電袋復(fù)合除塵器捕集微細(xì)粉塵PM2.5技術(shù)探討

鄭奎照

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福州 364000）

1 前言

近年來，PM2.5微細(xì)顆粒物產(chǎn)生的灰霾現(xiàn)象日益嚴(yán)重，已成為了社會(huì)高度關(guān)注的環(huán)保大事。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。且其能進(jìn)入人體的細(xì)支氣管和肺泡，影響人體健康。研究表明，PM10和PM2.5兩種顆粒物相比較，后者有機(jī)提取物的毒性要大于前者，可致哺乳動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化，引起細(xì)胞DNA斷裂、染色體損傷、細(xì)胞間通訊抑制，因此可以認(rèn)為，顆粒物可損害呼吸功能，引起炎癥、哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病，使心臟病的患病率與死亡危險(xiǎn)增加，并具有潛在的致癌性。因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。

國家高度重視PM2.5污染的控制，2011年環(huán)保部發(fā)布《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)一步提高了煙塵排放限值要求，要求新建燃煤發(fā)電廠煙塵排放濃度小于30mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)小于20mg/m3；2011年11月，國務(wù)院《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》明確提出“在京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域開展臭氧、細(xì)顆粒物（PM2.5）等污染物監(jiān)測”；2011年12月，環(huán)保部審議并原則通過了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，新標(biāo)準(zhǔn)首次將PM2.5納入常規(guī)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，在全國范圍內(nèi)實(shí)施。PM2.5超細(xì)粉塵的治理被提到了前所未有的高度，加強(qiáng)PM2.5控制技術(shù)裝備的研發(fā)迫在眉捷。

2 國內(nèi)外捕集PM2.5微細(xì)顆粒物技術(shù)

國內(nèi)有關(guān)高等學(xué)院和研究機(jī)構(gòu)的測試結(jié)果表明，靜電除塵器和常規(guī)袋除塵器難以捕集0.1～1μm的粉塵顆粒，需要采用靜電增強(qiáng)除塵技術(shù)。華北電力大學(xué)齊立強(qiáng)等[1]對(duì)華北某電廠670t/h煤粉鍋爐尾三電場靜電除塵器的入口和出口的煙道進(jìn)行等速采樣測試，發(fā)現(xiàn)電除塵器入口與出口的飛灰濃度分布明顯不同，出口飛灰中細(xì)灰顆粒占飛灰的比例由入口的23.2%上升到93.6%，并說明“電除塵器對(duì)超細(xì)顆粒的捕集能力較低”。黃斌[2]等認(rèn)為電袋復(fù)合除塵器一方面通過靜電凝并使微細(xì)顆粒變成較大顆粒，另一方面顆粒帶電又增強(qiáng)了粉塵層和纖維層對(duì)細(xì)顆粒的作用。清華大學(xué)通過對(duì)靜電除塵器、袋除塵器和電袋復(fù)合除塵器三種除塵器的測試，認(rèn)為電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5粉塵的捕集效率是三種除塵器中最高的。美國電力研究所和能源與環(huán)境研究中心，對(duì)電袋復(fù)合除塵器進(jìn)行測試，結(jié)果證明對(duì)PM2.5微細(xì)粉塵的捕集效率可以達(dá)到90%。

中國工程院院士清華大學(xué)教授徐旭昌在《燃煤源可吸入顆粒物的物理化學(xué)特征》一書的序中[3]指出，“通過對(duì)不同荷電顆粒運(yùn)動(dòng)的研究，發(fā)現(xiàn)了荷電顆粒在兩相流中兩兩相關(guān)的相互吸引、排斥、纏繞等規(guī)律；通過對(duì)微米級(jí)顆粒物在碰撞與團(tuán)聚的動(dòng)力學(xué)過程研究，發(fā)現(xiàn)了形成顆粒層結(jié)構(gòu)與顆粒荷電、顆粒其它特性的關(guān)系，提出了微米顆粒動(dòng)力學(xué)研究的新方法，為新型的電袋聯(lián)合脫除技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指明了新的研究方向?！?/p>

北京理工大學(xué)邵華[4]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電袋復(fù)合除塵器的粉塵捕集平均粒徑由不荷電時(shí)的7.07μm增加到荷電時(shí)的10.58μm，由測試結(jié)果可以看出，在粒徑小于10μm時(shí)，各區(qū)間的質(zhì)量百分含量隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)均有減少的趨勢，尤其PM2.5的含量減少的最多。

