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燃烧源 PM2. 5控制技术研究现状及展望 * 邓文义沈恒根苏亚欣 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620 摘要 随着 PM2. 5对我国大气环境所造成的严重污染， PM2. 5的排放和控制引起了社会广泛关注。燃料燃烧是 PM 2. 5排 放的重要来源， 在简要介绍燃烧源 PM2. 5来源分布的基础上， 主要对典型燃烧源 PM2. 5控制技术如炉内控制技术、 烟气 预团聚技术、 ESP/BF 联合除尘技术和先进布袋除尘技术等的技术原理、 特点、 研究现状和发展趋势进行了详细综述。 关键词 燃烧; PM2. 5; 污染控制; 除尘 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407019 PＲOSPECT AND ADVANCES IN CONTＲOL OF PM2. 5FＲOM COMBUSTION Deng WenyiShen HenggenSu Yaxin School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620， China AbstractSince PM2. 5has caused serious pollution to the atmospheric environment in China，emission and control of PM2. 5 has brought the widespread attention． Fuel combustion is an important emission source of PM2. 5． PM2. 5distributions from combustion source were briefly introduced． Special attentions were focused on principles，characteristics，research status and developing tendencies of PM2. 5controlling technologies，including combustion modification in flame zone，novel agglomeration approach，hybrid ESP/BF technology，and advanced bag filter technology． Keywordscombustion;PM2. 5;pollution control;dust abatement * 中央高校基本科研业务费专项资金 13D111321， 13D111315 ; 上海 自然科学基金项目 11ZＲ1400700 。 收稿日期 2013 －09 －14 0引言 近些年来， 我国北京、 上海、 西安等多个主要城市 大气环境均出现 PM2. 5严重超标现象， PM2. 5的污染问 题受到了社会各界的广泛关注。PM2. 5是指大气中空 气动力学直径小于 2. 5 μm 的颗粒物， 它的直径不到 人体头发丝的 1/20 见图 1 ， 也称为可吸入肺颗粒 物 ［1 ］。PM 2. 5颗粒是形成灰霾天气的主要原因之一， 灰霾天气严重降低了空气能见度， 给人民的生产和生 活带来很大影响。PM2. 5比表面积大， 可富集重金属、 酸性物质、 有机化合物等大量有毒、 有害物质， 一旦被 吸入人体之后就会直接进入支气管， 引发多种心血管 和呼吸系统有关的疾病［2 ］。鉴于 PM2. 5的巨大潜在危 害， 我 国 于 2012 年 将 PM2. 5排 放 浓 度 限 值 纳 入 GB 30952012环境空气质量标准 ， 率先在京津 冀、 长三角、 珠三角等重点区域开展 PM2. 