PM2.5污染控制技术

1、PM2.5控制技术研究进展Research advances in PM2.5 control technology摘要PM2.5，对大多数人而言，曾经是很陌生的名词，但随着中国经济的高速发展和工业化进程的逐步加快，各个地区尤其城市的雾霾现象日益严重，对人们的正常生活起居已经造成的严重影响。我国从南到北，雾霾接踵而至。北京、广州、深圳等地雾霾一度爆表，霾发生期间，整个天空朦胧昏暗，能见度极低。而美国大使馆报道的PM2.5数据使普通百姓认识到，其已经成为一个不容忽视的问题。国家目前已增设PM2.5浓度限值日报项目，空气质量标准也将PM2.5纳入新指标。在现有标准和技术条件下，实用高效且经济可行的

2、控制PM2.5的技术措施主要有湿式电除尘器、凝并器和电袋混合式除尘器，本文重点对这几种控制PM2.5的除尘技术做了相应介绍。关键词：PM2.5，湿电除尘，电凝并，电袋复合除尘1 PM2.5概述随着我国经济持续高速发展，城市化和工业化进程日益加快，各种大气污染物急剧增加。发达国家在上百年发展过程中不断出现的大气环境问题，现已在我国集中涌现。目前，影响我国城市空气质量的主要污染物是大气中漂浮的微细颗粒物。由于我国雾霾天气在多地频繁，PM2.5的污染问题越来越受到人们的重视。1.1 PM2.5的定义PM2.5是指空气动力学当量直径直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人

3、的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。PM，英文全称为particulate matter(颗粒物)。PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，值越高，代表空气污染越严重。与较大的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。2012年2月，国务院同意发布新修订的环境空气质量标准增加了PM2.5监测指标。1.2 PM2.5的来源PM2.5的来源广泛，成因复杂，既有因燃煤、机动车、扬尘、生物质燃烧等直接排放的细颗粒物，又有从空气中二氧化硫、

4、氮氧化物、氨、挥发性有机物等污染物经过复杂的化学反应形成的二次颗粒物。同时其化学组成也十分复杂，不同时间和空间，细颗粒物的化学成分不同，不同化学组分的颗粒物对人体健康和大气能见度的影响也是不同的。主要包括无机成分、有机成分、微量金属元素、元素碳、生物物质（细菌、病菌、霉菌等）等。主要来源有自然源和认为源两种，后者危害较大。自然源包括土壤扬尘、海盐、植物花粉、孢子、细菌等。人为源包括固定源和流动源，如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或者燃油排放的烟尘，各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气。除了自然源和人为源外，大气中的气态前体污染物会通过

5、大气化学反应生成二次颗粒物，实现由气体到粒子的相态转换。PM2.5形成机理复杂，除污染源直接排放的一次细颗粒物以外，相当一部分来自于二次转化过程，即各类人为源和自然源排放的气态污染物经复杂的化学反应生成，主要的前体物包括SO2，NOx，VOCs，NH3等。PM2.5不是一种单一成分的污染物，其化学组分非常复杂，主要包括SO42-，NO3-，NH4+等水溶性离子，有机碳（OC）、元素碳（EC）等含碳组分，以及金属元素、矿物尘、生物气溶胶等，每种成分都有多种来源，既有岩石土壤风化、海浪飞溅、森林植被释放等天然来源，也有燃煤、工业过程、机动车尾气、生物质燃烧等人为来源。PM2.5常常作为大气复合污染

6、物的组成成分出现，与O3等气体污染物共同体现出区域符合污染特征。1.3 PM2.5的危害PM2.5的危害主要表现为直接危害与间接危害两个方面。在直接危害方面主要表现为PM2.5由于粒径较小可以直接避免鼻腔以及呼吸道的拦截过滤作用直接进入到人体的呼吸道。进而对人体肺部以及其内的气体交换造成一定的影响。并诱发或加重肺部疾病。严重的可诱发肺癌等恶性疾病。此外，由于肺部，毛细血管的过滤作用强度，会导致部分的PM2.5进入血液循环当中去，长期加剧肾、肝等内脏的负担，降低人的寿命。间接危害主要表现为PM2.5具有一定的表面吸附能力。此外，由于来源的不同进而造成PM2.5的成分复杂，往往含有大量的重金属以及

