（工程热物理专业论文）燃煤超细颗粒物增湿团聚实验研究.pdf

摘要 我国燃煤超细颗粒物污染严重，对大气环境以及人体健康均造成极大危害。 燃煤超细颗粒物污染控制的迫切性已引起了各方广泛关注。但是，传统的除尘方 式难以有效控制超细颗粒物的排放，对超细颗粒物的捕获率很低，仍有大量随烟 气排入大气。 利用预团聚方法在除尘装置前对烟气进行预处理，使烟气中的超细颗粒物团 聚长大到除尘装置所能脱除的范围，将会有效提高除尘装置对超细颗粒物的脱除 效率。这种方法既不改变电厂正常生产条件，也不改变现有的除尘设备和操作参 数。是超细颗粒物除尘技术的一种发展趋势。 本文在前人研究的基础上，提出流化床内超细颗粒物喷雾增湿团聚实现超细 颗粒物脱除的新方法，并对其进行了实验研究及理论分析。针对流化床内不同流 化条件下的气固、气液流动特性及超细颗粒物微观特征进行了实验研究，并分别 建立了超细颗粒喷雾增湿团聚模型，研究了不同的因素对颗粒团聚的影响。 首先，在搭建的流化床试验台上对不同流化条件下的气固、气液流动特性及 超细颗粒物微观特征进行了实验研究。研究了流化床内固相颗粒的轴向和切向速 度分布以及旋流流化条件下气固滑移速度及湍动能的变化，并结合对颗粒团聚的 影响进行了分析。研究了流化床内液相液滴的浓度、速度及粒径分布，得到了塔 内液滴场的分布情况。研究了飞灰颗粒粒径及形貌特性，并分析了颗粒团聚对脱 硫、除尘系统的影响。 其次，借鉴胶体絮凝理论及气溶胶凝并理论，建立了流化床内颗粒增湿团聚 模型，分别分析了喷水增湿及喷入团聚促进剂两种不同的增湿方式对颗粒团聚的 影响。针对塔内喷雾量、颗粒直径、液滴直径、烟尘浓度、烟气量及停留时间等 因素对颗粒增湿团聚的影响进行了理论分析。认为流化床吸收塔内存在喷雾增湿 区域及干燥蒸发区域，并建立了颗粒作用力模型。 最后，在对旋流特点及颗粒团聚进行了理论分析的基础上，对流化床内旋 直复合流化条件下的颗粒团聚进行了模拟研究。计算并分析了旋直复合流化条 件下颗粒及液滴的跟随性，并就液滴直径、颗粒直径、喷水量及液滴速度对颗粒 团聚的影响进行了研究，认为吸收塔内的沿程捕集效率可分为局部高效捕集区、 山东大学硕士学位论文 平稳捕集区以及低效捕集区三个区域。 流化床内颗粒增湿团聚可以有效实现超细颗粒物的长大，从而满足传统除尘 器的脱除要求，实现超细颗粒物的有效脱除。所以，流化床内超细颗粒物增湿团 聚为改造和提升常规除尘技术提供了一种新方法和新途径。 关键词：超细颗粒物；流化床；增湿团聚；旋直流化；模型分析： a b s t r a c t t h ep o l l u t i o nc a u s e db ys u b m i c r o np a r t i c l e si nc o a l - f i r e df u m e si ss e r i o u si n c h i n a , w h i c hi sh a z a r dt ot h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ta n dp e o p l e sh e a l t h u r g e n tt o c o n t r o lt h es u b m i c r o np a r t i c l e sh a sa r o u s e daw o r l d - w i d ea t t e n t i o n h o w e v e r ， c o n v e n t i o n a ld e d u s t i n ge q u i p m e n t sa r eu n a b l et ol i m i tp o l l u t a n td i s c h a r g ee f f e c t i v e l y t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fs u b m i c r o np a r t i c l ei sl o w , a n dam a s so ft h e ma r e e s c a p i n gw i t ht h ef - t i m e t h ep r e t r e a t m e n to ff u m et oa g g l o m e r a t es u b m i c r o np a r t i c l e sb e f o r ec o n v e n t i o n a l d e d u s t i n ge q u i p m e n t sc a l lm a k et h es i z eo fp a r t i c l e sb i ge n o u g hf o rs e p a r a t i o n t h i s w i l li n c r e a s et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fs u b m i c r o np a r t i c l e se f f e c t i v e l y t h e r ei sn o n e e dt oc h a n g eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fe