２００９年
中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集
可吸人颗粒物脱除技术及应用前景
徐小峰郦建国郭峰
（浙江菲达环保科技股份有限公司
诸暨３１１８００）
【摘要】可吸入颗粒物（指ＰＭｌ０，包括ＰＭ２．５）以及其附带的重金属元素对人和自然环境的危害性越
来越受到国际社会的广泛关注，而我国现有的主流除尘技术（主要指静电除尘）对可吸入颗粒物的除尘效率
很低，布袋除尘器处理ＰＭｌ０相对较好。除尘器如何高效收集可吸入颗粒物及重金属来改善环境质量，适应未
来高标准的排放要求，以及用经济有效的方法来改造老电除尘器，是未来除尘行业的发展方向。本文介绍了常规除尘器难以收集的可吸入颗粒物可以采用多种方式来收集：一是静电与其它方式的结合；二是采用粉尘凝聚技术使微粒凝聚增粗来提高除尘效率，并重点介绍了双极荷电流体混合凝聚的技术特点及应用效果和前景。
【关键词】可吸入颗粒物除尘器凝聚双极荷电
大。ＰＭ２．５甚至可以直达肺部，进入肺泡，直接参与
血液循环，损伤肺部组织，引起一系列病变“Ｉ。ＰＭｌ０在环境空气中可停留几天甚至数周之久，也是造成空气污染、降低大气能见度的主要因素。无论是在
１、前言
根据已公布的２００７年《中国环境状况公报》，我
国工业粉尘排放量为６９９万吨，工业烟尘排放量为７７０．８万吨，两者合计为１４６９．８万吨，工业废气污染物数量虽然逐年有所下降，但排放总量仍然是庞大的。随着政府和社会对自然环境的重视程度越来越高，几乎所有的排尘企业都安装了不同形式的除尘设备，但是不可避免会有部分企业存在着排放不达标现象，因此排人大气的大部分工业粉尘应是普通除尘设备难以收集的微细的可吸入颗粒物。
空气动力学当量直径小于１０”ｍ的颗粒称可吸入
发达国家还是在发展中国家，都不同程度地存在着
人体暴露于可吸入颗粒物的健康风险。
２００５年《世界卫生组织空气质量准则》第一次为
可吸入颗粒物确定了指导值，规定空气中ＰＭｌＯ年均限值为２０¨ｇ／ｍ３，ＰＭ２．５年均限值为ｌ叩∥ｍ３。全世界的环境保护机构都在日益重视控制可吸人颗粒物的排放。我国于２００４年１月１日出台了燃煤电站新的排
放限值，新标准要求粉尘出口排放限值为５０ｍ∥ｍ３，
这意味着大部分ＰＭｌ０必须得到有效收集。预计在不久的将来我国会出台更加严格的排放标准，并针对ＰＭ１０或ＰＭ２．５制定相应的排放标准。
目前在除尘领域较为常用的静电除尘器对粒径大于１０ｕｍ的颗粒的捕集效果较好，效率通常可达
颗粒（简称ＰＭｌ０，包括ＰＭ２．５），又称飘尘；当量直径
小于２．５ｕｍ的颗粒称可入肺颗粒（简称ＰＭ２．５）。在燃煤电站中，电站锅炉烟气中ＰＭｌｏ虽然仅占整个污染物的７％左右，然而却占整个粒子数目的９７％，ＰＭｌ０
是废气中重金属沉积的主要对象，由于ＰＭｌ０表面树
质量比很大，因此ＰＭｌｏ中的重金属浓度更高一些，是粉尘中对人体毒害最大的部分。ＰＭｌ０被人体吸入后，会累积在呼吸系统中，引发多种疾病。越来越多的研究发现：ＰＭｌ０与冠心病、心肌梗塞、高血压和中风（卒中）的发生及死亡的增加密切相关。越细小的颗粒物进入呼吸道的部位越深，对人体的危害越
一２８一
９９．９％，随着颗粒粒径减小，除尘效率也逐渐降低，特
别是ＰＭ２．５的捕集效果很差，一般低于７０％，最坏时甚至低于５０％。静电除尘器依靠颗粒荷电被吸附脱除，较大颗粒主要通过附着电场中运动的电子即电场荷电从而带电；小颗粒主要通过自身和电子的随机扩散和碰撞即扩散荷电作用被荷电；如要提高效率一
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般采取增加电场数量或降低风速的措施，但是ｌ岬附
近的颗粒由于处在电场荷电和扩散荷电混合区，其荷电能力很差，从而很难脱除。总体来讲，我国电除
尘行业产量高、应用广，但由于煤种多变及技术原因，除尘效率普遍未能达到发达国家目前电厂实际排放１０—２０ｍｇ／ｍ３的性能水平。
布袋除尘器主要靠惯性碰撞、拦截和扩散脱除，同样，由于ｌ¨ｍ附近的颗粒正好处于惯性和扩散混合区，布袋对其脱除效率同样很低。即使现在采用的覆膜滤料，增强了拦截作用，对ＰＭｌＯ作用有显著加强，但仍未能达到期望水平。布袋除尘器处理ＰＭｌ０时需降低过滤速度，还会增大气体阻力，这些均导致增加成本，增加能源消耗。
２、国内外对可吸入颗粒物的脱除方法目前国内外对ＰＭｌ０的脱除方法：一是通过静电与其它结合的方式；二是粉尘凝聚技术。目前国外应用较为广泛的一种方式是通过在常规除尘器之前的烟道上增设微细粉尘凝聚器，使较小颗粒凝聚成较大颗粒，以达到常规除尘器高效除尘的目的。
２．１静电与其它结合的方式２．１．１静电与传统旋风除尘器相结合
