电袋复合除尘器捕集微细粉尘PM2.5技术探讨

郑奎照

（福建龙净环保股份有限公司，福州 364000）

1 前言

近年来，PM2.5微细颗粒物产生的灰霾现象日益严重，已成为了社会高度关注的环保大事。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。且其能进入人体的细支气管和肺泡，影响人体健康。研究表明，PM10和PM2.5两种颗粒物相比较，后者有机提取物的毒性要大于前者，可致哺乳动物细胞发生恶性转化，引起细胞DNA断裂、染色体损伤、细胞间通讯抑制，因此可以认为，颗粒物可损害呼吸功能，引起炎症、哮喘等呼吸系统疾病，使心脏病的患病率与死亡危险增加，并具有潜在的致癌性。因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

国家高度重视PM2.5污染的控制，2011年环保部发布《火电厂大气污染物排放标准》，进一步提高了烟尘排放限值要求，要求新建燃煤发电厂烟尘排放浓度小于30mg/m3，重点地区小于20mg/m3；2011年11月，国务院《国家环境保护“十二五”规划》明确提出“在京津冀、长三角和珠三角等区域开展臭氧、细颗粒物（PM2.5）等污染物监测”；2011年12月，环保部审议并原则通过了新的《环境空气质量标准》，新标准首次将PM2.5纳入常规空气质量评价，在全国范围内实施。PM2.5超细粉尘的治理被提到了前所未有的高度，加强PM2.5控制技术装备的研发迫在眉捷。

2 国内外捕集PM2.5微细颗粒物技术

国内有关高等学院和研究机构的测试结果表明，静电除尘器和常规袋除尘器难以捕集0.1～1μm的粉尘颗粒，需要采用静电增强除尘技术。华北电力大学齐立强等[1]对华北某电厂670t/h煤粉锅炉尾三电场静电除尘器的入口和出口的烟道进行等速采样测试，发现电除尘器入口与出口的飞灰浓度分布明显不同，出口飞灰中细灰颗粒占飞灰的比例由入口的23.2%上升到93.6%，并说明“电除尘器对超细颗粒的捕集能力较低”。黄斌[2]等认为电袋复合除尘器一方面通过静电凝并使微细颗粒变成较大颗粒，另一方面颗粒带电又增强了粉尘层和纤维层对细颗粒的作用。清华大学通过对静电除尘器、袋除尘器和电袋复合除尘器三种除尘器的测试，认为电袋复合除尘器对PM2.5粉尘的捕集效率是三种除尘器中最高的。美国电力研究所和能源与环境研究中心，对电袋复合除尘器进行测试，结果证明对PM2.5微细粉尘的捕集效率可以达到90%。

中国工程院院士清华大学教授徐旭昌在《燃煤源可吸入颗粒物的物理化学特征》一书的序中[3]指出，“通过对不同荷电颗粒运动的研究，发现了荷电颗粒在两相流中两两相关的相互吸引、排斥、缠绕等规律；通过对微米级颗粒物在碰撞与团聚的动力学过程研究，发现了形成颗粒层结构与颗粒荷电、颗粒其它特性的关系，提出了微米颗粒动力学研究的新方法，为新型的电袋联合脱除技术的发展提供了基础数据，指明了新的研究方向。”

北京理工大学邵华[4]通过试验发现，电袋复合除尘器的粉尘捕集平均粒径由不荷电时的7.07μm增加到荷电时的10.58μm，由测试结果可以看出，在粒径小于10μm时，各区间的质量百分含量随着电场强度的增强均有减少的趋势，尤其PM2.5的含量减少的最多。

3 PM2.5微细颗粒物捕集技术的选择

PM2.5可入肺粉尘控制技术主要的传统组合技术有：静电加旋风除尘技术、静电加颗粒层除尘技术、电袋复合除尘器技术、静电除尘器加湿法脱硫技术，以及颗粒聚并长大技术（含电凝并、声波团聚、磁团聚、相关凝结长大和喘流团聚等）。