l e c t r i cp o w e rp l a n t sa n dc o n v e n t i o n a l d e d u s t i n ge q u i p m e n t s s o ，p r e a g g l o m e r a t i o ni sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yo nt r a p p i n g s u b m i c r o np a r t i c l e s o nt h e b a s i so fp r e v i o u s r e s e a r c h e s ，w ef o u n d e dan e wm e t h o do fs p r a y h u m i d i f i c a t i o nt oa g g l o m e r a t ep a r t i c l e si nt h ef l u i d i z e db e d s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t s a n dt h e o r e t i c a ls t u d i e sh a db e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r c h a r a c t e r i s t i c so fg a s - s o l i d ， g a s l i q u i df l o wa n ds u b m i c r o np a r t i c l e sm i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e do n d i f f e r e n tf l u i d i z e dc o n d i t i o n si naf l u i d i z e db e d a f t e r w a r d s ，w ef o u n d e dam o d e lt o d e s c r i b es p r a yh u m i d i f i c a t i o nt oa g g l o m e r a t ep a r t i c l e s ，a n ds t u d i e di n f l u e n c e so f d i f f e r e n tf a c t o r so np a r t i c l ea g g l o m e r a t i o n f i r s t l y , t h eg a s - s o l i da n dg a s l i q u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em i c r o s c o p i c c h a r a c t e r i s t i c so fs u b m i c r o np a r t i c l e si nd i f f e r e n tf l o wc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e do n t h ef l u i d i z e db e db e n c h t h ea x i a la n dt a n g e n t i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fs o l i dp h a s e p a r t i c l e sa n dt h eg a s s o l i ds l i pv e l o c i t ya n dc h a n g e si nt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi nt h e s w i r l i n gf l o wc o n d i t i o n si nf l u i d i z e db e dw e r es t u d i e d ，w h i c hc o m b i n e d 、i t ht h e a n a l y s i so f t h ei n f l u e n c et op a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o n t h ec o n c e n t r a t i o n ，s p e e da n ds i z e d i s t r i b u t i o no f l i q u i dd r o p l e t s w e r ed i s c u s s e d ，w h i c ha i m e dt oo b t a i nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd r o p l e tf i e l di nt h ef l u i d i z e db e d t h ep a r t i c l es i z ea