烟气系统中细颗粒物的转化机制与脱除增强的机理与方法

承担单位：清华大学东南大学报告人：段雷2017年9月24日课题五：烟气系统中细颗粒物的转化机制与脱除增强的机理与方法（2013CB228505）

课题验收报告973项目“化石燃料燃烧排放PM2.5源头控制技术的基础研究”汇报提纲计划任务完成情况研究水平与创新性实施效果（研究成果预期解决国家重大需求的实质性贡献和作用）人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况经费使用情况2课题五与项目总体目标的关系3项目总体目标减少细颗粒物的生成增强细颗粒物的脱除课题1：矿物质细颗粒物燃烧形成与控制研究课题2：碳质细颗粒物形成与燃烧过程中控制的研究课题3：源排放细颗粒物与气态污染物在大气中化学转化机制课题4：细颗粒物聚并长大机理与方法课题6：基于过滤增强的细颗粒物协同消除机理和方法课题5：烟气系统中细颗粒物的转化机制与脱除增强的机理和方法课题研究内容燃烧源PM2.5现场采样测试方法与质量控制原理;烟气系统中PM2.5的转化机制与影响因素;新型燃烧与控制技术的PM2.5排放特征;传统污染控制设备提高PM2.5脱除的机理和方法。4年度计划和完成情况520132014201520162017研究烟气系统中PM2.5直接采样方法和稀释采样方法√搭建PM2.5采样方法的实验室评测系统并进行调试√模拟烟气试验平台的搭建与调试√研究SCR脱硝工艺对硫酸盐细颗粒形成的影响√燃煤电厂使用传统和新型技术PM2.5排放特征测试与数据分析√实际燃煤烟气多功能试验平台的搭建√现有设备脱除PM2.5的性能及WFGD过程中PM2.5物性变化√使用不同技术的移动源PM2.5排放测试√通过传统污染物控制工艺的过程优化增强PM2.5脱除的研究√典型冶金企业PM2.5排放特征测试与数据分析√典型水泥企业PM2.5排放特征测试与数据分析√其它典型源PM2.5排放特征测试与数据分析√外场作用下PM2.5在传统污染物控制设备中的行为规律√总结细颗粒物在烟气系统中的转化规律√汇总新型燃烧和控制技术的燃烧源PM2.5排放特征√汇总外场协同作用下的传统设备高效脱除PM2.5的规律√主要考核指标和完成情况在研究领域内发表SCI和EI检索论文30篇以上（完成，SCI和EI论文70余篇）

形成发明专利3-5项（完成，授权发明专利17项，14项审核中）

建立1-2项细颗粒物测试标准方法（完成，2项PM2.5测试技术指南）

形成2-3项具有自主知识产权的利用传统污染物控制设备提高PM2.5脱除的新方法，达到可以向生产转化的技术水平（完成）

人才培养、基地建设和学术交流（完成）

6汇报提纲计划任务完成情况研究水平与创新性实施效果（研究成果预期解决国家重大需求的实质性贡献和作用）人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况经费使用情况7主要研究成果8污染源细颗粒物排放测试技术烟气系统中PM2.5转化过程与机制传统污控设备增强PM2.5脱除的机理和方法民用固体燃料燃烧颗粒物形成、排放和控制成果1：研发了多种污染源颗粒物测试技术9适合我国污染源PM2.5排放测量的方法是识别和管理污染源的重要支撑技术大气污染源量大面广，排气条件复杂多变，给PM2.5排放测试带来很大挑战固定燃烧源工艺过程源道路机动车非道路移动源溶剂使用源农业源生物质燃烧源扬尘源数亿台数十万家数亿辆数亿辆数百万吨数十亿只百万km2数十亿m2我国暂无污染源PM2.5监测标准方法！PM2.5/PM10虚拟撞击采样器虚拟撞击器无反弹基于虚拟撞击原理10研制了双级虚拟撞击PM2.5/PM10采样器蒋靖坤等,《环境科学》,2014(10):3639-3643反弹反弹粒径大于2.5μm的颗粒物也被收集欧盟传统撞击器克服了颗粒物反弹和再悬浮问题适用于宽浓度范围的烟尘采样以及国内较小的采样口设置3nm-10μm颗粒物粒径分布在线测量系统对比仪器13-60nm对比仪器240-700nm对比仪器30.5-10µm粒径分布函数(#/cm3)11开发了在线宽谱颗粒物粒径分析仪Liuetal.,Front.Environ.Sci.Eng,2016,10(1):63-761-3nm颗粒物测量关键：mini-DMA的研发12鞘气入口鞘气出口鞘气出口多分散气溶胶单分散气溶胶喇叭形腔体入口狭缝Caietal.,JAerosolSci,2017,106:111-119流量；鞘气10-30lpm；气溶胶1-3lpm雷诺数:1500（在3/30lpm条件下）中心电极电压:<5000V粒径范围:1-15nm（鞘气20lpm时）可在常规流量下工作（与CaltechNanoRDMA相比）通过率和分辨率高于好于TSInanoDMA。针对燃烧烟气（和大气）中新粒子的生成这一研究的前沿123465109811127设计了固定源PM2.5稀释采样系统13设计参数单位数值采样流量L/min10-15稀释比