7、包括病原体与细菌的微生物。在吸入人体后随着血液的流动进行扩散。进而影响体内盐平衡，甚至引起人体重金属中毒以及病原性感染。 PM2.5还是雾霾天气的主要成因，在造成雾霾天气的情况下严重的影响了出行能见度。进而，影响交通运输安全，不利于社会经济的发展。2 国内外研究现状在过去的20年间，大量关于PM2.5的研究被广泛开展，主要研究方向有PM2.5污染特征、排放清单、源解析、排放特征谱以及PM2.5对大气能见度和人体健康影响等诸多方面。美国加州进行了许多关于PM2.5的详细研究，值得参考。就PM2.5污染特征而言，实践表明：PM2.5的浓度取决于源排放、化学变化，以及地理条件、气象条件等复

8、杂因素的相互作用；某一地区，PM2.5及其二次粒子的前体物的浓度主要受到地区性和区域性的源排放与气象条件的影响；周围农村地区一次颗粒物(EC，OC)的浓度要低于城区，而二次颗粒物在分布上则相对均匀；PM2.5的浓度会周期性日变化并且会随着季节变化而变化。PM2.5与PM10的质量浓度比通常在1/24/5之间，有些地区可能不同；对季节而言，在秋季这一比率要高于夏季。就颗粒物的健康影响研究而言，需哦多结果来自于20世纪90年代进行的流行病学研究，研究给过显示揭示长期暴露于颗粒物与多种健康指标诸如就诊率、呼吸系统发病率、死亡率等之间的联系。颗粒物的健康影响包括从呼吸道发病率增加、病症加剧到未成年死亡

9、的危险性增加，但其毒理学机理目前尚不清晰有待研究。就PM2.5排放清单研究而言，加州空气资源管理委员会（CARB）依据排放特征的不同，将城市TSP，PM10，PM2.5的一次排放源划分为了四大类：移动源排放,固定源的燃烧过程排放,固定源的工业过程排放,无组织排放。一般在城区，气溶胶前体物(SOx，NOx，NH3，VOCs，CO)的排放也对PM2.5的浓度有着明显影响。这些气态污染物的排放源基本上与一次粒子的排放源比较类似，不过其排放水平和排放特征存在明显差异。就PM2.5源排放特征谱而言，研究人员对地壳物质、机动车和燃煤等主要污染源的排放特征进行了比较全面的研究，同时建立了用于源解析研究的源排

10、放特征谱库。国内许多学者在20世纪80年代已经开始关于大气复合污染的研究。大气复合污染的特征表现为同时出现细颗粒物PM2.5和高浓度的O3，京津冀地区和珠江三角洲的这一特征在近些年来的观测中异常明显。大气复合污染的一个典型例子就是亚洲棕色云（ABC），棕色的呈现主要因为和NO2和黑炭颗粒气体对可见光的吸收所致。联合国环境规划署在2008年发布的大气棕色云：亚洲区域评估报告中指出，中国东部是霾的重点覆盖区域，北京、上海和深圳位列亚洲13个霾热点城市之中。北京、上海、广州等地针对细颗粒物-灰霾及其前体物控制等方面相继开展了高层次、大规模的系统研究。3 PM2.5控制技术PM2.5污染已经成为我国非

11、常突出的大气环境污染问题，目前已引起政府及民众的广泛重视，并相继研究和开发出了PM2.5的检测设备、测试系统和控制技术。这方面我国虽然起步较晚，但也做了许多相关工作，实施了控制大气环境污染的多项措施，严格了大气污染物排放浓度限值以及除尘设备的排放标准，并研开发新的技术设备。除尘器作为控制颗粒污染的重要手段之一，由于其自身局限传统方式已经无法有效实现对PM2.5的控制。从ESP排放出来数量最多的就是0.22m的细颗粒。FF也是这样，无论其效率多高，排放的颗粒物绝大部分都小于2.5m。因此在没有新的高效收集PM2.5的技术情况下，要减少PM2.5的排放，必须进一步提高现有除尘器的除尘效率，并相应减