n dm o r p h o l o g y i i i c h a r a c t e r i s t i c so ff l ya s hw e r es t u d i e da n dt h ee f f e c to fp a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o nt o d e s u l p h u r i z a t i o na n dd u s tr e m o v a ls y s t e mw e r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，d r a w i n go nt h et h e o r yo fc o l l o i d a lf l o c c u l a t i o na n da e r o s o lc o a g u l a t i o n ， am o d e lo fs u b m i c r o np a r t i c l e sh u m i d i f y i n ga g g l o m e r a t i o ni nt h ef l u i d i z e db e dd u r i n g t h es p r a yp r o c e s sw a sd e v e l o p e d t h ei m p a c to fh u m i d i f i c a t i o nm o d ei n c l u d i n gs p r a y w a t e ra n ds p r a ya g g l o m e r a n ts o l u t i o n st op a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o nw e r es t u d i e d t h e f a c t o r ss u c ha ss p r a yv o l u m e ，p a r t i c l ed i a m e t e r , d r o p l e td i a m e t e r , d u s tc o n c e n t r a t i o n , f l u e g a sv o l u m ea n dr e s i d e n c et i m eo fp a r t i c l e sw e r ea n a l y z e d i te x i s t ss p r a y h u m i d i f y i n ga n de v a p o r a t i o nd r y i n ga r e ai nt h ef l u i d i z e db e da n df o r c ea n a l y s i s m o d e l si nt h e s et w oa r e a sw e r ee s t a b l i s h e d i nt h ee n d ，a tt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i so nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es w i r l i n g f l o wa n dt h ea g g l o m e r a t i o no ft h ep a r t i c l e s ，as i m u l a t i o nm o d e lo fp a r t i c l e s a g g l o m e r a t i o nh a db e e ne s t a b l i s h e du n d e rt h ec o n d i t i o no fs w i r l i n gf l o wa n ds 仃a i g h t f l o wi nf l u i d i z e db e d t h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l e sa n dd r o p l e t su n d e rt h e c o n d i t i o n so ft h es w i r l i n g s t r a i g h tf l u i d i z a t i o nw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n d t h e nt h ee f f e c t so ft h ed r o p l e td i a m e t e r , p a r t i c l ed i a m e t e r ，w a t e rv o l u m ea n dd r o p l e t v e l o c i t yo nt h ep a r t i c l ea g g l o m e r a t i o nw e r es t u d i e d t h et o w e rc a nb ed i v i d e di n t o l o c a lh i g h - p e r f o