20-50稀释气流量L/min200-750停留时间秒10停留室流量L/min113旁路流量L/min97-652材质

不锈钢稀释气净化

HEPA+活性炭稀释后温度oC≤42稀释后湿度%≤70针对可凝结颗粒物测定：模拟大气环境条件下烟气中气态组分向颗粒物的转化混合度模拟流线分布李兴华等,专利号:ZL201410340512固定源PM2.5稀释采样系统示意图满足新的国际标准建立了气溶胶测量仪器的质量保障体系14多分散在线标定系统单分散离线标定系统

D50%=2.5μmD50%=10μm成为各种PM2.5采样和测量仪器研发的基础陈小彤等,《环境科学》,2016,37(3):789-794实现对颗粒物粒径分布、质量浓度和化学组成的全面和准确测定烟囱PM2.5/PM10虚拟撞击采样器全谱粒径分布测量系统稀释采样测量系统构建了污染源排放综合测试系统，全面提升污染源排放测试的研究水平颗粒物标定系统以及质量保证体系15采样系统广泛用于颗粒物排放测量16完成了20多个燃煤发电机组、冶炼厂和水泥厂的测试应用和评价17教育部组织的刘文清院士领衔的专家组鉴定意见：“…源排放粒径谱与成分综合采样测试系统等方面处于国际领先水平”污染源颗粒物排放测试系统的研制及应用作为项目“区域大气污染源高分辨率排放清单关键技术与应用”的主要创新点之一获国家科技进步二等奖（2015）和教育部科技进步一等奖（2015）开发的相关技术和设备已被法国巴黎大学、德国马普所、中央大学、复旦大学、山东大学、北京航空航天大学、中科院过程所、北京林业大学、北京环科院和广西环科院等单位同行广泛应用主要研究成果18污染源细颗粒物排放测试技术烟气系统中PM2.5转化过程与机制传统污控设备增强PM2.5脱除的机理和方法民用固体燃料燃烧颗粒物形成、排放和控制成果2：揭示了燃煤烟气系统中PM2.5转化规律19在烟气系统中，PM2.5可同其它烟气成分（如NOx、SOx、VOC等）发生相互作用：SCR——NH3加入和SO2氧化成SO3会影响烟气PM2.5的粒径分布和化学组份；FGD——石膏夹带，导致PM2.5的浓度增加，不同脱硫剂的差异。NH3SO2SO3CaSO4通过典型燃煤电厂现场测试并结合实验室模拟试验平台，共同揭示烟气系统中PM2.5的生成机制和转化规律低低温SCR脱硝后颗粒物粒径分布变化：PM1增加20实测了4座典型燃煤电厂：脱硝后烟气中尽管PM2.5浓度略有降低，但PM1浓度上升。Lietal.,AtmosEnviron,2015粒数浓度分布质量浓度度分布SCR脱硝后颗粒物离子组分变化：NH4+和SO42-上升副产物NH4+和SO42-的生成导致PM1在PM2.5中的比例升高21Lietal.,AtmosEnviron,2015

