燃煤電廠細顆粒物PM2.5控制技術

王錚 謝興星 李小海 張長偉(大唐南京環(huán)?？萍加邢挢熑喂?， 江蘇 南京 211111)

燃煤電廠細顆粒物PM2.5控制技術

王錚 謝興星 李小海 張長偉(大唐南京環(huán)保科技有限責任公司， 江蘇 南京 211111)

燃煤電廠是大氣細顆粒物PM2.5排放的重要來源。本文闡述了燃煤電廠PM2.5的控制技術，包括燃燒前控制技術、燃燒中控制技術和燃燒后控制技術。重點介紹了燃燒后控制中的多種團聚技術和協(xié)同控制技術，指出了各種技術的利弊和應用前景。

燃煤電廠；控制技術

1 引言

細顆粒物(PM2.5)污染已成為我國突出的大氣環(huán)境問題，是造成大氣能見度降低、形成灰霾天氣的主要原因。鑒于PM2.5重大的環(huán)境和健康危害，2012年3月1日我國將PM2.5指標納入新修訂的《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)，從現(xiàn)在開始分步實施對PM2.5的監(jiān)測，并于2016年1月1日起在全國范圍實施[1]。

大氣中細顆粒物PM2.5的來源包括自然源和人為源，人為源又可分為固定源和移動源，前者如燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過程，后者如交通運輸?shù)?。近十年來，國內學者對國內部分城市大氣顆粒物源解析研究結果表明，燃煤電廠是大氣細顆粒物PM2.5的重要來源[2]。在燃煤電廠污染物控制設施中，除塵系統(tǒng)及濕法煙氣脫硫系統(tǒng)(WFGD)對顆粒物有很好的控制效果。現(xiàn)有除塵裝置的對粗顆粒除塵效率雖可高達99%以上，但細顆粒PM2.5在傳統(tǒng)除塵設施的穿透率較高。此外，經(jīng)WFGD系統(tǒng)后PM2.5濃度反而有可能增加，且物性發(fā)生顯著變化[2]。因為WFGD對煙氣中的二氧化硫著相對較高的脫除能力，但其對三氧化硫的脫除效率并不高。凈煙氣由WFGD排出后溫度通常低于于酸露點，導致排出的三氧化硫主要以硫酸氣溶膠的形式存在，這些硫酸氣溶膠會與大氣中的其他物質發(fā)生反應,形成二次可吸入顆粒物，這在一定程度上增加了細顆粒物PM2.5的濃度。

因此，通過一定的手段對燃煤電廠細顆粒物PM2.5的排放進行控制勢在必行。近年來，美國和一些歐洲國家對燃煤電廠細顆粒物PM2.5控制開展了大規(guī)模的研究工作，但由于燃煤電廠PM2.5的微觀性和復雜性，以及特護的化學行為與動力學行為，對超細顆粒物的污染控制的研究仍受到極大的制約。目前，主要的控制手段分為燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制(表1)[3]。

表1 燃煤電廠PM2.5控制技術

2 燃燒前控制技術

燃燒前控制主要通過洗煤、配煤、摻燒等手段調配燃料中的礦物組分，一方面減少無機礦物組分的氣化，從源頭上減少細顆粒物PM2.5的生成；另一方面，配煤或摻燒后產(chǎn)生的煙氣中的組分互相作用，促進細顆粒物與其他組分的碰撞結核轉變?yōu)榇箢w粒物，有利于除塵設施和濕法FGD對顆粒物的捕集[4]。

3 燃燒中控制技術

燃燒中控制技術主要是通過在燃燒爐中添加高溫條件下能夠穩(wěn)定存在吸附劑方式，使細顆粒物PM2.5的非均相反應和物理吸附抑制細顆粒物生成，進而抑制細顆粒物的形成，并增大燃煤顆粒物的粒度。此外還能促使細顆粒物PM2.5捕獲重金屬元素，并于有毒元素進行相互作用一并脫除，這也是燃燒中控制PM2.5排放的主要的方法。此外，基于對燃煤電廠汞等微量元素控制技術的研究發(fā)現(xiàn)，在燃燒中控制燃煤汞排放的同時，對PM2.5的控制有一定的協(xié)同控制效果，這主要是由于細顆粒物與有毒元素的相互作用最終聯(lián)合脫除。

