微细粉尘治理技术的研究进展

石 零，陈红梅，杨成武

（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

微细粉尘（空气动力学当量直径在0.1～5 μm的颗粒物）特别是PM2.5（空气动力学当量直径2.5 μm左右的颗粒物）的污染已成为突出的大气环境问题，日益受到世界各国的高度重视。PM2.5对人体健康和大气环境会造成严重危害，大量研究表明：微细粉尘粒径小、比表面积大、表面可富集有毒有害物质且能长时间停留于空气中，是大气污染的主要污染物，对人体健康和大气环境质量造成了巨大危害［1-4］。2013年2月我国环境保护部通报：春节期间有74个城市发生了雾霾污染，主要是PM2.5浓度过高导致的，PM2.5平均超标率为42.7%，最大日均值为426 μg/m3，最大超标倍数为4.7［5］。可见对微细粉尘尤其是PM2.5的治理已到了刻不容缓的程度。

我国已认识到微细粉尘尤其是PM2.5治理的重要性，环境保护部已于2012年2月29日发布了新修订的《环境空气质量标准》［6］，2013年1月1日起实施，且对PM2.5的监测已经写入了政府工作报告［7］。可见，国家对大气污染的重视已经提升到了前所未有的高度。

国内外学者已对微细粉尘的治理进行了广泛而深入的研究，获得了一些理论和实验结论。

1 常规除尘技术

常规除尘技术对10μm以上的粉尘总的去除效率很高，如机械除尘器、过滤式除尘器、电除尘器、湿式洗涤器等。机械除尘器通常是指利用质量力（重力、惯性力和离心力等）的作用使颗粒物与气流分离的装置，而微细粉尘粒径（小于2.5 μm）小，受到的质量力可忽略不计，机械除尘器难以将其除去。过滤式除尘器是含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置，除尘效率高、性能稳定可靠、操作简单，而常用的过滤材料本身网孔较大，一般为20～50 μm，表面起绒的滤料为5～10 μm，很难将微细粉尘除去，即便采用覆膜滤料，对微细粉尘的拦截作用显著增强了，但去除效果也未能达到人们的期望水平。电除尘器是含尘气体通过高压电场进行电离的过程，使粉尘荷电，并在电场力的作用下使粉尘沉积在集成极上，将粉尘从含尘气体中分离出来的一种除尘设备，微细粉尘粒径太小，难以有效荷电，很难脱除。要使其荷电，需加高压的外电场，高压电场可能会产生电火花，操作不安全且对实验设备要求高，从而加大企业投资成本，对企业的经济效益提高不利，影响了其推广使用。湿式洗涤器结构简单、造价低，对于粒径较大的粉尘有较高的去除效率，而对于微细粉尘几乎没有作用，且存在物料难回收、易造成污染转移及高温环境下会造成能量浪费等缺点。

常规除尘技术应用于捕集微细粉尘稍显不足，无法满足国家严格的排放标准要求。因此，大量研究者进行了复合除尘技术的研究，如电-袋复合除尘、静电旋风除尘、静电滤筒除尘等，但由于微细粉尘粒径小，捕集效率提高不明显，还会出现如造价增加、操作复杂、材质要求提高等各种问题。针对微细粉尘粒径小，难以被捕集这一特点，凝并预处理除尘技术较好地解决了这一问题，从而使凝并技术的研究受到了前所未有的重视。

2 凝并技术

凝并是指微细粉尘通过物理或化学的途径互相接触而结合成较大颗粒的过程。微细粉尘凝并成较大颗粒后，更容易被除尘器捕集。大量研究结果表明，凝并技术是收集微细粉尘的一种有效方法。当前国内外研究的凝并技术主要有：电凝并、声凝并、蒸汽相变凝并、热凝并、磁凝并、湍流凝并、化学凝并和光凝并等。

2.1 电凝并技术

电凝并是通过增加微细粉尘的荷电能力，促进其以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量，从而增加粉尘间的凝并效应［8］。

电凝并技术已有较长的研究历史，1995年Koizumi等［9］提出了同极性荷电粉尘在交变电场中凝并的三区式静电凝并除尘器，在收尘区前面增加了荷电区和粉尘凝并区（如图1），并对其进行全面的实验研究。结果表明，通过凝并区后，除尘效率比常规的电除尘器效率提高了3%（由95.1%增加到98.1%）［9］，这一研究成果引起了广泛关注。