脱硝形成的硫酸铵盐形貌SCR脱硝过程中硫酸铵盐细颗粒生成机制催化剂表面气相主体硫酸铵盐生成硫酸铵盐分解SCR催化剂气相主体中同时存在硫酸铵盐的生成、挥发分解过程；催化剂表面硫酸铵盐生成途径：一是由吸附活化态的NH3与气态或弱吸附态SO2反应生成，二是由SO2与V2O5反应生成的吸附态金属硫酸盐VOSO4与吸附态NH3直接反应生成；温度是影响SCR脱硝气相主体中硫酸铵盐生成的关键因素，低负荷下NH3、SO3及H2O会反应生成主要组成为(NH4)2SO4及少量NH4HSO4的细颗粒。NO+NH3+O2→SO2原位红外谱图Shietal.,FuelProcessTechnol,

2016,150:141-147.低低温电除尘中细颗粒物理化特征的变化23低低温电除尘中SO3凝结可导致细颗粒中SO42-等水溶性离子含量明显增加，有利于除尘；低低温电除尘中存在细颗粒凝并长大现象，出口颗粒物粒度大于普通电除尘，有利于增强后续WFGD系统对细颗粒的捕集。低低温与普通电除尘出口细颗粒物粒径分布对比低低温电除尘增强WFGD系统脱除细颗粒SO3凝结对细颗粒粒径分布的影响细颗粒中水溶性离子含量与烟温的关系石灰石-石膏湿法脱硫增加PM2.5排放24Lietal.,EnvironPollut,2017.230,655-662增加的颗粒物以PM1为主水溶性离子是新增细颗粒的主要成分与Ca2+和SO42-

相比，NH4+

和Cl-的增加更为明显石灰石-石膏湿法脱硫过程中PM2.5转化特征25脱硫净烟气中PM2.5主要为细小石膏晶粒、未反应的石灰石、蒸发析出的可溶性盐分及未能脱除的飞灰等，与石膏结晶、浆液夹带存在一定关联；脱硫净烟气中雾滴含固量约为脱硫浆液的20~40%，脱硫浆液中石膏晶粒越粗、除雾性能越佳，PM2.5排放浓度越低。燃煤电厂脱硫净烟气中PM2.5形貌及组成脱硫浆液中晶体粒径分布脱硫净烟气中PM2.5粒径分布脱硫浆液结晶脱硫浆液夹带浆液夹带与细颗粒浓度排放关系Panetal.,JEnvironSci,2017,55:303-310湿法脱硫系统SO3酸雾及可溶盐的排放特征26SO3酸雾排放与煤质、锅炉负荷、脱硫工艺有关；入口烟温调控及加装塔内构件可增强对SO3的脱除；采集的一次PM2.5中可溶盐组分占5-30%左右；与脱硫浆液溶解固体总量、空塔气速及液气比有关。塔进出口SO3酸雾浓度与煤质的关系空塔气速对可溶盐排放的影响可溶盐数浓度分布特性湿法脱硫过程中SO3迁移转化过程Panetal.,JAirWasteManageAsso,2017,67:352-357.氨法脱硫中气溶胶的生成机理和影响因素27氨法脱硫气溶胶源于挥发的NH3与烟气中SO2、H2O和O2间的非均相反应，以及脱硫浆液液滴夹带，其中非均相反应是氨法气溶胶的主要来源；浆液蒸发夹带气溶胶形成量随空塔气速及脱硫浆液浓度的增加而提高；较高烟温（

70℃）会抑制NH3-H2O-SO2反应，但NH3逸出量增加，又会促进气溶胶的生成。非均相反应生成脱硫浆液（氨）夹带生成脱硫参数对蒸发夹带形成气溶胶的影响空塔气速脱硫浆液浓度非均相反应形成气溶胶的影响因素反应温度NH3/SO2氨法脱硫形成的气溶胶组分Huangetal.,EnergFuel,2016,30:9914-9921.脱硫增强烟气系统中NH3向PM2.5的转化电厂烟气系统中各烟气净化装置均会贡献NH4+燃煤贡献3.47%脱硝贡献13.7%低温除尘贡献8.41%脱硫贡献74.42%机制1：净烟气排放（夹带脱硫剂）过量氨气被循环浆液吸收由NH3转化为NH4+机制2：高温烟气与脱硫浆液相遇，导致浆液成分蒸发含氨烟气关闭喷氨，一次PM2.5排放浓度为

