国内外细颗粒物控制技术的研究进展

燃烧源细颗粒物（PM2.5）控制技术的研究进展东南大学能源与环境学院2010.11.31第一章绪论1.1细颗粒物的来源细颗粒物（可吸入颗粒物）的来源包括自然源和人为源：①自然源：植物花粉和孢子、土壤扬尘、海盐、森林火灾、火山爆发等；②人为源：又可分为固定源和移动源，前者如燃料燃烧、工业生产过程，后者如交通运输等。大气颗粒物的来源和发生量会因不同国家和地区的经济发展、能源结构、工艺方法以及管理水平的不同而存在很大的差别。表1.1不同城市PM10的源解析城市主要排放源对PM10贡献率%燃煤尘建筑尘土壤尘冶炼尘其他源合计抚顺44.50.535.08.311.7100杭州26.222.56.43.841.1100银川29.310.135.55.319.8100济南26.012.034.017.011.0100重庆36.44.222.428.09.0100武汉20.022.040.05.013.0100近十年来，国内学者对抚顺、杭州、银川、济南、重庆、武汉等城市的大气颗粒物进行了源解析研究，其结果见表1.1；可知，燃煤烟尘是各城市PM10的主要来源之一，其对PM10的贡献率为20.0%~44.5%。第一章绪论1.2细颗粒物对大气环境和人体健康的影响一．对人体健康的影响细颗粒物能长期悬浮于大气环境，具有很大的比表面积，易于富集多环芳香烃、多环苯类、病毒和细菌等有毒物质，以及痕量有毒元素；PM2.5又称为可入肺颗粒物，能够进入人体肺泡甚至血液循环系统，一旦在人体呼吸系统沉积将产生严重的危害。二．对大气环境的影响是导致大气能见度降低、灰霾天气和全球气候变化等重大环境问题的重要因素。大气颗粒物还是气候效应的主要参与者，其中硫酸盐、有机碳和矿物质类颗粒物具有冷却效应，而黑碳颗粒物具有温室效应。DPF移动源（汽车）固定源（燃煤电厂）大气环境(成核、聚并、长大)形成-排放-影响-控制固定源、移动源细颗粒物排放及其影响健康、环境、气候烟气脱硫烟气脱硝(a)CPM2.5=8g/m3(b)CPM2.5=40g/m3图1.1细颗粒物对大气能见度影响示意图我国城市大气严重污染。例：2007年大气质量达到优的只占2.4%，而三级以上的达到39.5%首要污染物：可吸入颗粒物（PM10）细颗粒物（PM2.5）在PM10中质量浓度超过50%数量浓度超过90%以工业为主的固定源（燃煤）和以交通为主的移动源（汽车）图1.21990-2005年全国人为源大气颗粒物排放量细颗粒物是区域大气复合污染的核心污染物050100150200250300350400135791113151719212325272931日期API武汉南京合肥上海050100150200250300350400135791113151719212325272931日期API北京天津石家庄0.00.10.10.20.20.30.312345678910111213141516171819202122232425262728293031日期（2002年1月）PM10Concentration(mg/m3)ZhuhaiGuangzhouShenzhen首要污染物频度细颗粒物不仅本身严重污染环境，同时还在复合污染形成的非均相反应中起关键作用。固定源排放以粒径小于2.5微米甚至亚微米级的细颗粒为主，以数量计可达到颗粒物总数的90%以上；细颗粒物的捕获率低：现有除尘装置的除尘效率可高达99%以上，但这些除尘器对细颗粒物的捕获率较低。0.010.1110-20246810121416McElroy,1982Ensor,1983MohrSA,1996MohrCO,1996Ylatalo,1998Yi(II),2006Yi(III),2006Yue,2007穿透率,%空气动力学直径,m图1.3现有各种除尘设备中细颗粒的穿透率1.3现有污染控制设施脱除细颗粒物的性能WFGD系统虽可有效脱除SO2和粗粉尘，但对PM2.5的捕集效率较低，且随粒径减小脱除效率显著下降。