r m a n c ec a p t u r ez o n e ，s m o o t hc a p t u r ez o n ea n dl o w - p e r f o r m a n c e c a p t u r ez o n eb yt h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya l o n gw i t ht h et o w e r t h eh u m i d i f y i n ga g g l o m e r a t i o no fp a r t i c l e si nt h ef l u i d i z e db e dc a l le f f e c t i v e l y a c h i e v et h eg r o w i n go fs u b m i c r o np a r t i c l e si no r d e rt om e e tt h er e m o v a lr e q u i r e m e n t s o ft h ec o n v e n t i o n a ld e d u s t i n ge q u i p m e n t s ，r e a l i z i n gt h ee f f e c t i v er e m o v a lo f p a r t i c u l a t em a t t e r t h e r e f o r e ，h u m i d i f y i n ga g g l o m e r a t i o no fs u b m i c r o np a r t i c l e si nt h e f l u i d i z e db e dp r o v i d e san e wa p p r o a c ha n dw a yo fr e f o r m i n ga n du p g r a d i n g c o n v e n t i o n a ld e d u s t i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s u b m i c r o np a r t i c l e s ；f l u i d i z e db e d ；h u m i d i f y i n ga g g l o m e r a t i o n ； s w i r l i n g s t r a i g h tf l u i d i z a t i o n ；m o d e la n a l y s i s ； i v 符号 d d e f h h p ： 幻 m n q z q m r 丁 u y 希腊字母 盯 p p b 符号说明 名称 粒径( v a n ) 塔直径( m ) 杨氏模量 颗粒作用力( n ) 距渐扩段上端距离( m ) 距喷嘴距离( m ) 动压修正系数 质量( k g ) 颗粒数浓度( - i e m 3 ) 体积流量( m 3 s ) 质量流量( k g s ) 塔半径( m ) 温度( ) 速度( m s ) 体积( m 3 ) 动力粘度( p a s ) 表面张力( d y n c m ) 润湿角( o ) 密度( k g m 3 ) 碰撞频率 符号 r 孝 r e 下标 口 c p g z p p 0 p ， f w w d z 上标 k y 名称 效率( ) 曳力系数 雷诺数 轴向 捕集 范德华力 气相 初始 液桥力 粘性力 固相 初始 剩余 切向 水 液滴 阻力 空气 烟气 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：壹! 弦日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壶f 主坛b 师签名： e l 期：主竺丝兰型 第1 章绪论 1 1 我国的能源结构及污染现状 目前，我国经济正处于高速发展期，能源消耗所带来的环境污染是未来相当 长时期内面临的重要问题。以煤炭为主的能源结构，决定了我国的大气污染主要 是煤烟型污染物：二氧化硫( s 0 2 ) 、氮氧化物( n o x ) 和烟尘【。 当前我国每年火力发电的煤炭消耗量已超过8 亿吨，电厂烟尘排放量约为 3 0 0 万吨，占全国工业烟尘排放量的3 5 。其中空气动力学直径小于l o l m a ( 超 细颗粒物p m l o ) 的烟尘排放量超过2 0 万吨。研究表明，超细颗粒物不仅影响气 候和空气质量、破坏生态环境和历史文物，而且严重危害人体健康，导致呼吸系 统疾病、心血管系统疾病甚至致癌，特别对儿童呼吸道疾病威胁更为严重【2 j 。由 此引起的环境污染问题也越来越严重，国家环保局和各级地方环保监测部门的数 据显示，我国城市空气中的p m l o 已成为影响空气质量的主要污染物【3 】。 我国是世界上第二大能源消费国和第三大能源生产国，目前正处于经济发展 高速增长时期，可持续发展的能源供应面临着巨大挑战。根据国家有关部门的统 计，2 0 0 1 - - - - 2 0 0 3 年我国能源消费折合总量分别为1 3 5 亿、1 4 8 亿和1 6 8 亿标 准煤，而煤炭消费所占的平均值为6 6 ，7 5 的煤炭被用于发电。