静电提高旋风除尘器除尘效率的基本思想是在旋风除尘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和较强的电场力。有研究表明：
当风速为８州ｓ时，１ｕｍ粒径的分级效率从不加电时的３５．５％上升到９０．６％。但是在实践中，这种方法容易
出现两种机理的冲突：如入口风速增大，颗粒停留时间变短，静电作用降低，分级效率与旋风分离器的效率相似；风速较低，旋风作用减弱，如果风速太低，那
么还会出现类似静电作用下的某段粒径分级效率‘低
谷”。
２．１．２静电与布袋除尘器结合
静电和布袋除尘是目前电厂利用最多的两种除尘方法。２０世纪９０年代开始美国电力研究所就开发出紧凑型混合颗粒收集器（ｃｏＨＰＡｃ），即在原有静电除尘器后加一个脉冲布袋除尘器，而且在这种方法中还可以在静电除尘器和布袋除尘器之间注入吸附剂，能协同脱除二氧化硫、汞等污染物，提高吸附剂利用率，减少静电除尘器捕获粉尘的毒物含量，提高其经济价值。在美国能源部的资助下，美国能源
环境研究中心又开发了一种结合更为紧凑的系统‘先
进混合除尘器（ＡＨＰＣ）＇’。将静电除尘和布袋除尘集
于一个腔内，把滤袋置于静电极板和极线之间，实现了真正的混合。这种系统体积更小，极板和滤袋材料
的使用成倍减少。但是此技术的难点之一就是滤袋
的保护。该系统于１９９９年７月在美国大石电厂对旋风燃烧锅炉产生的高比电阻飞灰进行了试验，试验测定
其对０．０ｌ眦ｌ～５０岬１颗粒的脱除效率达到了９９．９９％，
而且对重金属砷、镉、铅、镍也有极好的去除效果。
２．２几种微细粉尘凝聚方式
由于传统的除尘技术难以控制ＰＭｌ０的排放，因
而研究ＰＭｌ０凝聚技术具有重要的意义。在除尘器
本体或前端烟道上增设粉尘凝聚系统，使ＰＭｌＯ形成更大更容易收集的颗粒，通过‘凝聚装置”与常规除
尘器结合，对烟尘中ＰＭｌ０进行有效捕集，减少排放，进一步提高除尘效率。
据了解，促进凝聚方式主要有：热凝聚、声凝聚、电凝聚、磁凝聚、湍流与边界层凝聚、光凝聚、化学凝聚以及双极荷电流体混合凝聚。
２．２．１热凝聚
热凝聚又称为热扩散凝聚，是指微粒在没有外力、温度较高的环境下产生明显的成核和凝聚的现象。由布朗运动（扩散）导致气溶胶粒子互相接触而凝聚的过程叫热凝聚，也是最常见的一种凝聚方式。有研究表明：通常情况下，对于烟尘浓度高，粒径相差较大的微粒，热凝聚的效果比较明显。对于常温下单分散性的球形尘粒，如将其计数浓度为１０６粒／ｃｍ３降至１０４粒／ｃｍ３。也就是说让尘粒的体积等效径增２．２倍，忽略重力沉降和边壁效应，按经典的热凝聚方程计算，其凝聚时间约为９小时以上。显然，由于热凝聚过程非常缓慢，难以达到有效凝聚微粒的实际要求。
２．２．２声凝聚
声凝聚是指在声场作用下，气固两相物中的固相和气相之间会发生复杂的相互作用。一般来讲各
种相互作用是同时进行的，使得微粒相互靠近并且
最终凝聚。而多分散系统的气溶胶本身是一种表面能不稳定的体系，有相互凝结成较大颗粒的趋势，声
波能加速颗粒的运动速率，增加了粒子的碰撞几率，从而使气体中的微粒聚集成较大的颗粒，易于被捕
集。
一２９—
２００９年
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声凝聚的机理有三种：第一种是同向凝聚作用。声波场中的粒子随气体介质的振荡而趋于前后运动，小颗粒随介质运动较快，而大颗粒较慢，结果不同粒径颗粒的相对运动加速颗粒碰撞而使颗粒凝聚。第二种是流体力学作用，在单分散体系中，颗粒之间的相对速度为零，但声波凝聚实验表明颗粒凝聚现象很明显。一般认为存在两种流体力学作用：伯努力
流体力学作用，流场中在垂直于波速方向的两个颗
粒之间形成类似射流的作用，根据伯努力原理存在
的静压会拉近颗粒而使其碰撞；另外一种流体力学
作用是由于围绕每个颗粒的流场不对称造成的；第三种是湍流扩散和湍流惯性。当声场强度超过某一数值（约１６０ｄＢ）时，就会出现声致湍流。湍流中粒子间的碰撞有两种机理：一种是湍流扩散，是由于粒子空间不均性产生速度差异，产生碰撞；二是湍流惯性，即粒子运动跟不上区域湍流而产生相对运动。
各种声凝聚机理的相对重要性如图ｌ所示。
湍流扩散湍流扩散湍流惯性
湍流惯性
鲁１６０
《
出
韫
同向凝聚
流体力学
Ｏ．１
ｌｌＯ
，
粒子直径（岫）
图１各种声凝聚机理的相对重要性
声波的频率和强度对凝聚有一定的影响，高频和低频对收尘都有一定的效果。实验室的声波除尘装置由声波发生器、声凝聚箱和分离器组成。声凝聚方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的极大关注。但是对于高频来说，为了产生几十甚至数百千赫的声波，需要解决高能耗的问题，同时还需要消除噪声的危害。因此，如何产生低成本的有效声场，也是高频声能消烟除尘技术能得以应用的重要研究课题。也正是因为这个原因，到目前尚未制造出实用的声波除尘器。