2.3mg/m3开启喷氨，一次PM2.5排放浓度为

4.8mg/m328Lietal.,AtmosEnviron,2015Lietal.,EnvironPollut,2017.逃逸氨影响的控制实验：主要研究成果29污染源细颗粒物排放测试技术烟气系统中PM2.5转化过程与机制传统污控设备增强PM2.5脱除的机理和方法民用固体燃料燃烧颗粒物形成、排放和控制建成烟气量450Nm3/h的多功能试验平台SCR脱硝过程中PM2.5形成、抑制应用化学团聚增强电除尘、WFGD脱除PM2.5烟气余热深度利用与WFGD结合实现脱硫洗涤过程中相变促进PM2.5脱除WFGD过程中PM2.5转化机制及其高效脱除撞击流与水汽相变耦合增进脱硫净烟气中PM2.5凝并长大脱除湿式电除尘脱除脱硫净烟气中PM2.5及SO3酸雾脱硫净烟气与湿空气混合建立PM2.5凝结长大所需的过饱和水汽环境实际燃煤烟气多功能试验平台过程优化增强WFGD系统脱除PM2.532优化石膏结晶、增加喷淋层、合理布置脱硫喷嘴，有效抑制了微细石膏晶粒的形成和浆液夹带，脱硫净烟气中PM2.5排放浓度可降低15-20%以上；基于涡团湍流扩散强化传质理论，开发出一种前置钝体扰流增强除雾器新技术，30μm以下小粒径雾滴的逃逸率下降15％~30％。涡流除雾器与折流板除器除雾效率对比涡流除雾器内气相场分布总除雾效率过程优化降低脱硫净烟气中液滴夹带及细颗粒物排放雾滴浓度细颗粒数浓度分级除雾效率应用水汽相变技术增强脱硫烟气PM2.5/SO3脱除33塔入口烟气温湿度调节增进PM2.5/SO3脱除的性能在WFGD过程中建立过饱和水汽环境，促进燃煤PM2.5洗涤脱除，并抑制细小脱硫浆液滴蒸发夹带产生的PM2.5，PM2.5排放可降低40-50%。HaoWu,etal.FuelProcessingTechnology,