目前的除尘设备多以质量脱除效率表示除尘性能，不能正确反映对细颗粒物的脱除效果；如对于全效率为99%的静电除尘，约有1%的飞灰排入大气，该部分飞灰以粒径小于2.5m的细颗粒为主，其数量可达到90%以上。因此，针对燃烧源细颗粒物，以颗粒数量浓度脱除率衡量除尘性能要比颗粒的质量浓度脱除率更有实际意义。1.4细颗粒物控制技术的发展方向一．燃烧过程中减少细颗粒物的生成；二．燃烧后控制：①通过不同技术途径使细颗粒物长大后采用传统除尘技术脱除；②结合现有污染物控制设备进行过程优化以及多场协同作用提高对细颗粒物的脱除效果。I.燃煤中减少细颗粒物生成的途径煤+煤煤+生物质(1)燃料矿物组分调配减少细颗粒物生成的机制吸附剂添加剂(3)燃烧过程中非均相反应和物理吸附抑制细颗粒物生成细微颗粒重金属O2/CO2温度氧含量燃烧气氛(2)燃烧方式调整控制炉内细颗粒物生成(4)细颗粒物与有毒元素的相互作用与联合脱除II.燃油中降低碳质颗粒物形成、强化后期氧化的途径柴油机传统的内燃机燃烧方式，燃烧后期碳烟颗粒氧化速率大幅度降低，强化后期氧化，可大幅度降低颗粒物排放13汽油机(GDI)扩散燃烧-100102030400.00.20.40.60.8PM/DS/SOFmass/(mg/cycle)PMDSSOFPcr=90MPaCrankangle/°CAATDCIII.燃烧后控制一．通过不同技术途径使细颗粒物长大后采用传统除尘技术脱除利用电场、声场、磁场等外场作用及在烟气中喷入少量化学团聚剂等措施增进细颗粒物间的有效碰撞接触，促进其碰撞团聚长大，以及利用过饱和水汽在细颗粒物表面核化凝结的凝并长大等。二．结合现有污染物控制设备进行过程优化以及多场协同作用提高对细颗粒物的脱除效果采用复合式除尘器与传统除尘器的改进；前者将不同的除尘机理有机结合，使它们共同作用以提高对细颗粒物的脱除效果，其中多数复合除尘器（技术）是利用静电力作用，如电袋复合除尘器；后者主要通过改进传统除尘器的结构以提高其对细颗粒物的脱除效果，如湿式静电除尘器。美国能源部的燃烧源控制计划：国家能源技术实验室主持，和哈佛大学、卡耐基-梅隆大学、布鲁克海文国家实验室、工业界研发机构等24家单位参与美国NSF资助的移动源和固定源矿物燃料燃烧产生的细颗粒物的分子结构和微观结构的研究欧盟组织了欧洲协作颗粒物排放清单研究计划(CEPMEIP)等项目日本启动了PM2.5和柴油机颗粒物的研究计划1.5近期国际国内研究热点国际上各个国家都将颗粒物作为大气环境污染和控制研究的重点美国、欧州、日本、澳大利亚等都长期支持相关的研究工作一．国际973计划：1.首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理（1999）2.燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术基础研究（2002）3.中国大气气溶胶及其气候效应的研究（2006）其他重点研究：1.排放特征：源解析、排放清单等2.环境影响：能见度、区域大气复合污染等3.健康影响：呼吸道系统、心血管系统等4.监测与控制：区域监测网络等二．国内1.6存在的问题虽国内外学者在燃烧源细颗粒物控制方面已开展了一定的研究工作，但由于细颗粒物控制技术手段的多样性、复杂性；总体上，尚处于实验室探索阶段，投入工程应用的很少。在节能减排和新能源利用的国际大背景下，一些新的化石燃料利用方式（如富氧-二氧化碳循环燃烧、整体煤气化联合循环）、生物质规模化利用，将得到较大的发展。由于化石燃料燃烧方式的变化将直接导致PM2.5排放特征的改变，而生物质燃料的推广利用将导致含碳颗粒物排放的显著增加，这些新变化都对细颗粒物的控制研究产生新的需求；目前，该领域的研究还基本为空白。第二章燃烧源细颗粒物的形成机理1.燃煤细颗粒物煤粉燃烧过程中有两类不同的飞灰生成：一类是亚微米灰（细模态颗粒），空气动力学直径在0.1m附近，占飞灰总质量的0.2%~2.2%左右，主要通过无机矿物的气化-凝结机理形成；另一类是残灰（粗模态颗粒），空气动力学直径大于1m，主要是通过熔化矿物的聚合、焦炭及外来矿物颗粒的破碎等途径形成。