3 PM2.5微細(xì)顆粒物捕集技術(shù)的選擇

PM2.5可入肺粉塵控制技術(shù)主要的傳統(tǒng)組合技術(shù)有：靜電加旋風(fēng)除塵技術(shù)、靜電加顆粒層除塵技術(shù)、電袋復(fù)合除塵器技術(shù)、靜電除塵器加濕法脫硫技術(shù)，以及顆粒聚并長大技術(shù)（含電凝并、聲波團(tuán)聚、磁團(tuán)聚、相關(guān)凝結(jié)長大和喘流團(tuán)聚等）。

3.1 靜電除塵技術(shù)

黃斌[2]等提出，首先從原理上來說靜電除塵器主要是靠顆粒荷電被吸附而脫除，但是1μm附近的顆粒由于處在場荷電和擴(kuò)散荷電的混合區(qū)，其荷電能力很差，從而很難脫除。再者從運(yùn)行方面而言，由于靜電除塵的二次揚(yáng)塵使得PM2.5仍難得到控制。隨著人們對(duì)PM2.5危害性的認(rèn)識(shí)，國內(nèi)嚴(yán)格的控制法規(guī)即將出臺(tái)，國內(nèi)外許多研究人員已經(jīng)開始對(duì)PM2.5脫除從機(jī)理和運(yùn)行工藝上進(jìn)行研究，其中通過靜電與其它方式結(jié)合的研究受到了廣泛的重視。靜電對(duì)小顆粒物的作用是通過電暈極產(chǎn)生電場在場中形成一個(gè)電子濃度Ni，顆粒通過其中從而荷電，其中較小顆粒0.1μm主要通過自身和電子的隨機(jī)擴(kuò)散和碰撞而帶電，荷電數(shù)由下式中的①給出；較大顆粒（＞0.1μm）主要通過附著電場中方向運(yùn)動(dòng)的電子從而帶電荷電數(shù)由下式②給出，剩余顆粒屬于以上二者混合荷電機(jī)理。

式中：dp—顆粒直徑；k=1.38×10-23，為Boltzmann常數(shù)。

3.2 濕式靜電除塵技術(shù)

濕式電除塵器作為控制燃煤煙氣PM2.5的設(shè)備，在發(fā)達(dá)國家的電力等工程領(lǐng)域得到了一定的推廣應(yīng)用。濕式電除塵器是用噴水或溢流水等方式使集塵極表面形成一層水膜，將沉集在極板上的粉塵沖走的電除塵器。濕式清灰可以避免已捕集粉塵的再飛揚(yáng)，達(dá)到很高的除塵效率。但存在著腐蝕電極、污泥和污水的處理問題。

3.3 袋除塵技術(shù)

黃斌[2]等認(rèn)為，袋除塵器主要靠慣性碰撞、攔截和擴(kuò)散脫除粉塵，同樣，由于1μm附近的粉塵顆粒正好處于慣性和擴(kuò)散控制混合區(qū)，袋對(duì)其的脫除效率同樣很低。即便現(xiàn)在采用的覆膜濾料增強(qiáng)了攔截作用，對(duì)PM2.5捕集作用顯著增強(qiáng)，但也仍未能達(dá)到預(yù)期水平。

3.4 電袋復(fù)合除塵技術(shù)

電袋復(fù)合除塵器有機(jī)結(jié)合了電除塵器和袋除塵器，在具有電除塵器和袋除塵器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，利用電場使粉塵荷電，使微細(xì)粒子在電場中發(fā)生靜電凝并而形成較大顆粒；未被電場捕集的粉塵在流向?yàn)V袋區(qū)的過程中，再次發(fā)生靜電凝并，以及帶電粉塵在濾袋表面沉積過程中發(fā)生庫侖力、極化力和電場力的作用，使得微細(xì)粉塵PM2.5吸附、凝并，從而實(shí)現(xiàn)高效捕集。

4 電袋復(fù)合除塵器捕集PM2.5微細(xì)顆粒物機(jī)理探討

4.1 電袋復(fù)合除塵器中的靜電力

電袋復(fù)合除塵器前級(jí)電場使經(jīng)過電場的粉塵電暈荷電，在靜電力的作用下被極板捕集。同時(shí)經(jīng)過前級(jí)電場使得未被電場捕集而流向后級(jí)濾袋區(qū)的絕大部分粉塵帶電，這些帶電粉塵產(chǎn)生靜電力。按物理學(xué)方法，帶電塵粒產(chǎn)生的靜電力有3種：庫侖力、極化力和外電場力，其中的極化力包括鏡像力和電泳力。

