細(xì)顆粒物控制技術(shù)現(xiàn)狀研究

文_齊叢亮 吳傲立 尤勝勝 李玉 沈曉玲 孫彬彬 馮麗華

1.江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司 2.江蘇中海華核環(huán)保有限公司

隨著以能源消耗為主的現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國的大氣污染問題日益嚴(yán)重，許多地區(qū)出現(xiàn)灰霾天氣。研究表明，細(xì)顆粒物是灰霾的核心污染物，細(xì)顆粒物又稱可吸入肺顆粒物、PM2.5，是指空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5μm的顆粒物總和。細(xì)顆粒物是灰霾污染的核心污染物，因此成為大氣污染防治的重點(diǎn)。

目前，傳統(tǒng)細(xì)顆粒物控制技術(shù)主要包括靜電除塵技術(shù)和袋式除塵技術(shù)兩種，與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，一些新興的控制技術(shù)如電凝并技術(shù)、新型袋式除塵技術(shù)、三維過濾技術(shù)、可再生控制技術(shù)等在細(xì)顆粒物的高效捕集上表現(xiàn)出更好的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)細(xì)顆粒物控制技術(shù)

1.1 靜電除塵技術(shù)

靜電除塵技術(shù)是利用氣體分子在高壓靜電場中電離出正、負(fù)電荷，使粉塵荷電最終吸附在高壓靜電場的陽極板上得到收集的處理技術(shù)。靜電除塵器在正常工況下運(yùn)行除塵效率高，但是對于細(xì)顆粒物來說，仍有15%以上的顆粒會離開除塵器排入大氣且對于1μm附近的顆粒物的去除效果較差。這是因為靜電除塵技術(shù)主要是靠顆粒荷電被吸附脫除，而1μm附近的顆粒物處在場荷電和擴(kuò)散荷電混合區(qū)，其荷電能力很差，難以被去除。此外，靜電除塵技術(shù)易產(chǎn)生臭氧，在實(shí)際應(yīng)用過程中備受爭議。

為此，可以通過以下兩種方法進(jìn)行改善：

①通過增大收塵器的體積，增大板間距或利用脈沖電壓來改善電除塵器的供電條件，提供高強(qiáng)度的電暈電場強(qiáng)制粒子電荷。

②通過預(yù)荷電的方法，荷電后的顆粒能夠通過顆粒間的慣性碰撞、顆粒擴(kuò)散、空間電荷力、顆粒間的異極性吸引、顆粒間或顆粒與壁面的向力作用，使微細(xì)粒子凝并成較粗的粒子后加以去除。

1.2 袋式除塵技術(shù)

袋式除塵是目前使用較為廣泛的除塵技術(shù)，主要通過篩分、慣性沖撞、粘附、擴(kuò)散和靜電等作用使含塵氣體中的固體顆粒物分離。袋式除塵技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、氣體處理量大，對亞微米級粉塵顆粒收集效果好等優(yōu)點(diǎn)。然而，袋式除塵技術(shù)所使用的編制或氈織的濾布使用壽命較短，在處理含有水分的廢氣時會導(dǎo)致濾袋粘結(jié)、堵塞。另外，其承受溫度的能力也有限，限制了袋式除塵在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。對于袋式除塵技術(shù)現(xiàn)有的不足，開發(fā)新型的高效過濾材料，或?qū)⑵渌龎m技術(shù)與袋式除塵技術(shù)相結(jié)合，備受人們的關(guān)注。

2 新型超細(xì)顆粒物控制技術(shù)

2.1 電凝并技術(shù)

細(xì)顆粒物的凝并技術(shù)主要包括聲凝并、電凝并、磁凝并、熱凝并和化學(xué)凝并等，其中最為常用的是電凝并技術(shù)。

電凝并技術(shù)主要是通過提高顆粒帶電量，使荷電顆粒以電泳方式到達(dá)大顆粒表面，提高顆粒間的有效碰撞。其核心是確定電凝并系數(shù)（即兩顆粒物單位時間、單位體積和單位濃度下的碰撞次數(shù)）的大小，盡可能地提高超細(xì)塵粒的電凝并速度，使超細(xì)塵粒在較短的時間內(nèi)盡可能地凝并而增大粒徑，從而被高效捕集。

近年來的實(shí)驗研究表明，在直流、交變電場中的同極性、異極性離子對煙塵具有荷電凝并作用。然而實(shí)際應(yīng)用中的電除塵器的煙塵預(yù)荷電裝置大多是電除塵器稍加改進(jìn)而成，并沒有從根本上解決煙塵荷電凝并與電除塵器體積龐大的問題，而且局限于簡單流動，未考慮在復(fù)雜湍流情況下的雙極凝并現(xiàn)象。因此，對細(xì)粒子的控制中的電凝并技術(shù)，無論是原理還是實(shí)驗上都需要進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

2.2 新型袋式除塵技術(shù)

袋式除塵技術(shù)的關(guān)鍵就在于濾料的選擇，所使用的濾料需要具備如下要求：①容塵量大、吸濕性小，阻力??；②使用壽命長，耐高溫、耐磨、耐腐蝕。

目前，常用的濾料種類較多，按照材質(zhì)可分為天然纖維、無機(jī)纖維和合成纖維。其中，天然纖維主要是棉毛織物，適用于無腐蝕性的氣體；無機(jī)纖維主要是指玻璃纖維，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠耐高溫；合成纖維的性能各異，可以滿足不同的需要，擴(kuò)大了除塵技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