3.1 静电除尘技术

黄斌[2]等提出，首先从原理上来说静电除尘器主要是靠颗粒荷电被吸附而脱除，但是1μm附近的颗粒由于处在场荷电和扩散荷电的混合区，其荷电能力很差，从而很难脱除。再者从运行方面而言，由于静电除尘的二次扬尘使得PM2.5仍难得到控制。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，其中通过静电与其它方式结合的研究受到了广泛的重视。静电对小颗粒物的作用是通过电晕极产生电场在场中形成一个电子浓度Ni，颗粒通过其中从而荷电，其中较小颗粒0.1μm主要通过自身和电子的随机扩散和碰撞而带电，荷电数由下式中的①给出；较大颗粒（＞0.1μm）主要通过附着电场中方向运动的电子从而带电荷电数由下式②给出，剩余颗粒属于以上二者混合荷电机理。

式中：dp—颗粒直径；k=1.38×10-23，为Boltzmann常数。

3.2 湿式静电除尘技术

湿式电除尘器作为控制燃煤烟气PM2.5的设备，在发达国家的电力等工程领域得到了一定的推广应用。湿式电除尘器是用喷水或溢流水等方式使集尘极表面形成一层水膜，将沉集在极板上的粉尘冲走的电除尘器。湿式清灰可以避免已捕集粉尘的再飞扬，达到很高的除尘效率。但存在着腐蚀电极、污泥和污水的处理问题。

3.3 袋除尘技术

黄斌[2]等认为，袋除尘器主要靠惯性碰撞、拦截和扩散脱除粉尘，同样，由于1μm附近的粉尘颗粒正好处于惯性和扩散控制混合区，袋对其的脱除效率同样很低。即便现在采用的覆膜滤料增强了拦截作用，对PM2.5捕集作用显著增强，但也仍未能达到预期水平。

3.4 电袋复合除尘技术

电袋复合除尘器有机结合了电除尘器和袋除尘器，在具有电除尘器和袋除尘器优点的同时，利用电场使粉尘荷电，使微细粒子在电场中发生静电凝并而形成较大颗粒；未被电场捕集的粉尘在流向滤袋区的过程中，再次发生静电凝并，以及带电粉尘在滤袋表面沉积过程中发生库仑力、极化力和电场力的作用，使得微细粉尘PM2.5吸附、凝并，从而实现高效捕集。

4 电袋复合除尘器捕集PM2.5微细颗粒物机理探讨

4.1 电袋复合除尘器中的静电力

电袋复合除尘器前级电场使经过电场的粉尘电晕荷电，在静电力的作用下被极板捕集。同时经过前级电场使得未被电场捕集而流向后级滤袋区的绝大部分粉尘带电，这些带电粉尘产生静电力。按物理学方法，带电尘粒产生的静电力有3种：库仑力、极化力和外电场力，其中的极化力包括镜像力和电泳力。

库仑力是点电荷Q1与Q2之间的相互作用力，大小和Q1、Q2的乘积成正比，和它们之间的距离r的平方成反比，作用力的方向沿着它们的连线，同性电荷相斥，异性电荷相吸引。按向晓东[5]的研究，这种力的作用还可以表达成一个点电荷在另一个点电荷形成的电场中所受的力。并由叠加原理，可以得到在多个点电荷群中某一点电荷所受的力。把这一推理扩展到带电粒子和带电纤维的静电力分析中，球型粉尘带电量为q，圆柱状纤维单位长度带电量为Q的库仑力为式③：

式中：r —单位长度带电量为Q的柱状纤维中心线距球型粉尘中心的距离；

ε0—真空介电常数；

Ef—带电纤维在r处产生的电场。当在金属表面以外（距离为r）放置一个正电荷（+q）时，那么该电荷即将在金属表面上（不是内部）感应出负电荷（-q）；这两个正、负电荷之间将要相互吸引，该吸引力可以采用所谓镜像电荷的概念来计算：认为在金属表面以内离表面r处有一个负电荷（-q），这个（-q）与表面以外的（+q）的库仑作用力就是镜像力（力的大小与r成反比）。镜像力是电场中的中性体由于受到电场的极化作用会产生静电感应，导致中性体内产生电荷分布。

带电球型粒子和中性导电纤维间的镜像力为式④：

带电球型粒子和于非导电纤维的镜像力为式⑤：

式中：df— 为纤维直径；

εf— 为非导电纤维的相对介电常数。

在非均匀电场中，中性粒子会感应形成负电荷和正电荷，感应的负电荷处于较高的场强中，而感应的正电荷处于较低的电场中，感应负电荷的静电引力将大于感应正电荷的静电排斥力，使得中性粒子总是朝场强高的区域迁移。这样中性粒子会受到一个与场强增强方向一致的静电引力叫电泳力。

