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现代焚烧发电工程中的PM2.5及其控制技术
现代焚烧发电工程中的PM2.5及其控制技术
孙  宏  杨伟才
(戈尔工业品贸易上海有限公司,上海,200040)
 
摘  要:随着垃圾焚烧发电工程的兴起,环保意识获得提高。开始关注API,包括严重影响健康的PM2.5的控制。哈佛大学研究表明,PM2.5的控制比TSP更重要。主要国内焚烧发电集团在进军焚烧发电市场中,不但注重社会效益,经济效益,更注重环保效益,使用ePTFE高精度膜过滤技术在垃圾焚烧发电工程中严格控制PM2.5的排放。
关键词:PM2.5  烟气净化  垃圾焚烧  过滤 
 
Study of PM2.5 in Incineration Application and Developing the Controlling Technology
Hong Sun  Weicai Yang
(Gore Industrial Products (Shanghai) Co., Ltd.,Shanghai,200040)
 
AbstractWith the municipal solid waste incinerator project widely setting up recent years, people start to pay attention to API included the PM2.5 controlling. Research from Harvard tells that the health effects correlate better with PM2.5 than TSP. EverBright, TEDA,Shanghai environmental,etc. are setting up many MSW plants and equipped with ePTFE membrane filtration provides the high technology in controlling the PM2.5 in Waste to Energy application.
KeywordsPM2.5; flu gas clean; Incineration; filtration
 
颗粒物是大气中的主要污染物之一,也是引起环境、气候变化的重要因素。当前,大气颗粒物的控制已成为环境、气候和健康等领域的重要内容。大气中颗粒物粒径的变化范围较大,不同粒径的颗粒物对环境、气候和健康所造成的影响也各不相同。按粒径大小它又分为降尘,TSP(总悬浮颗粒物),PM10(可吸入颗粒物),PM2.5(细颗粒物)。目前我们的空气质量采用了空气污染指数API (Air Pollution Index)来进行评判.按照《大气环境质量标准》(GB3095-1996),目前我们日常看到的空气质量公报分为五级,其中包括PM10的指标。中国环境部今年将增加臭氧、PM2.5等细颗粒的一些指标,同时还要考虑适当增加大气能见度的指标。美国环保局US-EPA的PM2.5年标准是(15mg/m3),WHO推荐的PM10和PM2.5年均浓度标准分别为20和10微克/立方米。我国将严格控制PM2.5 (目前我国PM10年均浓度国家2级标准为100微克/立方米)。
PM2.5是指悬浮在大气中,空气动力学直径小于等于2.5微米的大气颗粒物。目前,城市大气微粒子PM2.5已经成为世界各国研究的重点大气颗粒物。2.5μm颗粒物在空气中停留时间为1000小时左右,传输距离可达上千公里。颗粒物对人体健康的影响,主要与颗粒物大小和其化学成分有关。研究表明,颗粒在10mm ~ 100 mm 的颗粒被阻挡在鼻腔外,颗粒在2.5mm ~ 10 mm的颗粒大部分被鼻咽区截留,颗粒在0.1mm ~ 2.5 mm 的颗粒主要沉淀在支气管和肺部,甚至可以进人的肺部深处且不易排出并可穿过肺泡进入血液,是大气颗粒物中对人体健康威协最大的一类。WHO空气质量指导标准2005更新版(WHO Air Quality Guideline Update 2005) 引用的大量数据可说明这一点。人类头发的直径约为60微米,而2.5微米的粒子仅是它的二十四分之一,人的肉眼根本无法辨别。
PM2.5是人类活动释放污染物的主要载体,在焚烧工程中研究表明,它携带有丰富的重金属和有机污染物包括二恶英,呼吸过程中能深入到细胞而长期存留在人体中,因此PM2.5对人类健康有着重要影响。多项流行病学研究报道,空气中的PM2.5浓度升高导致心率失常,加重心衰,激发急性动脉粥样硬化和缺血性心肌病。PM2.5颗粒物从肺泡上皮进入肺组织间隙后,虽然部分能被淋巴清除,但它们仍然能直接扩散到微血管,可能作用于炎性细胞因子,血管内皮和凝血/纤溶系统引起这些组织和细胞的功能改变。
近年来,全国特别是珠三角、长三角和京津冀地区的灰霾天气有所增加,特别是珠三角,灰霾天气有的已经占到了全年天数的一半,或者是一半以上。细颗粒PM2.5是造成灰霾天气的主要原因。
电厂锅炉、焚烧工程是一些地区PM2.5中富集元素的主要来源之一。焚烧烟气的大约60%是可吸入颗粒物,细颗粒物。据相关研究报告,实验室模拟明火焚烧,PM2.5的排放因子为5.2~29.0 g/kg。闷火焚烧烧时,排放因子为明火燃烧的2.4-11.5倍。我们可以看出焚烧产生的微粒中很大部分是小颗粒PM2.5。
所以,焚烧工程中PM2.5的控制成为必须。以天津双港,江阴,江桥,九江,李坑,扬州,贯庄,粤能,武汉等为代表的一批现代化生活垃圾焚烧发电厂都获得了成功。同时他们都拥有先进的焚烧烟气的净化技术,包括使用高精度过滤净化技术,在满足严格的欧盟排放标准同时控制PM2.5达到国际先进标准。
 
