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1、水泥行业PM2.5的排放、采样和控制技术盘点关键词：除尘器 静电除尘器 水泥行业中国细粒子（PM2.5）污染严重，而中国作为世界第一的水泥生产大 国排放大量的粉尘和烟尘。本文综述了国内外有关水泥行业 PM2.5 的研究进展，阐述了 PM2.5的来源及危害，排放现状、采样方法及其 控制技术，并对其研究动向进行了展望。PM2.5是指空气动力学直径小于或等于2.5um的颗粒物，又称 作细粒子。近年，因具有比表面积大，能吸附多种有毒有害物质，在 大气中的滞留时间长，传输距离远和容易进入人体的肺部和支气管等 特点，PM2.5已成为人们的研究热点，研究方向主要集中在PM2.5的 粒径分布、物理化学特征及组
2、成、源解析、对人体健康的影响及对能 见度的影响等。而对于工业源特别是水泥行业排放的PM2.5的研究还 相对较少。但是，我国雾霾天气逐渐增多，国家环境环保部已将城市大气细 颗粒物（PM2.5 ）防治提上议程，制定的环境空气质量标准 GB3095-2012也在2012年2月29日发布，增设了 PM2.5浓度限值， 该标准自2016年1月1日实施。中国是水泥生产大国，30多年来，我国的水泥产量以超过年均 10%的高速度持续增长。从1985年起，我国水泥产量已经连续二十多 年居世界第一位，占世界总产量的50%左右。2011年我国水泥总产量 为20.9亿吨，新型干法水泥生产线1513条，其中日产4000
3、吨及以 上生产线比重达到56.87%，且新型干法水泥产量占全国总产量的89% 水泥生产技术基本实现由立窑、湿法等落后技术向新型干法先进技术 的转变。1、PM2.5的环境及人体健康危害PM2. 5对人体健康的影响主要表现在引起呼吸系统疾病、增加死 亡率和致病率及具有致癌致突变等方面。颗粒物的粒径越小，进入人 体呼吸系统的部位就越深。PM1-2.5可以进入支气管等下呼吸系统， PM0.1-1能够进入肺部，超细颗粒物PM0.1能够穿透肺泡进入血液循 环系统甚至影响其他重要器官。国内外大量的流行病学调查表明，死 亡率和致病率的增加与大气颗粒物污染水平升高存在明显的正相关 关系。Schwartz研究表明
4、。PM2.5的浓度每升高10ug/m3，人气呼吸 系统疾病的死亡率则从2.1%增加到3.75%。与此同时，Arden和 Burnett等研究发现细颗粒物浓度每升高10ug/m3，肺癌、心肺疾病 的死亡率及全死亡率分别增加大约6%、8%和1.4%，而粗颗粒物则与 死亡率无一致性联系。大量研究表明，能见度降低与PM2.5密切相关，特别是粒径为 0.11.0um的颗粒物。能见度水平和PM2.5质量浓度呈较好的负相 关。PM2.5还能够对全球环境产生影响。通常颗粒物越小，大气中的 传输距离越远。PM2.5的传输距离可达几千至几万公里，对区域甚至 全球环境产生影响。2、水泥行业PM2.5的排放现状及采样
5、方法2.1水泥行业PM2.5的排放现状2.1.1欧盟2009 年，欧洲环境署(EuropeanEnvironmentAgency, EEA)颁 布的EMEP/EEA空气污染物排放清单指南指出，欧盟27个国家的水泥 设备在2006年共生产2.66亿t水泥。由于除尘设备的不同，PM10 约占 TSP 的 90%95%,而 PM2.5 占 TSP 的 50%85%。同时，PM2.5的去除效率也因除尘设备而有所不同，静电除尘器 的PM2.5除尘效率为27%60%，平均效率为40%；布袋除尘器PM2.5 的除尘效率为49%100%，平均效率为73%。2009年排放清单指南提 出，水泥生产PM2.5的平均
