国内外细颗粒物控制技术的研究进展综述

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1、可吸入颗粒物控制技术 1 一、大气颗粒物 二、空气质量标准 三、细颗粒物对大气环境和人体健康的影响 四、固定源、移动源细颗粒物排放及其影响 五、 现有污染控制设施脱除细颗粒物的性能 六、 超细颗粒物控制技术的发展方向 七、 近期国际国内研究热点 八、声波团聚技术 九、 磁团聚与磁分离技术 十、 电凝并技术 十一、 化学及其他团聚促进技术 十二、 电袋复合除尘器 十三、 柴油车微物排放控制技术 一、大气颗粒物 颗粒物可悬浮于空气 中的固态和液态的微粒 PM10：空气动力学当量直 径小于或等于10微米的 颗粒物； PM2.5：空气动力学当量直 径小于或等于2.5微米的 颗粒物。 颗粒物源 细颗粒物

2、（可吸入颗粒物）的来源包括自然源和人为源： l 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； l 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。 l 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。 颗粒物源 一次颗粒物 天然污染源和人为污染源释放。 二次颗粒物 大气污染气体组分(如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化 合物等)之间，或与大气中的正常组分(如氧气)之间通过 光化学氧化反应、催化氧化反应或其它化学反应转化生 成的颗粒物。 表1.1 不同城市PM10的源解析 城市 主要排放

3、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%。 二、空气质量标准 -

4、WHO 24小时标准 年平均标准 美国为35 美国为15:且为 3年平均 7 19871987 20002000 20052005 欧洲空气质量准则欧洲空气质量准则 19871987年年 20002000年年 20052005年年 欧洲空气质量准则欧洲空气质量准则 全球空气质量准则全球空气质量准则 传统污传统污 染物： PM、SO2、O3和NO2 其他污污染物： 2000欧洲空气质质量准则则 规规定PM10、PM2.5和O3过过渡期 目标值标值 传统污传统污 染物： SO2、NO2、O3、PM 有机物：苯等16种 无机物：As等12种 传统污传统污 染物： SO2、NO2、O3、PM 有机物：

5、苯等16种 无机物：As等11种 颗颗粒物： 浓浓度健康反应应关系曲线线 O3仅给仅给出了浓浓度范围围；PM包 括TSP和TP WHO环境空气质量准则修订过程 8 我国环境空气质量标准修订过程 总悬浮颗粒物总悬浮颗粒物 飘尘（参考）飘尘（参考） 二氧化硫二氧化硫 氮氧化物氮氧化物 光化学氧化剂光化学氧化剂 19791979年年环保环保法（试行）法（试行） 19821982年年 大气环境质量标准大气环境质量标准(GB(GB 3095-82)3095-82) 19871987年年大气法大气法 19891989年年 环保法环保法 19881988年年 保护农作物的大气污物最保护农作物的大气污物最 高

6、允许浓度高允许浓度( (GBGB 9137)9137) 19961996年年 环境空气质量标准环境空气质量标准(GB(GB 3095-1996)3095-1996) 20002000年年环境空气质量标准修改单环境空气质量标准修改单 总悬浮颗粒物总悬浮颗粒物 可吸入颗粒物可吸入颗粒物 二氧化硫二氧化硫 氮氧化物氮氧化物 一氧化碳一氧化碳 臭氧臭氧 铅铅 氟化物氟化物 二氧化氮二氧化氮 苯并苯并aa芘芘 环境空气质量功能区维持不变环境空气质量功能区维持不变 取消氮氧化物；放宽二取消氮氧化物；放宽二 氧化氮和臭氧二级限值氧化氮和臭氧二级限值 与国际接轨，适当增加项目与国际接轨，适当增加项目 一类区：

7、自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。 二类区： 城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化 区、一般工业区和农村地区。 三类区：特定工业区。 一类区： 国家规定的自然保护区、风景游览区、名胜古迹和疗养 地等。 二类区： 城市规划中确定的居民区、商业交通居民混合区、文化 区、名胜古迹和广大农村等。 三类区： 大气污染程度比较重的城镇和工业区以及城市交通枢纽 、干线等。 1、为适应社会经济发展，环境空气质量标准分功能区制定；2、逐 渐缩小三类区，扩大二类区；3、局地污染物，由地方制定标准。 补充补充GBGB 30953095- -8282；根据作物敏感类型制定限值；根据作物敏感类

8、型制定限值 二氧化硫、氟化物二氧化硫、氟化物 20102010年年本次修订 本次修订取消三类区，维持一类区，扩大二类区取消三类区，维持一类区，扩大二类区 增加增加PMPM2.5 2.5等 等 标准分级 标准分为二级，分别针对不同的功能区 环境空气功能区分为二类： 一类区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护 的区域； 二类区为居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业 区和农村地区。 一类区适用一级浓度限值，二类区适用二级浓度限值。 基本项目的浓度限值 序号污染物项目平均时间浓度限值单位 一级二级 1二氧化硫 （SO2） 年平均2060微克/立方米 24小时平均50150 1小时平均1505

9、00 2二氧化氮 （NO2） 年平均4040 24小时平均8080 1小时平均200200 3一氧化碳 （CO） 24小时平均4.04.0 毫克/立方米 1小时平均10.010.0 4臭氧（O3）日最大8小时平 均 100160 微克/立方米 1小时平均160200 5颗粒物（粒径 小于等于10微 米）（PM10） 年平均4070 24小时平均50150 6颗粒物（粒径 小于等于2.5微 米）（PM2.5） 年平均1535 24小时平均3575 加严 三、细颗粒物对大气环境和人体健康的 影响 对人体健康的影响 l 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

10、、病毒和细菌等有毒物质，以及痕量有毒元素； l 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。 l 对大气环境的影响 l 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。 l 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。 (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

11、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1.2 1990-2005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 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。 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 四、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 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

12、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。 图1.3 现有各种除尘设备中细颗粒的穿透率 五、 现有污染控制设施脱除细颗粒物的性 能 六、 超细颗粒物控制技术的发展方 向 1）燃烧前对煤的性质控制 2）燃烧过程中减少细颗粒物的生成 3）燃烧后控制 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； 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。 1）燃烧前控制 煤种选择 无机矿物质的成分、外部矿物质和内部矿物质的含量、煤粉的孔 结构、煤粉中元素的赋存形式等

13、 矿物构成决定灰分的多少 灰分高，颗粒物排放浓度高 煤粒加工 煤粉越细，形成的颗粒物越多，颗粒物中携带的重金属量越大 2）燃煤中减少细颗粒物生成的途径 煤+煤 煤+生物质 吸附剂 添加剂 细微颗粒 重金属 O2/CO2 温度 氧含量 燃烧气氛 2）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 21 汽油机(GDI) 扩散燃烧 3）燃烧后控制 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

14、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。 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

15、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 七、 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 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

16、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 八、声波团聚技术 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。 超细颗粒声波团聚长大示意图 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 国内外研究现状 l 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。 l