哈佛大学研究报告
哈佛大学曾在1974-1991年对ST.Louis地区六个城市做了多年跟踪对比研究,以了解人类存活率与粉尘颗粒物之间的相关性(见图1)。

图1 哈佛大学六城市研究人类存活率与细颗粒物排放相关性
 
从哈佛大学研究表明,人类存活率与细颗粒物排放具有相关性,细颗粒物排放高的城市,人类存活率低。
进一步研究总颗粒物与细颗粒物对人体健康的关系可以发现,PM2.5与存活率有直接相关性而不是总颗粒物排放(见图2),可见,对人类健康而言,有效控制PM2.5的意义高于控制总颗粒物。因此,有效控制TSP很重要,而有效控制PM2.5成为重中之重。

图2 总颗粒物与细颗粒物对人体健康的相关性
 
生活垃圾焚烧尾气排放高精度过滤技术,严格控制PM2.5
在这领域有效控制需使用薄膜滤袋,其过滤表面是一层“膨体”专利技术制成的多微孔,极光滑的ePTFE(膨体聚四氟乙烯)薄膜。由于薄膜的纤维组织极为细密(能使粉尘粒子无法“穿越”薄膜,而使粉尘排放量接近于零的水平;又由于ePTFE薄膜本身具有不粘尘,憎水和化学性能稳定等特性,因此清灰性能极佳。运用独特的复合技术,将ePTFE薄膜复合在多种具有不同使用温度,不同抗化学,抗静电和不同力学性能的底布材料上,以使滤料能适应各种不同的使用场合,就过滤效果而言,底布对过滤能力不起作用,仅作为加强材料而使用。
目前世界上袋式除尘界所推崇的“表面过滤”技术,就是指1974年由GORE发明和倡导的,ePTFE薄膜复合在各种不同基布材料上制成薄膜滤料来实现的一种崭新的过滤技术。这种技术具有以下特点,
  • 过滤效果高
能达到世界上最严格的粉尘排放标准,包括100%控制PM2.5
该过滤技术的测试报告如下:
颗粒物 ( mm) % 过滤效率
0.10-0.12 99.715515
0.12-0.15 99.827156
0.15-0.20 99.937851
0.20-0.25 99.985558
0.25-0.35 99.996895
0.35-0.45 99.999825
0.45-0.60 100.000000
0.60-0.75 100.000000
0.75-1.00 100.000000
 
 
 
