淺談我國pm25的排放與控制

淺談我國pm25的排放與控制

0路徑二:創(chuàng)建以燃燒源2.5為重心的環(huán)境環(huán)境監(jiān)測工程近年來，我國許多主要城市的環(huán)境發(fā)生了嚴(yán)重的污染，如北京、上海和西安。PM2.5是指大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm的顆粒物,它的直徑不到人體頭發(fā)絲的1/20(見圖1),也稱為可吸入肺顆粒物。PM2.5顆粒是形成灰霾天氣的主要原因之一,灰霾天氣嚴(yán)重降低了空氣能見度,給人民的生產(chǎn)和生活帶來很大影響。PM2.5比表面積大,可富集重金屬、酸性物質(zhì)、有機(jī)化合物等大量有毒、有害物質(zhì),一旦被吸入人體之后就會(huì)直接進(jìn)入支氣管,引發(fā)多種心血管和呼吸系統(tǒng)有關(guān)的疾病。鑒于PM2.5的巨大潛在危害,我國于2012年將PM2.5排放濃度限值納入GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,率先在京津冀、長三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域開展PM2.5監(jiān)測,并計(jì)劃于2016年在全國范圍內(nèi)開展監(jiān)測。煤炭燃燒、汽車尾氣、生物質(zhì)燃燒是燃燒源PM2.5的主要來源,包括燃燒過程直接排放的一次顆粒物;和以SO2、NOx和VOC等氣態(tài)形式排放至大氣,通過復(fù)雜的大氣物理化學(xué)過程形成硫酸鹽和硝酸鹽等的二次顆粒物。國內(nèi)學(xué)者通過對(duì)北京地區(qū)大氣環(huán)境中PM2.5的研究分析發(fā)現(xiàn),燃燒源PM2.5占了北京地區(qū)PM2.5總排放量的45%~72%,其中有15%~20%來自煤炭燃燒,5%~10%來自汽車尾氣,5%~12%來自生物質(zhì)燃燒,20%~30%來自硫酸鹽和硝酸鹽二次顆粒物。我國是煤炭消費(fèi)大國,煤炭占我國一次能源消費(fèi)總量的70%,其中有75%的煤炭用于燃燒。在消耗的煤炭中,燃煤電廠鍋爐約占50%,燃煤工業(yè)鍋爐約占20%。因此,針對(duì)燃煤鍋爐PM2.5的控制是燃燒源PM2.5控制的重中之重。我國同時(shí)也是生物質(zhì)燃燒大國,尤其在我國廣大農(nóng)村地區(qū),秸稈和柴薪被普遍用作炊事及采暖用燃料。我國秸稈露天焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重,每年全國有數(shù)以億噸的秸稈被露天焚燒,燃燒所排放的顆粒物總量非?？捎^。和煤炭的集中燃燒和煙氣的集中控制不同,農(nóng)村生物質(zhì)燃燒點(diǎn)源分散,而且農(nóng)村的環(huán)保意識(shí)相對(duì)薄弱,這給生物質(zhì)燃燒顆粒物的控制帶來了很大難度。1燃煤煙氣2.5排放控制當(dāng)前,如何實(shí)現(xiàn)燃煤煙氣中PM2.5的有效脫除是非常具有挑戰(zhàn)性的課題。我國燃煤電廠中有超過90%是采用靜電除塵(ESP),其余的則采用布袋除塵(BF)。研究表明,在我國容量超過500MW的鍋爐中,ESP和BF對(duì)PM2.5的脫除效率分別為96.75%~99.16%和99.72%。盡管BF對(duì)PM2.5的脫除效率優(yōu)于ESP,但仍然無法滿足PM2.5的脫除率應(yīng)高于99.9%的要求。因此,通過除塵技術(shù)的不斷革新、進(jìn)步和優(yōu)化整合是實(shí)現(xiàn)燃煤煙氣PM2.5控制的主要途徑。然而,在汽車尾氣和生物質(zhì)露天焚燒的PM2.5排放控制方面,國家有關(guān)政策的出臺(tái)和嚴(yán)格執(zhí)行則顯得更為重要。在汽車尾氣治理方面,加快提高燃油品質(zhì),盡快編制我國的國V、國VI汽車排放標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的油品標(biāo)準(zhǔn);加速淘汰“黃標(biāo)車”,降低在用車尾氣排放;發(fā)展新能源汽車,推廣使用清潔替代燃料等措施是減少汽車PM2.5排放的重要途徑。