浅谈pm25中亚微米粒子的控制技术

浅谈pm25中亚微米粒子的控制技术

1我国的界定标准大气颗粒是指含有固体和液体颗粒的总称。根据其粒径，可分为粗分散系统（粒径）10m和胶体分散系统（0.00110m）。总悬浮颗粒（tsp）和可吸收颗粒（pm0）是两种参考单元，反映了大气中悬浮颗粒的浓度。2000年前我国粉尘污染控制的主要管理模式为:环境空气质量管理目标是总悬浮颗粒物(TSP),环境目标值为GB3095—1996《环境空气质量标准》的二级标准浓度限值,但是2000年以后我国改变了粉尘污染管理模式,由大颗粒控制变为对人体健康危害更大的小颗粒物的控制。目前,大多数国家都规定了PM10的质量标准,我国于1996年颁布新的空气质量标准中,规定PM10的二级质量标准为0.10mg/m3,但是国外更注重空气中的超细颗粒物,即空气动力学当量直径小于2.5μm的粒子(PM2.5)。大部分有害元素和化合物都富集在超细颗粒物上,而随着其粒径的减小,超细颗粒物在大气中的停留时间和在呼吸系统的吸收率会随之增加,所以美国EPA在1997年颁布的超细颗粒物的空气质量标准中就规定,年均值15μg/m3,日均值65μg/m3。我国这方面的研究刚起步,目前对于超细颗粒物的研究成为一个热点。我国研究人员在过去的研究中发现,细颗粒物主要来源于燃料燃烧等人为活动,如能源工业部门煤炭的燃烧、机动车尾气的排放、金属冶炼过程中金属蒸汽的冷凝聚结、居民生活炉灶的燃烧等。另外,排入大气中的SO2,NOx等气态污染物经化学反应后也可以形成粒径较小的二次粒子。香烟烟雾颗粒的空气动力学直径大多也在0.1~1.0μm。我国大气PM2.5的污染十分严重,经过部分专家对我国几所城市进行了数年的研究对比后发现,我国水平普遍超过了美国新标准的2~8倍。2亚微酸和光的损伤2.1细颗粒物污染对hsfd的影响自上个世纪80年代后期以来,人们逐渐重视大气颗粒物对健康影响的研究。不少研究发现,大气中PM2.5浓度的上升与咳嗽等呼吸道症状产生、肺功能减弱及哮喘的发病相关。国际标准化组织(ISO)提出的易引起儿童和承认发生肺部疾病的高危性颗粒物为粒径小于2.4μm的颗粒物,与PM2.5甚为接近。德国HEINRICH等研究发现在开矿区与冶金工业污染区的儿童患呼吸系统疾病与过敏性疾病的概率增高。2000年12月英国专家认为细颗粒物是导致人类死亡率上升的主要原因,尤其是呼吸系统疾病及心肺疾病的死亡率。研究者还发现大气颗粒物的污染与人类生殖能力的改变显著相关,DEJMEK等对波希米亚北部的一组孕妇进行研究发现,对于高浓度的PM2.5暴露(大于37μm/m3),孕妇出现IUGR的OR值为2.11,表明高浓度的细颗粒物污染会对胚胎发育造成影响。另外,PM2.5甚至可以进入血液系统中去,直接导致心血管疾病。2.2光信号的吸收大气能见度的降低主要是由于物体和环境之间失去了对比度,以及大气颗粒物和气体污染物对光的吸收和散射减弱了光信号。PM2.5对光的吸收效应几乎全部是由碳黑和含有碳黑的颗粒物造成的。尽管全世界每年的碳黑仅占人为颗粒物排放量的1.1%~2.5%和全部颗粒物排放量的0.2%~1.0%,但其引起的消光效应却要高的很,在某些地方甚至可以使能见度降低到一半以上。3中国污染现状和污染特点3.1我国的环境目前,我国还没有对PM2.5进行大规模的系统研究,只有部分城市在个别点进行了一些短期的研究,监测结果见图1。图中给出了我国和美国部分城市PM2.5的污染情况,都可以看出,我国PM2.5污染非常严重。在我国沿海地区,青岛、上海、香港、深圳、厦门以及台北等城市PM2.5的污染水平较低,这可能是特殊的地理位置所造成的,在内陆地区,南京、太原、柳州等污染十分严重,最高值(南京)都能达到美国PM2.5日均浓度标准的4.6倍。