在过去2 0 年， 我国的发电量以每年8 至9 的速率增长【4 j 。 在今后相当长的时期内，我国能源结构中以煤为主的格局不会改变，煤炭仍 然是我国的主要能源，据估计在未来2 0 年，我国能源需求还将显著增长，煤炭 在一次能源中的主体地位不会改变【5 1 。根据预测( 表1 1 ) 6 】，到2 0 1 5 年，煤炭 还要占能源消费的6 2 6 ，即使到了2 0 5 0 年，煤炭仍占5 0 以上。由此可知， 我国还将长期以煤炭为主要能源。 表1 1 我国的能源结构【6 】 年度1 9 9 0 1 9 9 52 0 0 02 0 1 5 一次煤炭 7 6 27 6 17 1 36 2 6 能源石油 1 6 61 7 12 4 o 2 6 9 消费 天然气 2 12 o2 77 1 结构 水能 5 14 82 o2 6 比例 核能 |t0 2 l0 7 9 如此巨大的煤炭消耗带来的直接后果是燃煤污染物的大量排放和自然环境 的日益恶化。仅大气颗粒物污染方面，据2 0 0 6 年的数据统计，烟尘排放量为 1 0 7 8 4 万吨。其中，工业烟尘排放量8 5 4 8 万吨，占烟尘排放总量的7 9 2 ；生 活烟尘排放量为2 2 3 6 万吨，占烟尘排放总量的2 0 8 。工业粉尘排放量为8 0 7 5 万吨。颗粒物的大量排放，对于环境及人类健康均造成很大危害【7 j 。 燃煤烟气中含有大量的超细颗粒物，城市空气中总悬浮颗粒物中由燃煤生成 的占3 3 ，其中超细颗粒物占3 5 附引。煤烟中含有的h g 、a s 、p b 、c u 、c l 、b r 等有害痕量元素易富集在超细颗粒物表面【9 1 。据中国环境监测总站对国内四城市 进行了为期两年的超细颗粒物监测表明，我国的超细颗粒物排放年、日均浓度都 严重超标【l o 】。 目前各国的燃煤烟尘控制技术虽然可以达到很高的水平，但对于超细颗粒物 的脱除效率很低，造成数量巨大的超细颗粒物直接排入大气当中。我国各级政府 和相关部门已经认识到超细颗粒物对环境和人体健康的种种危害，并陆续出台了 一系列相关的标准和法律文件，但是我国在超细颗粒物污染控制方面的研究才刚 刚起步，需要深入开展相关领域的研究工作。 1 2 超细颗粒物的特征及危害 我国不少大中城市公布的空气中的主要污染物，已不单是几年前常指的二氧 化硫，而常常是超细颗粒物。它们十分细小，比表面积较大，通常富集各种有毒 有机物和重金属元素，这些多为有毒物质、致癌物质和基因毒性诱变物质，危害 极大【l l 】。p m l o 可以通过鼻和嘴进入人体呼吸道，而p m 2 5 是更小的粒子，能够进 入人体肺泡甚至血液系统中去，会直接导致人体疾病。 1 2 1 大气中超细颗粒物的分类、来源及分布 大气颗粒物是指分散在大气中的固态或液态颗粒状物质，根据其粒径大小， 可以划分为【1 2 】： 降尘：空气动力学当量粒径大于1 0 0 p m 的颗粒因其重力作用可迅速下沉。 总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c i c u l a r ，t s p ) ：指能悬浮在空气中，空气 动力学当量直径小于1 0 0 1 t m 的颗粒物。 超细颗粒物p m l o ：国际标准化组织建议称之为可吸入颗粒物( i n h a l a b l e 2 p a r t i c l e ，i v ) ，空气动力学当量直径小于l o t m 。我国的环境空气质量标准【1 3 】 ( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中定义可吸入颗粒物是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径 1 0 i t m 的颗粒物，用符号p m i o 表示。 可吸入颗粒物又可以分为细颗粒和粗颗粒。其中0 - - 2 5 9 m 段的颗粒称为细 颗粒段( p m 2 5 ，f i n ef r a c t i o n ) ，2 5 1 0 1 t m 段的颗粒称为粗颗粒段( c o a r s ef r a c t i o n ) 。 细颗粒主要是由燃烧或其他高温过程产生的一次颗粒物和大气中的二次颗 粒物组成，而粗颗粒主要是在机械过程、地面扬尘等过程中产生的。大气中可吸 入颗粒物p m l o 和细颗粒p m 2 5 包括一次颗粒和二次颗粒。一次颗粒指直接排放 到大气中的颗粒，而二次颗粒是诸如可凝结的有机化合物、硫氧化物、氮氧化物 和氮等前驱体在大气环境中经过光化学反应形成的颗粒。 大气中颗粒物的典型分布如图1 1 所示，颗粒物在大气环境中呈现双峰分布， 最少分布位于空气动力学直径1 至3 9 m 之间【1 4 】。p m l o 颗粒中粗颗粒质量百分含 量较大，但细颗粒p m 2 5 数量百分含量巨大。环境中的颗粒物是由多种污染源产 生的不同粒径和类型的颗粒组成的非常复杂的混合体。 苎 舌 薯 薹 署 三 一c a 司啊蜘p 。啊劓_ - _ _ 一_ 口州_ 开旧“_ _ 一 _ m 。蝴恤坩删刮 一f h f ( 0 - 2 5 舯l 叶晶i o 磊叫c 25 o 岬i 。 