我國靜電技術(shù)對PM2.5控制研究進(jìn)展
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張衛(wèi)風(fēng)，陶術(shù)平，向速林
（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）
摘要：簡要介紹了PM2.5的起源與危害，詳細(xì)闡述了靜電技術(shù)（電除塵器和電凝并技術(shù)）對PM25的去除，同時對防控PM2 5的技術(shù)提出相關(guān)建議。
關(guān)鍵詞：PM2.5除塵：靜電除塵器：電凝并技術(shù)
通常，人們將空氣動力學(xué)直徑≤2.5 um的大氣顆粒物定義為PM2．5，因其直徑相對較小能夠進(jìn)入人體肺泡，也將其稱為可吸入肺顆粒物。由于PM2.5粒徑小、重量輕、傳播距離遠(yuǎn)，可逗留于空氣中時間長，且易在細(xì)顆粒物上富集細(xì)菌、病毒和重金屬，對大氣能見度和人體健康影響很大。鑒于PM2，已成為國內(nèi)外城市大氣的首要污染物，各國對顆粒物開展了大量的研究工作，而我國也在2012年將PM2.，排放濃度允許的最大值納入《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB 3095-2012)中，在北京、天津、長江三角洲、珠江三角洲等重要地區(qū)對可入肺顆粒物展開了初步的監(jiān)控，并計(jì)劃于2016年在全國范圍內(nèi)開展監(jiān)測。
燃煤、生物質(zhì)、汽車燃料等經(jīng)過燃燒而排放的尾氣是燃燒源PM2.5的主要來源。我國消耗的一次能源主要是煤炭，占到70%，其用于燃燒的約為75%，雖然燃煤鍋爐產(chǎn)生的顆粒物既包括細(xì)顆粒PM0.38，又包括粗顆粒，但0.2~2.5um的細(xì)顆粒物是尾部煙氣經(jīng)電除塵器除塵后排放出來的顆粒物中比例最大的。鑒于現(xiàn)有的電除塵器對PM25的脫除很難滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對電除塵器改進(jìn)或?qū)M2.5進(jìn)行相應(yīng)的電凝并處理，從而提高除塵器對PM2.5的除塵效率。本文中針對電除塵器改進(jìn)和電凝并技術(shù)等進(jìn)行探討，以期為PM2.5的控制提供相應(yīng)的參考。
1 電除塵器的改進(jìn)
靜電除塵器是一種高效除塵器，其工作原理如圖1所示，當(dāng)高壓靜電作用于負(fù)電極上時，負(fù)電極上就產(chǎn)生電暈放電，釋放大量的電子和離子，同時在電場力的推動下，它們分別向高壓直流電源的兩極移動，且在移動過程中粉塵會捕集電子和離子荷電，移向集塵極后被收集，達(dá)到除塵效果。
煙氣的特性與粉塵的特征極易影響電除塵器工作的運(yùn)行參數(shù)。而粉塵比電阻對其影響最大，太高或太低的粉塵比電阻都會在很大程度上降低除塵效率。此外，集塵極上捕集到的粉塵一般為振打清灰導(dǎo)致二次揚(yáng)塵，會使粉塵再次揚(yáng)起，很大程度降低了其對PM2.5的脫除效率。
1.1濕式電除塵器
有關(guān)清除被集塵板所捕獲粉塵的方法，濕式電除塵器( WESP)與干式電除塵器(DESP)區(qū)別較大。DESP通常采用機(jī)械振打或聲波來清灰，而WESP則采用沖刷液來定期洗滌電極，粉塵隨著沖刷液的運(yùn)動而被清除。WESP對含濕煙氣、微細(xì)顆粒物、高比電阻的微細(xì)粉塵處理效果較好。因?yàn)樵谒捅患瘔m板所捕獲的粉塵之間存在豁著力，WESP不會產(chǎn)生二次揚(yáng)塵。張會君等研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)采用濕式電除塵器( WESP)處理高比電阻的微細(xì)粉塵除塵效率較好，所脫除的粉塵中粒徑小于1um的微細(xì)粉塵占60%。楊志燕依據(jù)微細(xì)顆粒物在WESP中被脫除過程的分析，對不同極配型式下電暈放出電流的性能展開了研究，結(jié)果表明，90%以上微細(xì)顆粒物均被濕式電除塵器有效去除。莫華等利用2億kW的煤電機(jī)組加裝WESP在京津冀、長三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行測算，結(jié)果表明，每年排放的PM2.5可減少約63.8萬t。當(dāng)前，在濕法煙氣脫硫系統(tǒng)后面會加裝WESP，使微細(xì)粉塵能被有效捕集。WESP只適用于處理高濕、低溫以及較低負(fù)荷煙塵的煙氣。為了清理顆粒物，防止水的消耗，應(yīng)增加循環(huán)和污水處理設(shè)備；且電場構(gòu)件的材質(zhì)必須耐腐蝕，WESP系統(tǒng)不僅運(yùn)行成本較高，而且投資成本也較高。
1.2轉(zhuǎn)動極板電除塵技術(shù)