图1 电凝并原理示意图

对电凝并技术的研究可归纳为4类：直流电场中异极性荷电粉尘的凝并；直流电场中同极性荷电粉尘的凝并；交变电场中同极性荷电粉尘的凝并及交变电场中异极性荷电粉尘的凝并。其中，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并是提高电凝并速率的有效方法［9-10］，根据静电凝并机理，如果在交变电场中采用异极性荷电粉尘，可加快荷电粉尘在交变电场中的相对运动，有利于粉尘的相互吸引、碰撞、凝并，进一步提高凝并效果。Kari［11］进行对比实验研究发现：异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并作用远大于同极性荷电粉尘。向晓东等［12］对交变电场中的荷电粉尘也进行了深入研究：他们2000年提出改进的双区式电凝并除尘器，在凝并区内可同时实现粉尘的荷电与凝并，其优点是可使粉尘反复荷电与凝并，荷电粉尘凝并后，其表面积增大，再次荷电后，电量增加，凝并效果好，除尘效率达98%，不仅高于电除尘器，而且优于三区式静电凝并除尘装置；2008年陈旺生等［13-14］又提出了一种新型的电凝并除尘装置即偶极荷电静电凝并除尘器，有效地增强微细粉尘的凝并效果，提高捕集效率。Kildes［15］还提出了交变电场中异极性荷电粉尘的凝并系数（电凝并速率）计算式：

式中，KW为凝并系数；d1、d2为粒子1、2的粒径；q1、q2为粒子1、2的荷电量；μ为气体的动力黏性系数；E0为外加电场强度。

从式（1）可看出，电凝并系数随粉尘的粒径，荷电量以及外电场的增加而增大，电凝并系数的大小是电凝并理论与实验研究的核心。因此，尽可能地提高微细尘粒的电凝并系数，使微细粉尘尽快凝并而增大粒径，从而有利于捕集粉尘。决定电凝并系数的一个重要因素是外电场，张向荣［16-17］等人在理论分析和数值模拟的基础上，分析比较了外电场存在与否时，粉尘浓度的变化关系，得出结论：外电场使荷电粉尘间的凝并系数增大，能促进荷电粉尘的凝并。实验研究也表明，外电场的选择对微细粉尘的电凝并效果有着较大影响：如王鹏等［18］采用高压窄脉冲放电（与常规直流放电相比，高压脉冲放电有更高的击穿电压，可达20 eV以上，显著缩短了粉尘达到荷电饱和的时间，且能耗低）对微细粉尘进行预荷电，提高了微细粉尘的荷电量并使其发生凝并长大，再用传统的直流静电除尘器捕集，发现随粒径减小，这种复合除尘方式的优势越来越明显，特别是对于粒径小于0.1 μm的微细粉尘，脱除效率能保持在90%以上；Byeon［19］等在常规电除尘器前设置介质阻挡放电（DBD）模块的荷电电场，提高微细粉尘的荷电量，增大电凝并速率，进而提高常规静电除尘器对微细粉尘的捕集效率。

上述研究表明，电凝并能提高电除尘器的除尘效率，但实际上电凝并装置只是电除尘器的变形延伸，其实质是增加电除尘器室数（有效面积），未能从根本上解决电除尘器存在捕集微细粉尘效率低的问题。针对这一问题，白敏菂［20］、陈志刚［21］等将离子源、荷电凝并装置置于电除尘器烟道中，减少了除尘器的本体体积，利用烟道中粉尘动量高、离子输送性好的特点，来提高微细粉尘的荷电量，增强带电粉尘的凝并作用，以提高电除尘器对微细粉尘的捕集效率。烟道高流场中微细粉尘电凝并技术的研究，为解决现有电除尘难以有效捕集微细粉尘的难题提供了新的思路和方法。

目前电凝并技术应用的典型案例有：①由澳大利亚Indigo技术有限公司利用双级静电凝并技术开发的Indigo凝聚器，至2008年10月，已经在澳大利亚、美国、中国的8家电厂中使用［22-23］，综合这8家电厂的测试结果：PM2.5、PM1.0（空气动力学当量直径为1.0 μm左右的颗粒物）排放分别减少80%、90%以上，可见Indigo凝聚器对微细粉尘的捕集效率有了非常大的提高。②中国重型机械研究院有限公司2010年在浙江某工业窑炉生产线建立烟气除尘强化型湿式电除尘器［24］，该除尘器融合了传统电除尘、荷电液滴除尘、电凝并除尘和连续清灰等技术，特别适用于脱硫后湿态烟气微细粉尘的脱除，总体除尘效率远高于国家最新排放要求，对PM2.5也有很高的捕集效率。