在生物質(zhì)焚燒方面,通過出臺(tái)禁止生物質(zhì)露天焚燒的政策措施,并加大執(zhí)行力度,推廣生物質(zhì)的潔凈資源化處置技術(shù),加強(qiáng)農(nóng)村分散生物質(zhì)的集中處置等,則是降低PM2.5排放的重要途徑。基于此,本文將主要圍繞燃煤煙氣PM2.5控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。1.1高溫生物復(fù)合劑對(duì)土壤中pb和cr的復(fù)合作用研究表明,在煤炭燃燒過程中,燃燒爐內(nèi)的氧氣濃度、爐溫、煤粉顆粒尺寸和煙氣再循環(huán)等均對(duì)PM2.5的排放產(chǎn)生影響。華中科技大學(xué)隋建才等研究表明,爐溫對(duì)PM2.5的排放影響最顯著,其次為煤粉顆粒尺寸和爐內(nèi)氧氣濃度。提高爐內(nèi)燃燒溫度,或者減小煤粉顆粒尺寸和爐內(nèi)氧氣濃度都會(huì)引起PM2.5排放增加。向爐內(nèi)投放如高嶺土、石灰石、硅藻土和礬土等高溫吸附劑是降低PM2.5顆粒排放的有效措施。通過高溫吸附劑和亞微米級(jí)金屬顆粒在爐內(nèi)的相互作用,可以增加顆粒尺寸,使其在尾部煙氣處理設(shè)施中更容易地被脫除。Zhang等研究了高嶺土、礬土和氫氧化鈣對(duì)Pb和Cr的捕集效果,捕集實(shí)驗(yàn)在23kW的一維沉降爐中進(jìn)行,結(jié)果表明爐內(nèi)的亞微米級(jí)(<0.71μm)Pb顆粒被吸附后顆粒尺寸增大為超細(xì)顆粒(1.05~1.65μm),其中高嶺土對(duì)Pb的捕集效果尤為出色。當(dāng)高嶺土給料量為60g/h時(shí),亞微米Pb顆粒幾乎完全轉(zhuǎn)化為超細(xì)顆粒。Ninomiya等對(duì)鎂基添加劑的研究表明,鎂基添加劑通過與煤中鋁硅酸鹽相互作用,生成不同形式的低溫共熔體,促進(jìn)顆粒間的聚合長大,從而減少PM2.5的生成。因此,爐內(nèi)PM2.5控制技術(shù)的基本思想是通過吸附劑使亞微米顆粒在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)凝聚,從源頭上減少PM2.5顆粒的排放,從而減輕尾部煙氣處理的壓力。1.2預(yù)處理段“預(yù)團(tuán)聚”的設(shè)置由于傳統(tǒng)的ESP和BF除塵方式對(duì)PM2.5的脫除效果均不理想,研究人員設(shè)想在ESP或BF前設(shè)置預(yù)處理階段,使PM2.5顆粒物通過物理或化學(xué)作用團(tuán)聚成較大顆粒后再加以脫除,該預(yù)處理段所采用的技術(shù)為煙氣預(yù)團(tuán)聚技術(shù)。預(yù)團(tuán)聚技術(shù)主要包括聲團(tuán)聚技術(shù)、磁聚并技術(shù)、熱團(tuán)聚技術(shù)、蒸汽相變團(tuán)聚技術(shù)和雙極荷電凝聚技術(shù)等。1.2.1研究方法聲團(tuán)聚技術(shù)是指利用高強(qiáng)度聲場使氣溶膠中微米和亞微米顆粒產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng),在很短的時(shí)間范圍內(nèi)使顆粒的分布密度函數(shù)從小尺寸向大尺寸范圍演變的技術(shù)。Medinikov較早地對(duì)聲波團(tuán)聚技術(shù)進(jìn)行了完整的研究,并對(duì)聲波團(tuán)聚機(jī)理作了深入探討。Gallego將聲團(tuán)聚技術(shù)用于0.5MW流化床燃煤鍋爐,發(fā)現(xiàn)超細(xì)顆粒的減小幅度達(dá)到40%。近年來,國內(nèi)東南大學(xué)等高校也開展了聲團(tuán)聚技術(shù)的研究。Shen等研究指出,在1kHz聲波頻率,161.5dB聲強(qiáng)作用下,0.0233~9.32μm顆粒的數(shù)量濃度下降85.2%,質(zhì)量濃度下降92.5%,體現(xiàn)了聲團(tuán)聚技術(shù)在PM2.5脫除方面的潛力。