6、排放因子为110g/1-水泥，范围在55 220g/1-水泥;湿法回转窑的PM2.5平均排放因子为0.18kg/1-水泥， 范围在0.120.27kg/1-水泥；而干法排放因子为0.94kg/1-水泥， 范围在0.61.4kg/1-水泥。而在2011年的EMEP/EEA空气污染物排放清单指南草稿中提出， 水泥生产PM2.5平均排放因子为120g/1-水泥，范围在1300g/1- 水泥，其他指标未发生改变。Ehrilich等研究德国各工业源的颗粒物排放，其中有关水泥行 业排放情况如表1。结果显示，篦冷机采用布袋除尘器的总粉尘排放 量高于采用静电除尘器 的，但是对PM2.5的除尘效率却高于静电。
7、表1德国水泥生产颗粒物排放情况生械副曲燧TSPImg - rr（卩贬5冋时勺/%87&.2S22瞩艦巔85赫电-69.5立戏瞎生料，県鸚鹽陪匸伪50.1na2.375.2热斓診生料，慮慝诙1184.962.13343.578.23 2&擬7.15B.428712.943.272布壊勢3.87221.26躺;浏V斜煤，鼬融1S.3645关键词：除尘器 静电除尘器水泥行业2.1.2美国美国早在1994年就提出了空气污染物排放技术手册AP-42， 其中11.6章讨论有关水泥PM2.5排放因子，见表2。从各生产工艺 的PM2.5排放因子看，布袋除尘器 的除尘效果好。根据波特兰水泥 协会的2009年的一
8、份报告指出，除尘设备为布袋除尘器，使用废轮 胎作为替代燃料的预热器/分解炉排放的PM2.5比不使用废轮胎的略 高。2.1.3中国中国还没有有关水泥行业PM2.5的排放标准。现存的水泥工 业大气污染物排放标准GB49152004于2004年修订，其规定，自 2010年1月1日起现有生产线，自2005年1月1日起新建设备，水 泥制造中的水泥窑及窑磨一体化、烘干机、烘干磨、煤磨及冷却机排 放的颗粒物浓度限值为50mg/m3，矿石开采、水泥制品生产及部分水 泥制造设备排放的限制为30mg/m3。表2： USEPA水泥行业PM2.5排放因子除尘诰备PM2.5 排迪因子 诀料(PM2.5/PM(PMZ.5
9、/PM10/%预热器/另領炉布袋34.9370.6493.90湿法呈静电31.3061.0635.19静电68.04N/A63.56预热器吩解炉静电13.1565.9130.56（生料磨开3.布袋6.304 0.3057.92观热器为解炉静电41.73es.ee09.32布袋9.7521.1627 07旁路放凤排碱布袋1.8130.77100熟糾冷却器布袋4.9952.3873.333.-1336.8477.78布袋0.270.0015.00布袋6.8039.4755.66煤磬布袋2.729.2335.25张强等估算出2001年中国水泥行业PM2.5的排放量约为 4.36X1061,占全国排放
10、总量的35%,是最大的PM2.5排放源。2005 年，水泥工业向大气中排放PM2.5为301万吨，其中有组织排放280 万1,无组织排放20万1。雷宇等通过大气颗粒物排放模型，得出 1997年、2001年和2004年全国PM2.5排放量分别为436、343和367 万1。张楚莹等利用排放因子法，2005年工业过程源对PM2.5的贡献 率为65%，其中有78.5%来自水泥生产，工业过程源指水泥生产、石 灰生产、砖瓦生产、炼焦、烧结、炼铁、炼钢等。马静玉使用颗粒物 分级采样仪（LPI ）和铝膜及Teflon膜对水泥厂窑头、窑尾、煤磨和 水泥磨等工序进行颗粒物样品采集，得出所测企业窑头PM2.5排放