２．２．３电凝聚
电凝聚是通过增加微粒的荷电能力，增加微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聚效应。
一３０一
在电场中，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场后，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（如电除尘器的电晕极附近），或在均匀电场（如电除尘器的收尘极区域），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。‘我们注意到，粒子在电场中形成“灰珠串”的现象与粒子是否带电（自由电荷）无关。因为极化产生的电荷起源于原子或分子的极化，因而总是牢固地粘缚在介质上。它与导体上的自由电荷不同，既不可能从介质的一处转移到另一处，也不可能从一个物体传递给另一个物体。即
使物质同时具有导电性，情形也是如此。若使介质
与导体相接触，极化电荷亦不会与导体上的自由电
荷相中和。因此，只要有电场的存在，粒子就会极化，
就会有凝聚现象发生。而且这种粒子的偶极效应不仅发生在电场空间，形成空间凝聚，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聚在一起。
电凝聚理论与实验研究的核心是确定电凝聚速率（电凝聚系数）的大小，其研究目的是尽可能地提
高微粒的电凝聚速度，使微粒在较短的时间内尽可能地凝聚而增大粒径，从而有利于被捕集。
２．２．４磁凝聚
磁凝聚指的是强磁性颗粒经磁场作用，即磁选或预磁后，由于其剩磁的相互作用而产生的凝聚现象。研究表明，磁凝聚对亚微米粒子的去除效果是极高的。而且磁凝聚也广泛应用于工业废水的处理当中。作为洁净、节能的新兴技术，磁凝聚将显示出诱人的开发前景。
２．２．５湍流与边界层凝聚
湍流凝聚是指超细颗粒物在湍流的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
中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集２００９年
一步长大。边晃层凝聚是由于横向速度实用梯度引起的碰撞而导致的凝聚现象，又称为梯度凝聚。
在湍流流动中，同时存在热凝聚、梯度凝聚和湍流凝聚，并且随着超细颗粒物的直径增大，这三种凝聚作用依次增强。湍流脉动速度会促使颗粒碰撞并发生凝聚，且在湍流流动的边界层内，对于粒径较小的微粒，由于横向速度梯度引起的凝聚效果也非常明显。
２．２．６光凝聚
光凝聚是指应用光辐射的原理促进颗粒物凝聚。光凝聚一般遵循如下过程：人射电子束－＋等离子体
膨胀＿等离子体云膨胀。成核＿冷凝膨胀长大＋等离子体云膨胀一凝结一不规则片形状＿凝聚一凝胶
化。光凝聚尚处于研究阶段。
２．２．７化学凝聚
化学凝聚是指使用固体吸附剂捕获超细颗粒物的除尘方法，主要通过物理吸附和化学反应相结合的机理来实现的。化学凝聚对除去超细颗粒物不仅
十分有效，而且可以实现多种污染物同时脱除。但化学凝聚成本高，且容易造成二次污染，其应用性受
到限制。
２．２．８双极荷电流体混合凝聚
双极荷电流体混合凝聚技术从上世纪末开始发展，在国外已有工业性应用，据介绍，此技术对微粒的凝聚效果很好。
以上为几种不同的凝聚方式。研制高效速凝、
能耗小、成本低的粉尘凝聚器是推广其工业应用的
关键，实现带电（或不带电）微粒的高效快速凝聚是理论与实验研究的核心。
３、双极荷电流体混合凝聚的技术特点及应用效果
３．１技术特点
双极荷电流体混合凝聚技术旨在提高微粒的去除率。产生颗粒凝聚主要有三种机理：一是颗粒因布朗运动发生碰撞凝聚；二是颗粒受到静电力作用产生异性相吸或极化吸引而发生凝聚；三是颗粒在流动介质中因湍动造成碰撞凝聚。其结构由荷电区与混合区两部分组成，采用双极荷电技术，首先使部分粉尘荷正电，另一部分粉尘荷负电，其次基于强化流动使大小不同的带电粒子有选择性地混合，增强
粗细粒子间的相互作用，促使其相互碰撞，从而形成
凝聚的粒团。这些较大的凝聚团就会轻而易举地被
安装在凝聚器之后的电除尘器收集。其中混合区设
计对粉尘凝聚成功起着重要的作用，根据荷电区正负双极间隔布置的规律，可以考虑混合区也按一定规律布置扰流装置，使烟气流形成如卡尔曼涡街等，
利于增加粉尘间相互混合，从而促进粉尘的混合凝