庫侖力是點(diǎn)電荷Q1與Q2之間的相互作用力，大小和Q1、Q2的乘積成正比，和它們之間的距離r的平方成反比，作用力的方向沿著它們的連線，同性電荷相斥，異性電荷相吸引。按向曉東[5]的研究，這種力的作用還可以表達(dá)成一個(gè)點(diǎn)電荷在另一個(gè)點(diǎn)電荷形成的電場中所受的力。并由疊加原理，可以得到在多個(gè)點(diǎn)電荷群中某一點(diǎn)電荷所受的力。把這一推理擴(kuò)展到帶電粒子和帶電纖維的靜電力分析中，球型粉塵帶電量為q，圓柱狀纖維單位長度帶電量為Q的庫侖力為式③：

式中：r —單位長度帶電量為Q的柱狀纖維中心線距球型粉塵中心的距離；

ε0—真空介電常數(shù)；

Ef—帶電纖維在r處產(chǎn)生的電場。當(dāng)在金屬表面以外（距離為r）放置一個(gè)正電荷（+q）時(shí)，那么該電荷即將在金屬表面上（不是內(nèi)部）感應(yīng)出負(fù)電荷（-q）；這兩個(gè)正、負(fù)電荷之間將要相互吸引，該吸引力可以采用所謂鏡像電荷的概念來計(jì)算：認(rèn)為在金屬表面以內(nèi)離表面r處有一個(gè)負(fù)電荷（-q），這個(gè)（-q）與表面以外的（+q）的庫侖作用力就是鏡像力（力的大小與r成反比）。鏡像力是電場中的中性體由于受到電場的極化作用會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)，導(dǎo)致中性體內(nèi)產(chǎn)生電荷分布。

帶電球型粒子和中性導(dǎo)電纖維間的鏡像力為式④：

帶電球型粒子和于非導(dǎo)電纖維的鏡像力為式⑤：

式中：df— 為纖維直徑；

εf— 為非導(dǎo)電纖維的相對(duì)介電常數(shù)。

在非均勻電場中，中性粒子會(huì)感應(yīng)形成負(fù)電荷和正電荷，感應(yīng)的負(fù)電荷處于較高的場強(qiáng)中，而感應(yīng)的正電荷處于較低的電場中，感應(yīng)負(fù)電荷的靜電引力將大于感應(yīng)正電荷的靜電排斥力，使得中性粒子總是朝場強(qiáng)高的區(qū)域遷移。這樣中性粒子會(huì)受到一個(gè)與場強(qiáng)增強(qiáng)方向一致的靜電引力叫電泳力。

在空氣中，作用在帶電纖維附近的中性塵粒上的電泳力為式⑥：

式中：εp— 塵粒相對(duì)介電常數(shù)；dp— 粉塵粒徑；Q — 纖維帶電量。

4.2 電袋復(fù)合除塵器中靜電力的作用

（1）粉塵在電場區(qū)后到達(dá)濾袋表面前的過渡區(qū)電凝并

粉塵在電場區(qū)的凝并由于篇幅所限這里不作研究，本文只研究離開前級(jí)電場區(qū)后的粉塵。未被電場區(qū)捕集的粉塵流向后級(jí)的過渡區(qū)，這些正負(fù)荷電粉塵之間、正荷電粉塵與中性粉塵之間、負(fù)荷電粉塵和中性粉塵之間受到庫侖力，使得微細(xì)粒子在過渡區(qū)發(fā)生凝并，形成較大粒徑的粉塵而不易穿透后級(jí)濾袋，更容易被后級(jí)濾袋捕集。

（2）粉塵在達(dá)到濾袋表面后的電凝并

1）帶電粉塵與預(yù)涂灰粉塵的吸附和凝并

電袋復(fù)合除塵器的電場區(qū)未被捕集的粉塵必須通過濾袋過濾，不管粉塵是否帶電，當(dāng)這些粉塵受到煙氣流負(fù)壓作用，全部向?yàn)V袋表面驅(qū)進(jìn)，而被吸附在濾袋表面。