12、少微细颗粒的排放。由于微细颗粒荷电困难、穿透力强，尤其是在高温燃烧、冶炼的过程中，以硫或氮的氧化物出现的PM2.5及金属气化、冷凝形成的粒子，用现有的高效除尘器也很难收集。对现有的除尘技术进行评估后发现，相对实用高效且经济可行的控制PM2.5的技术主要是：湿式电除尘器、凝并器和电-袋混合式除尘器。3.1 湿电除尘湿式电除尘器是一种用来处理含湿气体的高压静电除尘设备，主要用来除去含湿气体中的尘、酸雾、水滴、气溶胶、臭味、PM2.5等有害物质，是治理大气粉尘污染的理想设备。湿式电除尘器拥有捕集微细粉尘的功能，对微细、潮湿、黏性或高比电阻粉尘的捕集效果都很理想，特别对于PM2.5有较好的捕集效果。湿

13、式电除尘器不存在粉尘收集后的再飞扬的问题，这是因为被捕集的粉尘和水之间有黏着力的结果。由于湿式电除尘器能提供几倍于干式电除尘器的电晕功率，这就大大提高了对PM2.5的捕集效率，湿式电除尘器通过对流冷却降低烟气温度、促进冷凝，也能对酸雾进行捕集。湿式电除尘器有几种结构形式，一种是使用耐腐蚀导电材料（可以为导电性能优良的的非金属材料或具有耐腐蚀特性的金属材料）做集尘极，一种是用通过喷水或溢流水形成导电水膜不导电的非金属材料做集尘极。湿式电除尘器还可分为横流式（卧式）和竖流式（立式），横流式多为板式结构，气体流向为水平方向进出，结构类似干式电除尘器；竖流式多为管式机构，气体流向为垂直方向进出。一般来

14、讲，同等通气截面积情况下竖流式湿式电除尘器效率为横流式的2倍。湿式电除尘器收集粉尘的机理与干式电除尘器的机理基本一样，都是靠高压电晕放电使得粉尘荷电，荷电后的粉尘在电场力的作用下到达到集尘板。干式电收尘器主要处理含水很低的干气体，湿式电除尘器主要处理含水较高乃至饱和的湿气体。湿式电除尘器与干式电除尘器的差别是收集粉尘后的清灰方式：干式电除尘器是通过锤击振打清灰使粉尘脱离电极，而湿式电除尘器则是通过水冲洗电极使粉尘剥离。湿电除尘相比干式电除尘有许多优点：收集粉尘不会受到粉尘比电阻的限制；清灰时，粉尘不会产生二次飞扬的问题；对可吸入性粉尘（PM2.5）颗粒的去除效率十分可观；没有运转部件，设备可靠

15、性好。湿式电除尘器收尘性能与粉尘特性无关，适用于含湿烟气的处理，尤其适用在电厂、钢厂湿法脱硫之后含尘烟气的处理上，后但设备投资费用较高，且需与其它除尘设备配套使用，其投资技术经济性和运行成本要从整体进行评价。湿式电除尘器在处理燃煤锅炉烟气时能高效收集PM2.5，但实际应用于燃煤烟气细微颗粒物控制还需要解决以下问题：处理的烟气量较大，电极寿命长短需要考虑在内；采用喷水或溢流水等方式使集尘极表面形成导电膜的装置存在着腐蚀、污泥和污水的处理问题，烟尘都含有不同程度的腐蚀性，材料要选择得当喷嘴要防止磨漏，同时又要避免堵塞；电极上要避免粉尘堆积结垢。湿电除尘器有待进一步研究和发展。3.2 电凝并微细颗粒