聚。卡尔曼涡街是雷诺数Ｒｅ一４０左右时，圆柱体后
的一个旋涡被拉长并脱离柱体，飘向下游，另一侧的
流体弯转过去形成新的旋涡，两侧旋涡交替脱离柱
体向下游飘去，形成的一种涡街结构。理想的混合
气流状态是产生大规模的小涡旋紊流，使颗粒沿不同的轨迹，以不同的速度移动，一种颗粒基本上被完全吸入涡旋而另一种颗粒基本上不被吸人，由此使两种颗粒之间的相对滑移和相互作用的可能性最大化。也就是说这种结构产生的涡旋紊流应该使得极细颗粒的斯特罗巴尔系数（Ｓｔ）大大小于ｌ，同时使相对较大颗粒的斯特罗巴尔系数（ｓｔ姆Ｅ常大于１嘲。在高流速烟气的条件下，电控及放电极的设计也是非常关键。
１９８７年，菲达环保公司曾将预荷电技术用于武汉青山电厂５０Ｍｗ机组配套的１０２ｍ２电除尘器改造。在使用中虽有一定的效果，但除尘效率提高有限。究其原因是单极荷电，预荷电场作用不大。预荷电场之所以未能真正提高除尘效率，还因为它没有切中
电除尘器的要害——对于大粒子只需几毫秒就荷电
充分，并不需要预荷电场帮忙；而对于真正困难的小粒子，单纯的单极预荷电又能力不足。因为小粒子要慢慢地通过扩散过程荷电，而在预荷电场中由于粒子停留时间太短，扩散荷电又难以充分进行，因此早期的预荷电技术没能给电除尘器的性能提高打开新的局面。
３．２应用效果
在上世纪末，国内外均已展开了用“双极荷电”来凝聚粉尘，提高除尘效率的研究，但中国大陆一直未有真正工业性应用的‘‘凝聚器”，这与当时我国的环保政策相对宽松及公众的环保意识相对淡薄有关。让微粒凝聚成容易脱除的较大颗粒的试验始于美国。
从１９９９年开始开发，其后的各项试验持续到２００２年，
２００２年１１月在澳大利亚ＶａｌｅｓＰｏｉｎｔ电厂安装了第一
套工业应用装置，采用正负二台高压电源的双极性
一３１—
２Ｉ）（）９年中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集
荷电烟尘凝聚技术，使ＰＭ２．５荷电后凝聚，并在后续的电除尘器中收集。至２００７年在美国和澳大利亚电厂共使用ｌ３套，据介绍，其结果为ＰＭ２．５排放减少了
８０％，烟气浊度降低了５０％。８０％，总重量排放下降
了１／３～２／３，汞等重金属排放显著减少引。
粉尘凝聚技术能明显地改善除尘器对微粒的收集效率，此技术是降低粉尘排放浓度、降低浊光度、减少ＰＭｌ０排放，特别是ＰＭ２．５排放以及降低重金属排放的行之有效的方法之一。
４、双极荷电流体混合凝聚技术的应用前景我国是以煤为主的能源消耗大国，煤在一次能源中所占的比例达到７０％，且这一结构在相当长的时间内不会改变。而且我国８０％以上的煤是用于直接燃烧的，这就造成我国燃煤烟尘污染的严重性。电除尘器是我国烟气颗粒物净化处理应用最广的设备，
具有耐高温，处理烟气量大，寿命长与维护简单，除
尘效率较高，运行阻力小，运行费用低等优点，但主要存在着对微粒收集效果低的缺点。
双极荷电流体混合凝聚器与常规除尘器结合使用具有以下优点：
（１）减少微粒排放，减轻因微粒物排放引起的人体危害和温室效应，提高大气能见度，降低总质量排放；
（２）满足未来排放要求，如ＰＭｌ０、ＰＭ２．５的排放限制等；
（３）有助予减少重金属排放，例如汞、砷、硒等；（４）提高除尘器对不同煤种的高效适应性，适合中国国情；
一３２一
凝聚器本身具有以下特点：
（１）凝聚器安装在现有除尘设备的进口烟道中，
并需要一段约６米长的直段烟道用来安装凝聚器，凝聚器压力损失较小（≤２５０Ｐａ）；
（２）凝聚设备和运行成本相对低，如ｌ００Ｍｗ机组的耗电量不超过２ｋＷ／ｌｌ；
（３）安装工期短，１—２周即可安装完毕；（４）安装凝聚器后不会对现有除尘设备造成损害，由于大量的微粒凝聚成较大颗粒，除尘设备的运行状况会变得更好；
（５）可延长布袋除尘器的滤袋寿命。
双极荷电流体混合凝聚器适用于大量老电除尘
器的增效改造和新建项目，可以满足不断从严的排放标准。其应用领域非常广泛，可与常规除尘器配
套使用于不同领域，如火力发电行业、建材行业、冶金行业等。双极荷电流体混合凝聚器的应用前景将会非常广阔。
参考文献：【ｌ】
ＲＯＤＮＥＹＴＲＵＣＥ，ＪＯＨＮ
ｗＩＬＫＩＮＳ，李定
富，等．ＩＮＤＩＧ０凝聚器减少细微颗粒物和汞排放的应
用研究［Ａ】．／／第十二届中国电除尘学术会议论文集石
家庄：２００７．
【２】Ｒ・Ｊ・特鲁斯，Ｊ？ｗ？威尔金斯，Ｇ・Ｊ・内森，等．在流体中的改善的颗粒的相互作用【Ｐ】．澳大利亚：
２００５８０００４４３５．２．２００７－２－２１．
【３】
ＲＯＤＮＥＹＴＲＵＣＥ，ＪＯＨＮＷＩＬＫＩＮＳ，ＷＡＬ—
ＬＩｓ
ＨＡＲＲＩｓＯＮ，等．ＩＮＤＩＧＯ凝聚器．减少电除尘器可
见排放物的有效技术．
２００９年