4 燃燒后控制技術

燃燒后控制技術大體上可分為團聚技術和協(xié)同控制技術兩種主要類型。團聚技術的原理是通過一定的技術途徑使細顆粒物PM2.5團聚長成粗顆粒后再采用傳統(tǒng)除塵技術進行脫除。而協(xié)同控制技術則結合燃煤電廠現(xiàn)有設備對過程優(yōu)化或者多場協(xié)同作用，從而提升對細顆粒物PM2.5的脫除效果。

4.1 團聚技術

在傳統(tǒng)除塵器之前設置預處理階段，通過物理或者化學手段將超細粒PM2.5團聚成型較大的課題后再加以清除已經(jīng)成為除塵技術的研究熱點。團聚技術主要有電團聚技術、聲波團聚技術、磁團聚技術、化學團聚技術和蒸汽相變技術等。

(1)電團聚技術

電團聚的工作原理是通過增加細顆粒物的電荷能力，促進細顆粒以電泳的方式至飛灰顆粒的表面，從而增強顆粒間的團聚。電團聚主要的技術方法為同極性或者異極性電荷粉塵的庫倫團聚，以及不同電荷粉塵在恒電場或者交變電場中的團聚。在所有的技術中異極性電荷粉塵在交變電場中的團聚作用效果最佳。

電團聚技術能使除塵器對細顆粒物PM2.5的脫除效率大幅提升，但除塵極板在捕捉到一定量的粉塵后，效率將會大幅下降，需要進行再生后使用，這在一定程度的限制了電團聚的工業(yè)應用。

(2)聲波團聚技術

聲波團聚是根據(jù)聲學原理，利用具有高能力密度的聲區(qū)，使細顆粒物PM2.5之間發(fā)生相對運動，從而提高它們的碰撞團聚速率和概率，使細顆粒物發(fā)生團聚性能粗顆粒。

雖然聲波團聚因其能夠有效實現(xiàn)細顆粒粉塵的收集和去除，但工業(yè)應用卻存在著一定問題是：幾十甚至幾百千赫茲的聲波導致運行能耗過高；而且需要考慮噪音在環(huán)境和運行人員的人生傷害；此外，能在高溫高塵環(huán)境中使用的聲源仍處理理論探究階段。

(3)磁團聚技術

磁團聚是指強磁化的顆粒物在磁場的等作用下，利用磁性物質的相互作用，發(fā)生相對運動而碰撞而產(chǎn)生團聚作用，具有γ-Fe2O3和Fe3O4等磁性粒子是燃煤細顆粒具有鐵磁特性的主要原因。

磁團聚技術在選礦、物料提純、工業(yè)催化等生產(chǎn)中已經(jīng)成功應用，但磁團聚技術控制燃煤電廠細顆粒物PM2.5的排放研究仍處于起步階段。如何提高收集磁性塵粒子的效率，以及如何對磁性塵粒子進行清除還需進一步深入研究。

(4)化學團聚技術

化學團聚是利用吸附劑或者粘結劑來促進細顆粒物團聚從而進行脫除的預處理方法。主要通過物理吸附和換成反應相結合的機理來實現(xiàn)的。化學團聚劑成分包括高聚物粘結劑、潤濕劑等，一般選擇在電除塵器入口煙道進行噴入。然后利用帶有極性基團的高分子長鏈以“架橋”方式將多個細顆粒子進行連接團聚，提升電除塵對細顆粒的脫除性能。

化學團聚吸附原理簡單，不僅能實現(xiàn)對細顆粒物和多種污染物的團聚協(xié)同脫除，而且對下游設備影響很小，具有良好的應用前景。目前，國內外研究熱點主要在于吸附劑或者粘結劑的刷選，其中高嶺土、鋁土礦和石灰石等因高吸附性能的展現(xiàn)出工業(yè)應用潛質。

4.2 蒸汽相變技術

蒸汽相變技術利用過飽和水汽在微粒表面的凝結特性，從而使細顆粒發(fā)生團聚的原理對細顆粒物進行團聚脫除。特別適合于煙氣中含濕量較高的過程，在工程應用主要將其與濕式洗滌除塵、濕法煙氣脫硫等工藝進行結合[6]。