图1 1p m l o 和p m 2 5 相关的大气颗粒物的典型粒径分布【1 4 】 1 2 2 超细颗粒物的物化特征 超细颗粒物的特征可以概括为：形态各异、成分复杂。大气颗粒物是多源颗 粒的混合体，不同的颗粒物形态不同。俞云等人【1 5 1 对某1 0 0 m w 燃煤锅炉机组除 尘器出口的颗粒物形态进行了分析，认为亚微米颗粒( 粒径小于1 “m 的颗粒) 主要由比较规则的球形颗粒组成，这些颗粒主要是煤中矿物质经过气化、成核、 凝结及凝聚等过程形成的【1 6 】，同时也有少量不规则的含碳颗粒聚结在一起形成 链状颗粒。而超微米颗粒( 粒径大于l g m ，小于1 0 9 m 的颗粒) 主要由球形颗粒 组成，但也有部分不规则的颗粒，如矿物质熔融形成的片状颗粒。 大气颗粒物的化学成分非常复杂，不同粒径大小的颗粒，其化学成分也有很 大差异。一般来讲，粗颗粒主要是土壤及污染源排放的颗粒，大多是一次颗粒物。 这种粗颗粒主要有s i 、f e 、a l 、n a 、c a 、m g 等3 0 余种元素组成；细颗粒主要 是硫酸盐、硝酸盐、铵盐、痕量金属和碳黑等；有机颗粒物已检测到的主要有烷 烃、烯烃、芳烃和多环芳烃等，另外还有少量的亚硝铵、酚类和有机酸等【1 7 , 1 8 】。 1 2 3 超细颗粒物环境空气质量标准和危害 1 2 3 1 环境空气质量标准 自上世纪8 0 年代，随着对大气颗粒物研究的深入，人们认识到粒径在1 0 9 m 以下的颗粒物是对环境和人体健康危害最大的一类污染物，并且细颗粒的危害性 比粗颗粒更加严重，因此各个国家制定的排放标准日趋严格。发达国家规定p m l o 的排放标准为1 5 0 9 9 m 3 ( 2 4 h 平均) 和5 0 t g m 3 ( 年平均) 。但由于环保要求的 日益提高，1 9 9 7 年，美国率先提出了新的p m 2 5 国家空气质量标准：6 5 9 9 m 3 ( 2 4 h 平均) 和1 5 1 a g m 3 ( 年平均) ，并制定了国家空气质量标准的进程安排，如表1 2 所示【1 9 1 。欧洲现在尽管还没有p m 2 5 标准，但对原有的p m 标准进行了修正，并 分两个阶段进行，如表1 3 所示。欧洲将p m 2 5 的测量纳入p m l o 的监测系统，明 确表示在控制p m l 0 排放的同时也包括p m 2 扣世界其他国家也都有自己的标准和 计划目标，如表1 4 所示2 0 1 。 4 表1 - 2 美国国家空气质量标准p m 2 5 【1 9 】 时间周期对颗粒物浓度的限制 2 4 h 平均 6 5 g m 3 年平均 1 5 9 9 m 3 日程安排 1 9 9 7 新的国家空气质量标准出台 1 9 9 8 2 0 0 l 国家检测网络建立 2 0 0 1 2 0 0 4 最初三年的检测数据建立 2 0 0 2 五年为一周期标准回顾 2 0 0 2 2 0 0 5 区域性计划( 达到的或未达到的) 2 0 0 5 2 0 0 8 提交执行计划 2 0 1 2 - 2 0 1 7 用十年的时间遵照实施 表1 - 3 欧洲新的环境空气质量标准p m l o 【2 0 】 目标期限时间周期极限制 第一阶段 1 1 2 0 0 5 2 4 h 平均 5 0 “g m 3 ，并且每年不能超过2 5 次 l 1 2 0 0 5 年平均 3 0 i t g m 3 第二阶段 1 1 2 0 l o 2 4 h 平均 5 0 p g m 3 ，并且每年不能超过7 次 1 1 2 0 1 0 年平均 2 0 i | t g m 3 表1 4 部分国家的空气质量标准及其长远规划【2 0 】 国家 目前空气质量标准p m i o长远规划 在2 0 0 5 年使其9 9 的时间 英国 5 0 p g r n 3 ( 2 4 h 平均) 都不超过5 0 - t g m 3 正在计划新的环境空气质量 芬兰 7 0 t g m 3 ( 2 4 h 平均) 标准 同时考虑制定空气质量 德国 未知 p m l o 、p m 2 5 、p m l 的标准 土耳其 1 5 0 i t g m 3 ( 2 4 h 平均) 待定 2 0 0 i t g m 3 ( 1 h 平均) 正在对有关机动车辆污染的 日本问题进行研究，其中包括颗 1 0 0 p g m 3 ( 2 4 h 平均) 粒物的详细研究 我国也在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 中规定了 p m l 0 的标准，并统一在空气质量日报中取消了t s p 质量指数，采用p m l 0 指标， 如表1 5 所利13 1 。 表1 - 5 我国颗粒污染物的浓度限值( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) i s l 污染物名称取值时耐 浓度限值 一级标准二级标准三级标准浓度单位 总悬浮颗粒年平均 o 0 8o 2 00 3 0 物t s p 日平均 0 1 2o 3 0 o 5 0 m g m 3 可吸入颗粒年平均 0 0 40 1 0o 15( 标准状态) 物p m i o日平均 o 0 50 1 5o 2 5 1 2 3 2 超细颗粒物的危害 超细颗粒物大量存在于城市空气中，具有浓度高、停留时间长、输送距离远、 污染范围广的特点，造成严重的环境污染，危害人体健康。