中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集
可吸人颗粒物脱除技术及应用前景
徐小峰郦建国郭峰
（浙江菲达环保科技股份有限公司
诸暨３１１８００）
【摘要】可吸入颗粒物（指ＰＭｌ０，包括ＰＭ２．５）以及其附带的重金属元素对人和自然环境的危害性越
来越受到国际社会的广泛关注，而我国现有的主流除尘技术（主要指静电除尘）对可吸入颗粒物的除尘效率
很低，布袋除尘器处理ＰＭｌ０相对较好。除尘器如何高效收集可吸入颗粒物及重金属来改善环境质量，适应未
来高标准的排放要求，以及用经济有效的方法来改造老电除尘器，是未来除尘行业的发展方向。本文介绍了常规除尘器难以收集的可吸入颗粒物可以采用多种方式来收集：一是静电与其它方式的结合；二是采用粉尘凝聚技术使微粒凝聚增粗来提高除尘效率，并重点介绍了双极荷电流体混合凝聚的技术特点及应用效果和前景。
【关键词】可吸入颗粒物除尘器凝聚双极荷电
大。ＰＭ２．５甚至可以直达肺部，进入肺泡，直接参与
血液循环，损伤肺部组织，引起一系列病变“Ｉ。ＰＭｌ０在环境空气中可停留几天甚至数周之久，也是造成空气污染、降低大气能见度的主要因素。无论是在
１、前言
根据已公布的２００７年《中国环境状况公报》，我
国工业粉尘排放量为６９９万吨，工业烟尘排放量为７７０．８万吨，两者合计为１４６９．８万吨，工业废气污染物数量虽然逐年有所下降，但排放总量仍然是庞大的。随着政府和社会对自然环境的重视程度越来越高，几乎所有的排尘企业都安装了不同形式的除尘设备，但是不可避免会有部分企业存在着排放不达标现象，因此排人大气的大部分工业粉尘应是普通除尘设备难以收集的微细的可吸入颗粒物。
空气动力学当量直径小于１０”ｍ的颗粒称可吸入
发达国家还是在发展中国家，都不同程度地存在着
人体暴露于可吸入颗粒物的健康风险。
２００５年《世界卫生组织空气质量准则》第一次为
可吸入颗粒物确定了指导值，规定空气中ＰＭｌＯ年均限值为２０¨ｇ／ｍ３，ＰＭ２．５年均限值为ｌ叩∥ｍ３。全世界的环境保护机构都在日益重视控制可吸人颗粒物的排放。我国于２００４年１月１日出台了燃煤电站新的排
放限值，新标准要求粉尘出口排放限值为５０ｍ∥ｍ３，
这意味着大部分ＰＭｌ０必须得到有效收集。预计在不久的将来我国会出台更加严格的排放标准，并针对ＰＭ１０或ＰＭ２．５制定相应的排放标准。
目前在除尘领域较为常用的静电除尘器对粒径大于１０ｕｍ的颗粒的捕集效果较好，效率通常可达
颗粒（简称ＰＭｌ０，包括ＰＭ２．５），又称飘尘；当量直径
小于２．５ｕｍ的颗粒称可入肺颗粒（简称ＰＭ２．５）。在燃煤电站中，电站锅炉烟气中ＰＭｌｏ虽然仅占整个污染物的７％左右，然而却占整个粒子数目的９７％，ＰＭｌ０
是废气中重金属沉积的主要对象，由于ＰＭｌ０表面树
质量比很大，因此ＰＭｌｏ中的重金属浓度更高一些，是粉尘中对人体毒害最大的部分。ＰＭｌ０被人体吸入后，会累积在呼吸系统中，引发多种疾病。越来越多的研究发现：ＰＭｌ０与冠心病、心肌梗塞、高血压和中风（卒中）的发生及死亡的增加密切相关。越细小的颗粒物进入呼吸道的部位越深，对人体的危害越
一２８一
９９．９％，随着颗粒粒径减小，除尘效率也逐渐降低，特
别是ＰＭ２．５的捕集效果很差，一般低于７０％，最坏时甚至低于５０％。静电除尘器依靠颗粒荷电被吸附脱除，较大颗粒主要通过附着电场中运动的电子即电场荷电从而带电；小颗粒主要通过自身和电子的随机扩散和碰撞即扩散荷电作用被荷电；如要提高效率一
中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集２００９年
般采取增加电场数量或降低风速的措施，但是ｌ岬附
近的颗粒由于处在电场荷电和扩散荷电混合区，其荷电能力很差，从而很难脱除。总体来讲，我国电除
尘行业产量高、应用广，但由于煤种多变及技术原因，除尘效率普遍未能达到发达国家目前电厂实际排放１０—２０ｍｇ／ｍ３的性能水平。
布袋除尘器主要靠惯性碰撞、拦截和扩散脱除，同样，由于ｌ¨ｍ附近的颗粒正好处于惯性和扩散混合区，布袋对其脱除效率同样很低。即使现在采用的覆膜滤料，增强了拦截作用，对ＰＭｌＯ作用有显著加强，但仍未能达到期望水平。布袋除尘器处理ＰＭｌ０时需降低过滤速度，还会增大气体阻力，这些均导致增加成本，增加能源消耗。
２、国内外对可吸入颗粒物的脱除方法目前国内外对ＰＭｌ０的脱除方法：一是通过静电与其它结合的方式；二是粉尘凝聚技术。目前国外应用较为广泛的一种方式是通过在常规除尘器之前的烟道上增设微细粉尘凝聚器，使较小颗粒凝聚成较大颗粒，以达到常规除尘器高效除尘的目的。
２．１静电与其它结合的方式２．１．１静电与传统旋风除尘器相结合
