可吸入颗粒物控制技术研究热点与趋势
摘要：综述了可吸入颗粒物的常规除尘技术和细颗粒凝并技术、联合脱除技术、电联合处理技术等新的控制技术。通过对可吸入颗粒物控制技术的研究现状分析，指出常规除尘技术和这些新的控制技术的应用局限性，在综合分析有关文献的基础上,提出利用纺织品滤料纤维改形（改性）后得到高效低阻的异型纤维材料来脱除可吸入颗粒物的新思路。
可吸入颗粒物指悬浮在空气中，空气动力学当量直径 ≤10μm的颗粒物(PM2.5)。可吸入颗粒物污染已成为大气环境污染的突出问题，并日益引起人们高度重视。可吸入颗粒受到的主要作用一般是气体扩散和湍流扩散，由于它质量微小且对气流跟随性极好，故在常规除尘设备中，几乎总是跟随气流一起运动，难于从气流中分离出来。此外由于可吸入颗粒粒径小、比表面积大，因而其吸附性很强，容易成为空气中各种有毒物质的载体，特别是容易吸附多环芳烃、多环苯类和重金属及微量元素等，是多种污染物(如重金属、酸性氧化物、有害有机物等)的载体和催化剂，有时能成为多种污染物的集合体 [1,2]。
因此，研究可吸入颗粒物的控制技术具有重要的意义。目前颗粒污染物控制技术的重点是如何提高细微颗粒物的分级效率，解决问题的思路有二：一是促使小颗粒变大颗粒；二是创造条件提高小颗粒的动力学捕集作用。小颗粒变大颗粒可以通过凝并也可以通过凝结作用，且在国外蒸汽凝结在冶金行业已有成功应用的案例。本文旨在对脱除可吸入颗粒物的控制技术做一定的归纳总结，以方便相关领域的科研工作。
1 控制技术的研究热点与趋势
1.1 常规除尘技术
目前工业上应用的除尘方法有干法和湿法两大类，传统的湿式除尘设备主要有水膜、泡沫、冲激、水浴等除尘器。湿法除尘存在物料难以回收、易造成污染转移以及高温环境下会造成能量浪费等缺点；干法除尘设备主要有旋风除尘器、布袋除尘器、电除尘器和颗粒层除尘器等。电除尘器对颗粒的比电阻要求严格；旋风除尘器处理粗粉尘颗粒效果较好，而对于微米级和亚微米级粒子其分离能力很低；多孔陶瓷高温除尘过滤器的除尘效率高,可达99 %以上,能除去粒径5μm以上的尘粒，但清灰比较困难；而移动颗粒层过滤除尘技术被认为是继陶瓷过滤器之后最具发展前途的高温除尘技术之一，但在高温下运行时,床层容易堵塞[3]。
为了弥补传统的控制技术在脱除超细颗粒物时的不足，细颗粒凝并技术、联合脱除技术、电催化氧化联合处理技术等新控制技术将成为未来发展的趋势,本文对这些技术的国内外研究现状进行了综述。
1.2 新控制技术
1.2.1 细颗粒凝并技术
从控制角度来看，清除可吸入颗粒可以通过内场力或外场力作用来使其发生凝并或团聚,其结果是使粒子的数目减少、粒子的有效直径增大,它易于被常规的分离设备分离，从而提高整体的清除效率。超细颗粒物凝并技术主要有声波凝并、电凝并、热凝并、化学凝并、磁凝并、光凝并和湍流边界层凝并等[3-7]。
声波凝并通过外加声波的作用使细颗粒发生碰撞团聚长大，团聚后产生的细颗粒团聚物的平均粒径大,从而通过常规的除尘设备将其清除，达到控制细颗粒排放的目的。通过声波团聚的方法控制超细颗粒物有较好的可行性和实际效果。但由于声波凝并问题本身的复杂性和超细颗粒物测试手段的局限性，目前还没有形成一个完整的体系，使得声波团聚超细颗粒物技术仍然处在实验探索和理论研究阶段。同时姚刚[6]指出，由于产生几十甚至几百千赫的声波，可能消耗大量能源，且产生很大的噪音等负面效果。
化学凝并是使用固体吸附剂捕获超细颗粒物的除尘方法，主要是通过物理吸附和化学反应相结合的机理来实现的。温绍国等[8]通过实验表明，凝聚剂存在下的凝聚是小粒径胶粒先凝并成较大的胶粒, 同时大粒径的胶粒凝并成更大的胶粒。张军营等[9]指出，在炉膛中加入固态吸附剂，可以使细小颗粒团聚形成较大颗粒，同时也可以抑制成核，吸收痕量金属元素，目前化学凝并主要采用硅土、矾土、石灰石等作为吸附剂，但在脱除0~5μm的可吸入颗粒物的同时也产生了其他的重金属颗粒污染物。
