可吸入顆粒物控制技術研究熱點與趨勢
摘要：綜述了可吸入顆粒物的常規除塵技術和細顆粒凝并技術、聯合脫除技術、電聯合處理技術等新的控制技術。通過對可吸入顆粒物控制技術的研究現狀分析，指出常規除塵技術和這些新的控制技術的應用局限性，在綜合分析有關文獻的基礎上,提出利用紡織品濾料纖維改形（改性）后得到高效低阻的異型纖維材料來脫除可吸入顆粒物的新思路。
可吸入顆粒物指懸浮在空氣中，空氣動力學當量直徑 ≤10μm的顆粒物(PM2.5)。可吸入顆粒物污染已成為大氣環境污染的突出問題，并日益引起人們高度重視。可吸入顆粒受到的主要作用一般是氣體擴散和湍流擴散，由于它質量微小且對氣流跟隨性極好，故在常規除塵設備中，幾乎總是跟隨氣流一起運動，難于從氣流中分離出來。此外由于可吸入顆粒粒徑小、比表面積大，因而其吸附性很強，容易成為空氣中各種有毒物質的載體，特別是容易吸附多環芳烴、多環苯類和重金屬及微量元素等，是多種污染物(如重金屬、酸性氧化物、有害有機物等)的載體和催化劑，有時能成為多種污染物的集合體 [1,2]。
因此，研究可吸入顆粒物的控制技術具有重要的意義。目前顆粒污染物控制技術的重點是如何提高細微顆粒物的分級效率，解決問題的思路有二：一是促使小顆粒變大顆粒；二是創造條件提高小顆粒的動力學捕集作用。小顆粒變大顆粒可以通過凝并也可以通過凝結作用，且在國外蒸汽凝結在冶金行業已有成功應用的案例。本文旨在對脫除可吸入顆粒物的控制技術做一定的歸納總結，以方便相關領域的科研工作。
1 控制技術的研究熱點與趨勢
1.1 常規除塵技術
目前工業上應用的除塵方法有干法和濕法兩大類，傳統的濕式除塵設備主要有水膜、泡沫、沖激、水浴等除塵器。濕法除塵存在物料難以回收、易造成污染轉移以及高溫環境下會造成能量浪費等缺點；干法除塵設備主要有旋風除塵器、布袋除塵器、電除塵器和顆粒層除塵器等。電除塵器對顆粒的比電阻要求嚴格；旋風除塵器處理粗粉塵顆粒效果較好，而對于微米級和亞微米級粒子其分離能力很低；多孔陶瓷高溫除塵過濾器的除塵效率高,可達99 %以上,能除去粒徑5μm以上的塵粒，但清灰比較困難；而移動顆粒層過濾除塵技術被認為是繼陶瓷過濾器之后最具發展前途的高溫除塵技術之一，但在高溫下運行時,床層容易堵塞[3]。
為了彌補傳統的控制技術在脫除超細顆粒物時的不足，細顆粒凝并技術、聯合脫除技術、電催化氧化聯合處理技術等新控制技術將成為未來發展的趨勢,本文對這些技術的國內外研究現狀進行了綜述。
1.2 新控制技術
1.2.1 細顆粒凝并技術
從控制角度來看，清除可吸入顆粒可以通過內場力或外場力作用來使其發生凝并或團聚,其結果是使粒子的數目減少、粒子的有效直徑增大,它易于被常規的分離設備分離，從而提高整體的清除效率。超細顆粒物凝并技術主要有聲波凝并、電凝并、熱凝并、化學凝并、磁凝并、光凝并和湍流邊界層凝并等[3-7]。
聲波凝并通過外加聲波的作用使細顆粒發生碰撞團聚長大，團聚后產生的細顆粒團聚物的平均粒徑大,從而通過常規的除塵設備將其清除，達到控制細顆粒排放的目的。通過聲波團聚的方法控制超細顆粒物有較好的可行性和實際效果。但由于聲波凝并問題本身的復雜性和超細顆粒物測試手段的局限性，目前還沒有形成一個完整的體系，使得聲波團聚超細顆粒物技術仍然處在實驗探索和理論研究階段。同時姚剛[6]指出，由于產生幾十甚至幾百千赫的聲波，可能消耗大量能源，且產生很大的噪音等負面效果。
化學凝并是使用固體吸附劑捕獲超細顆粒物的除塵方法，主要是通過物理吸附和化學反應相結合的機理來實現的。溫紹國等[8]通過實驗表明，凝聚劑存在下的凝聚是小粒徑膠粒先凝并成較大的膠粒, 同時大粒徑的膠粒凝并成更大的膠粒。張軍營等[9]指出，在爐膛中加入固態吸附劑，可以使細小顆粒團聚形成較大顆粒，同時也可以抑制成核，吸收痕量金屬元素，目前化學凝并主要采用硅土、礬土、石灰石等作為吸附劑，但在脫除0~5μm的可吸入顆粒物的同時也產生了其他的重金屬顆粒污染物。