目前，应用电凝并技术捕集微细粉尘是国内外气溶胶界的研究热点，对电凝并技术理论和实验方面都应进行更深入的研究。

2.2 声凝并技术

声凝并是利用高强度声场使气溶胶中微米和亚微米级微细粉尘发生相对运动，进而提高他们的碰撞凝并速率，粒径分布从小尺寸向大尺寸方向迁移，微细粉尘数目浓度减少。图2为微细粉尘声凝并示意图，通过声凝并可提高常规除尘设备的效率［25-27］。

图2 为微细粉尘声凝并示意图

一般认为，声凝并机理包括同向凝并作用、流体力学作用、声辐射压力作用、声致湍流作用等，前两者是主要的声凝并机理，从现有研究来看，按所用声源频率及有无外加种子颗粒可将声凝并分为3类：①低频声凝并。低频声源易实现且产生高强度声强，有利于大颗粒的凝并长大［28］；②高频声凝并。高频有利于小颗粒的凝并长大。与低频声源相比，高频声源不会产生噪声，适当改造，可在高温环境下使用，成为不少研究者的研究方向；③双模态声凝并。凝并室内加入一定浓度、适当大小（约几十μm）的种子颗粒，利用种子颗粒几乎不发生声波夹带以及微细粉尘的充分夹带，以提高碰撞频率。赵兵等［29-30］进行了声波联合添加种子颗粒脱除微细粉尘的实验研究，取得了良好的效果。进而采用实际燃烧源烟气进行了较系统深入的研究，并已在该领域申请了专利［31］。声波与外加种子颗粒联合使用，在降低能耗的同时提高了对微细粉尘的脱除效果，在工业应用中有一定的前景。浙江大学学者［32-35］对燃煤灰进行了声波凝并实验，考察了声强、声频、声波作用时间及烟气温度等对凝并效果的影响。清华大学、北京理工大学等单位采用模拟烟气对煤飞灰粉尘的声凝并进行了研究。

微细粉尘声凝技术，曾一度引起除尘界的极大关注。但对于高频来说，为了产生数十甚至数百kHz的声波，不仅要解决高能耗的问题，同时还需要消除噪声危害。因此，如何产生低成本的有效声场，是高频声能消烟除尘技术得以应用的重要研究课题。正是因为这一原因，尚未制造出实用的声波除尘器。

2.3 蒸汽相变技术

蒸汽相变促进微细粉尘的脱除原理是：在过饱和水汽环境中，水汽在微细粉尘表面凝结，并同时产生热泳和扩散泳作用，促使微细粉尘迁移运动，相互碰撞接触，使微细粉尘粒径增大、质量增加。利用蒸汽相变促进微细粉尘脱除的技术路线如图3所示。

图3 蒸汽相变促进微细粉尘脱除的技术路线

蒸汽相变促进微细粉尘脱除是具有应用前景的新技术，特别适用于高温、高湿烟气排放源及安装湿式除尘装置或湿法脱硫装置的情况［36-41］。与其他凝并技术相比，在上述场合应用蒸汽相变具有明显优势，可实现多种污染物同时脱除。

蒸汽相变促进微细粉尘脱除也存在一些问题：如过饱和蒸汽在微细粉尘表面异质核化过程复杂，影响因素多，核化机理不完全清楚，对成核机理的认识存在较多争议；蒸汽在微细粉尘表面凝结长大与微细粉尘脱除是一个复杂的传质、传热过程，凝并时需较高的过饱和环境，通过添加蒸汽或降温的方法达到凝结所需的过饱和度耗能较高。因此，认识成核机理及如何降低能耗且能够实际应用于工业除尘都需要进一步研究。

2.4 其他凝并技术

2.4.1 热凝并技术 热凝并又称为布朗凝并，指微细粉尘在温度较高的情况下，热运动更加显著，使得粒子间碰撞频率增大而结合成大颗粒的现象［42］。许世森实验研究了微细粉尘在不同温度条件下，热凝并对旋风分离器除尘性能的影响大小，进入旋风分离器之前将烟气预加热，比未经预先加热处理的烟气，微细粉尘的热凝并作用更突出，提高了分离器的除尘效率［43］。Shin 等［44］经模拟计算得出在每一个温度下存在粉尘当量直径临界点，大于临界直径的粉尘，粒径越大，越容易发生热凝并，而且随着温度升高，临界直径不断增大，直径越大的粉尘在越高的温度下凝并效果越好。对于浓度高、粒径相差较大或≤0.1 μm的微细粉尘，热凝并效果明显［45］，但凝并过程缓慢。Hinds［46］计算了典型的热凝并过程的凝并速率值为10-10cm3/s。