静电提高旋风除尘器除尘效率的基本思想是在旋风除尘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和较强的电场力。有研究表明：
当风速为８州ｓ时，１ｕｍ粒径的分级效率从不加电时的３５．５％上升到９０．６％。但是在实践中，这种方法容易
出现两种机理的冲突：如入口风速增大，颗粒停留时间变短，静电作用降低，分级效率与旋风分离器的效率相似；风速较低，旋风作用减弱，如果风速太低，那
么还会出现类似静电作用下的某段粒径分级效率‘低
谷”。
２．１．２静电与布袋除尘器结合
静电和布袋除尘是目前电厂利用最多的两种除尘方法。２０世纪９０年代开始美国电力研究所就开发出紧凑型混合颗粒收集器（ｃｏＨＰＡｃ），即在原有静电除尘器后加一个脉冲布袋除尘器，而且在这种方法中还可以在静电除尘器和布袋除尘器之间注入吸附剂，能协同脱除二氧化硫、汞等污染物，提高吸附剂利用率，减少静电除尘器捕获粉尘的毒物含量，提高其经济价值。在美国能源部的资助下，美国能源
环境研究中心又开发了一种结合更为紧凑的系统‘先
进混合除尘器（ＡＨＰＣ）＇’。将静电除尘和布袋除尘集
于一个腔内，把滤袋置于静电极板和极线之间，实现了真正的混合。这种系统体积更小，极板和滤袋材料
的使用成倍减少。但是此技术的难点之一就是滤袋
的保护。该系统于１９９９年７月在美国大石电厂对旋风燃烧锅炉产生的高比电阻飞灰进行了试验，试验测定
其对０．０ｌ眦ｌ～５０岬１颗粒的脱除效率达到了９９．９９％，
而且对重金属砷、镉、铅、镍也有极好的去除效果。
２．２几种微细粉尘凝聚方式
由于传统的除尘技术难以控制ＰＭｌ０的排放，因
而研究ＰＭｌ０凝聚技术具有重要的意义。在除尘器
本体或前端烟道上增设粉尘凝聚系统，使ＰＭｌＯ形成更大更容易收集的颗粒，通过‘凝聚装置”与常规除
尘器结合，对烟尘中ＰＭｌ０进行有效捕集，减少排放，进一步提高除尘效率。
据了解，促进凝聚方式主要有：热凝聚、声凝聚、电凝聚、磁凝聚、湍流与边界层凝聚、光凝聚、化学凝聚以及双极荷电流体混合凝聚。
２．２．１热凝聚
热凝聚又称为热扩散凝聚，是指微粒在没有外力、温度较高的环境下产生明显的成核和凝聚的现象。由布朗运动（扩散）导致气溶胶粒子互相接触而凝聚的过程叫热凝聚，也是最常见的一种凝聚方式。有研究表明：通常情况下，对于烟尘浓度高，粒径相差较大的微粒，热凝聚的效果比较明显。对于常温下单分散性的球形尘粒，如将其计数浓度为１０６粒／ｃｍ３降至１０４粒／ｃｍ３。也就是说让尘粒的体积等效径增２．２倍，忽略重力沉降和边壁效应，按经典的热凝聚方程计算，其凝聚时间约为９小时以上。显然，由于热凝聚过程非常缓慢，难以达到有效凝聚微粒的实际要求。
２．２．２声凝聚
声凝聚是指在声场作用下，气固两相物中的固相和气相之间会发生复杂的相互作用。一般来讲各
种相互作用是同时进行的，使得微粒相互靠近并且
最终凝聚。而多分散系统的气溶胶本身是一种表面能不稳定的体系，有相互凝结成较大颗粒的趋势，声
波能加速颗粒的运动速率，增加了粒子的碰撞几率，从而使气体中的微粒聚集成较大的颗粒，易于被捕
集。
一２９—
２００９年
中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集
声凝聚的机理有三种：第一种是同向凝聚作用。声波场中的粒子随气体介质的振荡而趋于前后运动，小颗粒随介质运动较快，而大颗粒较慢，结果不同粒径颗粒的相对运动加速颗粒碰撞而使颗粒凝聚。第二种是流体力学作用，在单分散体系中，颗粒之间的相对速度为零，但声波凝聚实验表明颗粒凝聚现象很明显。一般认为存在两种流体力学作用：伯努力
流体力学作用，流场中在垂直于波速方向的两个颗
粒之间形成类似射流的作用，根据伯努力原理存在
的静压会拉近颗粒而使其碰撞；另外一种流体力学
作用是由于围绕每个颗粒的流场不对称造成的；第三种是湍流扩散和湍流惯性。当声场强度超过某一数值（约１６０ｄＢ）时，就会出现声致湍流。湍流中粒子间的碰撞有两种机理：一种是湍流扩散，是由于粒子空间不均性产生速度差异，产生碰撞；二是湍流惯性，即粒子运动跟不上区域湍流而产生相对运动。
各种声凝聚机理的相对重要性如图ｌ所示。
湍流扩散湍流扩散湍流惯性
湍流惯性
鲁１６０
《
出
韫
同向凝聚
流体力学
Ｏ．１
ｌｌＯ
，
粒子直径（岫）
图１各种声凝聚机理的相对重要性
声波的频率和强度对凝聚有一定的影响，高频和低频对收尘都有一定的效果。实验室的声波除尘装置由声波发生器、声凝聚箱和分离器组成。声凝聚方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的极大关注。但是对于高频来说，为了产生几十甚至数百千赫的声波，需要解决高能耗的问题，同时还需要消除噪声的危害。因此，如何产生低成本的有效声场，也是高频声能消烟除尘技术能得以应用的重要研究课题。也正是因为这个原因，到目前尚未制造出实用的声波除尘器。
