空气污染控制 – 颗粒物排放控制

空气污染控制——颗粒物排放控制

钢铁厂有几个在高温下进行的冶金过程。此外，许多这些工艺处理原材料，其中一些是细粉形式。因此，所有这些过程都容易将污染气体和颗粒物排放到大气中。事实上，这会影响工厂周围的空气质量。为了改善和保护空气质量，不同的污染控制装置被用于控制排放。

几年前，污染控制设备仅用于那些污染物含量非常高或具有毒性的过程。这些设备也较早用于具有一定回收价值的地方。但在环保法规越来越严格的今天，随着社会对环境的关注度越来越高，钢铁行业有必要进行排放调查，并在各个领域安装设备以将排放量降至最低可能的水平。排放控制设备基本上有两种类型（i）颗粒排放控制设备和（ii）气体排放控制设备。本文介绍了颗粒物排放控制系统。

过去 30 年来采用的颗粒物 (PM) 法规已逐渐从对包含总悬浮颗粒 (TSP) 的粗颗粒物的监管转变为对 PM10 和 PM2.5 尺寸范围内的极小颗粒物的监管。这种转变的发生主要是因为健康影响研究数据表明，小颗粒与不良健康影响的关系最为密切

颗粒物排放的监管可以追溯到工业革命的早期阶段。即使在 1600 年代，人们也能看到颗粒物排放与固体沉积、织物污染、材料腐蚀和建筑物变色等问题之间的关系。随着技术和公众意识的扩大，颗粒物排放显然也会导致某些类型的肺部疾病和相关疾病。

在 1940 年代后期，几种类型的颗粒物控制系统从相对初级的设计发展到类似于当今高效系统的形式。例如，静电除尘器 (ESP) 从用于酸雾控制的单场管状单元发展为单场和两场板式除尘器。文丘里洗涤器也开始用于颗粒物控制。安装这些控制系统主要是为了尽量减少灰尘造成的滋扰和问题。

颗粒物可分为两类，即（i）初级颗粒物和（ii）次级颗粒物。初级颗粒物是直接排放到大气中的物质。这些排放是 1997 年之前所有颗粒物控制行动的重点。初级颗粒物可以由小于 0.1 微米到大于 100 微米的颗粒组成。但是，大部分初级颗粒物属于粗颗粒物。

随着针对细颗粒物和超细颗粒物的PM2.5标准的颁布，对二次颗粒物的关注度越来越高。这是由于气态前体的反应而在大气中形成的颗粒物。二次形成过程可导致新颗粒的形成或将颗粒材料添加到预先存在的颗粒中。最常与二次颗粒物形成相关的气体包括二氧化硫、氮氧化物、氨和挥发性有机化合物 (VOC)。这些气态前体大部分是从人为源排放的；然而，生物来源也贡献了一些氮氧化物、氨和挥发性有机化合物。

二次颗粒物可进一步细分为两类，即 (i) 由人为和生物源排放的冷凝蒸气形成的二次颗粒物，和 (ii) 由气态前体的大气反应形成的二次颗粒物。 VOC 和硫酸是两种常见的排放物示例，它们可以冷凝形成二次颗粒物。由于它们在固定源气流中的蒸气形式，这些材料通过颗粒物控制系统，包括高效设备。然而，在某些条件下，气相材料可能会在环境空气中凝结，形成由环境采样系统测量的颗粒。可冷凝颗粒物的相对重要性才刚刚开始被评估。

在一个过程中形成的颗粒尺寸范围很大程度上取决于存在的颗粒形成机制的类型。可以简单地通过识别其中哪些在评估过程中是重要的来估计一般尺寸范围。空气污染源中最重要的颗粒形成机制包括（i）物理磨损/机械分散，（ii）燃烧颗粒烧尽，（iii）均质冷凝，（iv）异质成核，以及（v）液滴蒸发

当两个表面摩擦在一起时会发生物理磨损。此外，当燃料颗粒被注入燃烧过程的热炉区域时，大部分有机化合物在气流中蒸发和氧化。随着挥发性物质的离开，燃料颗粒变小。燃料颗粒被迅速还原为仅由有机化合物组成的不可燃物质（灰烬）和缓慢燃烧的炭。最终，大部分焦炭也会燃烧，主要留下不可燃材料。随着氧化的进行，最初为 100 毫米 -1,000 毫米颗粒的燃料颗粒被还原为主要在 1 毫米至 10 毫米范围内的灰烬和焦炭颗粒。这种颗粒形成的机制可以称为燃烧燃料的燃尽。