5监测， 并计 划于 2016 年在全国范围内开展监测［3 ］。 图 1PM2. 5和人体头发丝的比较 Fig．1Comparison of PM2. 5with hair 煤炭燃烧、 汽车尾气、 生物质燃烧是燃烧源 PM2. 5 的主要来源， 包括燃烧过程直接排放的一次颗粒物; 和以 SO2、 NOx和 VOC 等气态形式排放至大气， 通过 复杂的大气物理化学过程形成硫酸盐和硝酸盐等的 二次颗粒物 ［4 ］。国内学者通过对北京地区大气环境 中 PM2. 5的研究分析发现， 燃烧源 PM2. 5占了北京地区 PM2. 5总排放量的 45 ～72， 其中有 15 ～20 来 自煤炭燃烧， 5 ～ 10 来自汽车尾气， 5 ～ 12 来 58 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 自生物质燃烧， 20 ～30来自硫酸盐和硝酸盐二次 颗粒物 ［4 ］。我国是煤炭消费大国， 煤炭占我国一次 能源消费总量的 70， 其中有 75的煤炭用于燃烧。 在消耗的煤炭中， 燃煤电厂锅炉约占 50， 燃煤工业 锅炉约占 20［5 ］。因此， 针对燃煤锅炉 PM2. 5的控制 是燃烧源 PM2. 5控制的重中之重。我国同时也是生物 质燃烧大国， 尤其在我国广大农村地区， 秸秆和柴薪 被普遍用作炊事及采暖用燃料。我国秸秆露天焚烧 现象严重， 每年全国有数以亿吨的秸秆被露天焚烧， 燃烧所排放的颗粒物总量非常可观［6 ］。和煤炭的集 中燃烧和烟气的集中控制不同， 农村生物质燃烧点源 分散， 而且农村的环保意识相对薄弱， 这给生物质燃 烧颗粒物的控制带来了很大难度。 1燃烧源 PM2. 5控制技术研究进展 当前， 如何实现燃煤烟气中 PM2. 5的有效脱除是 非常具有挑战性的课题。我国燃煤电厂中有超过 90是采用静电除尘 ESP ， 其余的则采用布袋除尘 BF 。研究表明， 在我国容量超过 500MW 的锅炉 中， ESP 和 BF 对 PM2. 5的脱除效率分别为 96. 75 ～ 99. 16和 99. 72［4 ］。尽管 BF 对 PM2. 5的脱除效率 优于 ESP， 但仍然无法满足 PM2. 5的脱除率应高于 99. 9的要求。因此， 通过除尘技术的不断革新、 进 步和优化整合是实现燃煤烟气 PM2. 5控制的主要途 径。然而， 在汽车尾气和生物质露天焚烧的 PM2. 5排 放控制方面， 国家有关政策的出台和严格执行则显得 更为重要。在汽车尾气治理方面， 加快提高燃油品 质， 尽快编制我国的国 V、 国 VI 汽车排放标准及相应 的油品标准; 加速淘汰 “黄标车” ， 降低在用车尾气排 放; 发展新能源汽车， 推广使用清洁替代燃料等措施 是减少汽车 PM2. 5排放的重要途径［7 ］。在生物质焚烧 方面， 通过出台禁止生物质露天焚烧的政策措施， 并 加大执行力度， 推广生物质的洁净资源化处置技术， 加强农村分散生物质的集中处置等， 则是降低 PM2. 5 排放的重要途径。基于此， 本文将主要围绕燃煤烟气 PM2. 5控制技术的研究现状和发展趋势进行综述。 1. 1燃煤 PM2. 5的炉内控制 研究表明， 在煤炭燃烧过程中， 燃烧炉内的氧气 浓度、 炉温、 煤粉颗粒尺寸和烟气再循环等均对 PM2. 5 的排放产生影响 ［8- 9 ］。华中科技大学隋建才等［8 ］研 究表明， 炉温对 PM2. 5的排放影响最显著， 其次为煤粉 颗粒尺寸和炉内氧气浓度。提高炉内燃烧温度， 或者 减小煤粉颗粒尺寸和炉内氧气浓度都会引起 PM2. 5排 放增加。向炉内投放如高岭土、 石灰石、 硅藻土和矾 土等高温吸附剂是降低 PM2. 5颗粒排放的有效措施。 通过高温吸附剂和亚微米级金属颗粒在炉内的相互 作用， 可以增加颗粒尺寸， 使其在尾部烟气处理设施 中更容易地被脱除。Zhang 等 ［10 ］研究了高岭土、 矾土 和氢氧化钙对 Pb 和 Cr 的捕集效果， 捕集实验在 23 kW的一维沉降炉中进行， 结果表明炉内的亚微米 级＜0. 