驗,檢驗有機固體廢物是否充分燃燒.待管式爐中溫度降至100°C左右時,將其中的燃燒殘渣取出,放在玻璃干燥器中,冷卻至室溫后稱重.然后將殘渣放置在馬弗爐中,在650°C下灼燒3h.待馬弗爐的溫度降至100°C左右時,將灼燒殘渣取出,放置在玻璃干燥器中冷卻至室溫,稱重.

= (-) ÷× 100% (4)

式中:為熱灼減率,%;為焚燒殘渣從管式爐中取出后,冷卻至室溫的質量,g;為焚燒殘渣經馬弗爐灼熱后冷卻至室溫的質量,g.

1.2.3 過濾型裝置去除PM2.5效果評價方法 將待測過濾型材料剪裁成直徑50mm的圓形,二級過濾時,第2個過濾材料剪成20mm的圓形,放置在如圖3的裝置中.用聚四氟乙烯生料帶纏繞在裝置外達到密封的目的.

圖3 過濾型裝置

(1)經過濾型裝置阻隔后PM2.5濃度

使用一臺微電腦激光粉塵儀,分別測定經過不同過濾型裝置后的PM2.5濃度值.每種過濾型裝置測定3次取平均值.使用同1.2.1的方法,得到經過濾型裝置阻隔后單位質量有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5質量6.

(2)過濾型裝置過濾效率

用表示過濾型裝置過濾效率,按以下公式進行計算:

= (5-6) ÷5× 100% (5)

式中:5為單位質量有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5質量,mg/g;6為經過濾型裝置阻隔后單位質量有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5質量,mg/g.

1.2.4 SEM-EDS分析 掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)是材料分析領域中兩種常用的分析儀器.SEM廣泛用于材料的表征,EDS用于材料的成分分析.SEM和EDS組合使用時,既可以觀察樣品的表面樣貌,又能分析微區成分[16].本實驗使用清華大學機械學院的SEM-EDS設備,觀察不同有機質固體廢物燃燒產生的顆粒物表面形貌,并進行元素成分分析.同時,由于不同過濾介質對不同有機質廢物燃燒產生的PM2.5過濾效率不同,為了探究造成這一過濾效率差異的機理,還選取了分別對木屑、豬五花肉、污泥燃燒產生的PM2.5過濾效果最佳的過濾介質組合的過濾樣品進行SEM-EDS分析.

2 結果與討論

2.1 不同有機質固體廢物殘渣熱灼減率分析

3種有機質固體廢物燃燒后的殘渣產率及殘渣熱灼減率實驗結果如表1所示.結果表明3種有機質固體廢物的殘渣產率都低于40%,且木屑和豬五花肉燃燒后殘渣產率均低于1.5%,減量化效果顯著.熱灼減率測定結果表明,有機質固體廢物的殘渣熱灼減率均低于5%,尤其是污泥,殘渣熱灼減率低于1%,基本上達到了完全燃燒的水平.綜上所述,利用1.2中的燃燒參數進行燃燒實驗可以滿足減量化和完全燃燒的需求.

表1 有機質固體廢物燃燒殘渣產率及殘渣熱灼減率

2.2 不同過濾型裝置對有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5過濾效率研究

2.2.1 木屑作為燃燒源的PM2.5過濾研究 當不加任何PM2.5處置措施時,燃燒1g木屑7h所產生的PM2.5質量為(1.177±0.194)mg.加入不同的濾料后,單位質量木屑燃燒產生的PM2.5經過過濾后的收集量及PM2.5過濾效率如圖4所示.

一次過濾時,PTFE覆膜針刺氈對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效果最好,可以達到61.43%.滌綸針刺氈對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效率次之,為51.66%.PVDF微濾膜對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效率僅20.99%,效果不太理想.廢氣在經過泡沫鎳三維石墨烯后,PM2.5甚至會增加.這可能是因為石墨烯本身就是微細碳顆粒集合,在一定條件下,它本身會釋放微細碳顆粒,所以,高溫?又有風速的情況下,很可能釋放了部分顆粒,隨廢氣進入了微電腦激光粉塵儀.二次過濾時,第二層過濾介質為PVDF微濾膜時,效果最好.其中,PTFE覆膜針刺氈+PVDF微濾膜的組合對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效果最好,可以達到97.45%.滌綸針刺氈+PVDF微濾膜的組合效果次之,對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效率為90.31%.雙層滌綸針刺氈?雙層PTFE覆膜針刺氈?PTFE覆膜針刺氈+滌綸針刺氈的組合對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效率分別為83.01%?86.75%?88.02%.

圖4 單位質量木屑燃燒產生的PM2.5收集量及PM2.5過濾效率

2.2.2 豬五花肉作為燃燒源的PM2.5過濾研究 當不加任何PM2.5處置措施時,單位質量豬五花肉燃燒產生的PM2.5質量平均值為(11.878±0.559) mg.加入不同的濾料后,單位質量豬五花肉燃燒產生的PM2.5的收集量及不同過濾型裝置對豬五花肉燃燒產生的PM2.5過濾效率如圖5所示.