在空气中，作用在带电纤维附近的中性尘粒上的电泳力为式⑥：

式中：εp— 尘粒相对介电常数；dp— 粉尘粒径；Q — 纤维带电量。

4.2 电袋复合除尘器中静电力的作用

（1）粉尘在电场区后到达滤袋表面前的过渡区电凝并

粉尘在电场区的凝并由于篇幅所限这里不作研究，本文只研究离开前级电场区后的粉尘。未被电场区捕集的粉尘流向后级的过渡区，这些正负荷电粉尘之间、正荷电粉尘与中性粉尘之间、负荷电粉尘和中性粉尘之间受到库仑力，使得微细粒子在过渡区发生凝并，形成较大粒径的粉尘而不易穿透后级滤袋，更容易被后级滤袋捕集。

（2）粉尘在达到滤袋表面后的电凝并

1）带电粉尘与预涂灰粉尘的吸附和凝并

电袋复合除尘器的电场区未被捕集的粉尘必须通过滤袋过滤，不管粉尘是否带电，当这些粉尘受到烟气流负压作用，全部向滤袋表面驱进，而被吸附在滤袋表面。

相关学者对带电粉尘的纤维过滤性能进行大量不同的研究，认为滤袋纤维在开始工作时是不带电的中性纤维，带电粉尘由于库仑力的作用，粉尘会向中性纤维驱进，带电粉尘吸附在纤维上。因此与不带电粉尘相比，捕集效率更高。这一现象被Oak[6]等人的试验验证，不加电场时，纤维的背风面几乎没有沉积粉尘，只有加电场时纤维背风面才有积尘。而实际电袋复合除尘器为保护滤袋免受油烟的影响，新滤袋安装完后立即进行预涂灰。这些预涂灰本身由大小不同粒径粉尘组成，滤袋经过预涂灰后在滤袋表面形成一层粉尘层，在滤袋刚开始投入运行时，这层粉尘层阻挡细粉尘进入滤袋纤维内部，达到高的捕集效率。因此在实际过滤过程中，洁净滤料在预涂灰后直到使用寿命终结就不再是洁净滤料了，同时为防止过度清灰时纤维过滤效率下降，需要控制清灰的压力和间隔，使滤袋表面总是保持残留一层薄的粉尘层。这样滤料的内部过滤作用很少，基本上都是表面过滤。

2） 带电粉尘层的凝并

当带电粉尘不断聚集在滤袋表面后，在滤袋表面形成一层带负电的粉尘层，随着荷电粉尘在滤袋表面不断沉积，由于粉尘浓度不断增大，这些带电粉尘聚集在滤袋表面形成为大量负粒子的粉尘堆，从而形成电场，产生一定的电场强度。

这些粉尘层的作用之一是：烟气中不带电和带正电的粉尘降落在滤料表面过程中，被带负电的粉尘吸附，使其不易穿过粉尘层表面，因而不会渗入到滤料内部。根据尘粒的荷电机理有电场荷电和扩散荷电两种文献[7]，对于粒径小、比电阻高的粉尘很难在电场中荷电，因此经过电场后中性粒子大部分为粒径小的粉尘。

粉尘层的作用之二是：经过粉尘层形成的电场区间，虽然作用到粒子和纤维上的外加电场力不大，但粉尘层对带电和不带电尘粒的捕集是近距离的，这样极化效应就会发生作用，产生尘链聚集。以及中性粒子在非均匀电场中产生电泳力，使中性粒子朝电场高的区域移动而被捕集。

粉尘层的作用之三是：对新降落在粉尘层的带负电粉尘一方面受到负电粉尘的排斥力作用以及带电粉尘层不断释放静电，形成与气流相反的阻力，减缓粒子穿越表面粉尘层的速度和产生粉尘在滤袋表面的阻尼振荡；另一方面由于相同极性粉尘相互排斥，滤料表面的粉尘层疏松、粉尘层阻力小，滤料（包括粉尘层）压差小，对粉尘的吸力小，即粉尘的穿透力小。这样荷电粉尘加强了滤袋表面粉尘层的作用，即加强了表面过滤作用。