热凝并是指超细颗粒物在没有外力、温度较高的环境下产生明显的成核和凝并的现象。按经典的热团聚方程计算,团聚所用的时间约要9 h以上。由于热团聚过程缓慢, 因而难以在工业中得到应用。
电凝并[10]是通过增强微细颗粒的荷电能力，促进微细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒的表面，从而增强颗粒间的凝并效应。GAUNT等[11]指出，荷电水雾来捕集湿度较大的微细粉尘是一种较好的方法。荷电水雾振弦除尘技术是将液滴荷电技术与振弦除尘技术相结合，以求得对微细粉尘的高效捕集，而且能耗低、结构简单，是一种新型高效除尘技术[12]。用电凝并除尘器收集亚微米级粉尘的研究在理论和实验方面都取得了突破性进展[13]。虽然采用电团聚技术能够使电除尘器除去超细颗粒物的效率大为提高。但除尘极板捕捉的颗粒累计一定数量后, 效率大大降低, 从而限制了电凝并技术在工程中的应用。
磁凝并技术利用磁力脱除磁性颗粒物，而对无明显磁性的颗粒物，则通过磁化或者添加磁性颗粒物，利用磁性与非磁性颗粒物在磁场中运动的明显差异，增大颗粒物的碰撞与结合的几率，以便得到尺寸更大的颗粒团，从而便于进一步脱除超细颗粒物[14]。谭言毅等[15]运用单丝模型分析了高梯度磁分离器的粒子捕集机理。LUA等[16]在基于单丝模型的磁力除尘技术相关研究中，单丝模型没有考虑丝与丝之间的作用以及吸附在丝上粒子之间的作用，蓝惠霞[17]认为，在单丝模型中顺磁性材料的磁化系数为常数。磁力除尘技术不能大规模工业应用的主要原因是对弱磁性颗粒的收集及收集表面的清除还存在问题。
湍流凝并是指超细颗粒物在湍流射流中有明显的成核和凝聚现象，而且成核和凝聚的颗粒将进一步长大。边界层凝并是由于横向速度实用梯度引起的碰撞而导致的梯度凝并。在湍流流动中，同时存在热凝并、梯度凝并和湍流凝并，并且随着超细颗粒物直径的增大，此三种凝并作用依次增强。湍流脉动速度会促使颗粒碰撞并发生凝并，在湍流流动的边界层内，对于颗粒直径较小的微粒，由于横向速度梯度引起的凝并效果也非常明显。湍流团聚和梯度团聚在高温下或雷诺数较大时效果才比较明显，因此, 这类团聚技术有一定的局限性。
光凝并是指应用光辐射的原理促进颗粒物凝并。光凝并一般遵循如下过程：入射电子束→等离子体膨胀→等离子体云膨胀→成核→冷凝膨胀长大→凝结+不规则片形状→凝并→凝胶化。虽然通过改变激光传播的折射角、光的强度等多种参数可以促使超细颗粒发生团聚，但其成本相当大,目前还不可能大规模利用。
1.2.2 联合脱除技术
为了满足新的环保标准要求,有些电厂利用布袋除尘器对静电除尘器进行了改造，运用联合除尘技术的思想，研发了电袋复合式除尘器、静电增强颗粒层除尘器等新型设备。静电布袋复合式除尘器先利用静电除尘器将粒径在10 μm以上的粉尘除去,再利用布袋除尘器滤料自身固有以及附着在滤料表面的粉尘层的过滤特性,截留烟气中具有一定颗粒度的粉尘。联合除尘中静电布袋复合式除尘器是对粗细粉尘皆有效捕集的除尘设备[18]。静电增强颗粒层除尘器是将静电与颗粒层除尘器两者结合起来，其中粉尘和颗粒层都带电的结合方式对颗粒脱除作用最明显[5]。虽然联合脱除技术效果较好，但存在清灰难题。
1.2.3 电催化氧化联合处理技术
美国First-Energy公司和Powers-pan公司联合研制的电催化氧化联合处理过程（Eco Process）一种同时脱除NOx、SO2、细颗粒物和痕量元素的先进技术。烟气首先经过传统的干静电除尘器,除去大部分颗粒物及少量其他污染物;接着进入等离子体放电区,在这里气体污染物被氧化,如NOx 氧化为硝酸、SO2 氧化为硫酸、汞也变成了汞的氧化物;然后烟气进入湿静电除尘器,细颗粒物、气体污染物和N、S、Hg 等元素的氧化物被脱除[19]。ECO技术虽然可以实现多种污染物一体化去除，是烟气污染治理的发展方向，但是它在使用过程中投资高，耗能较大。