２．２．３电凝聚
电凝聚是通过增加微粒的荷电能力，增加微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聚效应。
一３０一
在电场中，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场后，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（如电除尘器的电晕极附近），或在均匀电场（如电除尘器的收尘极区域），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。‘我们注意到，粒子在电场中形成“灰珠串”的现象与粒子是否带电（自由电荷）无关。因为极化产生的电荷起源于原子或分子的极化，因而总是牢固地粘缚在介质上。它与导体上的自由电荷不同，既不可能从介质的一处转移到另一处，也不可能从一个物体传递给另一个物体。即
使物质同时具有导电性，情形也是如此。若使介质
与导体相接触，极化电荷亦不会与导体上的自由电
荷相中和。因此，只要有电场的存在，粒子就会极化，
就会有凝聚现象发生。而且这种粒子的偶极效应不仅发生在电场空间，形成空间凝聚，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聚在一起。
电凝聚理论与实验研究的核心是确定电凝聚速率（电凝聚系数）的大小，其研究目的是尽可能地提
高微粒的电凝聚速度，使微粒在较短的时间内尽可能地凝聚而增大粒径，从而有利于被捕集。
２．２．４磁凝聚
磁凝聚指的是强磁性颗粒经磁场作用，即磁选或预磁后，由于其剩磁的相互作用而产生的凝聚现象。研究表明，磁凝聚对亚微米粒子的去除效果是极高的。而且磁凝聚也广泛应用于工业废水的处理当中。作为洁净、节能的新兴技术，磁凝聚将显示出诱人的开发前景。
２．２．５湍流与边界层凝聚
湍流凝聚是指超细颗粒物在湍流的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
中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集２００９年
一步长大。边晃层凝聚是由于横向速度实用梯度引起的碰撞而导致的凝聚现象，又称为梯度凝聚。
在湍流流动中，同时存在热凝聚、梯度凝聚和湍流凝聚，并且随着超细颗粒物的直径增大，这三种凝聚作用依次增强。湍流脉动速度会促使颗粒碰撞并发生凝聚，且在湍流流动的边界层内，对于粒径较小的微粒，由于横向速度梯度引起的凝聚效果也非常明显。
２．２．６光凝聚
光凝聚是指应用光辐射的原理促进颗粒物凝聚。光凝聚一般遵循如下过程：人射电子束－＋等离子体
膨胀＿等离子体云膨胀。成核＿冷凝膨胀长大＋等离子体云膨胀一凝结一不规则片形状＿凝聚一凝胶
化。光凝聚尚处于研究阶段。
２．２．７化学凝聚
化学凝聚是指使用固体吸附剂捕获超细颗粒物的除尘方法，主要通过物理吸附和化学反应相结合的机理来实现的。化学凝聚对除去超细颗粒物不仅
十分有效，而且可以实现多种污染物同时脱除。但化学凝聚成本高，且容易造成二次污染，其应用性受
到限制。
２．２．８双极荷电流体混合凝聚
双极荷电流体混合凝聚技术从上世纪末开始发展，在国外已有工业性应用，据介绍，此技术对微粒的凝聚效果很好。
以上为几种不同的凝聚方式。研制高效速凝、
能耗小、成本低的粉尘凝聚器是推广其工业应用的
关键，实现带电（或不带电）微粒的高效快速凝聚是理论与实验研究的核心。
３、双极荷电流体混合凝聚的技术特点及应用效果
３．１技术特点
双极荷电流体混合凝聚技术旨在提高微粒的去除率。产生颗粒凝聚主要有三种机理：一是颗粒因布朗运动发生碰撞凝聚；二是颗粒受到静电力作用产生异性相吸或极化吸引而发生凝聚；三是颗粒在流动介质中因湍动造成碰撞凝聚。其结构由荷电区与混合区两部分组成，采用双极荷电技术，首先使部分粉尘荷正电，另一部分粉尘荷负电，其次基于强化流动使大小不同的带电粒子有选择性地混合，增强
粗细粒子间的相互作用，促使其相互碰撞，从而形成
凝聚的粒团。这些较大的凝聚团就会轻而易举地被
安装在凝聚器之后的电除尘器收集。其中混合区设
计对粉尘凝聚成功起着重要的作用，根据荷电区正负双极间隔布置的规律，可以考虑混合区也按一定规律布置扰流装置，使烟气流形成如卡尔曼涡街等，
利于增加粉尘间相互混合，从而促进粉尘的混合凝