盡管目前國內(nèi)外有大量關(guān)于聲波團(tuán)聚的研究,但聲波團(tuán)聚技術(shù)真正投入工程應(yīng)用的幾乎沒有,存在的主要問題是能耗過高,缺乏適宜在高溫?zé)焿m環(huán)境長期使用的聲源,以及所試驗(yàn)的微粒體系大多與實(shí)際煙塵體系相差較大,研究結(jié)果難以直接應(yīng)用。未來聲波團(tuán)聚技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是開發(fā)低能耗、耐高溫、長壽命的聲波發(fā)生系統(tǒng)。1.2.2顆粒停留時(shí)間和質(zhì)量濃度對(duì)磁聚并脫除效率的影響磁聚并是指磁性或弱磁性顆粒物在磁場中受力,使顆粒之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而發(fā)生碰撞、聚并和顆粒尺度增大的過程。李永旺等研究指出,延長顆粒停留時(shí)間或增大顆粒質(zhì)量濃度,都可有效提高聚并脫除效率,當(dāng)質(zhì)量濃度為40g/m3,停留時(shí)間為1.2s時(shí),磁聚并脫除效率可達(dá)44%。由于飛灰的磁性較弱,單純靠磁聚并的優(yōu)越性并不十分明顯,為進(jìn)一步提高磁聚并效果,建議在燃煤電廠鍋爐飛灰中添加適量磁粉來提高比磁化率。盡管目前在磁凝并理論和實(shí)驗(yàn)研究方面已經(jīng)取得大量成果,但要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用尚有距離。1.2.3利用蒸汽脫除顆粒蒸汽相變團(tuán)聚是指在過飽和蒸汽環(huán)境中,蒸汽以PM2.5固體顆粒為凝結(jié)核發(fā)生相變,并在熱泳和擴(kuò)散泳作用下顆粒發(fā)生遷移和碰撞,從而使PM2.5顆粒凝并長大。早在1951年,Schauer等就研究得出利用蒸汽在微粒表面凝結(jié)是促使超細(xì)顆粒增大的最有效措施之一。德國的Bologa等采用蒸汽相變團(tuán)聚結(jié)合ESP技術(shù)對(duì)平均粒徑為66nm,質(zhì)量濃度為35~55g/m3的顆粒進(jìn)行了脫除研究,脫除效率可達(dá)90%~95%。國內(nèi)一些高校也開展了蒸汽相變團(tuán)聚技術(shù)的研究,張霞等利用蒸汽相變結(jié)合旋風(fēng)除塵技術(shù),對(duì)燃煤和燃油PM2.5顆粒進(jìn)行了脫除實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,兩者的脫除效率可以分別達(dá)到80%和60%以上。對(duì)于安裝有濕法或半干半濕法脫硫裝置、濕式洗滌除塵裝置的PM2.5排放源,由于這些技術(shù)工藝均需噴水或添加蒸汽,因而可以和蒸汽相變團(tuán)聚技術(shù)相結(jié)合,提高該技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。1.2.4鹽砂顆粒及吸入種藥雙極荷電凝聚技術(shù)是指含塵氣體進(jìn)入除塵器前,先對(duì)其進(jìn)行分列荷電處理,使相鄰兩列的煙氣粉塵帶上正、負(fù)不同極性的電荷,然后通過擾流作用,使帶異性電荷的不同粉塵顆粒有效凝聚,形成大顆粒后進(jìn)入除塵設(shè)備。近年來,該技術(shù)發(fā)展進(jìn)度很快,應(yīng)用結(jié)果顯示,通過電凝聚使得ESP去除可吸入顆粒物的效率提高了30%~40%。國內(nèi)某公司也自主研發(fā)了雙極荷電凝聚技術(shù),并利用該技術(shù)結(jié)合ESP對(duì)煙氣量為25100m3/h、入口煙塵濃度為10.4g/m3的工況進(jìn)行了除塵實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示PM2.5的質(zhì)量濃度下降了15.9%,數(shù)量濃度下降了20.8%。目前,雙極荷電凝聚+ESP除塵技術(shù)在實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用方面都取得了顯著成效,為我國燃煤電廠PM2.5的治理提供了一種可行的技術(shù)方案,工業(yè)應(yīng)用潛力巨大。