3.2时代分布之最王丽京等取北京大学、东四和中国气象局探测基地3个观测站每个代表月的所有观测日的平均值作为北京市该季度PM2.5的质量浓度,对其季变化进行了研究,发现夏季PM2.5的质量浓度最高,秋季最低,春冬两季相差不大;刘咸德等对青岛PM2.5的研究也得到了相同的结果;而朱易等研究发现,南宁市PM2.5的污染春、冬季明显大于夏、秋季,丛俊等还得出其日变化呈现双峰、双谷现象,夜间高、白天低,上午高、下午低。PM2.5质量浓度季变化规律的不同可能与各地污染源排放结构、气象条件等因素有关,监测时间短也是一个重要原因。3.3时代内点中西方地层中pm.5的质量浓度王庚辰等对北京地区PM2.5的质量浓度的垂直分布进行了研究,发现其随高度的增加而减小。在夏季,边界层中PM2.5的质量浓度为近地面相应值的90%左右,而在冬季则为70%~80%。对澳门地区道路附近的PM2.5质量浓度的垂直分布进行了研究,发现PM2.5的质量浓度随高度的上升先下降,当高度上升至30m左右后,浓度变化趋于平缓,这与北京市近地层PM2.5质量浓度随高度变化的趋势一致。4路径和主要研究内容在过去的10多年间,美国和一些欧洲国家开展了大规模的PM2.5研究,主要涉及PM2.5质量浓度的时空分布、排放清单、排放特征谱、源解析以及PM2.5对大气能见度和人体健康影响等方面。但在众多的研究中,对除去亚微米粉尘的设备是目前研究者考虑最多的因素。4.1提高电除尘器供电条件目前,国内传统的除尘方法是利用旋风、电除尘器等,尤其以电除尘为主,其中电除尘器的数量占国内市场总量的75%。2004年我国实施新的火电厂大气污染物排放标准,烟尘最高允许排放质量浓度为50mg/m3,但由于工业生产过程中产生的粉尘颗粒的尺寸范围很大,涵盖了从亚微米的分子簇到易于沉降的毫米级微粒,所以现有的新、老电除尘器绝大多数难以达到新的排放标准,电除尘器在正常运行工况下除尘效率很高,但是对于超细颗粒物来说,仍有高达15%的颗粒会离开除尘器排入大气。如此多的小颗粒进入大气会导致许多问题,其中最严重的就是环境的人类健康问题。从原理上来说,静电除尘器主要是靠颗粒荷电被吸附而脱出,但是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,从而难以去除。因此,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荷电是一种方法,可以通过增大收尘器体积、增大板间距或用脉冲电压来实现;也可以采用预荷电的方法,荷电后的颗粒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象力使微细粒子凝并成较粗的粒子后来加以去除。对第二种方法,研究最多的是声凝并和电凝并。4.2结构工艺研究随着人们对PM2.5危害性的认识,国内严格的控制法规即将出台,国内外许多研究人员已经开始对PM2.5脱除从机理和运行工艺上进行研究,其中,通过静电和其他方式结合的研究受到了广泛的重视。4.2.1添加电晕极的影响旋风除尘器是一种传统的除尘设备,主要靠高速旋转运动的气流产生的离心力对颗粒进行分离,具有结构简单、造价低廉等特点。但其对细粒的控制作用较弱。静电增强旋风分离器的基本思想就是在旋风分离器空腔主轴上加入电晕极,在其周围能产生较高的电子密度Ni和较强的电场力E,若近似地把其看作是串联,那么在下行流区旋风分离起主要作用,脱除掉较大的颗粒,未能分离的小颗粒将随气流进入上行区,上行区离电晕极较近,这将使其受到更强的电场力而径向运动到下行流区直至撞到壁面被捕获。由于下行流区同样受静电力的作用,对大颗粒的分级效率也提高。王志等的实验显示,电场为10~25kV时,当风速达到16m/s时,总效率与不加电场时相同。但总的来说,在较大一个风速范围内,效率随着风速的降低会有所升高,而且高速气流能起到清灰作用,能有效防止后电晕发生,对各种比电阻都有较好的适应性。4.2.2高效节能技术颗粒层除尘器是利用粒状物料(通常是1.5~5mm石英砂)作为过滤介质净化烟气的除尘设备,在水泥、炼焦、化工和冶金业得到广泛运用。