即使粉尘没有被滤袋表面带负电的粉尘捕集，在穿越预涂灰粉尘层的带电粉尘粒子后也会与中性纤维相互吸引，提高滤袋的捕集效果。

这些不断沉积在滤袋表面的带电粉尘的电量一部分随粉尘清灰被降落在除尘器的灰斗，通过灰斗的金属壁释放；另一部分通过粉尘本身传递到悬挂滤袋的花板释放。由于清灰有间隔和粉尘本身的导电性有限，使得滤袋表面带电粉尘量和带电量在发生周期变化。只要前级电场一直在工作，带电粉尘的源也就不会间断，在滤袋表面的带电粉尘的作用也就不会丧失。

正负荷电粉尘、正荷电粉尘与中性粉尘、负荷电粉尘和中性粉尘受到库仑力和气溶胶粒子的偶极效应，使得微细粒子的凝并作用更加明显。加上带电粉尘层的加强表面过滤作用。因此电袋复合除尘器对PM2.5粉尘具有较好的捕集效果。

5 开发联合捕集PM2.5和脱汞（重金属）多污染物协同处理技术

我国是汞污染严重的国家，其中燃煤所造成的汞排放问题尤为突出。随着污染情况的加剧以及国际控汞公约的即将签署，对燃煤电厂进行汞排放控制已经成为国内外的共识。我国政府已高度重视汞污染防治工作，国务院多次转发相关污染控制通知，并已正式发布了《重金属污染综合防治“十二五”规划》。目前我国燃煤电厂大气汞污染控制试点工作正式启动，并即将出台火电厂汞排放标准。在汞排放控制技术方面，利用现有的烟气净化设备（除尘或脱硫设施）进行协同除汞已成为技术开发的主流方向，其中粉状活性炭吸附脱汞技术（ACI）已得到初步商业化应用。电袋复合除尘器在活性炭脱汞方面具有如下优点：（1）除尘效率高，可以满足中长期粉尘排放标准要求。

（2）对捕集PM2.5微细粉尘，可以比静电除尘器和袋式除尘器有更高的效率，同样对极细的颗粒汞也有良好的捕集效果。

（3）清灰周期长，这样可延长吸附剂和汞的作用时间，提高汞的捕集效率。

（4）荷电粉尘和荷电吸附剂的气溶胶效应，有利于对含汞化合物颗粒和单质汞的吸附，提高汞的捕集效率。

（5）当添加剂在后级滤袋场加入时，由于前级电场收集了绝大部分粉尘，会有如下优点：

1）前级电场收下的粉尘没有添加吸附剂，因此不受吸附剂的影响，可以继续和相关建材搭配使用。

2） 流经到后级滤袋的粉尘量较少，喷入的吸附剂受到的粉尘污染（中毒）小，可以提高吸附剂及汞的吸附效果，同时减少吸附剂的喷入量，如果对吸附剂进行脱毒回用，还可以减少脱毒回用处理的工作量；

3） 被吸附剂污染的粉尘量少，处理费用低。

（6）美国EERC（能源与环境研究中心）对电袋除尘汞的脱除进行了测试，测试结果表明电袋除尘器对汞的脱除效率可以达到90%以上。

6 结语

电袋复合除尘器经过理论分析，证明是目前捕集PM2.5粉尘的最佳技术之一。但是电袋复合除尘器目前在所应用的除尘器总量中，相对静电除尘器还很少。随着环保要求的提高，电袋复合除尘器在除尘器的增效升级改造中将起到更加重要的作用，同时在建设生态型社会中将会发挥更大的作用。

[1]齐立强，等.燃煤锅炉电除尘器飞灰物化性质及逃逸机制[J].中国电机工程学报，27（5）.

[2]黄斌，姚强，等.静电增强脱除PM2.5研究进展[J].电站系统工程，19（6）.

[3]郝吉明，等.燃煤源可吸入颗粒物的物理化学特征[M].北京：科学出版社，2008，6.

[4]邵华.电袋复合除尘器去除PM2.5的基础实验研究[D].北京工业大学硕士论文，2009.

[5]向晓东.烟尘纤维过滤理论、技术及应用[M].北京：冶金工业出版社，2007，3.

[6]Oak MJ，Saville D A.The Buildup of Dendrite Structures on Fibers in the Presence of Srtong Electrostatic Fields.J.Colloid and Interface Science， 76（1），1980，259-262.

[7]刘后启，林宏，等.电除尘器[M].北京：中国建筑工业出版社，1987，12.