美国环境保护局( e p a ) 认为：“燃烧装置中释放出来的大气污染物最重要的是：有害的有机成分( 如苯 并芘) 、硫化物、氮氧化物、未燃尽可燃物以及重金属，其中尤以亚微米量级颗 粒形式存在的悬浮颗粒物以及富集在上面的重金属具有最大的威胁【2 1 1 。大量研 究表明瞄锄】，空气中燃煤颗粒物的水平与人体健康存在着密切关系。超细颗粒物 除对人体健康产生不良影响以外，还会对能见度、酸沉降、云和降水、大气的辐 射平衡、平流层和对流层的化学反应等造成重要影响。虽然大气颗粒物只是地球 大气成分中含量很少的组分，但对环境的危害极大。轻者污染建筑物表面，影响 市容，重者对能见度、温度等均产生重要影响【2 5 】。 1 、p m l o 对人体健康的危害 在世界至少3 5 个不同国家和地区进行的研究表明，空气中颗粒物的水平与 人体健康存在着一定的关系。由于p m l o 易于进入人体，在环境中滞留时间较长， 吸附的重金属和有毒有害的物质较多，因而对人体的危害巨大。国外进行的大量 有关p m i o 的流行病学研究表明，超细颗粒物浓度的增加可引起机体呼吸系统、 心脏及血液系统、生殖系统、神经系统和内分泌系统等广泛的损伤并导致人体死 亡率的上升，关注并研究超细颗粒物的污染控制已经刻不容缓。 2 、p m l o 对大气能见度的影响 自2 0 世纪7 0 年代以来，大气颗粒物对能见度的影响就一直是环保部门所关 注的问题之一。尽管在大气中只占很少的一部分，但颗粒物对城市大气光学性质 的影响却非常大。大量的研究表明，p m l o 和p m 2 5 的性质与能见度的降低密切相 关。能见度的降低主要是由于气体分子与颗粒物对光的吸收和散射减弱了光信 号，并由于散射作用减小了目标物与天空背景之间的对比度而造成的。 3 、p m l o 对温度的影响 由于颗粒物的存在，直接阻挡太阳光抵达地球表面，这样使可见光的光学厚 度增大，抵达地面的太阳能通量剧烈下降，从而使地面温度降低，高空的温度增 高。特别是直径在0 1 - 5 1 t m 的颗粒，通过散射与吸收太阳与地球辐射，在大气 能量平衡中起着重要作用。资料表明，当p m l o 浓度达1 0 0 p , g m 3 时，到达地面的 紫外线减少7 5 ；当p m l o 为6 0 0 b t g m 3 时，到达地面的紫外线减少4 2 7 ；当 p m l o 为1 0 0 0 b t g m 3 时，到达地面的紫外线减少6 0 。据估计，全球不透明度增 加四倍，将使全球温度降低3 5 。c 之多，这么大的降温幅度如维持若干年，相信 足以引起一个冰河期。 4 、p m l o 的酸碱度及其缓冲能力 大气颗粒物对降水有不可忽视的影响。颗粒物中凝结核的成云作用和降水对 颗粒物的冲刷作用均可以使颗粒物进入降水或云水中。同时，云水在空中迁移流 动过程中也会吸收空气中的颗粒物，其中的各种化学成分进入云水或降水体系 6 后，会发生一系列的复杂变化，并影响或决定云水和降水的污染性质。颗粒物影 响和决定降水化学性质的一个重要方面是它的酸碱性质和对酸的缓冲能力。大气 气溶胶中粒径较小的细粒子相对较多，这些粒子主要来源于燃料燃烧等人为活 动，其中含有经过酸性污染物s 0 2 和n o x 转化形成的硫酸盐和硝酸盐。所以， 这部分粒子通常具有较强的酸性，极有可能促进降水的酸化。 5 、p m i o 对植物的危害 当粉尘落到植物叶子上时，能使植物受到损害。如含氧化钙粉尘可在植物表 面形成一个强碱性反应覆盖区，叶子因此被夺去很多水分，并使细胞质受到伤害， 多数情况下表现为表皮细胞与栅栏细胞的萎缩。对于水泥粉尘，在足够高的空气 湿度时形成硅酸三钙，在植物上形成一个粘附层，从而封闭换气用的气孔，阻碍 呼吸和光合作用。甚至一般的街道粉尘落到植物叶子上也会降低它的光合作用效 率，因为当红外线吸收增多时，粉尘层增强了对光合作用很重要的光谱区段的反 射。这样蒙上粉尘的叶子就增加了温度，妨碍新陈代谢和水分平衡【2 6 1 。 1 3 燃煤烟气超细颗粒物控制技术 1 3 1 常规除尘技术 目前工业上应用的除尘器有机械式除尘器、湿式洗涤器、过滤式除尘器和静 电除尘器四大类。 机械式除尘器有重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器等。机械式除尘器由 于其结构简单、造价低廉、维护管理方便且适用面宽而在各工业领域被普遍使用， 由于分离机理主要利用重力沉降和颗粒惯性分离，所以机械式除尘器处理粗粉尘 颗粒没有任何问题，而对于微米级和亚微米级粒子，其分离能力很低【2 7 】。 工业烟气净化中，湿式洗涤器具有结构简单、造价低和除尘效率高的优点。 但除尘方式存在物料难以回收、易造成污染转移( 由大气污染转变为水环境污染) 以及高温环境下会造成能量浪费等缺点 2 引。 过滤式除尘器是借助于多孔介质将粒子从气流中分离的过程，用纤维层( 滤 布、滤纸，金属绒、袋式除尘器等) 或颗粒层( 矿渣、石英砂、活性炭等) 对气体进 行净化都属于同样的过滤机理。但是过滤式除尘器压力损失较大，滤料抗腐蚀性 差，需定期清洁和更换，维护成本较高【2 9 】。 7 静电除尘器是在高电压情况下对粉尘荷电，而后使荷电粒子在电场力作用下 被捕获。静电除尘效果不但和颗粒粒径有关，而且还和颗粒的比电阻有关，比电 阻过高和过低都不利于颗粒的清除【3 0 】。