图2.1燃煤飞灰排放特征2.机动车微粒柴油机是移动源碳质细颗粒物的主要来源；柴油机排气微粒主要属于亚微米级范围，由三部分组成，即（干）碳烟（DS）、可溶性有机物（SOF）和硫酸盐。经历碳烟的生成、长大与氧化，以及SOF的吸附与凝结等几个阶段。3.生物质燃烧细颗粒物生物质燃烧中细颗粒物的形成与燃煤细颗粒物相似，主要通过无机矿物质的气化-凝结过程形成，涉及无机物质（K、Na、S、Cl）的气化，碱金属、硫、氯等无机组分在高温下的气相反应、均相成核及其无机蒸汽与粗飞灰颗粒间的相互作用等过程。均相成核（碱金属化合物）气相反应K、Na、S、Cl、重金属蒸气析出凝聚气溶胶微粒碱金属及重金属化合物凝结烟气冷却表面凝结粗模态颗粒灰粒夹带（Cu、Mg、Si、K、Al）木屑燃烧KCl、K2SO4重金属化合物图2.2煤燃烧过程中颗粒物的形成过程图2.3木屑固定床燃烧中细颗粒物的形成过程第三章声波团聚技术3.1引言声波团聚是利用高强度声场使气溶胶中微米和亚微米级细颗粒物发生相对运动并进而提高它们的碰撞团聚速率，使细颗粒物在很短的时间范围内，粒径分布从小尺寸向大尺寸方向迁移，颗粒数目浓度减少。图3.1细颗粒声波团聚长大示意图图3.2是声波辅助除尘过程的示意图，主要包括声波发生器、团聚室和颗粒分离器等。声波发生器通常是电动或者气动式喇叭，频率为数千赫兹，如果需要更高的频率，则需采用压电陶瓷换能器或磁致伸缩换能器；声场强度要达到140-150dB以上；团聚室的尺寸要保证声波对颗粒有一定的作用时间（2-5秒）。图3.2声波辅助除尘装置示意图3.2国内外研究现状一.国外研究现状国外主要研究机构有美国宾夕法尼亚州立大学、美国纽约Buffalo州立大学、西班牙马德里声学研究所、德国联合研究中心等。美国宾夕法尼亚州大学主要针对频率6kHz的低频声波团聚技术，涉及声波团聚的操作参数影响规律、团聚后微粒的坚固性、双模态团聚等方面的研究；美国纽约Buffalo州立大学在冷态实验条件下，对操作参数的影响规律作了较系统地研究。西班牙马德里声学研究所、德国联合研究中心主要针对高频声波团聚技术的研究，自上世纪70年代以来，前者一直致力于高频声源（频率10~20kHz）的开发研制工作，并于上世纪90年代进行了高频声波团聚微粒的中试研究。二.国内研究现状东南大学采用实际燃烧源烟气对声波及其与外加种子颗粒联合作用下的宏观团聚效果进行了较系统深入的研究，取得了一些有工业应用前景的研究成果；此外，浙江大学、清华大学、北京理工大学等单位采用模拟烟气对煤飞灰微粒的声波团聚进行了研究。3.3声波团聚机理1.同向相互作用主要基于声波对颗粒的夹带，它是指在声场的作用下，由于声波对不同大小颗粒夹带程度不同以及颗粒和空气介质之间存在相位差异，引起声场中不同大小颗粒间的相对运动，导致颗粒之间的相互碰撞；2.流体力学作用声波场中颗粒通过流体媒介产生的相互作用力引起的碰撞，主要基于伯努利效应和颗粒周围流场的不对称性；3.其他声波团聚机理除了同向作用、流体力学作用机理外，还有声辐射压力作用、声致湍流、布朗运动、重力沉降作用、声流效应等。3.4外加声场下细颗粒物的运动特性（a）多分散石英颗粒（dp50m)（b）单分散玻璃微珠（dp8.1m）（c）燃煤飞灰（dp2.4m）图3.3外加声场下颗粒物的运动轨迹3.4声波团聚类型声波团聚类型：按所用声源频率及有无外加种子颗粒可分为3类：1.低频声波团聚：主要以电声喇叭、汽笛等为声源，频率大多5~6kHz，由于产生高频声波换能器的特性阻抗很难与气体阻抗匹配，致使高频声波在气体中穿透深度很小，而低频声源容易实现且易产生高强度声强；2.高频声波团聚：主要以压电陶瓷换能器为声源，频率10kHz，与低频声源相比，不会产生噪音，易实现在高温环境下使用；3.双模态声波团聚：团聚室内加入一定浓度、适当大小（约几十微米）的种子颗粒，利用种子颗粒