1.2.5顆粒熱沉積特性的研究熱團(tuán)聚技術(shù)是使含有可吸入顆粒物的氣固兩相流流經(jīng)存在溫度場的流道,使顆粒物受熱泳力作用向冷壁面運(yùn)動(dòng)并在冷壁面上發(fā)生沉積團(tuán)聚的技術(shù)。國外早在二十世紀(jì)六七十年代就開展了有關(guān)顆粒熱運(yùn)動(dòng)沉積特性的研究。近年來,隨著對(duì)可吸入顆粒物控制的重視,有關(guān)顆粒物熱沉積特性的研究又重新引起科研人員的重視。楊瑞昌和周濤等提出了PM2.5顆粒在溫度場內(nèi)沉積效率的經(jīng)驗(yàn)公式,研究指出,當(dāng)進(jìn)口煙氣溫度和壁面溫度的比值從1.35升至1.60時(shí),可吸入顆粒的沉積效率從7.5%提高至12.5%。然而,由于熱團(tuán)聚過程十分緩慢,而且目前顆粒的最佳沉積效率只能達(dá)到20%~30%,因此要在工業(yè)中推廣應(yīng)用尚有難度。2cohpac和ahpc式除塵系統(tǒng)ESP和BF是目前燃煤電廠的主要除塵方式,如前所述,兩種傳統(tǒng)的除塵方式在PM2.5脫除效率方面都不甚理想。為了解決該問題,美國電力研究院于20世紀(jì)90年代開始啟動(dòng)ESP/BF聯(lián)合除塵技術(shù)研究,并研發(fā)出緊湊型混合顆粒收集器(COHPAC),如圖2a所示。其基本思想是在原有ESP后加一個(gè)脈沖BF除塵器,BF的除塵效率比傳統(tǒng)的BF除塵技術(shù)高出4倍~8倍。在美國BigBrown電廠575MW鍋爐除塵系統(tǒng)上的應(yīng)用表明,在鍋爐最大運(yùn)行負(fù)荷下煙囪排煙的阻光度降低了20%。圖2b所示為在COHPAC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的合成式COHPAC系統(tǒng),ESP中用脈沖布袋代替電極板,ESP和BF之間用擋板隔開,以防止靜電場對(duì)布袋的破壞。從美國Alabama電廠的中試實(shí)驗(yàn)看,在相對(duì)略低的過濾速度下,可獲得與分離式COHPAC系統(tǒng)相近的除塵效果。此后,美國能源環(huán)境研究中心又開發(fā)了更加緊湊的先進(jìn)混合除塵器(AHPC),如圖2c所示。AHPC把ESP和BF除塵集中于一個(gè)腔內(nèi),把濾袋置于靜電極板和極線之間,實(shí)現(xiàn)了ESP和BF真正的混合。AHPC體積更小,PM2.5除塵效率更高。該系統(tǒng)在美國大石電廠對(duì)旋風(fēng)燃燒鍋爐產(chǎn)生的15000m3/h的高比阻飛灰進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn),其對(duì)0.01~50μm顆粒的脫除效率達(dá)到99.99%,具有較大的發(fā)展應(yīng)用潛力。國內(nèi),清華大學(xué)自主研發(fā)了ESP/BF聯(lián)合除塵系統(tǒng)(THEBPC),其最大特點(diǎn)是將ESP的集塵極設(shè)計(jì)成百葉板形態(tài)(見圖3),當(dāng)煙氣進(jìn)入除塵器時(shí),集塵極關(guān)閉(見圖3a),約有90%的可吸入顆粒物通過電除塵脫除;隨后,集塵極打開(見圖3b),煙氣進(jìn)入布袋進(jìn)一步除塵,集塵極打開時(shí)所產(chǎn)生的揚(yáng)灰也可以通過布袋有效去除。3產(chǎn)品族的研發(fā)濾料是布袋除塵技術(shù)的核心,因此布袋除塵技術(shù)的發(fā)展和革新主要體現(xiàn)在新型濾料的研發(fā)上。為克服傳統(tǒng)濾料在PM2.5顆粒過濾效率方面的不足,國內(nèi)外許多研究者開展了針對(duì)PM2.5的新型濾料和制造工藝研發(fā),如復(fù)合梯度濾料、PTFE覆膜濾料和水刺濾料等,其中一些新型濾料已經(jīng)投入工業(yè)應(yīng)用并且運(yùn)行效果良好。