11、因 子为0.06和0.15kg/1-熟料，窑尾排放因子为0.04、0.20和0.45kg/1-熟料，水泥磨排放因子0.0002和0.003kg/1-水泥，煤磨 排放因子为0.0002和0.002kg/1-煤粉。2. 2采样方法由于烟气温度高和含有水汽，燃烧源采集PM2.5比大气环境中的 采样复杂和困难。研究中通常采用的采样方法有直接采样法和稀释采 样法两类21-22。2.2.1直接采样法 直接采样法就是直接在固定燃烧源烟道中热采集颗粒物。该方法 通常包括美国环保局(USEPA)颁布的me 1hod5、methodl7和 me1hod201A/202。美国环保局颁布的method5是将滤筒放置在
12、烟道外，并加热到 (120 14)C范围内，使冷凝温度等于或高于这个温度的细颗粒物被 采集。Melhod17是将等速采样头和滤筒放置在烟道中，烟气由等速 采样头进入滤筒并以烟道温度捕捉到滤筒内。Me 1hod5和me 1hodl7只能采集到部分一次颗粒物，无法采集到 经过复杂大气物理化学变化过程生成的二次颗粒物，同时存在于气溶 胶相中的许多有机化合物在气相和气溶胶中的比率随着烟气在大气 中温度和稀释程度的变化而变化。这两种方法导致采样结果的负偏差 且采集到的PM2.5的化学成分也与实际排放到大气中的不同。Melhod201A是以动压等速的方法将烟气吸入采样管，内置旋风 分离器分离粒径大于10u
13、m的颗粒物，同时内置玻璃纤维滤筒或滤膜 收集PM10。Melhod202用于测定固定源凝结颗粒物，该方法和 methodl7或method201A联用可同时捕集过滤颗粒物和凝结颗粒物。 但是由于该方法会使常温下不能凝结成颗粒物的气体凝结，导致高估 燃烧源排放的一次凝结颗粒物，造成采样结果的正偏差。2.2.2稀释采样法 稀释采样法是通过将烟气进行稀释模拟烟气在大气中扩散的过 程，以此来避免高温和高湿烟气环境的干扰。自二十世纪七八十年代开始，稀释采样法已经开始应用于机动车尾气排放的采样，后来逐渐在固定燃烧源中应用oHidemann等在1989年提出自己的稀释设备，该设备将稀释气体与高温烟气以至少4
14、0:1的稀释比进行稀释并混合均与，冷却后的气体进入停留室8090s后, 进行采集和分析颗粒物。随着Hildemann等的稀释系统经改进后，加州理工大学和美国沙 漠研究所等也设计了稀释系统。加州大学Schauer设计的稀释系统在停留室后面加装了三组采样器：1）旋风分离器和denudar/滤膜/PUF组合，采集半挥发和颗粒态有机物；2）旋风分离器和3个平行放置的滤膜/PUF组合；3）旋风分离器、滤膜和V0C采样罐/筒。这套改进的稀释系统可 用来对固定源排放的PM2.5、气相有机物、半挥发态和颗粒态有机物 等进行采集和分析。与Hidemann等的稀释系统相比，美国沙漠研究所的稀释系统增加混合长度和混
15、合时间，并便于拆卸和运输，经稀释和旋风分离器，PM2.5采集到石英膜、Teflon膜和玻璃纤维滤膜上便于不同目的的分 析。该系统还可测定C8-C20的烃、羰基化合物及V0C，并在各种固 定源排放PM2.5研究中得到应用。在中国，对于固定源稀释采样法的研究起步较晚且国内外尚未有 相应的标准。曾立民等研发了一套稀释采样系统，该系统根据烟道内 气压变化，动态调节采样流量，实现全过程等速采样，可以模拟烟气 在大气中的物理化学变化，最大限度的减少了颗粒物在实验过程中的 损失。但是，在采样过程中，可能由于系统的流量控制器和采样泵因烟 气流速波动而一直变化，系统处于不稳定状态，会使采样结果出现偏 差。郝吉明等开发出一套固定燃烧源颗粒物稀释采样系统，该系统主 要由烟气进气部分、一级稀释系统、二级稀释系统、停留室和采样部 分组成，可以实现80左右的稀释比，停留室停留80s。同时，该系统可与在线颗粒
