细颗粒物控制技术现状研究

文_齐丛亮 吴傲立 尤胜胜 李玉 沈晓玲 孙彬彬 冯丽华

1.江苏中科睿赛污染控制工程有限公司 2.江苏中海华核环保有限公司

随着以能源消耗为主的现代工业的迅猛发展，我国的大气污染问题日益严重，许多地区出现灰霾天气。研究表明，细颗粒物是灰霾的核心污染物，细颗粒物又称可吸入肺颗粒物、PM2.5，是指空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒物总和。细颗粒物是灰霾污染的核心污染物，因此成为大气污染防治的重点。

目前，传统细颗粒物控制技术主要包括静电除尘技术和袋式除尘技术两种，与传统的控制技术相比，一些新兴的控制技术如电凝并技术、新型袋式除尘技术、三维过滤技术、可再生控制技术等在细颗粒物的高效捕集上表现出更好的应用前景。

1 传统细颗粒物控制技术

1.1 静电除尘技术

静电除尘技术是利用气体分子在高压静电场中电离出正、负电荷，使粉尘荷电最终吸附在高压静电场的阳极板上得到收集的处理技术。静电除尘器在正常工况下运行除尘效率高，但是对于细颗粒物来说，仍有15%以上的颗粒会离开除尘器排入大气且对于1μm附近的颗粒物的去除效果较差。这是因为静电除尘技术主要是靠颗粒荷电被吸附脱除，而1μm附近的颗粒物处在场荷电和扩散荷电混合区，其荷电能力很差，难以被去除。此外，静电除尘技术易产生臭氧，在实际应用过程中备受争议。

为此，可以通过以下两种方法进行改善：

①通过增大收尘器的体积，增大板间距或利用脉冲电压来改善电除尘器的供电条件，提供高强度的电晕电场强制粒子电荷。

②通过预荷电的方法，荷电后的颗粒能够通过颗粒间的惯性碰撞、颗粒扩散、空间电荷力、颗粒间的异极性吸引、颗粒间或颗粒与壁面的向力作用，使微细粒子凝并成较粗的粒子后加以去除。

1.2 袋式除尘技术

袋式除尘是目前使用较为广泛的除尘技术，主要通过筛分、惯性冲撞、粘附、扩散和静电等作用使含尘气体中的固体颗粒物分离。袋式除尘技术具有运行稳定、气体处理量大，对亚微米级粉尘颗粒收集效果好等优点。然而，袋式除尘技术所使用的编制或毡织的滤布使用寿命较短，在处理含有水分的废气时会导致滤袋粘结、堵塞。另外，其承受温度的能力也有限，限制了袋式除尘在工业上的实际应用。对于袋式除尘技术现有的不足，开发新型的高效过滤材料，或将其他除尘技术与袋式除尘技术相结合，备受人们的关注。

2 新型超细颗粒物控制技术

2.1 电凝并技术

细颗粒物的凝并技术主要包括声凝并、电凝并、磁凝并、热凝并和化学凝并等，其中最为常用的是电凝并技术。

电凝并技术主要是通过提高颗粒带电量，使荷电颗粒以电泳方式到达大颗粒表面，提高颗粒间的有效碰撞。其核心是确定电凝并系数（即两颗粒物单位时间、单位体积和单位浓度下的碰撞次数）的大小，尽可能地提高超细尘粒的电凝并速度，使超细尘粒在较短的时间内尽可能地凝并而增大粒径，从而被高效捕集。

近年来的实验研究表明，在直流、交变电场中的同极性、异极性离子对烟尘具有荷电凝并作用。然而实际应用中的电除尘器的烟尘预荷电装置大多是电除尘器稍加改进而成，并没有从根本上解决烟尘荷电凝并与电除尘器体积庞大的问题，而且局限于简单流动，未考虑在复杂湍流情况下的双极凝并现象。因此，对细粒子的控制中的电凝并技术，无论是原理还是实验上都需要进一步的研究改进。

2.2 新型袋式除尘技术

袋式除尘技术的关键就在于滤料的选择，所使用的滤料需要具备如下要求：①容尘量大、吸湿性小，阻力小；②使用寿命长，耐高温、耐磨、耐腐蚀。

目前，常用的滤料种类较多，按照材质可分为天然纤维、无机纤维和合成纤维。其中，天然纤维主要是棉毛织物，适用于无腐蚀性的气体；无机纤维主要是指玻璃纤维，其化学性质稳定，能够耐高温；合成纤维的性能各异，可以满足不同的需要，扩大了除尘技术的应用领域。