限制热凝并机理应用的技术瓶颈在于其较低的凝并速率和驱动热源的能耗。但如果能通过巧妙的设计利用高温烟气作为驱动热源，实现烟尘热凝并去除和余热利用的结合，将不失为热凝并应用的一种新途径。

2.4.2 化学凝并技术 化学凝并是添加化学凝并剂（吸附剂、黏结剂）促进微细粉尘长大的预处理方法，主要是通过物理吸附和化学反应相结合的机理来实现的。Zhuang等［47］对烟煤燃烧产生的微细粉尘形成机理及其化学凝并技术进行了实验研究。Linak等［48］研究了吸附剂对有害金属的凝并作用。赵永椿等［49］对燃烧后区添加化学凝并剂，促使微细粉尘凝并长大并加以脱除进行了研究，结果表明化学凝并对微细粉尘脱除具有显著作用。此外，化学凝并还可吸附有害的痕量金属，实现多种污染物同时脱除。

但廉价实用的高效多功能化学凝并剂难以得到，对于处理烟气量大的情况须添加大量的吸附剂，增加运行费用。此外，喷入凝并剂还会影响锅炉的热效率及其运行，还可能造成二次污染。因此研究高效多功能无污染的化学凝并剂是化学凝并研究的关键点。

2.4.3 磁凝并技术 磁凝并是指被磁化的粉尘、磁性粒子在磁偶极子力、磁场梯度力等作用下，发生相对运动而碰撞凝并在一起，使其粒径增大，进而利于后续常规除尘设备脱除。杨瑞昌、鲁端峰等［50-51］对燃煤微细粉尘在梯度磁场和均匀磁场中的凝并特性进行了理论和实验的研究，表明对于含有铁磁性物质的微细粉尘，采用外加磁场的凝并方法是确实可行的，通过添加强磁性的磁种颗粒，也可增强微细粉尘的凝并效果。

磁凝并技术为燃煤微细粉尘的排放控制提供了一种新的技术途径，但试验得到的结果不是很理想，目前存在的主要问题是如何高效收集弱磁性粉尘，以及如何清除和解磁附着在磁介质上的粉尘。

2.4.4 湍流凝并技术 湍流凝并是指微细粉尘在湍流的射流中有明显的成核和凝并现象，而且成核和凝并的粉尘将进一步长大［52］。一般只在高温下或者雷诺数较大时，效果才较明显。湍流凝并的研究主要在理论和数值模拟方面［53-56］，实验研究较少。

2.4.5 光凝并技术 光凝并是指应用光辐射的原理促进颗粒物的凝并［57］。通过改变光的强度、激光传播的折射角等可促使微细粉尘凝并。光凝并尚处于研究阶段，这种方法成本相当高，目前工业应用价值相对较小。

3 结语

目前，微细粉尘凝并去除技术多侧重于研究各种凝并技术的效率，由于微细粉尘的微观性和复杂性，对微细粉尘的凝并过程主要依据理论和实验推测，不确定性因素较多，使得微细粉尘的污染治理研究受到极大制约。因此，应该深入揭示微细粉尘的产生与排放机理，为凝并技术的研究注入新的理论和研究方法。

在凝并过程中微细粉尘间相互作用力方面的研究工作也有所开展，但针对低温过程较多，还没全面的研究微细粉尘的高温形成及其高、低温形成的内在联系；另一方面，研究时通常认为微细粉尘是球形的，但实际的微细粉尘的形状是不规则的，且在凝并过程中，粉尘凝并长大后也不是通常研究近似认为的球形，而是复杂的链状等形状，因此迫切需要开发和改进数学模型以求准确地描述微细粉尘的凝并长大过程，从根本上揭示微细粉尘形成的基本理论。

凝并技术作为一种高效捕集微细粉尘的方法，对凝并技术尤其是电凝并技术进行深入研究，揭示其作用机理及相关影响因素，并积极探求与凝并技术相关的研究思路和手段，是有效治理微细粉尘污染的重要途径。

总的来说，对凝并技术的了解有待深入，现有理论机理还较粗糙，有些还互相矛盾，且许多研究成果主要局限于实验室条件，在实际工业生产中很难运用，这都需进一步研究。大学和研究机构针对我国目前在微细粉尘污染治理领域的技术现状及亟须解决的关键技术开展了大量应用和基础研究，工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学）以微细粉尘污染治理技术和工程应用为对象，主要开展微细粉尘污染物控制理论研究及凝并技术与设备研发等工作。

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