细颗粒物PM2.5复合团聚技术的研究进展

北极星环保网讯:综述了电场联合其他单一方法的复合团聚技术、声场联合其他单一方法的复合团聚技术，分析了不同复合团聚技术方法的实验研究、影响因素以及优缺点，对未来复合团聚方法的发展趋势进行了论述和展望，同时为复合团聚技术的改进提出建议。

随着国民经济的发展和现代化城市建设的推进，空气污染问题引起了人们的广泛关注。我国空气污染已经由传统的烟煤型污染转变为以PM2.5等为主的跨区域性、复合型污染。细颗粒物（fine particles，PM2.5）是指空气动力学直径≤2.5μm的固体颗粒物或液滴，也称可入肺颗粒物。

工业生产中产生的颗粒物尺寸范围可以从亚微米级的分子到毫米级的粗颗粒，其中PM2.5所占的质量分数并不大，但数量比例却可以占到总颗粒数的90%以上。由于细颗粒物的粒径很小，传统常规除尘设备很难实现有效去除，因此在除尘设备之前增设预处理装置，通过物理或者化学方法对细微颗粒物进行团聚，从而形成较大颗粒加以脱除的方法是当前除尘技术的发展趋势。

1 技术研究进展

现有的单一团聚技术包括化学团聚技术、声波团聚技术、电团聚技术、湍流团聚技术、磁团聚技术、光团聚技术、热团聚技术和蒸汽相变团聚技术等。但单一团聚技术对细颗粒物的清除效率较低，且能耗较大。因此，有必要进一步探索开发高效、节能、环保型的细颗粒物复合团聚脱除方法。目前，国内外学者进行了大量的实验研究并取得了一定成果，复合团聚技术的细颗粒团聚效果显著高于单一团聚效果，并能为PM2.5团聚实验研究及工业应用提供理论基础及新的研究方向。复合团聚技术效果对比见表1。

表1 复合团聚技术效果对比

2 电场联合其他方法团聚

2.1 双极静电湍流团聚技术

双极静电湍流团聚技术是一种通过不同极性放电引起细颗粒物带上正、负极性不同电荷，进而在湍流运输过程中产生速度或方向差异而碰撞聚集的方法，这是一种典型的“荷电+湍流”共同作用下使颗粒物团聚长大的技术。

刘忠等建立了颗粒物双极荷电湍流团聚的物理模型和数学模型，并基于FLUENT软件对团聚实验装置团聚段的流场和颗粒轨迹进行了数值模拟，模拟结果发现，细颗粒物容易受到涡片湍流扰动的影响，不同粒径的颗粒之间发生明显的相对运动，且荷电后正负荷电粒子相互吸引，粒子束流会有往中间趋进的现象，粒子之间的交叉更多，粒子碰撞团聚可能显著增加。

Asanakham等通过计算流体力学（CFD）分析了矩形管道中不同形状的非流线体对烟气细颗粒物团聚的影响，非线性流体使烟气在非等离子体场下产生涡旋脱落，增加了细颗粒物在离子场中充电和碰撞的几率，增强了细颗粒物的团聚效果，其中倾斜板的作用效果最好，脉冲电压为35kV、10kHz的条件下，气体流速为2m/s，烟气中0.3~0.5μm的细颗粒物团聚效率提高了27%。

浙江大学和台湾大学合作，在颗粒物集聚区使用多孔板代替传统交错排列的柱形扰片，设计了一套新型的“荷电+湍流”团聚装置，以优化气固两相流的流动混合，并促进带电粒子的碰撞和团聚，湍流装置如图1所示。

图1 新型多孔板“荷电+湍流”团聚装置示意图

根据所提出的微粒荷电、团聚和收集的实验研究，发现具有适当孔隙率的多孔板可影响放电电流和颗粒聚集，且9.4%的孔隙率能促使颗粒物平均粒径增加39%，同时离子风诱发的湍流显著改善了带正、负电粒子的碰撞，对于各种粒径的颗粒收集效率可达96%~98%，总质量收集效率也提高近12%。

2.2 “电场+离子体”团聚技术

王少雷将离子源和荷电凝并装置放置在烟道中，采用“电场+离子体”的联合方法对细颗粒物团聚进行了研究，实验结果表明，微细粉尘在交变电场中与离子碰撞荷电凝并成大粒径粉尘，中位径为0.2μm的颗粒物中的粒径<0.2μm的质量占有率为71%，凝并后降至53%，质量变化率下降了25.4%；粒径为5~10μm颗粒物质量变化率增加了1.62倍，质量除尘效率相应提高了27.6%。

Gu等选用RE-W材料作为ESP的阴极，开发了一种基于热离子发射的新型静电除尘器（ESP），研究发现热电子在高温实验条件下从阴极表面发射并与气体分子相撞产生热离子，稳定充足的热离子流附着在细微颗粒表面，通过库仑力碰撞团聚并向极板运动，实现烟气中较大颗粒在RE-W阴极的有效收集，且随着温度逐渐升高RE-W阴极的收集效率增加。

Thonglek等提出了一种脉冲电晕激发产生非热等离子体场的线板型静电除尘器（ESP），并建立了一套实验室规模的试验系统，研究了从柴油燃烧中排放出的尺寸范围为0.3~5.0μm的亚微米颗粒的团聚特征和去除效率，实验发现随着脉冲峰值电压、脉冲频率和气体流速的增加，颗粒去除效率逐渐提高，在峰值电压、脉冲频率和气体流速分别为45kV、20kHz和1m/s的条件下，非热等离子体ESP中所有粒径的亚微米颗粒的去除效率均超过了90%。

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