新型袋式除尘技术最主要的改进是开发耐腐蚀、耐高温的新型滤料，经研究发现，采用复合滤料和后处理工艺能显著加强滤料的耐腐蚀性。目前，复合型滤料已在水泥、天然气、化工等行业成功应用。

耐高温的滤料种类也已经趋于多样化，由于纯高温纤维滤料的生产成本较高，目前主要采用既能发挥进口耐高温纤维的特性，又能降低成本的新型耐高温针刺复合滤料的方法，开发出了耐高温复合滤料系列产品。新型袋式除尘技术在净化180～280℃的气体时具有很高的去除效率，但是对更高温度范围的含尘气体处理能力有限。

此外，将袋式除尘技术与静电除尘技术相结合，也可提高对PM2.5颗粒的捕集效率，降低运行成本。然而，在应用过程中也存在一定的弊端，静电除尘部分会产生一定量的臭氧，对袋式除尘滤袋有一定的腐蚀作用，减少了滤袋的使用寿命，限制了其在颗粒物捕集方面的实际应用。

2.3 三维过滤技术

传统的室内空气颗粒物控制技术所使用的过滤材料存在运行风阻较大、能耗高等问题，因此，亟须开发一种新型的高效过滤材料。三维过滤芯材料是目前新风系统市场上最先进、最有效的过滤材料之一，它能够有效过滤空气中的细颗粒物。

与传统的袋式或滤网过滤材料相比，三维滤纤滤芯具有诸多的优点。首先，与传统的袋式或滤网过滤所采用的阻挡颗粒物的过滤方式不同，三维滤纤滤芯能够沿纤维的全长对颗粒物进行分离过滤，主要利用静电作用完成吸附，因此也不会出现传统袋式或滤网过滤的堵塞问题；其次，三维滤纤滤芯的纤维可以产生静电，能够吸附无论是正电荷、负电荷还是零电荷的各种类型的颗粒物，扩大了设备的使用范围，使设备更具有实用性；最后，即使是在室外空气污染较严重的地方，三维滤纤滤芯仍然具有较长的生命周期，最长可达到2年更换一次（具体更换时间以当地室外环境为准），并且在整个的使用周期中，设备的风阻非常低，这也大大减少了设备的使用能耗。

由瑞典研发的Flimmer-fiter滤纤滤芯是世界上第一个采用三维技术的过滤装置，它具有非常高的过滤分离能力，被称为“智能化”过滤，可以从根本上避免室外污染对室内空气质量的影响。根据相关的试验表明，Flimmer三维滤纤滤芯的过滤效率达到欧标F7级，可以过滤0.1μm以上的细菌和微尘。此外，经过中国疾病防控中心检测的相关数据结果显示，Flimmer三维滤纤滤芯对PM2.5的过滤效率可以达到81.3%，是目前经权威部门鉴证的最有效过滤PM2.5的方式之一。

2.4 可再生控制技术

目前，国内市场上广泛使用的袋式等除尘装置中的过滤材料在一定时间后会达到饱和，需要对其进行定期的更换以保证除尘效率，这就增加了设备的使用成本。因此，细颗粒物的可再生控制技术引起了人们的广泛关注。可再生控制技术能够增加除尘装置的容尘量，减少设备的运行成本，具有良好的市场前景。

苗雷等发明了一种颗粒物捕集器的再生控制方法和装置，在颗粒物捕集器中的碳载量在预设范围内且气体温度大于预设温度的情况下，触发颗粒物捕集器的被动再生，通过被动再生与主动再生相结合，从而实现能耗的降低。刘屹等发明了一种主动再生式颗粒捕集再生控制软件系统，包括电源处理模块、信号采集模块、驱动控制模块、串口通讯模块和系统显示模块，通过这个系统设置使得颗粒物的控制实现智能化，并且能够提高颗粒物的捕集效率。

超细颗粒物可再生控制技术可以实现颗粒物捕集的自动化处理，可以解决传统除尘装置存在的滤布定期更换的问题，满足工业除尘的实际需要，成为了当下细颗粒物控制技术的研究热点。

3 结语

传统的除尘技术在使用过程中出现了诸多问题，迫使人们着力研究各种新技术，以满足当下实际生产生活的需要。本论文中所涉及到的电凝并技术、新型袋式除尘技术、三维过滤技术以及可再生控制技术都是潜在的高效捕集超细颗粒物的除尘技术，特别是三维过滤及可再生控制技术，都是当下研究的热点技术，但也仍然存在一些需要解决的问题。