蒸汽相變技術是重要的預調的方法，但在實施過程中細顆粒物與脫硫洗滌液中會存在過飽和水汽在競爭凝結的現(xiàn)象，從而導致效果有所下降。此外，系統(tǒng)所配備的除霧器在實際應用中容易發(fā)生堵塞，導致壓降過高。

4.3 協(xié)同控制技術

協(xié)同控制技術是指在傳統(tǒng)除塵技術的基礎上，利用不同的除塵機理對傳統(tǒng)的除塵器進行改進，通過多種技術協(xié)調作用實現(xiàn)對細顆粒物排放的控制。其中，電袋復合除塵器和濕式靜電除塵器最為常見。

4.4 電袋復合除塵器

電袋復合除塵器有由靜電除塵和布袋除塵兩種成熟的除塵技術綜合形成。傳統(tǒng)的靜電除塵器中百分之八、九十的粉塵試在第一電場被除去，而剩余的細粉塵是在其他電場中被除。電袋復合除塵器只采用第一電場，利用布袋除塵單元剩余的細粉塵進行過濾脫除。這樣有利于布袋除塵單元降低除塵負荷、提高過濾速度，提升整體效率，增強對細顆粒物的脫除能力。

4.5 濕式靜電及其他新型除塵器

通過改進傳統(tǒng)除塵器的結構以提高其對細顆粒物的脫除性能是控制燃燒源細顆粒物的重要手段；目前以濕式靜電除塵器為主。

(1)濕式靜電除塵器(WESP)

濕式靜電除塵器對粉塵的捕集原理與干式靜電除塵器基本一樣，但在清灰方式上有所不同。濕式靜電除塵器適用于濕量高的煙氣，利用過飽和水汽在微粒表面的凝結特性，以及含有黏性顆粒和霧滴團聚的特性，結合濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)脫硫凈化濕煙氣中的細粉塵、酸霧及汞等的捕集。

目前濕式靜電除塵器在國內燃煤電廠應用過程中，存在集塵極板表面布水不均勻及集塵極的腐蝕的問題；此外，濕式靜電除塵器的系統(tǒng)投資和運行費用較高。

(2)其他新型除塵器

由協(xié)同技術新型衍射的新型除塵器有：介質阻擋放電ESP、電植絨集塵極ESP、泛比電阻ESP、移動電極ESP、長芒刺ESP 和CAROLA ESP等。這些新型除塵器技術在一定程度上能防止二次揚塵、反電暈現(xiàn)象、提高對微細粉塵的去除率等，具有一定的工程應用前景，但在燃煤電廠中能否對細顆粒物的穩(wěn)定的控制還需進一步探索。

5 結語

燃煤電廠是大氣細顆粒物PM2.5排放的重要來源，現(xiàn)有除塵設備和濕法脫硫設施很難實現(xiàn)細顆粒物PM2.5的脫除。燃煤電廠應根據(jù)實際情況，在現(xiàn)有設施的基礎上采用更加先進的除塵技術。團聚技術作為預處理環(huán)節(jié)使細顆粒物團聚形成粗顆粒物、再結合電袋復合除塵器和濕式靜電除塵器等加以清除，將成為細顆粒物PM2.5控制技術發(fā)展的趨勢。

[1]環(huán)境空氣質量標準GB3095-2012[S].

[2]代旭東.電廠PM2.5排放現(xiàn)狀與控制技術[J].能源環(huán)境保護,2011,25(6).

[3]易帆，徐明厚，于敦喜．燃燒過程中超細顆粒物的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．世界科技研究與發(fā)展，2002，(2)．

[4]魏風，張軍營，王春梅，鄭楚光．煤燃燒超細顆粒物團聚促進技術的研究進展[J]．煤炭轉化，2003，26(3) ：27—31．

[5]向曉東，等．交變電場中電凝并收塵理論與實驗研究[J]．環(huán)境科學學報，2000，20(2) ：187—191．

[6]顏金培，楊林軍，張霞,等．應用蒸汽相變機理脫除燃煤可吸入顆粒物實驗研究[J］．中國電機工程學報，2007，(35)．