2016,145:116-122.HaoWu,etal.Energy&Fuels,2016,30:6103-6109.脱硫洗涤过程中应用水汽相变增强PM2.5脱除的技术路线塔入口烟气含湿量与塔内过饱和度分布的关系应用水汽相变技术增强脱硫烟气PM2.5/SO3脱除34建立过饱和水汽环境，促进PM2.5的去除，还可协同促进SO3酸雾脱除；根据不同类型的脱硫后烟气特性，可选择添加蒸汽、冷干空气（湿空气）和降低烟温等不同工艺。细颗粒凝结长大示意图烟气降温烟气添加蒸汽添加冷空气过饱和度过饱和度过饱和度排放减少率排放减少率排放减少率超低排放改造中利用水汽相变增强PM2.5/SO3脱除35单塔双区（设置浆液冷却器）双塔双循环（设置烟气冷却器、添加冷空气）细颗粒浓度随浆液温度的变化细颗粒浓度随塔间烟温的变化针对单塔双区，降低吸收浆液温度建立过饱和水汽环境；细颗粒排放浓度可降低30~40%以上针对双塔双循环，在塔间设置烟冷器或添加冷空气，促使细颗粒凝结长大，增强二级脱硫塔洗涤捕集，排放浓度可降低50%以上应用化学团聚增强电除尘脱除PM2.536粒径分布自由能变化应用密度泛函理论（DFT）分析化学团聚过程中自由能及分子轨道能级变化特性，从分子角度揭示了化学团聚机理；采用无机团聚剂作为主体，通过交联聚合方式配成有机-无机复合团聚剂，团聚效果优于单一团聚剂，电除尘出口PM2.5质量、数浓度可分别降低60~70%、50~60%以上。化学团聚增强电除尘脱除PM2.5细颗粒物团聚长大分子轨道能级变化化学团聚机理形貌细颗粒浓度降低脱除效率增强应用化学团聚增强电除尘脱除PM2.537提出了一种协同实现PM2.5/SO3/Hg联合高效脱除和脱硫废水零排放的技术工艺：电除尘入口烟道喷入由富氯脱硫废水配制的化学团聚液促使细颗粒团聚长大，富氯脱硫废水蒸发析出的含氯固相产物促进Hg0转化为Hg2+；且烟温降至酸露点与水露点之间，SO3凝结吸附于粉尘表面；由后续电除尘和WFGD系统脱除团聚长大的颗粒物、Hg2+及SO3。PM2.5/SO3/Hg联合高效脱除技术工艺流程图化学团聚增强PM2.5脱除性能脱硫废水蒸发对细颗粒粒度分布及比电阻的影响—■—不喷脱硫废水—●—喷脱硫废水比电阻应用和评价38石灰石-石膏法脱硫过程中PM2.5转化特征及增强脱除作为项目“火电厂超低排放系统优化技术研究及工程实践”的创新点之一获广东省科技进步二等奖（2017）烟气系统中PM2.5转化与增强脱除技术已与广东电科院、上海成套院、福建龙净、国电环保研究院、江苏电力设计院、江苏瑞帆、南京通用等单位合作开展成果转化应用研究主要研究成果39污染源细颗粒物排放测试技术烟气系统中PM2.5转化过程与机制传统污控设备增强PM2.5脱除的机理和方法民用固体燃料燃烧颗粒物形成、排放和控制成果4：揭示民用固体燃料燃烧颗粒物形成机制排放特征并提出减排途径40北京怀柔，2016/1/19早上8点在ScientificReports、ES&T和ES&TL等期刊上发表7篇论文民用固体燃料燃烧是我国主要一次细颗粒物排放源。民用散煤排放一次PM2.5占我国所有燃煤排放量的50%以上。搭建了民用燃料燃烧颗粒物排放测试平台，开展实验室和外场观测研究41实验室测试平台外场观测民用煤污染形成和排放特征42PM2.5：90%以上的颗粒