聚。卡尔曼涡街是雷诺数Ｒｅ一４０左右时，圆柱体后
的一个旋涡被拉长并脱离柱体，飘向下游，另一侧的
流体弯转过去形成新的旋涡，两侧旋涡交替脱离柱
体向下游飘去，形成的一种涡街结构。理想的混合
气流状态是产生大规模的小涡旋紊流，使颗粒沿不同的轨迹，以不同的速度移动，一种颗粒基本上被完全吸入涡旋而另一种颗粒基本上不被吸人，由此使两种颗粒之间的相对滑移和相互作用的可能性最大化。也就是说这种结构产生的涡旋紊流应该使得极细颗粒的斯特罗巴尔系数（Ｓｔ）大大小于ｌ，同时使相对较大颗粒的斯特罗巴尔系数（ｓｔ姆Ｅ常大于１嘲。在高流速烟气的条件下，电控及放电极的设计也是非常关键。
１９８７年，菲达环保公司曾将预荷电技术用于武汉青山电厂５０Ｍｗ机组配套的１０２ｍ２电除尘器改造。在使用中虽有一定的效果，但除尘效率提高有限。究其原因是单极荷电，预荷电场作用不大。预荷电场之所以未能真正提高除尘效率，还因为它没有切中
电除尘器的要害——对于大粒子只需几毫秒就荷电
充分，并不需要预荷电场帮忙；而对于真正困难的小粒子，单纯的单极预荷电又能力不足。因为小粒子要慢慢地通过扩散过程荷电，而在预荷电场中由于粒子停留时间太短，扩散荷电又难以充分进行，因此早期的预荷电技术没能给电除尘器的性能提高打开新的局面。
３．２应用效果
在上世纪末，国内外均已展开了用“双极荷电”来凝聚粉尘，提高除尘效率的研究，但中国大陆一直未有真正工业性应用的‘‘凝聚器”，这与当时我国的环保政策相对宽松及公众的环保意识相对淡薄有关。让微粒凝聚成容易脱除的较大颗粒的试验始于美国。
从１９９９年开始开发，其后的各项试验持续到２００２年，
２００２年１１月在澳大利亚ＶａｌｅｓＰｏｉｎｔ电厂安装了第一
套工业应用装置，采用正负二台高压电源的双极性
一３１—
２Ｉ）（）９年中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集
荷电烟尘凝聚技术，使ＰＭ２．５荷电后凝聚，并在后续的电除尘器中收集。至２００７年在美国和澳大利亚电厂共使用ｌ３套，据介绍，其结果为ＰＭ２．５排放减少了
８０％，烟气浊度降低了５０％。８０％，总重量排放下降
了１／３～２／３，汞等重金属排放显著减少引。
粉尘凝聚技术能明显地改善除尘器对微粒的收集效率，此技术是降低粉尘排放浓度、降低浊光度、减少ＰＭｌ０排放，特别是ＰＭ２．５排放以及降低重金属排放的行之有效的方法之一。
４、双极荷电流体混合凝聚技术的应用前景我国是以煤为主的能源消耗大国，煤在一次能源中所占的比例达到７０％，且这一结构在相当长的时间内不会改变。而且我国８０％以上的煤是用于直接燃烧的，这就造成我国燃煤烟尘污染的严重性。电除尘器是我国烟气颗粒物净化处理应用最广的设备，
具有耐高温，处理烟气量大，寿命长与维护简单，除
尘效率较高，运行阻力小，运行费用低等优点，但主要存在着对微粒收集效果低的缺点。
双极荷电流体混合凝聚器与常规除尘器结合使用具有以下优点：
（１）减少微粒排放，减轻因微粒物排放引起的人体危害和温室效应，提高大气能见度，降低总质量排放；
（２）满足未来排放要求，如ＰＭｌ０、ＰＭ２．５的排放限制等；
（３）有助予减少重金属排放，例如汞、砷、硒等；（４）提高除尘器对不同煤种的高效适应性，适合中国国情；
一３２一
凝聚器本身具有以下特点：
（１）凝聚器安装在现有除尘设备的进口烟道中，
并需要一段约６米长的直段烟道用来安装凝聚器，凝聚器压力损失较小（≤２５０Ｐａ）；
（２）凝聚设备和运行成本相对低，如ｌ００Ｍｗ机组的耗电量不超过２ｋＷ／ｌｌ；
（３）安装工期短，１—２周即可安装完毕；（４）安装凝聚器后不会对现有除尘设备造成损害，由于大量的微粒凝聚成较大颗粒，除尘设备的运行状况会变得更好；
（５）可延长布袋除尘器的滤袋寿命。
双极荷电流体混合凝聚器适用于大量老电除尘
器的增效改造和新建项目，可以满足不断从严的排放标准。其应用领域非常广泛，可与常规除尘器配
套使用于不同领域，如火力发电行业、建材行业、冶金行业等。双极荷电流体混合凝聚器的应用前景将会非常广阔。
参考文献：【ｌ】
ＲＯＤＮＥＹＴＲＵＣＥ，ＪＯＨＮ
ｗＩＬＫＩＮＳ，李定
富，等．ＩＮＤＩＧ０凝聚器减少细微颗粒物和汞排放的应
用研究［Ａ】．／／第十二届中国电除尘学术会议论文集石
家庄：２００７．
【２】Ｒ・Ｊ・特鲁斯，Ｊ？ｗ？威尔金斯，Ｇ・Ｊ・内森，等．在流体中的改善的颗粒的相互作用【Ｐ】．澳大利亚：
２００５８０００４４３５．２．２００７－２－２１．
【３】
ＲＯＤＮＥＹＴＲＵＣＥ，ＪＯＨＮＷＩＬＫＩＮＳ，ＷＡＬ—
ＬＩｓ
ＨＡＲＲＩｓＯＮ，等．ＩＮＤＩＧＯ凝聚器．减少电除尘器可
见排放物的有效技术．