71 μm Pb 颗粒被吸附后颗粒尺寸增大为超 细颗粒 1. 05 ～ 1. 65 μm ， 其中高岭土对 Pb 的捕集 效果尤为出色。当高岭土给料量为 60 g/h 时， 亚微 米 Pb 颗粒几乎完全转化为超细颗粒。Ninomiya 等 ［11 ］对镁基添加剂的研究表明， 镁基添加剂通过与 煤中铝硅酸盐相互作用， 生成不同形式的低温共熔 体， 促进颗粒间的聚合长大， 从而减少 PM2. 5的生成。 因此， 炉内 PM2. 5控制技术的基本思想是通过吸附剂 使亚微米颗粒在炉内实现凝聚， 从源头上减少 PM2. 5 颗粒的排放， 从而减轻尾部烟气处理的压力。 1. 2烟气预团聚技术 由于传统的 ESP 和 BF 除尘方式对 PM2. 5的脱除 效果均不理想， 研究人员设想在 ESP 或 BF 前设置预 处理阶段， 使 PM2. 5颗粒物通过物理或化学作用团聚 成较大颗粒后再加以脱除， 该预处理段所采用的技术 为烟气预团聚技术。预团聚技术主要包括声团聚技 术、 磁聚并技术、 热团聚技术、 蒸汽相变团聚技术和双 极荷电凝聚技术等。 1. 2. 1声团聚技术 声团聚技术是指利用高强度声场使气溶胶中微 米和亚微米颗粒产生相对振动， 在很短的时间范围内 使颗粒的分布密度函数从小尺寸向大尺寸范围演变 的技术。Medinikov［12 ］较早地对声波团聚技术进行了 完整的研究， 并对声波团聚机理作了深入探讨。 Gallego［13 ］将声团聚技术用于 0. 5 MW 流化床燃煤锅 炉， 发现超细颗粒的减小幅度达到 40。近年来， 国 内东南大学等高校也开展了声团聚技术的研究。 Shen 等 ［14 ］研究指出， 在 1kHz 声波频率， 161. 5 dB 声 强作用下， 0. 0233 ～ 9. 32 μm 颗粒的数量浓度下降 85. 2， 质量浓度下降 92. 5， 体现了声团聚技术在 PM2. 5脱除方面的潜力。尽管目前国内外有大量关于 声波团聚的研究， 但声波团聚技术真正投入工程应用 的几乎没有， 存在的主要问题是能耗过高， 缺乏适宜 在高温烟尘环境长期使用的声源， 以及所试验的微粒 体系大多与实际烟尘体系相差较大， 研究结果难以直 68 环境工程 Environmental Engineering 接应用。未来声波团聚技术应用的关键是开发低能 耗、 耐高温、 长寿命的声波发生系统。 1. 2. 2磁聚并技术 磁聚并是指磁性或弱磁性颗粒物在磁场中受力， 使 颗粒之间产生相对运动， 从而发生碰撞、 聚并和颗粒尺 度增大的过程。李永旺等 ［ 15 ］研究指出， 延长颗粒停留时 间或增大颗粒质量浓度， 都可有效提高聚并脱除效率， 当质量浓度为40 g/m3， 停留时间为1.2 s 时， 磁聚并脱 除效率可达44。由于飞灰的磁性较弱， 单纯靠磁聚并 的优越性并不十分明显， 为进一步提高磁聚并效果， 建 议在燃煤电厂锅炉飞灰中添加适量磁粉来提高比磁化 率 ［ 16 ］。尽管目前在磁凝并理论和实验研究方面已经取 得大量成果， 但要实现工业化应用尚有距离。 1. 2. 3蒸汽相变团聚技术 蒸汽相变团聚是指在过饱和蒸汽环境中， 蒸汽以 PM2. 5固体颗粒为凝结核发生相变， 并在热泳和扩散 泳作用下颗粒发生迁移和碰撞， 从而使 PM2. 5颗粒凝 并长大。早在 1951 年， Schauer 等 ［17 ］就研究得出利 用蒸汽在微粒表面凝结是促使超细颗粒增大的最有 效措施之一。德国的 Bologa 等 ［18 ］采用蒸汽相变团聚 结合 ESP 技术对平均粒径为66 nm， 质量浓度为35 ～ 55 g/m3的颗粒进行了脱除研究， 脱除效率可达90 ～ 95。国内一些高校也开展了蒸汽相变团聚技术的 研究 ［19 ］， 张霞等［19 ］利用蒸汽相变结合旋风除尘技 术， 对燃煤和燃油 PM2. 5颗粒进行了脱除实验， 结果表 明， 两者的脱除效率可以分别达到 80 和 60 以上。 对于安装有湿法或半干半湿法脱硫装置、 湿式洗涤除 尘装置的 PM2. 