新型袋式除塵技術(shù)最主要的改進(jìn)是開發(fā)耐腐蝕、耐高溫的新型濾料，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合濾料和后處理工藝能顯著加強(qiáng)濾料的耐腐蝕性。目前，復(fù)合型濾料已在水泥、天然氣、化工等行業(yè)成功應(yīng)用。

耐高溫的濾料種類也已經(jīng)趨于多樣化，由于純高溫纖維濾料的生產(chǎn)成本較高，目前主要采用既能發(fā)揮進(jìn)口耐高溫纖維的特性，又能降低成本的新型耐高溫針刺復(fù)合濾料的方法，開發(fā)出了耐高溫復(fù)合濾料系列產(chǎn)品。新型袋式除塵技術(shù)在凈化180～280℃的氣體時具有很高的去除效率，但是對更高溫度范圍的含塵氣體處理能力有限。

此外，將袋式除塵技術(shù)與靜電除塵技術(shù)相結(jié)合，也可提高對PM2.5顆粒的捕集效率，降低運(yùn)行成本。然而，在應(yīng)用過程中也存在一定的弊端，靜電除塵部分會產(chǎn)生一定量的臭氧，對袋式除塵濾袋有一定的腐蝕作用，減少了濾袋的使用壽命，限制了其在顆粒物捕集方面的實(shí)際應(yīng)用。

2.3 三維過濾技術(shù)

傳統(tǒng)的室內(nèi)空氣顆粒物控制技術(shù)所使用的過濾材料存在運(yùn)行風(fēng)阻較大、能耗高等問題，因此，亟須開發(fā)一種新型的高效過濾材料。三維過濾芯材料是目前新風(fēng)系統(tǒng)市場上最先進(jìn)、最有效的過濾材料之一，它能夠有效過濾空氣中的細(xì)顆粒物。

與傳統(tǒng)的袋式或濾網(wǎng)過濾材料相比，三維濾纖濾芯具有諸多的優(yōu)點(diǎn)。首先，與傳統(tǒng)的袋式或濾網(wǎng)過濾所采用的阻擋顆粒物的過濾方式不同，三維濾纖濾芯能夠沿纖維的全長對顆粒物進(jìn)行分離過濾，主要利用靜電作用完成吸附，因此也不會出現(xiàn)傳統(tǒng)袋式或濾網(wǎng)過濾的堵塞問題；其次，三維濾纖濾芯的纖維可以產(chǎn)生靜電，能夠吸附無論是正電荷、負(fù)電荷還是零電荷的各種類型的顆粒物，擴(kuò)大了設(shè)備的使用范圍，使設(shè)備更具有實(shí)用性；最后，即使是在室外空氣污染較嚴(yán)重的地方，三維濾纖濾芯仍然具有較長的生命周期，最長可達(dá)到2年更換一次（具體更換時間以當(dāng)?shù)厥彝猸h(huán)境為準(zhǔn)），并且在整個的使用周期中，設(shè)備的風(fēng)阻非常低，這也大大減少了設(shè)備的使用能耗。

由瑞典研發(fā)的Flimmer-fiter濾纖濾芯是世界上第一個采用三維技術(shù)的過濾裝置，它具有非常高的過濾分離能力，被稱為“智能化”過濾，可以從根本上避免室外污染對室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響。根據(jù)相關(guān)的試驗表明，F(xiàn)limmer三維濾纖濾芯的過濾效率達(dá)到歐標(biāo)F7級，可以過濾0.1μm以上的細(xì)菌和微塵。此外，經(jīng)過中國疾病防控中心檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，F(xiàn)limmer三維濾纖濾芯對PM2.5的過濾效率可以達(dá)到81.3%，是目前經(jīng)權(quán)威部門鑒證的最有效過濾PM2.5的方式之一。

2.4 可再生控制技術(shù)

目前，國內(nèi)市場上廣泛使用的袋式等除塵裝置中的過濾材料在一定時間后會達(dá)到飽和，需要對其進(jìn)行定期的更換以保證除塵效率，這就增加了設(shè)備的使用成本。因此，細(xì)顆粒物的可再生控制技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。可再生控制技術(shù)能夠增加除塵裝置的容塵量，減少設(shè)備的運(yùn)行成本，具有良好的市場前景。

苗雷等發(fā)明了一種顆粒物捕集器的再生控制方法和裝置，在顆粒物捕集器中的碳載量在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)且氣體溫度大于預(yù)設(shè)溫度的情況下，觸發(fā)顆粒物捕集器的被動再生，通過被動再生與主動再生相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)能耗的降低。劉屹等發(fā)明了一種主動再生式顆粒捕集再生控制軟件系統(tǒng)，包括電源處理模塊、信號采集模塊、驅(qū)動控制模塊、串口通訊模塊和系統(tǒng)顯示模塊，通過這個系統(tǒng)設(shè)置使得顆粒物的控制實(shí)現(xiàn)智能化，并且能夠提高顆粒物的捕集效率。

超細(xì)顆粒物可再生控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)顆粒物捕集的自動化處理，可以解決傳統(tǒng)除塵裝置存在的濾布定期更換的問題，滿足工業(yè)除塵的實(shí)際需要，成為了當(dāng)下細(xì)顆粒物控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的除塵技術(shù)在使用過程中出現(xiàn)了諸多問題，迫使人們著力研究各種新技術(shù)，以滿足當(dāng)下實(shí)際生產(chǎn)生活的需要。本論文中所涉及到的電凝并技術(shù)、新型袋式除塵技術(shù)、三維過濾技術(shù)以及可再生控制技術(shù)都是潛在的高效捕集超細(xì)顆粒物的除塵技術(shù)，特別是三維過濾及可再生控制技術(shù)，都是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)技術(shù)，但也仍然存在一些需要解決的問題。