與傳統(tǒng)的電除塵器相比，轉(zhuǎn)動極板電除塵器在以下2個方面做了變動（圖2），一是將末電場中陽極板變成可旋轉(zhuǎn)的形式，二是除塵方式由原來的振打變成旋轉(zhuǎn)刷。楊繼發(fā)等研究表明，與常規(guī)電除塵器相比，轉(zhuǎn)動極板電除塵器從工藝結(jié)構(gòu)上改變了清除和捕獲灰塵的方式，同時可用于捕獲很細(xì)或比電阻很高的粉塵，一般出口排放的粉塵濃度≤30 mgm3，并提高了除塵效率。張濤等研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動極板電除塵器利用旋轉(zhuǎn)刷清灰避免了二次揚(yáng)塵，可使PM2.5等細(xì)顆粒物達(dá)到99. 89%的去除效率。
采用常規(guī)電除塵器，由于振打清灰使得出口粉塵濃度出現(xiàn)周期性波動，而轉(zhuǎn)動電極電場的應(yīng)用不但可以降低電除塵器出口中粉塵濃度，而且能夠保證出口粉塵濃度穩(wěn)定不變，常規(guī)電除塵器的改造特別適合利用這種技術(shù)。但由于該技術(shù)具有相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，制造、安裝工藝及維護(hù)相對要求較高。
1.3高壓電源改造技術(shù)
電除塵器的高壓電源也會影響其除塵的效率，因此可以通過改進(jìn)高壓電源來提升脫除顆粒物效率。樊興超研究發(fā)現(xiàn)，改變直流一交流交替供電的方式可以提高除塵裝置對PM2.5等細(xì)小顆粒物的除塵效率，粒徑2.5 um的粒子除塵效率最高可達(dá)到97. 3%。姚福德研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)除塵器電源采用的是恒流電源時，將恒流電壓從20 kV上升至50 kV，PM2，級別的細(xì)顆粒物脫除率從28. 3%提高至53. 1%。
電源改造的應(yīng)用可取得良好的效果。針對提高煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)，如果在火電行業(yè)普遍采用高壓電源改造，可以降低投資且滿足煙塵排放的新標(biāo)準(zhǔn)，并能取得良好的節(jié)能減排效果。
1.4其他技術(shù)
隨著煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)的工業(yè)化，傳統(tǒng)電除塵被動地適應(yīng)粉塵和工況參數(shù)的特點(diǎn)可得到極大改變。煙氣條件和粉塵的特性對常規(guī)電除塵有很大的影響，使煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)不能用于所有的工況，這就要求首先應(yīng)展開理論分析，隨后利用試驗(yàn)來確定其對煙氣條件的適應(yīng)性。
李亞林等研究發(fā)現(xiàn)，除塵效率與排煙溫度有關(guān)，通過將排煙溫度調(diào)整至130~150℃，可使PM2.，等顆粒物的去除率達(dá)到最佳。熊桂龍等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)偷蜏仉姵龎m器進(jìn)口煙氣溫度從130℃降到90℃時，其出口的PM2.5質(zhì)量濃度可由15.2 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）變?yōu)?.7mg/m3，去除率由95. 9%提高到97.5%。
低低溫電除塵技術(shù)的使用亟需處理下面2個問題：①因?yàn)榻档土朔蹓m比電阻，粉塵黏結(jié)力就會減小，從而產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，需要在振打方式和極板結(jié)構(gòu)方面采取相應(yīng)的改進(jìn)措施；②原煙氣中含有高濃度粉塵，當(dāng)其通過換熱器時，應(yīng)該采取相適應(yīng)的換熱器結(jié)構(gòu)和清灰方式。
從多依奇公式中可知，在一定范圍內(nèi)電除塵器去除顆粒物效率與塵粒遷移速度（靜電力等于空氣阻力時）呈正比，去除顆粒物效率隨著遷移速度增大而增大。依成武等研究表明，在離子風(fēng)的作用下，收集板邊界內(nèi)氣流方向由單向流動變?yōu)橄蛩拿姘朔綌U(kuò)散，邊界外的非均勻分布仍保持不變，這有益于捕獲微細(xì)顆粒，試驗(yàn)結(jié)果表明，若離子風(fēng)被忽略，微細(xì)顆粒物的除塵率將從99. 95%降至99. 65%。
為了促使微細(xì)粉塵能夠充分荷電而被捕集，同時能夠避免振打清灰而產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵，需要增大塵粒與收集板的接觸機(jī)會，這在很大程度上有效地捕獲荷電塵粒，Wang等提出了通透型收塵板電場結(jié)構(gòu)，可減少微細(xì)粉塵30%—70%的排放。
2電凝并技術(shù)
電凝并是利用增加細(xì)微顆粒的荷電能力，繼而促使微細(xì)顆粒通過電泳方式到達(dá)其他顆粒表面并與之接觸來增加顆粒間的凝并效果，從而提高顆粒的脫出效率。電凝并的工作原理如圖3所示。