5排放源， 由于这些技术工艺均需喷水 或添加蒸汽， 因而可以和蒸汽相变团聚技术相结合， 提高该技术在工业应用中的技术经济优势。 1. 2. 4双极荷电凝聚技术 双极荷电凝聚技术是指含尘气体进入除尘器前， 先对其进行分列荷电处理， 使相邻两列的烟气粉尘带 上正、 负不同极性的电荷， 然后通过扰流作用， 使带异 性电荷的不同粉尘颗粒有效凝聚， 形成大颗粒后进入 除尘设备。近年来， 该技术发展进度很快， 应用结果 显示， 通过电凝聚使得 ESP 去除可吸入颗粒物的效 率提高了 30 ～40［20 ］。国内某公司也自主研发了 双极荷电凝聚技术， 并利用该技术结合 ESP 对烟气 量为 25 100 m3/h、 入口烟尘浓度为 10. 4 g/m3的工 况进行了除尘实验， 结果显示 PM2. 5的质量浓度下降 了 15. 9， 数量浓度下降了 20. 8［21 ］。目前， 双极 荷电凝聚 ESP 除尘技术在实验研究和工程应用方 面都取得了显著成效， 为我国燃煤电厂 PM2. 5的治理 提供了一种可行的技术方案， 工业应用潜力巨大。 1. 2. 5热团聚技术 热团聚技术是使含有可吸入颗粒物的气固两相 流流经存在温度场的流道， 使颗粒物受热泳力作用向 冷壁面运动并在冷壁面上发生沉积团聚的技术。国 外早在二十世纪六七十年代就开展了有关颗粒热运 动沉积特性的研究 ［22 ］。近年来， 随着对可吸入颗粒 物控制的重视， 有关颗粒物热沉积特性的研究又重新 引起科研人员的重视。杨瑞昌和周涛等 ［23- 24 ］提出了 PM2. 5颗粒在温度场内沉积效率的经验公式， 研究指 出， 当进口烟气温度和壁面温度的比值从 1. 35 升至 1. 60 时， 可吸入颗粒的沉积效率从 7. 5 提高至 12. 5。然而， 由于热团聚过程十分缓慢， 而且目前 颗粒的最佳沉积效率只能达到 20 ～ 30， 因此要 在工业中推广应用尚有难度。 2ESP/BF 联合除尘技术 ESP 和 BF 是目前燃煤电厂的主要除尘方式， 如 前所述， 两种传统的除尘方式在 PM2. 5脱除效率方面 都不甚理想。为了解决该问题， 美国电力研究院于 20 世纪 90 年代开始启动 ESP/BF 联合除尘技术研 究， 并研发出紧凑型混合颗粒收集器 COHPAC ， 如 图 2a 所示 ［25 ］。其基本思想是在原有 ESP 后加一个 脉冲 BF 除尘器， BF 的除尘效率比传统的 BF 除尘技 术高出 4 倍 ～ 8 倍。在美国 Big Brown 电厂 575MW 锅炉除尘系统上的应用表明， 在锅炉最大运行负荷下 烟囱排烟的阻光度降低了 20［26 ］。 图 2b 所示为在 COHPAC 基础上发展起来的合 成式 COHPAC 系统， ESP 中用脉冲布袋代替电极板， ESP 和 BF 之间用挡板隔开， 以防止静电场对布袋的 破坏 ［26 ］。从美国 Alabama 电厂的中试实验看， 在相 对略低的过滤速度下， 可获得与分离式 COHPAC 系 统相近的除尘效果。此后， 美国能源环境研究中心又 开发了更加紧凑的先进混合除尘器 AHPC ， 如图 2c 所示 ［26 ］。AHPC 把 ESP 和 BF 除尘集中于一个腔内， 把滤袋置于静电极板和极线之间， 实现了 ESP 和 BF 真正的混合。AHPC 体积更小，PM2. 5除尘效率更高。 该系统在美国大石电厂对旋风燃烧锅炉产生的 15 000 m3/h 的高比阻飞灰进行了中试实验， 其对 0. 01 ～50 μm 颗粒的脱除效率达到 99. 99， 具有较大 的发展应用潜力。国内， 清华大学自主研发了 ESP/BF 78 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 2 ESP/BF 复合除尘器 Fig． 