  • 运行阻力低
气流量通常可增加30%以上,从而可大大提高系统的生产效率;
利用GORE过滤技术可以使颗粒物得以净化,即使是细小的、非凝聚态(指气溶胶)颗粒物在穿过颗粒物层时也被拦截、吸附从而得以去除,实现了亚微米级颗粒物的高效净化。图3为GORE?技术与传统的TeflonB型滤料的电子显微照片。图3中左边的上、下两张照片分别为上述两种滤料放大200倍后的情形,右边上、下两张照片则分别为两种滤料放大600倍后的情形,另外在图中还表示了10mm,,   20mm ,50mm粒度的颗粒物分别放大200倍和600倍的情形。从图3所示的滤料结构可以显而易见地看出,GORE®?滤料对于捕集亚微米级的颗粒物是非常有效的(不需借助颗粒物初层的过滤作用),而传统的滤料则必须借助颗粒物初层的作用,才能达到较好的净化效果。这种特殊结构的滤袋广泛应用于工业中,尤其是适用于焚烧炉烟气的净化。

图3  GORE®滤料和传统的TeflonB型滤料电子显微比较
 
这种多层滤膜结构使滤袋可以完成表层过滤净化过程。也就是说,颗粒物(PM)沉积在滤膜的表面而不是沉积在滤膜的内部。这使得过滤净化过程可以在较低的压差条件下进行,从而延长了布袋的寿命,并可确保污染物的低浓度排放。实验室测试结果表明,GORE®滤料可使亚微米级的颗粒物得以高效净化,其净化效率接近100%。该结果是通过“GORE”根据工业标准设计、制造的一套装置测试得出的。在这套装置中,专门在采样之前设置了NaCl气溶胶发生器,使模拟烟气中含有不同粒级的颗粒物。测试时,根据布袋除尘器入、出口处采样样品中不同粒级的颗粒物浓度,就可以得出相应的净化效率。另外,为了便于比较,还利用传统的过滤介质(纤维织物滤料)进行了同类试验。试验研究表明,对粉尘捕率,在使用该新技术(图5)后,对比常规材料(图4),粉尘捕率获得飞跃性的提高。

图4  传统滤料的PM捕集率
 

图5  GORE®技术PM捕集率
美国环保局EPA对该技术的报告
环境技术认证(Environmental Technology Verification,ETV)项目是由美国环保局(The Environmental Protection Agency,EPA)创建的一套程序和方法。ETV的创建旨在通过认证和信息发布来推动环境技术的发展及创新。ETV项目通过向涉及环境技术的设计、发布、融资、技许可、购买与使用的公司等提供高质量的、客观的有关新技术性能的数据,来加速新的、经济有效的环境技术的使用,最终实现环境保护的目的。
ETV与一些合格的标准和测试组织,股东委员会(由技术购买者、销售者组织,许可证发放者和其他成员组成)和其他感兴趣的实体达成合作关系,并且完全可以有私人技术开发者参与。ETV项目通过设计相关的认证过程,收集和分析数据,并提供公正的检测报告等方式来评估新技术的性能,所有评估都会采取必要的审计和监督过程来确保认证过程和数据的可信性。
权威机构的认证表明,对该技术,PM2.5颗粒物排放-未检测到的排放!GORE技术的排放之低甚至低于测试设备的检测极限值(<.000002g/dscm,远低于各类排放标准),包括PM2.5在内的所有粒径的颗粒物均未被检测到(见图6)。

图6  美国EPA对戈尔技术的检测
 
所以,使用先进膜控制技术,可以100%捕集及控制PM2.5甚至1-2微米的颗粒物。
结语
PM2.5是人类活动释放污染物的主要载体,它携带有丰富的重金属和有机污染物包括二恶英,在焚烧工程中会产生大PM2.5。使用先进的膜过滤技术可实现对PM2.5的完全控制。我国生活垃圾焚烧技术在”十五”期间取得了长足的发展,以天津双港,江阴,江桥,九江,李坑,扬州,贯庄,粤能,武汉等为标杆的现代化生活垃圾焚烧发电厂。目前在中国营运的大型现代化生活垃圾焚烧厂都已使用先进膜过滤技术,实现了对PM2.5的完善控制。
 
主要参考文献
1. W.L. Gore & Assoicates,Inc. Remedia® Catalogue.2004.
2. Keith J.Fritsky, Gore.John H.Kumm .Combined PCDD/F Destruction and Particulate Control in the Baghouse.EA Engineering Science & Technology.2002.
 
参考文献
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