一次過濾時,PVDF微濾膜對豬五花肉燃燒產生的PM2.5的過濾效率最高,達到85.72%.PTFE覆膜針刺氈對豬五花肉燃燒產生的PM2.5的過濾效果次之,為76.69%.滌綸針刺氈對豬五花肉燃燒產生的PM2.5的過濾效率最低,為68.31%.二次過濾時,僅測試了單層過濾效果最高的PVDF微濾膜雙層疊加,以及PVDF微濾膜和單層過濾效果次之的PTFE覆膜針刺氈的組合.其中,雙層PVDF微濾膜對豬五花肉燃燒產生的PM2.5過濾效果極高,可以達99.39%.PVDF微濾膜+PTFE覆膜針刺氈的組合對豬五花肉燃燒產生的PM2.5的過濾效果也很好,為96.12%.

圖5 單位質量豬五花肉燃燒產生的PM2.5收集量及PM2.5過濾效率

2.2.3 污泥作為燃燒源的PM2.5過濾研究 當不加任何PM2.5處置措施時,單位質量污泥燃燒產生的PM2.5質量為(0.761±0.163)mg.加入不同的濾料后,燃燒單位質量污泥產生的PM2.5收集量及PM2.5過濾效率如圖6所示.

以污泥作為燃燒源的PM2.5分析實驗中,僅測試了分別對木屑和豬五花肉燃燒產生的PM2.5過濾效率最好的兩種組合.實驗結果顯示,對豬五花肉燃燒產生的PM2.5過濾效果最好的雙層PVDF微濾膜對污泥燃燒產生的PM2.5過濾效果也最好,達98.03%.對木屑燃燒產生的PM2.5過濾效果最好的PTFE覆膜針刺氈+PVDF微濾膜組合對污泥燃燒產生的PM2.5過濾效果為89.62%.因此推斷,污泥燃燒產生的PM2.5性質可能比較類似于豬五花肉燃燒產生的PM2.5.

圖6 單位質量污泥燃燒產生的PM2.5收集量及PM2.5過濾效率

2.2.4 不同過濾型裝置對3種有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5過濾效率的比較 總的來看,燃燒豬五花肉產生的PM2.5最多,超過了10mg/g.添加過濾裝置后,除了泡沫鎳三維石墨烯增加了木屑燃燒PM2.5的產量,其他的裝置都對PM2.5產生過濾效果.當然,因為實驗中僅使用2g的燃燒物且都是采用新濾布,實驗結果體現的大部分是過濾材料本身的過濾效果而非實際運行條件下已經積灰后的效果.單層過濾裝置的過濾效率不如組合疊加的裝置效率高,并且相同的過濾裝置對不同的有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5的過濾效率也不一樣,例如,一次過濾時,PTFE覆膜針刺氈對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效果最好,而對豬五花肉燃燒產生的PM2.5的過濾效果不是最好.二次過濾時,對木屑燃燒產生的PM2.5的過濾效果最好的是PTFE覆膜針刺氈+PVDF微濾膜,而豬五花肉和污泥則是雙層PVDF微濾膜.

2.3 SEM-EDS結果及分析

圖7 木屑燃燒產生的PM2.5形態及成分

2.3.1 不同有機質固體廢物燃燒產生的顆粒物的SEM-EDS分析結果 3種有機質固體廢物燃燒產生的顆粒物的SEM-EDS分析結果如圖7、圖8、圖9所示.結果顯示,3種有機質固體廢物燃燒釋放的PM2.5形態明顯存在差異.木屑燃燒產生的顆粒物形態多樣復雜,除C和O是主要元素以外,Si、Al、Ca含量也較高.這可能是由于本實驗中用于制作木屑的筷子本身成分較為復雜,在燃燒時發生多種反應而形成形態不規則的顆粒物.豬五花肉燃燒產生的顆粒物形態較為單一,大多為圓形顆粒,主要含量為C和O,個別顆粒中的Si?Al含量較高.一些圓形顆粒會在膜上聚集在一起,形成類似葡萄串或圓形餅狀聚集體的形態.污泥燃燒產生的顆粒物形態較為復雜,但大多也類似圓形或塊狀,主要元素組成僅為C和O,少數顆粒中的Si含量較高.電鏡下觀察到有些大顆粒.根據形態判斷,大多數應是由粒徑小于2.5μm的顆粒在膜上聚集在一起,形成的較大顆粒.另有部分顆粒可能是空氣中的大顆粒在制樣和轉移樣品的過程中掉落在樣品上.