目前研究的電凝并技術(shù)可分為4類，即異極性荷電粉塵凝并（直流電場）、同極性荷電粉塵凝并（直流電場）、同極性荷電粉塵凝并以及異極性荷電粉塵凝并（交變電場）。
王劍波等研究發(fā)現(xiàn)，采用雙極微粒聚合器能使雙極電暈放出電流，進(jìn)而使粉塵荷電，荷電后的粉塵凝聚效果增強(qiáng)，在使用聚合器后，PM2.5的質(zhì)量濃度降低了15. 9%。酈建國等研究結(jié)果表明，將凝聚器安設(shè)在電除塵器進(jìn)口封頭的第一層分布板前，增大荷電顆粒之間的碰撞機(jī)會和能夠凝聚的概率，提高PM2.5被捕集的能力，可使PM2.5減少的排放率超過30%。李濟(jì)吾等采用脈沖供電方式，構(gòu)建了一種雙區(qū)電除塵器試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鐖D4），研究結(jié)果表明，脈沖供電能夠明顯地影響電除塵器對PM2.5的去除性能，相比較于直流供電，其使微細(xì)顆粒分級效率增大了16.9%。
孫曉榮針對荷電粉塵量或粉塵是否被荷電、凝聚狀態(tài)以及在電場空間中性質(zhì)的變化，依次在2個不同放電（干式電暈放電與霧化電暈放電）的情形下展開了試驗(yàn)分析，研究發(fā)現(xiàn)，在霧化電暈放電情形下能夠更好地捕集粉塵，且粒徑范圍在0.1~0.6 um時，微細(xì)顆粒物被捕獲的效率能夠得到很大地提升，粒徑為0.4 um時捕獲效率最好，達(dá)到68. 08%。
目前電凝并技術(shù)的典型應(yīng)用是煙氣除塵強(qiáng)化型濕式電除塵器，其是2010年在浙江某工業(yè)窯爐生產(chǎn)線被中國重型機(jī)械研究院有限公司建立，PM2.5脫除效率可達(dá)到90%。2012年，浙江菲達(dá)環(huán)保公司建立了工業(yè)性模擬試驗(yàn)裝置，其煙氣處理量為25 100m3／h，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用了凝并器后，電除塵出口處微細(xì)顆粒物PM2，5的質(zhì)量濃度降低了15. 9%，PM2．5的排放得到了有效地控制x，在實(shí)驗(yàn)室中的總體布置圖如圖5所示。
電凝并裝置實(shí)質(zhì)上是利用電除塵器有效面積的增加來使PM2.，的去除效率增大，但未能使PM2.5的脫除效率達(dá)到最佳。對此，白敏菂等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交變電場中頻率在100~150 Hz，電離電場強(qiáng)度取最大值1. 75 kV/cm時，交變電場中的微細(xì)粉塵是先通過與離子碰撞荷電，然后凝聚成大粒徑粉塵，試驗(yàn)表明，凝聚后小于2um的中位徑（0.2um硅粉中的粒徑）質(zhì)量分?jǐn)?shù)從71%降到了53%；而在5—10 um的硅粉卻提高了162%；此時質(zhì)量脫除微細(xì)顆粒物的效率增大了27.6%。
目前，在國內(nèi)外采用電凝并技術(shù)捕集微細(xì)顆粒是研究的熱點(diǎn)，對電凝并技術(shù)理論或試驗(yàn)方法需要更深入地研究。
3 結(jié)論與展望
綜上所述，與常規(guī)的電除塵器相比，改進(jìn)后的電除塵器具有使用范圍廣、除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，在大氣研究領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，成為目前大氣領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但目前電除塵器改進(jìn)技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，存在處理成本高或難以工業(yè)化的問題。電凝并去除技術(shù)的效率是現(xiàn)階段微細(xì)顆粒凝并技術(shù)研究的重點(diǎn)，因?yàn)槲⒓?xì)顆粒的微觀性和凝并過程的復(fù)雜性，主要依據(jù)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)方法對微細(xì)顆粒的凝并過程進(jìn)行推測，具有較多的不確定性因素，使得微細(xì)顆粒的污染治理研究受到極大制約。今后的發(fā)展方向是深入研究電除塵器和電凝并技術(shù)的作用機(jī)理及相關(guān)影響因素，提高微細(xì)顆粒物的處理效率，降低處理成本，開發(fā)電除塵器、電凝并去除技術(shù)與其他除塵技術(shù)聯(lián)合使用的組合技術(shù)，互補(bǔ)不足，盡快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。如王成福研究發(fā)現(xiàn)，把電凝并、轉(zhuǎn)動極板、高頻電源等組合在一起構(gòu)成一個電除塵方案，其能使微細(xì)顆粒物PM2.5的收集效率得到有效提升。