其具有耐高温和高效性等特点,在IGCC和PFBC燃煤联合循环发电系统燃气轮机入口烟气净化方面得到了重点研究。但这种方式主要还是依靠扩散、惯性碰撞和拦截作用,所以其对PM2.5的脱除并不好。4.2.3增强颗粒层除尘器静电除尘器后的烟气中颗粒已经很少,加上由于这些颗粒都带有相同电荷而相互排斥,能在滤袋表面形成更多孔隙和凝并的颗粒层,从而过滤阻力较小,表面清灰容易,脉冲清灰时间增加,能耗降低,并且颗粒带电又增强了粉尘层和纤维层对细颗粒的作用,其机理类似于前述电场增强颗粒层除尘器。ESP与布袋除尘的结合,通过调整各自负荷,还可以适应更广泛性质的尘粒。另外,鉴于ESP除去了大部分的颗粒,可在ESP后喷入吸收剂脱除SO2,Hg等污染物,然后吸收剂进行多次循环利用,可以提高协同脱除效率和吸收剂使用率。由于一些电厂已没有足够的空间在ESP后再加一级COHPAC,研究者对以上系统进行进一步改进。图2系合成式COHPAC系统图,在ESP中用脉冲布袋代替电极板,电除尘和布袋除尘之间用挡板隔开,防止静电场对布袋的破坏。这种方式继承了前述的技术,仍属于二者的串联,具有同样优点。4.3除颗粒颗粒外，共叠加技术还去除多余颗粒4.3.1在电极作用上的电极化作用。在颗粒的表面上代表了电极的形成和来源之一超细颗粒物的凝并技术主要有:声凝并、电凝并、磁凝并、热凝并、湍流边界层凝并、光凝并和化学凝并,其中最为常用的是电凝并。电凝并是通过增加细微颗粒的荷电能力,促进微细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量,从而增加颗粒间的凝并效应。在外电场中,微粒内的正负电荷受到电场力的排斥,吸引而作相对位移。尽管位移是分子尺寸的,但相邻分子的积累效应就在微粒两侧表面分别聚集有等量的正负束缚电荷,并在微粒内部产生沿电场方向的电偶极矩。电场对微粒的这种作用即为电极化作用。微粒荷电后成为一种电介质,这种电介质进入电晕电扬后,在场强的作用下,其原子或分子发生位移极化或取向极化,产生附加电场,这种附加电场反过来又进一步改善其极化程序。微粒在电场中被极化而产生极化电荷,无论在非均匀电场(如电除尘器的电晕板附近),或在均匀电场(如电除尘器的近收尘极区域),粒子的偶极效应将使粒子沿着电力线移动,在很短的时间内就会使许多粒子沿电场方向凝结在一起,形成灰珠串型(亦称链式结构)的粒子集合体。因此,只要有电场的存在,粒子就会极化,就会有凝并现象发生。而且这种粒子的偶极效应不仅发生在电场空间,形成空间凝并,即使在电除尘器的收尘极板上,已释放电荷的粒子间仍由于极化作用的存在而凝并在一起。电凝并理论与实验研究的核心是确定电凝并速率(电凝并系数)的大小,其研究目的是尽可能地提高微细尘粒的电凝并速度,使微细尘粒在较短的时间内尽可能地凝并而增大粒径,从而有利于被捕集。4.3.2双极荷电静电凝并2000年向晓东等进行了交变电场中电凝并收尘理论与实验的研究,应用类似于Williasms求声凝并系数的方法导出异性荷电粉尘在交变电场中的凝并系数,根据关于粉尘凝并过程趋于“自保分布”的概念,建立了多分散性粉尘粒度分布随凝并时间变化的函数式,异性荷电粉尘在交变电场中的凝并实验结果表明,新型双区电凝并除尘装置的除尘效率不仅高于电除尘器,而且优于三区电凝并除尘装置。2001年刘功智等进行了双极不对称预荷电静电凝聚除尘研究,采用双极不对称荷电增强方式,将普通静电增强效果与粉尘凝并机能有机地结合在一起,提高过滤除尘器的收尘效率,尤其是粒径小于10μm的粉尘收集效率。2003年王连泽等进行了双极荷电粉尘颗粒凝聚的实验研究,采取将含尘气体并行分别通过正负放电电场,然后再合二为一,空间大尺度范围依靠湍流输运,近距离依靠库仑力及范德瓦力的双极荷电凝聚方式,以滑石粉和锅炉飞灰为实验粉尘,研究了气流速度、含尘浓度、正负放电强度配合等因素对凝聚效率的影响,得到了双极荷电可使沉降收集效率提高约10%的静电凝聚效果。从上述实验研究表明,在