3.1復(fù)合濾料的制備復(fù)合梯度濾料是指在傳統(tǒng)粗纖維濾布表面引入超細(xì)纖維層,利用表面超細(xì)纖維層提高對(duì)可吸入顆粒物的過濾效率。由東華-博格技術(shù)研究中心研發(fā)的HBT復(fù)合梯度濾料,在原材料上主要采用進(jìn)口PPS(聚苯硫醚)和P84(聚酰亞胺)纖維材料,結(jié)構(gòu)上采用獨(dú)特的“梯次”結(jié)構(gòu)(見圖4),表層超細(xì)纖維通過熔噴、熱軋技術(shù)制成,基布采用玻璃纖維,提高濾料的耐溫性能和機(jī)械強(qiáng)度。研究表明,HBT梯度濾料對(duì)PM10的過濾效率和覆膜濾料接近,對(duì)2μm以上顆粒的過濾效率幾乎為100%,對(duì)0.3μm的過濾效率也在85%以上。此外,HBT梯度濾料具有良好的透氣性,其過濾阻力遠(yuǎn)低于FMS9806覆膜濾料和PPS覆膜濾料,與PPS、P84、FMS9806等常規(guī)濾料的過濾阻力接近。HBT梯度濾料已在我國多家電廠的布袋改造中投入使用,體現(xiàn)了很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。王立波等對(duì)PSA/BAS水刺濾料的過濾特性進(jìn)行了研究,PSA/BAS濾料基層為BAS玄武巖纖維濾料,在BAS表層附上PAS芳砜綸制成復(fù)合濾料,即可滿足對(duì)微細(xì)粉塵的過濾,又可以汲取兩種纖維各自優(yōu)勢(shì),用于高溫?zé)焿m過濾。研究表明,在3.0m/min的濾速下,PSA/BAS復(fù)合濾料對(duì)6μm以上顆粒的過濾效率達(dá)100%,對(duì)1μm以上顆粒的過濾效率達(dá)到85%以上。潔凈濾料的透氣率為20.22m/min,透氣性能良好,保證了良好的經(jīng)濟(jì)性能。3.2其他新型過濾材料聚四氟乙烯(PTFE)覆膜濾料是以PTFE為原料,將其膨化成具有多微孔性的薄膜,將此薄膜用特殊工藝覆合在不同基材上(如針刺氈或編織物),使其形成一種新型的過濾材料。PTFE覆膜濾料是20世紀(jì)70年代后期由美國GORE公司研制開發(fā)成功,經(jīng)過幾十年不斷改進(jìn),已發(fā)展成一種性能非常優(yōu)秀的過濾材料(見圖5)。PTFE覆膜濾料對(duì)于0.1μm以上的顆粒具有很高的去除效率,表面覆膜起到一次粉塵層的作用,能夠?qū)崿F(xiàn)表面過濾,代替了傳統(tǒng)未覆膜濾料的深層過濾(見圖6),從而使過濾效率提高一個(gè)數(shù)量級(jí),而濾料的阻力可降低15%~25%。目前,美國GORE公司的ePTFE覆膜濾料在國內(nèi)有較高的市場占有率,在國內(nèi)大部分垃圾焚燒發(fā)電廠和水泥行業(yè)濾袋改造項(xiàng)目中被廣泛采用。國內(nèi)多家單位也相繼研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PTFE覆膜濾料。如中材科技股份有限公司研發(fā)的玻纖覆膜濾料已經(jīng)成為國家重點(diǎn)環(huán)保技術(shù),在天津某鋼鐵公司的高爐煤氣凈化中投運(yùn)效果良好。上海凌橋環(huán)保設(shè)備廠有限公司研發(fā)的PTFE覆膜濾料則以BWF或Andrew針刺氈為基料,并在國內(nèi)多家鋼鐵、水泥和電力行業(yè)投運(yùn)。隨著新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施,垃圾焚燒、電力、鋼鐵及水泥等各行各業(yè)對(duì)PTFE覆膜濾料的需求也將逐年增加,市場潛力巨大。3.3新型水刺濾料水刺工藝是20世紀(jì)70年代中期由美國杜邦和奇考比公司研究開發(fā)的,近十幾年來在全球得到了快速發(fā)展。水刺工藝的技術(shù)突破在于,它由極細(xì)的高壓水柱形成水針,其直徑比針刺工藝所用刺針要細(xì),因此由水刺工藝制造的水刺氈幾乎沒有針孔,其表面比針刺氈更加光潔平整。水刺濾料結(jié)構(gòu)簡單,可節(jié)省10%~15%的纖維材料,而且能達(dá)到很高的過濾性能,對(duì)PM2.5和PM1.0級(jí)過濾有較大的發(fā)展?jié)摿?/p>