尽管静电除尘的除尘效率较高，但对于 微米级的超细颗粒物，由于不能使其有效荷电，使静电除尘器不能有效地对其进 行脱斛3 1 1 。 机械式除尘器、湿式洗涤器、过滤式除尘器和静电除尘器，它们都有各自的 优缺点和应用场合，对1 0 p m 以上的粉尘颗粒，这些除尘设备的除尘效率都较高， 但它们对o 0 1 1 0 岬的超细颗粒物清除效率却很低。这些超细颗粒物的粒径很 小，且质量浓度占总体份额很少，但数量浓度却很大口2 1 。因此，要从根本上控 制超细颗粒物的排放，必须寻找新的控制方法。 目前，国内外对燃煤烟气超细颗粒物的控制主要有两类方法：一种是采用新 式除尘装置直接脱除；另一种是采用预处理装置首先使颗粒聚并长大，然后采用 常规除尘装置对其进行有效脱除p 3 1 。 1 3 2 超细颗粒物脱除技术 1 、静电增强纤维过滤 由于静电增强纤维过滤装置的过滤纤维带电，使粒子产生极化，即使不带电 的粒子也能被捕获，因此，与常规静电除尘相比，静电增强纤维过滤对粉尘比电 阻的依赖性大大减弱。 k w e t k u s 3 4 1 对燃煤飞灰粒子进行了静电增强纤维过滤热态实验研究，结果表 明，对飞灰粒子进行预荷电，可有效提高粒子的捕捉效率，且捕捉效率与气流速 度有很大的相关性。黄斌对单纤维捕捉带电飞灰粒子进行了微观实验研究， 发现飞灰粒子被单纤维介质的捕捉是一动态过程，随着时间的推移，被捕捉的粒 子聚并，形态逐渐发生变化，从而影响到粒子的捕捉。 然而，静电增强纤维过滤存在压损大、清洁滤料难，捕捉效率受滤料清洁度 影响等缺点，目前，一直停留在理论研究的基础上，还没有应用到实践当中【3 6 如。 2 、高梯度磁过滤 在外加背景磁场作用下，按一定方式排列布置的铁磁介质被磁化，磁化后在 磁介质周围形成高梯度磁场，进入磁过滤器被磁化的细微粒子在高梯度磁场力作 用下被铁磁介质捕捉，这就是高梯度磁过滤原理【3 8 】。 8 b a d e s c u 等【3 9 , 4 0 】采用轴向磁化的高梯度磁过滤器对悬浮液中超顺磁粒子的捕 捉过程进行了理论与实验研究，结果表明，粒子的捕捉效率与外加背景磁场强度、 悬浮液流动速度、铁磁介质长度有关，增大外加背景磁场强度、减小悬浮液流动 速度、延长铁磁介质都可以提高粒子的捕捉效率。z a n n s k a y a 等 4 1 , 4 2 】建立了磁过 滤器捕捉纳米粒子的模型，认为过滤器捕捉粒子的效率与粒径有很大的相关性， 且粒子的聚并对过滤器的捕捉特性有很明显的影响。z i m m e r 等【4 3 , 4 4 研究了焊接 气溶胶粒子在高梯度磁过滤器中的捕捉，结果表明，焊接气溶胶粒子在过滤器铁 磁介质上形成形态各异的聚并体，此外，粒子的聚并在很大程度上可以加强过滤 器对粒子的捕捉。 尽管高梯度磁过滤对粒子的捕捉效率较高，但其主要应用于液体中磁性细微 粒子以及铁磁性气溶胶粒子的脱除，未见用于燃煤飞灰粒子的捕捉脱除。 1 3 3 超细颗粒物团聚技术 传统的除尘方式难以控制超细颗粒物排放，而且新式除尘技术也存在各种问 题。因此，在传统除尘器前设置预处理装置使超细颗粒物通过物理的或化学的作 用团聚成较大颗粒后加以清除将成为除尘技术的发展趋势，而研究超细颗粒物团 聚就具有了特别重要的意义。超细颗粒团聚促进技术主要有电团聚、声团聚、磁 团聚、热团聚、湍流边界层团聚、光团聚和化学团聚等，国外在这方面的研究比 较全面，而国内只对其中某些方法进行了研究【4 5 】。 1 、电团聚 电团聚是提高粉尘团聚的有效方法之一。这种方法通过增加微细颗粒的荷电 能力，增加微细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量，从而增加颗粒间的团 聚效应。电团聚研究主要概括为四个方面：异极性荷电粉尘的库仑团聚；异极性 荷电粉尘在恒电场中的团聚；同极性荷电粉尘在交变电场中的团聚；异极性荷电 粉尘在交变电场中的团聚。 目前，电团聚理论与实验研究的核心是确定电团聚速率( 电团聚系数) 大小。 其研究目的是尽可能地提高微细尘粒的电团聚速度，使微细尘粒在较短的时间内 尽可能地团聚而增大粒径，从而有利于被捕集。向晓东等 4 6 1 根据碰撞理论推导 出异性荷电粉尘在交变电场中的团聚系数，并根据粉尘团聚过程趋于“自保分布” 的概念，建立了多分散性粉尘粒度分布随团聚时间变化的关系。 9 采用电团聚技术能够使电除尘器除去超细颗粒物的效率大为提高。但除尘极 板捕捉的颗粒累计一定数量后，效率大大降低了，需用燃烧法再生，这限制了电 团聚技术在工业中的使用。 2 、声团聚 声团聚是根据声学原理，利用具有很高能量密度的声区，使超细颗粒物发生 团聚。实验室运用声团聚理论的除尘装置一般由声波发声器、声团聚箱和分离器 组成。十九世纪中期首次发现了驻波场中灰尘颗粒聚集的现象，可是直到1 9 3 1 年有关学者才开始了真正的声波团聚颗粒的试验研究。此后，很多学者对颗粒在 声场中的振动、团聚进行了研究，在团聚机理及理论模型的建立方面也进行了大 量的工作。但由于声波团聚问题的复杂性、实验条件不同和测试方法的局限性等， 使得至今为止，在一些关键性问题上还没取得一致的看法。 由于声团聚方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起人们的极大