16、通过不同的方式相对运动，彼此间发生碰撞接触结合成为较大颗粒的过程称为凝并。在一些特定条件下，凝并对除尘设备有着重要的意义，因为小颗粒凝并成大颗粒后，更容易被除尘器捕集，可以节省能源，也可以减少设备的投资。凝并技术有机械、化学、声学和静电技术，其中静电凝并已取得实用成果。凝并技术是收集微细颗粒物的一种有效方法。凝并是指微细颗粒通过物理或化学的途径互相接触而结合成较大的颗粒的过程。凝并可以作为除尘的预处理阶段，使小颗粒长大，再利用静电除尘设备加以收集，可以大大提高收尘效率。电凝并主要有三个方面：异极性荷电粉尘在恒定电场中的凝并；同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并；异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并。异

17、极性荷电粉尘在恒定电场中的凝并是指粉尘在预荷电区荷以异极性电荷后，引入到加高压恒定电场的凝并区，使得异极性粒子在相对运动而产生电凝并。同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并是指粉尘在预荷电区以同极性电荷后，引入到加有交流高压电场的凝并区，荷电尘粒在交变电场的作用下产生往复振动，由于粒子间的相对运动或速度差，使得粒子相互凝并。异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并是粉尘在预荷电区荷以异极性电荷后引入加有交变强电场的凝并区。其中异极性预荷电方式加快了异极性荷电粉尘在交变电场中的相对运动，有利于荷电粉尘的相互吸引、碰撞、凝并。其中，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并是这几种方法中能提高电凝并速率的比较有效的方法。

18、粉尘在预荷电区荷以异极性电荷后，引入到加有高压电场的凝并区中，荷电尘粒在交变电场力作用下产生往复振动，由于颗粒间的相对运动或速度差，以及异性电荷的相互吸力，使得粒子相互碰撞、吸收、凝并，最后在收尘区被捕集下来。这种电除尘方式具有更高的除尘效率，能够高效捕集亚微米颗粒，具有很好的发展前景。3.3 电袋除尘电除尘器的收尘过程中，烟尘颗粒的凝并，尤其是亚微米粒子的凝并，直接影响除尘器的效率，人为电场给微细粒子造成凝并的条件是电除尘过程中一个特殊现象。20世纪70年代，我国某研究所曾进行过高压交流电场的粉尘凝并试验，之后又进行预荷电袋除尘器一体化的试验，其目的是为了提高除尘效率，减少微细粉尘的排放，但

19、该试验只进行到半工业性的试验阶段。电袋复合式除尘器是通过电除尘器与布袋除尘器有机结合的一种新型的高效除尘器，它充分发挥电除尘器和布袋除尘器各自的除尘优势，以及两者相结合产生新的性能优点，弥补了电除尘器和布袋除尘器的除尘缺点。该复合型除尘器效率高，稳定，滤袋阻力低，寿命长，占地面积小等优点。前级电除尘区秉承了电除尘器第一电场的除尘优势，其除尘效率与极板有效面积呈指数曲线变化，能收集烟尘中大部分粉尘，收尘效率达70-80%，并使流经电除尘区未被收集下的微细粉尘电离荷电。一方面大大降低进入布袋除尘器区含尘浓度，另一方面荷电后的粉尘在滤袋沉积的粉饼呈低阻特性，从而即达到排放浓度小于50mg/Nm3的环

20、保要求，又提高了除尘器整体性能的功效。电袋复合除尘器相比传统的电除尘器和袋式除尘器有以下优点：合理运用电除尘器和布袋除尘器各自的除尘优点，以及两者相结合产生新的功能，能充分克服电除尘和布袋除尘的除尘缺点；除尘效率不受煤种、烟气特性、飞灰比电阻影响，可以长期保持高效、稳定、可靠地运行；运行阻力低，滤袋清灰周期时间长，具有节能功效 电袋复合式除尘器滤袋的粉尘负荷量小，再加上粉尘荷电效应作用，因此滤袋形成的粉尘层对气流的阻力小，易于清灰，大大降低设备的运行能耗；清灰次数减少，且滤袋粉尘透气性强、阻力低，滤袋的强度负荷小，从而延长滤袋使用寿命；电袋复合式除尘器通过适量减少滤袋数量、延长滤袋的使用寿命、