熱凝并是指超細顆粒物在沒有外力、溫度較高的環境下產生明顯的成核和凝并的現象。按經典的熱團聚方程計算,團聚所用的時間約要9 h以上。由于熱團聚過程緩慢, 因而難以在工業中得到應用。
電凝并[10]是通過增強微細顆粒的荷電能力，促進微細顆粒以電泳方式到達飛灰顆粒的表面，從而增強顆粒間的凝并效應。GAUNT等[11]指出，荷電水霧來捕集濕度較大的微細粉塵是一種較好的方法。荷電水霧振弦除塵技術是將液滴荷電技術與振弦除塵技術相結合，以求得對微細粉塵的高效捕集，而且能耗低、結構簡單，是一種新型高效除塵技術[12]。用電凝并除塵器收集亞微米級粉塵的研究在理論和實驗方面都取得了突破性進展[13]。雖然采用電團聚技術能夠使電除塵器除去超細顆粒物的效率大為提高。但除塵極板捕捉的顆粒累計一定數量后, 效率大大降低, 從而限制了電凝并技術在工程中的應用。
磁凝并技術利用磁力脫除磁性顆粒物，而對無明顯磁性的顆粒物，則通過磁化或者添加磁性顆粒物，利用磁性與非磁性顆粒物在磁場中運動的明顯差異，增大顆粒物的碰撞與結合的幾率，以便得到尺寸更大的顆粒團，從而便于進一步脫除超細顆粒物[14]。譚言毅等[15]運用單絲模型分析了高梯度磁分離器的粒子捕集機理。LUA等[16]在基于單絲模型的磁力除塵技術相關研究中，單絲模型沒有考慮絲與絲之間的作用以及吸附在絲上粒子之間的作用，藍惠霞[17]認為，在單絲模型中順磁性材料的磁化系數為常數。磁力除塵技術不能大規模工業應用的主要原因是對弱磁性顆粒的收集及收集表面的清除還存在問題。
湍流凝并是指超細顆粒物在湍流射流中有明顯的成核和凝聚現象，而且成核和凝聚的顆粒將進一步長大。邊界層凝并是由于橫向速度實用梯度引起的碰撞而導致的梯度凝并。在湍流流動中，同時存在熱凝并、梯度凝并和湍流凝并，并且隨著超細顆粒物直徑的增大，此三種凝并作用依次增強。湍流脈動速度會促使顆粒碰撞并發生凝并，在湍流流動的邊界層內，對于顆粒直徑較小的微粒，由于橫向速度梯度引起的凝并效果也非常明顯。湍流團聚和梯度團聚在高溫下或雷諾數較大時效果才比較明顯，因此, 這類團聚技術有一定的局限性。
光凝并是指應用光輻射的原理促進顆粒物凝并。光凝并一般遵循如下過程：入射電子束→等離子體膨脹→等離子體云膨脹→成核→冷凝膨脹長大→凝結+不規則片形狀→凝并→凝膠化。雖然通過改變激光傳播的折射角、光的強度等多種參數可以促使超細顆粒發生團聚，但其成本相當大,目前還不可能大規模利用。
1.2.2 聯合脫除技術
為了滿足新的環保標準要求,有些電廠利用布袋除塵器對靜電除塵器進行了改造，運用聯合除塵技術的思想，研發了電袋復合式除塵器、靜電增強顆粒層除塵器等新型設備。靜電布袋復合式除塵器先利用靜電除塵器將粒徑在10 μm以上的粉塵除去,再利用布袋除塵器濾料自身固有以及附著在濾料表面的粉塵層的過濾特性,截留煙氣中具有一定顆粒度的粉塵。聯合除塵中靜電布袋復合式除塵器是對粗細粉塵皆有效捕集的除塵設備[18]。靜電增強顆粒層除塵器是將靜電與顆粒層除塵器兩者結合起來，其中粉塵和顆粒層都帶電的結合方式對顆粒脫除作用最明顯[5]。雖然聯合脫除技術效果較好，但存在清灰難題。
1.2.3 電催化氧化聯合處理技術
美國First-Energy公司和Powers-pan公司聯合研制的電催化氧化聯合處理過程（Eco Process）一種同時脫除NOx、SO2、細顆粒物和痕量元素的先進技術。煙氣首先經過傳統的干靜電除塵器,除去大部分顆粒物及少量其他污染物;接著進入等離子體放電區,在這里氣體污染物被氧化,如NOx 氧化為硝酸、SO2 氧化為硫酸、汞也變成了汞的氧化物;然后煙氣進入濕靜電除塵器,細顆粒物、氣體污染物和N、S、Hg 等元素的氧化物被脫除[19]。ECO技術雖然可以實現多種污染物一體化去除，是煙氣污染治理的發展方向，但是它在使用過程中投資高，耗能較大。