2Hybrid ESP/BF technology 联合除尘系统 THEBPC ， 其最大特点是将 ESP 的集 尘极设计成百叶板形态 见图 3 ， 当烟气进入除尘器 时， 集尘极关闭 见图3a ， 约有90的可吸入颗粒物 通过电除尘脱除; 随后， 集尘极打开 见图 3b ， 烟气 进入布袋进一步除尘， 集尘极打开时所产生的扬灰也 可以通过布袋有效去除［4， 27 ］。 图 3 THEBPC 除尘原理示意 Fig．3Schematics of the THEBPC system 3先进布袋除尘技术 滤料是布袋除尘技术的核心， 因此布袋除尘技术 的发展和革新主要体现在新型滤料的研发上。为克 服传统滤料在 PM2. 5颗粒过滤效率方面的不足， 国内 外许多研究者开展了针对 PM2. 5的新型滤料和制造工 艺研发， 如复合梯度滤料、 PTFE 覆膜滤料和水刺滤料 等， 其中一些新型滤料已经投入工业应用并且运行效 果良好。 3. 1复合梯度滤料 复合梯度滤料是指在传统粗纤维滤布表面引入 超细纤维层， 利用表面超细纤维层提高对可吸入颗粒 物的过滤效率。由东华 － 博格技术研究中心研发的 HBT 复合梯度滤料， 在原材料上主要采用进口 PPS 聚苯硫醚 和 P84 聚酰亚胺 纤维材料， 结构上采 用独特的“梯次” 结构 见图 4 ， 表层超细纤维通过 熔喷、 热轧技术制成， 基布采用玻璃纤维， 提高滤料的 耐温性能和机械强度［28 ］。研究表明， HBT 梯度滤料 对 PM10的过滤效率和覆膜滤料接近， 对 2 μm 以上颗 粒的过滤效率几乎为 100， 对 0. 3 μm 的过滤效率 也在 85以上。此外， HBT 梯度滤料具有良好的透 气性， 其过滤阻力远低于 FMS9806 覆膜滤料和 PPS 覆膜滤料， 与 PPS、 P84、 FMS9806 等常规滤料的过滤 阻力接近 ［28 ］。HBT 梯度滤料已在我国多家电厂的布 袋改造中投入使用， 体现了很好的技术和经济效益。 图 4复合梯度滤料结构示意 Fig．4Schematic of echelon compound filter media 王立波等 ［29 ］对 PSA/BAS 水刺滤料的过滤特性 进行了研究， PSA/BAS 滤料基层为 BAS 玄武岩纤维 滤料， 在 BAS 表层附上 PAS 芳砜纶制成复合滤料， 即 可满足对微细粉尘的过滤， 又可以汲取两种纤维各自 优势， 用于高温烟尘过滤。研究表明， 在 3. 0 m/min 的 滤速下， PSA/BAS 复合滤料对 6 μm 以上颗粒的过滤 效率达100， 对1 μm以上颗粒的过滤效率达到 85 以上。洁净滤料的透气率为20.22 m/min， 透气性能良 好， 保证了良好的经济性能。 3. 2聚四氟乙烯覆膜滤料 聚四氟乙烯 PTFE 覆膜滤料是以 PTFE 为原 88 环境工程 Environmental Engineering 料， 将其膨化成具有多微孔性的薄膜， 将此薄膜用特 殊工艺覆合在不同基材上 如针刺毡或编织物 ， 使 其形成一种新型的过滤材料。PTFE 覆膜滤料是 20 世纪 70 年代后期由美国 GOＲE 公司研制开发成功， 经过几十年不断改进， 已发展成一种性能非常优秀的 过滤材料 见图 5 ［30 ］。 图 5 Gore 覆膜滤料及 ePTFE 覆膜电镜扫描结构 Fig．5Gore membrane filter media and SEM of ePTFE PTFE 覆膜滤料对于 0. 1 μm 以上的颗粒具有很 高的去除效率， 表面覆膜起到一次粉尘层的作用， 能 够实现表面过滤， 代替了传统未覆膜滤料的深层过滤 见图 6 ， 从而使过滤效率提高一个数量级， 而滤料 的阻力可降低 15 ～25。 图 6表面过滤和深层过滤 Fig．6Surface filtration and deep filtration 目前， 美国 GOＲE 公司的 ePTFE 覆膜滤料在国 内有较高的市场占有率， 在国内大部分垃圾焚烧发电 厂和水泥行业滤袋改造项目中被广泛采用。国内多 家单位也相继研发了具有自主知识产权的 PTFE 覆 膜滤料。