物（包括黑碳）是在煤

添加进入炉膛后的脱挥

发分阶段排放出来的。

CO和NH3：出现双峰分

布，由低温时的不完全

燃烧产生。

SO2、NOx和TH：单峰

分布，随燃烧强度（或

温度）变化。

TH：单峰分布，出现在

脱挥发分阶段。

脱挥发阶段焦炭燃烧阶段Lietal,

EnvironSci&TechnolLett,2016,3:98-103煤燃烧过程中的粒径谱演化43排放特点：1.四模态分布，粒径分界线大约为10nm、100nm和1um；大部分颗粒物为PM1。2.大颗粒物主要在点火阶段排出；细微颗粒物至少有两种形成方式；细微颗粒的物排放从点火持续到灰烬。Bt(min)t(min)ATail1Tail2Tail1Tail2陕西神木烟煤山西晋城无烟煤ABMoreapplications……Zhouetal.,Environ.Sci.&Technol.,2016,50:7861-7869揭示整个燃烧过程中颗粒物粒径分布和有机气溶胶氧化程度变化规律热裂解剧烈燃烧稳定燃烧燃尽阶段低燃烧温度极高浓度低氧化程度大粒径高燃烧温度浓度降低氧化程度升高小粒径出现高燃烧温度低浓度高氧化程度超细颗粒物低燃烧温度低浓度高氧化程度不完全燃焼民用煤燃烧过程中，有机颗粒物的排放呈现出明显的阶段性特征。有机颗粒物主要产生在热裂解阶段，占有机颗粒物总排放的50%以上（烟煤可达到90%）。44民用煤燃烧有机颗粒物形成机制45热裂解阶段有机气体的冷凝成核是颗粒物形成的主要机制充分燃烧阶段有机颗粒物与无机颗粒物相互混合包裹，保护有机颗粒物的完全氧化，是颗粒物形成的主要机制Zhouetal.,Environ.Sci.&Technol.,2016,50:7861-7869揭示影响民用固体燃料燃烧PM2.5排放的因素46Lietal.,Fuel,2016,182:780-787;Lietal.,SciTotalEnviron,2017.576:347-361从~0.1g/kg上升到~15g/kg，挥发分含量不同的煤种带来颗粒物100倍的差别。提出民用固体燃料燃烧细颗粒物减排途径Lietal.,SciRep,2016,6:19306;碳化提高燃料品质开发新炉具，提高燃烧效率Lietal.,EnvironSci&TechnolLett,2016,3:369–374Lietal.,EnvironSci&TechnolLett,2016,3:98–103煤-生物质混合型煤Qietal.,EnvironSci&Technol,2017,5:1886–189247民用燃煤PM2.5源头控制方法：新型燃烧技术48相同燃料采用两种燃烧技术的对比排放结果反式燃烧技术：储煤室对煤炉温干馏；二次风提高烟气燃尽率。对比结果烟煤无烟煤半焦型煤玉米压块棉花压块PM2.5减排效率92±4235±1371±977±2954±6传统正烧炉：从下向上正烧（固定床）；大量未燃尽挥发分转化成一次颗粒物。汇报提纲计划任务完成情况研究水平与创新性实施效果人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况经费使用情况49主要创新成果研制了污染源PM2.5/PM10双级虚拟撞击采样器和全粒径在线谱仪，全面提升了污染源颗粒物排放特征的研究水平。揭示了烟气脱硝、除尘和脱硫等过程的PM2.5转化规律。提出了与烟气组分和控制设备特征相适应的应用水汽相变、化学团聚和过程优化增强PM2.5脱除的技术方法。揭示民用固体燃料燃烧颗粒物形成、排放特征和影响因素，并提出了减排途径。50实施效果基础研究建立了相关研究平台，提升了研究能力发表论文82篇，其中SCI收录42篇，EI收录31篇在各种固定源燃烧过程颗粒物的排放特征及在烟气系统中的转化规律上有新的认识获得各种燃烧源的排放水平，可为污染源清单建立及大气质量模拟研究提供基础数据技术开发申请国家发明专利共31件开发了固定源PM2.5采样器，并实现产品化研发了多种增强PM2.5脱除的技术方法，其中两种即将进行工业化应用试验获得国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖和二等奖各1项51实施效果基础研究技术开发决策支持获得各种燃烧源（包括民用）的PM2.5排放水平和控制途径，为颗粒物排放标准和控制决策的制定提供参考建立了完整的采样和分析方法体系，对制定工业源、机动车和生物质等相关测试标准和规范有重要的指导意义基于对固定源PM2.5排放规律的全新认识，有助于更新我国PM2.5排放清单，引起对NH4+排放的重视52汇报提纲计划任务完成情况研究水平与创新性实施效果人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况经费使用情况53人才培养与国际交流极大提升了青年骨干教师的科研能力，其中1人获得基金委优秀青年基金支持，1人入选北京市科技新星，1人入选万人计划青年拔尖人才，1人荣获亚洲青年气溶胶科学家奖，1人晋升教授。培养11名硕士，其中8名已毕业；13名博士，其中5名已毕业；博士后4名，其中4名已出站。与美国Argonne实验室、哈佛大学和欧洲IIASA等国际知名机构建立了密切合作，累积参加国际会议8人次以上。54科普活动55中小学生科普讲座市民科普讲座（金图讲坛）《新华日报》采访汇报提纲计划任务完成情况研究水平与创新性实施效果人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况经费使用情况56预算执行情况57科目名称预算金额支出金额前二年后三年小计清华大学东南大学小计

277

294

571

288

220

508一、直接费用

240

254

494

248

183

4311、设备费

81

88

169

91

74

165（1）购置设备费

55

55

110

75

34

109（2）试制设备费

20

24

44

15

30

45（3）设备改造与租赁费

6

10

15

1

11

112、材料费

35

33

68

44

25

693、测试化验加工费

27

19

46

24

8

324、燃料动力费

12

6

19

3

0

35、差旅费

20

34

54

26

19

456、会议费

5

11

16

-

12

12