2 改型異型纖維除塵技術
雖然上述各種控制技術對脫除可吸入顆粒物有較好的效果，但在實際工程應用中，還存在一定的局限性，不能滿足日益嚴格的環保要求，必須尋找脫除細微顆粒的新方法。
與以上控制技術相比，袋式除塵器具有運行穩定、除塵效率高、不受煤質和粉塵特性影響等特點。袋式除塵器的核心部分是濾袋。而濾袋的材質始終是袋式除塵器耐高溫、防腐蝕發展的關鍵問題。常規濾料難以適應高溫煙氣腐蝕性強的工況條件，為了解決這一難題，需要尋求一種耐高溫、抗酸堿腐蝕等良好性能的新型濾料以滿足工程需求。利用異型纖維來改善過濾效果這一做法在實際工程還沒有應用，但國外學者對過濾纖維單元的形狀對過濾性能的影響也做了一些工作：HAIL等[20]提出纖維的形狀對過濾特性影響的必要性研究。BROWN[21]、FARDY等 [22]、WANG[23]、OUYANG等[24]、ADAMINK[25]和RAYNOR [26]都試圖研究纖維的形狀對過濾特性影響，指出異型纖維較經典的圓柱纖維具有較高的過濾效果，但是沒有深入系統研究纖維的方向和錯排纖維結構之間的相互作用對過濾性能的影響。且很少涉及研究濾餅的形成對過濾性能的影響過程。
綜上所述，纖維受顆粒的作用以及在高溫濾料的過濾性能方面許多研究者已做了一定的研究，但脫除0～5μm的超細顆粒的難題并沒有從根本上得到較好的解決。為此，可以考慮利用異型纖維過濾材料來脫除這部分超細顆粒(PM2.5）：即首先從纖維的微觀結構入手，對纖維的結構改形，研究超細顆粒對纖維作用的力學表征，然后再對改形的異型纖維改性覆膜，進一步分析其表面過濾和深層過濾的機理，對纖維的形狀和粗細進行合理的組合，把表面過濾技術和深層過濾技術結合起來獲得更高效低阻的異型纖維過濾材料。從而為超細顆粒的脫除提供了一種新的思路。
3 結 語
（1） 當前迫切需要解決的難題是脫除0~5μm的可吸入顆粒物和富集的重金屬、酸性氧化物及有害有機物。現有的濕法和干法除塵總體效果很好，但對于微米、亞微米甚至納米級可吸入顆粒物的脫除分離效率很低。凝并促進技術、電催化氧化聯合處理技術、聯合除塵技術等新控制技術對超細可吸入顆粒物的脫除效果比較好，但各種新技術還存在一些缺點和不足。主要體現在：熱凝并的凝聚過程較為緩慢,在工業上很難得到應用；聲凝并可以大大提高微粒的凝并速度,但能耗太高且噪聲很大；電凝并和光凝并對控制可吸入顆粒物是十分有效的,但一次性投資較高。聯合脫除技術效果較好，但存在清灰難題，電催化氧化聯合處理技術在使用過程中投資高，耗能較大。未來對顆粒的凝并分析時,需要對以下因素進行考慮：顆粒間彼此存在作用力情況下的凝并、顆粒的回彈和顆粒自身屬性的影響。
（2） 通過上述學者的研究方向可以看出，對細微米除塵和納米除塵規律的深入探討，是對捕集微細可吸入顆粒物必定的研究趨勢。雖然許多研究者對高溫條件下濾料的過濾性能已做了一定的研究，但在脫除高溫環境下的可吸入顆粒物方面還存在不足。從而提出了利用異型纖維及其織物結構來解決高溫下超細顆粒的脫除的新思路：首先從纖維的微觀結構入手，對纖維的結構改形，研究超細顆粒對纖維作用的力學表征，然后再對改形的異型纖維改性覆膜，進一步分析其表面過濾和深層過濾的機理，對纖維的形狀和粗細進行合理的組合，把表面過濾技術和深層過濾技術結合起來獲得更高效低阻的異型纖維過濾材料。
參考文獻：（略）
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