2 改型异型纤维除尘技术
虽然上述各种控制技术对脱除可吸入颗粒物有较好的效果，但在实际工程应用中，还存在一定的局限性，不能满足日益严格的环保要求，必须寻找脱除细微颗粒的新方法。
与以上控制技术相比，袋式除尘器具有运行稳定、除尘效率高、不受煤质和粉尘特性影响等特点。袋式除尘器的核心部分是滤袋。而滤袋的材质始终是袋式除尘器耐高温、防腐蚀发展的关键问题。常规滤料难以适应高温烟气腐蚀性强的工况条件，为了解决这一难题，需要寻求一种耐高温、抗酸碱腐蚀等良好性能的新型滤料以满足工程需求。利用异型纤维来改善过滤效果这一做法在实际工程还没有应用，但国外学者对过滤纤维单元的形状对过滤性能的影响也做了一些工作：HAIL等[20]提出纤维的形状对过滤特性影响的必要性研究。BROWN[21]、FARDY等 [22]、WANG[23]、OUYANG等[24]、ADAMINK[25]和RAYNOR [26]都试图研究纤维的形状对过滤特性影响，指出异型纤维较经典的圆柱纤维具有较高的过滤效果，但是没有深入系统研究纤维的方向和错排纤维结构之间的相互作用对过滤性能的影响。且很少涉及研究滤饼的形成对过滤性能的影响过程。
综上所述，纤维受颗粒的作用以及在高温滤料的过滤性能方面许多研究者已做了一定的研究，但脱除0～5μm的超细颗粒的难题并没有从根本上得到较好的解决。为此，可以考虑利用异型纤维过滤材料来脱除这部分超细颗粒(PM2.5）：即首先从纤维的微观结构入手，对纤维的结构改形，研究超细颗粒对纤维作用的力学表征，然后再对改形的异型纤维改性覆膜，进一步分析其表面过滤和深层过滤的机理，对纤维的形状和粗细进行合理的组合，把表面过滤技术和深层过滤技术结合起来获得更高效低阻的异型纤维过滤材料。从而为超细颗粒的脱除提供了一种新的思路。
3 结 语
（1） 当前迫切需要解决的难题是脱除0~5μm的可吸入颗粒物和富集的重金属、酸性氧化物及有害有机物。现有的湿法和干法除尘总体效果很好，但对于微米、亚微米甚至纳米级可吸入颗粒物的脱除分离效率很低。凝并促进技术、电催化氧化联合处理技术、联合除尘技术等新控制技术对超细可吸入颗粒物的脱除效果比较好，但各种新技术还存在一些缺点和不足。主要体现在：热凝并的凝聚过程较为缓慢,在工业上很难得到应用；声凝并可以大大提高微粒的凝并速度,但能耗太高且噪声很大；电凝并和光凝并对控制可吸入颗粒物是十分有效的,但一次性投资较高。联合脱除技术效果较好，但存在清灰难题，电催化氧化联合处理技术在使用过程中投资高，耗能较大。未来对颗粒的凝并分析时,需要对以下因素进行考虑：颗粒间彼此存在作用力情况下的凝并、颗粒的回弹和颗粒自身属性的影响。
（2） 通过上述学者的研究方向可以看出，对细微米除尘和纳米除尘规律的深入探讨，是对捕集微细可吸入颗粒物必定的研究趋势。虽然许多研究者对高温条件下滤料的过滤性能已做了一定的研究，但在脱除高温环境下的可吸入颗粒物方面还存在不足。从而提出了利用异型纤维及其织物结构来解决高温下超细颗粒的脱除的新思路：首先从纤维的微观结构入手，对纤维的结构改形，研究超细颗粒对纤维作用的力学表征，然后再对改形的异型纤维改性覆膜，进一步分析其表面过滤和深层过滤的机理，对纤维的形状和粗细进行合理的组合，把表面过滤技术和深层过滤技术结合起来获得更高效低阻的异型纤维过滤材料。
参考文献：（略）
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