圖8 豬五花肉燃燒產生的PM2.5形態及成分

圖9 污泥燃燒產生的PM2.5形態及成分

圖10 PTFE覆膜針刺氈覆膜一側(a、b、c)與未覆膜一側(d、e、f)

圖11 PVDF膜

圖13 木屑燃燒產生的PM2.5被截留在第二層PVDF膜上的形態及成分

2.3.2 不同過濾介質上顆粒物的SEM-EDS分析結果 分別對木屑、豬五花肉、污泥燃燒產生的PM2.5過濾效果最佳的過濾介質及過濾樣品進行SEM- EDS分析,如圖10～17所示.PTFE覆膜滌綸針刺氈在電鏡下可看到纖維和覆膜交替出現,因此PTFE覆膜并沒有完全覆蓋住滌綸針刺氈.同時,PTFE覆膜滌綸針刺氈孔徑很大,在10～20μm左右.PVDF微濾膜單一孔徑大小不一,在0.8～4μm之間,大于廠家標注的0.22μm,但由于其由多層介質重疊組成,其層疊組合形成的孔徑可能在0.22μm左右.此外,從形狀來看,PTEF覆膜滌綸針刺氈呈纖維交織狀,而PVDF微濾膜則是細小孔洞狀.總體而言, PTFE覆膜滌綸針刺氈和PVDF微濾膜的微孔多、孔徑小,并且具有良好的機械性能,對顆粒物能起到攔截作用,對PM2.5能產生很高的去除效率[17-19].但是,由于PVDF微濾膜的孔徑更小,因此對更加細小的顆粒的截留效果更好.從過濾樣品的SEM-EDS圖可知,木屑燃燒產生的PM2.5被截留在第1層PTFE覆膜針刺氈上的顆粒的成分復雜,元素種類多,而在第2層PVDF膜上的顆粒主要由C組成.如2.3.1所述,豬五花肉燃燒產生的PM2.5大多為圓形顆粒,由圖14和圖15可知,由于PVDF膜多層介質的重疊組合,圓形顆粒被截留在PVDF膜上,并且有的顆粒呈堆積聚集狀,截留顆粒的成分主要為C元素.污泥燃燒產生的PM2.5被截留在過濾介質上的形態多為堆積塊狀且C含量高.由于過濾介質的層疊組合,依靠濾層的攔截、碰撞、擴散和靜電吸引等效應將3種有機質固體廢物燃燒產生的PM2.5都截留在了濾料表面及縫隙中,且顆粒物會碰撞聚集在一起.此外,從截留顆粒物的組成成分可以看出,PTFE滌綸針刺氈相對來說對截留的顆粒沒有太大的選擇性,而PVDF微濾膜對由C組成的顆粒具有較好的截留效果.這可能是由于PTFE孔徑相對更大,含碳顆粒的粒徑小并且顆粒物多呈圓形或球狀[20-21],能更好的被攔截在PVDF微濾膜層疊組合形成的圓形孔洞結構表面.說明圓形孔洞結構的過濾裝置更利于對C組成的顆粒的截留.

圖14 豬五花肉燃燒產生的PM2.5被截留在第一層PVDF膜上的形態及成分

圖15 豬五花肉燃燒產生的PM2.5被截留在第二層PVDF膜上的形態及成分

圖16 污泥燃燒產生的PM2.5被截留在第一層PVDF膜上的形態及成分

圖17 污泥燃燒產生的PM2.5被截留在第二層PVDF膜上的形態及成分

3 結論

3.1 不同燃燒源燃燒產生的PM2.5性質不同.污泥燃燒產生的PM2.5性質比較類似于豬五花肉燃燒產生的PM2.5.實驗結果顯示,雙層PVDF微濾膜對豬五花肉燃燒產生的PM2.5過濾效果極高,可以達到99.39%.雙層PVDF微濾膜對污泥燃燒產生的PM2.5過濾效果也最好,達98.03%.對木屑燃燒產生的PM2.5過濾效果最好PTFE覆膜針刺氈+PVDF微濾膜組合對污泥燃燒產生的PM2.5過濾效果為89.62%.

3.2 PVDF微濾膜對C組成的顆粒有較高的選擇性截留效果.PTFE覆膜針刺氈對截留的顆粒沒有過多的選擇性.

3.3 對不同的燃燒源使用相同的過濾介質組合,得到的結果略有不同.例如,單層PVDF微濾膜對木屑燃燒產生的PM2.5的效率僅有20.99%.而對豬五花肉燃燒產生的PM2.5的過濾效率可以達到85.72%.

3.4 疊加使用過濾介質可以大大提高對PM2.5的過濾效率.一次過濾時,對PM2.5的過濾效率最高為85.72%,大部分過濾介質對PM2.5的過濾效率僅有50%～70%.而二次過濾時,對PM2.5的過濾效率普遍可以達到85%以上,并有多種組合的PM2.5過濾效率可以達到接近100%.但雙層過濾可能會增加阻力,不利于對大量廢氣進行除塵處理.

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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,湖南邵東人,教授,博士,主要從事固體廢物處理處置與資源化的研究.發表論文約50篇.

2021-02-15

國家重點研發計劃(2019YFC1906501)

* 責任作者, 高級工程師, xuemeili_ch@aliyun.com