如中材科技股份有限公司研发的玻纤覆膜 滤料已经成为国家重点环保技术， 在天津某钢铁公司 的高炉煤气净化中投运效果良好［31 ］。上海凌桥环保 设备厂有限公司研发的 PTFE 覆膜滤料则以 BWF 或 Andrew 针刺毡为基料， 并在国内多家钢铁、 水泥和电 力行业投运 ［32 ］。随着新的 环境空气质量标准 的颁 布实施， 垃圾焚烧、 电力、 钢铁及水泥等各行各业对 PTFE 覆膜滤料的需求也将逐年增加， 市场潜力巨大。 3. 3水刺滤料 水刺工艺是 20 世纪 70 年代中期由美国杜邦和 奇考比公司研究开发的， 近十几年来在全球得到了快 速发展。水刺工艺的技术突破在于， 它由极细的高压 水柱形成水针， 其直径比针刺工艺所用刺针要细， 因 此由水刺工艺制造的水刺毡几乎没有针孔， 其表面比 针刺毡更加光洁平整 ［33 ］。水刺滤料结构简单， 可节 省 10 ～15 的纤维材料， 而且能达到很高的过滤 性能， 对 PM2. 5和 PM1. 0级过滤有较大的发展潜力［34 ］。 例如， 国内某垃圾焚烧发电厂从国外引进水刺滤料用 于垃圾焚烧烟气除尘， 该滤料的表层直径为 10 μm 的独特超细支化 PEFE 纤维， 通过水刺工艺将表层复 合在各种基材上， 对 0. 5 μm 亚微米颗粒的除尘效率 可以达到 99. 99［35 ］。上海博格工业用布有限公司 是国内第一家引进可生产高密度纤维网水刺滤料生 产设备的厂家， 自 2010 年 7 月投运以来， 已相继开发 和生产出几十种新型水刺滤料， 产品在力学性能、 过 滤效率等方面都有较强的优势。通过对比 PPS/PTFE 复合针刺滤料和 PPS/PTFE 复合水刺滤料对 0. 3 μm 颗粒的分级效率， 发现针刺滤料的过滤效率仅为 62， 水刺滤料的过滤效率则高达 98， 水刺滤料对 亚微米颗粒的过滤效果优势显著［33 ］。 4结语与展望 本文对燃烧源 PM2. 5的来源分布和生成机理进行 了简要介绍， 着重阐述了燃烧源 PM2. 5控制技术的研 究和应用现状， 包括燃烧炉内 PM2. 5脱除技术和燃烧 烟气预团聚技术等前处理技术， 以及 ESP/BF 联合脱 除技术和先进布袋除尘技术等末端除尘技术。烟气 预团聚技术作为预处理技术， 可以和 ESP 及 BF 除尘 技术相结合以提高 PM2. 5的脱除效率。但目前各种预 团聚技术仍然存在运行费用高、 寿命低等缺点， 离大 规模推广应用尚有距离。ESP/BF 和先进布袋除尘 技术是最具大规模推广应用潜力的先进除尘技术， 复 合梯度滤料和 PTFE 覆膜滤料由于其在 PM2. 5脱除方 面的显著效果， 已经在国内许多燃煤电厂、 钢铁、 水泥 和冶金行业逐步推广。而且随着先进滤料生产技术 的国产化， 以及水刺技术等先进工艺的引进、 消化和 吸收， 先进布袋除尘技术将在我国燃烧源 PM2. 5控制 领域发挥越来越重要的作用。 参考文献 ［1］刘小峰． PM2. 5及其工业源头控制技术［J］． 中国环保产业， 2012 8 27- 30． ［2］陈隆枢． 袋式除尘技术对 PM2. 5控制的探讨［J］． 中国环保产 业， 2013 7 21- 27． ［3］昌艳萍，耿超，李春蕾，等． 大气中 PM2. 5的现状分析及新的 98 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 思考［J］． 环境科学与技术， 2012， 35 61 151- 154． ［4］Yao Q，Li S H，Xu H W，et al． Studies on ation and control of combustion particulate matter in ChinaA review［ J］ ． Energy， 2010， 35 4 4480- 4493． ［5］史妍婷，杜谦，高建民，等． 燃煤锅炉 PM2. 5控制现状及改进 建议［J］． 节能技术， 2013， 31 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