21、降低运行阻力、延长清灰周期等途径大大降低除尘器的运行、维护费用。电-袋混合式除尘器的作用，充分证明了它具有与其它高效除尘器竞争的优势。将气布比设定在2m/min左右，阻力可控制在正常的范围之内。电-袋混合式除尘器的关键技术在于电场和滤袋的相互配置，优化的结果将使得设备高效紧凑，在现有的标准和技术条件下，电-袋混合式除尘器体现出强大的生命力。可以预见，不断发展的电-袋混合式除尘器技术将成为控制PM2.5的最佳实用技术之一。4 结语大气污染PM2.5的治理不仅仅是源头技术治理的问题，也需要全社会一起努力，应该重点从以下几点解决：（1） 合理安排工业布局和城镇功能分区。应结合城镇规划，全面考虑工业的

22、合理布局。工业区一般应配置在城市的边缘或郊区，位置应当在当地最大频率风向的下风侧，使得废气吹响居住区的次数最少。居住区不得修建有害工业企业。（2） 加强绿化。植物除美化环境外，还具有调节气候、阻挡、滤除和吸附灰尘，吸收大气中的有害气体等功能。（3） 加强对居住区内局部污染源的管理。如饭馆、公共浴室等的烟囱、废品堆放处、垃圾箱等均可散发有害气体污染大气，并影响室内空气，卫生部门应与有关部门配合、加强管理。（4） 控制燃煤污染。采用原煤脱硫技术，可以除去燃煤中大约40%一60%的无机硫。优先使用低硫燃料，如含硫较低的低硫煤和天然气等。改进燃煤技术，减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如，液

23、态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石，与二氧化硫发生反应，生成硫酸钙随灰渣排出。对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。开发新能源，如太阳能，风能，核能，可燃冰等，但是目前技术不够成熟，如果使用会造成新污染，且消耗费用十分高.（5） 加强工艺措施。加强工艺过程。采取以无毒或低毒原料代替毒性大的原料。采取闭路循环以减少污染物的排除等。加强生产管理。防止一切可能排放废气污染大气的情况发生。综合利用变废为宝。例如电厂排出的大量煤灰可制成水泥、砖等建筑材料。又可回收氮，制造氮肥等。（6）区域集中供暖供热设立大的电热厂和供热站，实行区域集中供暖供热，尤其是将

24、热电厂、供热站设在郊外，对于矮烟囱密集、冬天供暖的北方城市来说，是消除烟尘的十分有效的措施。（7）交通运输工具废气的治理。减少汽车废气排放。主要是改时发动机的燃烧设计和提高油的燃烧质量，加强交通管理。解决汽车尾气问题一般常采用安装汽车催化转化器，使燃料充分燃烧，减少有害物质的排放。转化器中催化剂用高温多孔陶瓷载体，上涂微细分散的钯和铂，可将NOX、HC、CO等转化为氮气、水和二氧化碳等无害物质。另外，也可以开发新型燃料，如甲醇、乙醇等含氧有机物、植物油和气体燃料，降低汽车尾气污染排放量。采用有效控制私人轿车的发展、扩大地铁的运输范围和能力、使用绿色公共汽车(采用液化石油气和压缩燃气)等环保车辆

25、，也是解决环境污染的有效途径。（8）烟囱除尘。烟气中二氧化硫控制技术分干法（以固体粉末或颗粒为吸收剂）和湿法（以液体为吸收剂）两大类。高烟囱排烟烟囱越高越有利于烟气的扩散和稀释，一般烟囱高度超过100m效果就已十分明显，过高造价急剧上升是不经济的。应当指出这是一种以扩大污染范围为代价减少局部地面污染的办法。随着科技的进步，人们的物质生活水平日益提高，但环境问题越来越严重，特别是大气环境问题，PM2.5的控制技术还有待各方面的研究。参考文献1 张会君,卢徐胜.控制PM2.5的除尘技术概述J.中国环保产业,2012,(3):29-33.2 吴军平.PM2.5排放与环保及健康的分析C./中国水泥协会环保和资源综合利用专业委员会成立大会暨中国水泥环资论坛论文集.2011:127-129.3 王晶珒,李建军.烟气PM2.5控制