相關(guān)學(xué)者對(duì)帶電粉塵的纖維過濾性能進(jìn)行大量不同的研究，認(rèn)為濾袋纖維在開始工作時(shí)是不帶電的中性纖維，帶電粉塵由于庫侖力的作用，粉塵會(huì)向中性纖維驅(qū)進(jìn)，帶電粉塵吸附在纖維上。因此與不帶電粉塵相比，捕集效率更高。這一現(xiàn)象被Oak[6]等人的試驗(yàn)驗(yàn)證，不加電場時(shí)，纖維的背風(fēng)面幾乎沒有沉積粉塵，只有加電場時(shí)纖維背風(fēng)面才有積塵。而實(shí)際電袋復(fù)合除塵器為保護(hù)濾袋免受油煙的影響，新濾袋安裝完后立即進(jìn)行預(yù)涂灰。這些預(yù)涂灰本身由大小不同粒徑粉塵組成，濾袋經(jīng)過預(yù)涂灰后在濾袋表面形成一層粉塵層，在濾袋剛開始投入運(yùn)行時(shí)，這層粉塵層阻擋細(xì)粉塵進(jìn)入濾袋纖維內(nèi)部，達(dá)到高的捕集效率。因此在實(shí)際過濾過程中，潔凈濾料在預(yù)涂灰后直到使用壽命終結(jié)就不再是潔凈濾料了，同時(shí)為防止過度清灰時(shí)纖維過濾效率下降，需要控制清灰的壓力和間隔，使濾袋表面總是保持殘留一層薄的粉塵層。這樣濾料的內(nèi)部過濾作用很少，基本上都是表面過濾。

2） 帶電粉塵層的凝并

當(dāng)帶電粉塵不斷聚集在濾袋表面后，在濾袋表面形成一層帶負(fù)電的粉塵層，隨著荷電粉塵在濾袋表面不斷沉積，由于粉塵濃度不斷增大，這些帶電粉塵聚集在濾袋表面形成為大量負(fù)粒子的粉塵堆，從而形成電場，產(chǎn)生一定的電場強(qiáng)度。

這些粉塵層的作用之一是：煙氣中不帶電和帶正電的粉塵降落在濾料表面過程中，被帶負(fù)電的粉塵吸附，使其不易穿過粉塵層表面，因而不會(huì)滲入到濾料內(nèi)部。根據(jù)塵粒的荷電機(jī)理有電場荷電和擴(kuò)散荷電兩種文獻(xiàn)[7]，對(duì)于粒徑小、比電阻高的粉塵很難在電場中荷電，因此經(jīng)過電場后中性粒子大部分為粒徑小的粉塵。

粉塵層的作用之二是：經(jīng)過粉塵層形成的電場區(qū)間，雖然作用到粒子和纖維上的外加電場力不大，但粉塵層對(duì)帶電和不帶電塵粒的捕集是近距離的，這樣極化效應(yīng)就會(huì)發(fā)生作用，產(chǎn)生塵鏈聚集。以及中性粒子在非均勻電場中產(chǎn)生電泳力，使中性粒子朝電場高的區(qū)域移動(dòng)而被捕集。

粉塵層的作用之三是：對(duì)新降落在粉塵層的帶負(fù)電粉塵一方面受到負(fù)電粉塵的排斥力作用以及帶電粉塵層不斷釋放靜電，形成與氣流相反的阻力，減緩粒子穿越表面粉塵層的速度和產(chǎn)生粉塵在濾袋表面的阻尼振蕩；另一方面由于相同極性粉塵相互排斥，濾料表面的粉塵層疏松、粉塵層阻力小，濾料（包括粉塵層）壓差小，對(duì)粉塵的吸力小，即粉塵的穿透力小。這樣荷電粉塵加強(qiáng)了濾袋表面粉塵層的作用，即加強(qiáng)了表面過濾作用。

即使粉塵沒有被濾袋表面帶負(fù)電的粉塵捕集，在穿越預(yù)涂灰粉塵層的帶電粉塵粒子后也會(huì)與中性纖維相互吸引，提高濾袋的捕集效果。

這些不斷沉積在濾袋表面的帶電粉塵的電量一部分隨粉塵清灰被降落在除塵器的灰斗，通過灰斗的金屬壁釋放；另一部分通過粉塵本身傳遞到懸掛濾袋的花板釋放。由于清灰有間隔和粉塵本身的導(dǎo)電性有限，使得濾袋表面帶電粉塵量和帶電量在發(fā)生周期變化。只要前級(jí)電場一直在工作，帶電粉塵的源也就不會(huì)間斷，在濾袋表面的帶電粉塵的作用也就不會(huì)喪失。

正負(fù)荷電粉塵、正荷電粉塵與中性粉塵、負(fù)荷電粉塵和中性粉塵受到庫侖力和氣溶膠粒子的偶極效應(yīng)，使得微細(xì)粒子的凝并作用更加明顯。加上帶電粉塵層的加強(qiáng)表面過濾作用。因此電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5粉塵具有較好的捕集效果。

5 開發(fā)聯(lián)合捕集PM2.5和脫汞（重金屬）多污染物協(xié)同處理技術(shù)

我國是汞污染嚴(yán)重的國家，其中燃煤所造成的汞排放問題尤為突出。隨著污染情況的加劇以及國際控汞公約的即將簽署，對(duì)燃煤電廠進(jìn)行汞排放控制已經(jīng)成為國內(nèi)外的共識(shí)。我國政府已高度重視汞污染防治工作，國務(wù)院多次轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)污染控制通知，并已正式發(fā)布了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》。目前我國燃煤電廠大氣汞污染控制試點(diǎn)工作正式啟動(dòng)，并即將出臺(tái)火電廠汞排放標(biāo)準(zhǔn)。在汞排放控制技術(shù)方面，利用現(xiàn)有的煙氣凈化設(shè)備（除塵或脫硫設(shè)施）進(jìn)行協(xié)同除汞已成為技術(shù)開發(fā)的主流方向，其中粉狀活性炭吸附脫汞技術(shù)（ACI）已得到初步商業(yè)化應(yīng)用。電袋復(fù)合除塵器在活性炭脫汞方面具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）除塵效率高，可以滿足中長期粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）對(duì)捕集PM2.5微細(xì)粉塵，可以比靜電除塵器和袋式除塵器有更高的效率，同樣對(duì)極細(xì)的顆粒汞也有良好的捕集效果。

（3）清灰周期長，這樣可延長吸附劑和汞的作用時(shí)間，提高汞的捕集效率。

（4）荷電粉塵和荷電吸附劑的氣溶膠效應(yīng)，有利于對(duì)含汞化合物顆粒和單質(zhì)汞的吸附，提高汞的捕集效率。

（5）當(dāng)添加劑在后級(jí)濾袋場加入時(shí)，由于前級(jí)電場收集了絕大部分粉塵，會(huì)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）前級(jí)電場收下的粉塵沒有添加吸附劑，因此不受吸附劑的影響，可以繼續(xù)和相關(guān)建材搭配使用。

2） 流經(jīng)到后級(jí)濾袋的粉塵量較少，噴入的吸附劑受到的粉塵污染（中毒）小，可以提高吸附劑及汞的吸附效果，同時(shí)減少吸附劑的噴入量，如果對(duì)吸附劑進(jìn)行脫毒回用，還可以減少脫毒回用處理的工作量；

3） 被吸附劑污染的粉塵量少，處理費(fèi)用低。

（6）美國EERC（能源與環(huán)境研究中心）對(duì)電袋除塵汞的脫除進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明電袋除塵器對(duì)汞的脫除效率可以達(dá)到90%以上。

6 結(jié)語

電袋復(fù)合除塵器經(jīng)過理論分析，證明是目前捕集PM2.5粉塵的最佳技術(shù)之一。但是電袋復(fù)合除塵器目前在所應(yīng)用的除塵器總量中，相對(duì)靜電除塵器還很少。隨著環(huán)保要求的提高，電袋復(fù)合除塵器在除塵器的增效升級(jí)改造中將起到更加重要的作用，同時(shí)在建設(shè)生態(tài)型社會(huì)中將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

[1]齊立強(qiáng)，等.燃煤鍋爐電除塵器飛灰物化性質(zhì)及逃逸機(jī)制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，27（5）.

[2]黃斌，姚強(qiáng)，等.靜電增強(qiáng)脫除PM2.5研究進(jìn)展[J].電站系統(tǒng)工程，19（6）.

[3]郝吉明，等.燃煤源可吸入顆粒物的物理化學(xué)特征[M].北京：科學(xué)出版社，2008，6.

[4]邵華.電袋復(fù)合除塵器去除PM2.5的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士論文，2009.

[5]向曉東.煙塵纖維過濾理論、技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007，3.

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[7]劉后啟，林宏，等.電除塵器[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987，12.