均相成核和异相成核涉及将气相材料转化为颗粒物质形式。均匀成核是几乎完全由气相材料组成的新粒子的形成。异质成核是由于其他机制而形成的颗粒表面上的物质积累。在这两种情况下，都需要将含蒸汽的气流冷却到可以发生成核的温度。

一些空气污染控制系统使用从湿式洗涤器回收的含固体水来冷却气流。这种做法无意中产生了另一种与燃料烧毁非常相似的颗粒形成机制。水流在注入热气流期间被雾化。随着这些小液滴蒸发干燥，悬浮和溶解的固体以小颗粒的形式释放出来。这种机制产生的粒径范围尚未得到广泛研究。但是，它可能会产生大小从 0.1 毫米到 2.0 毫米不等的颗粒。

空气污染控制系统对颗粒施加作用力，以便将它们从气流中去除。这些力基本上是可用于颗粒收集的“工具”。所有这些收集机制力都强烈依赖于颗粒大小。施加的力是（i）重力沉降，（ii）惯性碰撞和拦截，（iii）粒子布朗运动，（iv）静电吸引力，（v）热泳和（vi）扩散泳。

施加这些力中的一种或多种，​​例如静电力或惯性力，可以将粒子加速到可以收集的方向。粒子加速的程度由等式“F =Mp x Ap”表示，其中 F 是粒子上的力，以克厘米/平方秒为单位，Mp 是粒子的质量，以克为单位，Ap 是粒子的加速度，以 cm/sq sec 为单位。空气污染控制装置旨在对气流中的颗粒施加最大可能的力。颗粒（或颗粒团块）加速越多，空气污染控制装置就越有效和经济。

在高效微粒控制系统（如织物过滤器和静电除尘器）中收集微粒物质涉及三个基本步骤。这些是 (i) 初始捕获垂直表面上的颗粒，(ii) 固体重力沉降到料斗中，以及 (iii) 从料斗中去除固体。粒子收集机制控制前两个步骤的有效性，即初始捕获进入的粒子和收集的固体的重力沉降。粒度分布在每个步骤中都很重要。

所有颗粒物排放控制设备都通过涉及施加力的机制收集颗粒物。各种颗粒设备有沉降室、旋风分离器、袋式过滤器和静电除尘器。这些设备的除尘机理及作用力见图1。

图1除尘机制

沉降室

沉降室是最早用于控制颗粒排放的设备之一。然而，它现在很少使用，因为它收集颗粒的效率非常低。沉降室中的收集力是重力。在气流中移动足够慢的大颗粒可以被重力克服并收集在沉降室中。

该装置构造为一个长水平的盒子，带有入口、腔室、出口和集尘料斗。载有颗粒的气流在腔室中的速度降低。气流中的所有颗粒都受到重力的影响。在腔室中降低的气体速度下，较大的颗粒（大于 40 微米）被克服并落入料斗中。它主要用作其他颗粒物排放控制装置的预清洁器，以去除非常大的颗粒物。图2给出了一个简单的重力沉降室设计。

图 2 简单的重力沉降室设计

旋风

旋风分离器是简单的机械装置，通常用于从气流中去除相对较大的颗粒。它们被用作更复杂的空气污染控制设备（如静电除尘器或袋式过滤器）的预清洁剂。旋风分离器比沉降室更有效。

机械装置利用粒子的惯性进行收集。载有颗粒的气流被迫以气旋方式旋转。粒子的质量使它们向漩涡的外部移动。大部分大直径颗粒进入旋风管下方的料斗，而气流则转向并离开管。

有两种主要类型的旋风分离器，即（i）大直径旋风分离器和（ii）小直径多旋风分离器。大直径旋风分离器的直径通常为 300 mm 至 2 m。小直径多级旋风分离器的直径通常在80-300毫米之间。

气流切向进入旋风分离器，并在旋风分离器体内产生微弱的旋转气体涡流。大直径颗粒向旋风器体壁移动，然后沉降到旋风器的料斗中。清洁后的气体转向并离开旋风分离器。大直径旋风分离器用于收集直径从1.5毫米到150毫米以上的颗粒。

用于在旋风分离器中收集颗粒的收集力是离心力和重力。旋风分离器的形状或曲率导致气流以螺旋运动方式旋转。较大的粒子凭借其动量向壁外移动。颗粒在那里失去动能并与气流分离。然后这些粒子被重力克服并落下以被收集。旋风分离器进气口的设计目的是使进入的气体的流动模式由直流变为圆形，形成涡流。

在多旋风分离器的情况下，轴向旋风分离器并联使用。在轴向旋风分离器中，气体从顶部进入，并被连接在中心管上的叶片引导成涡流模式。在多旋风分离器中，脏气体通过所有单独的旋风分离器均匀进入。图3给出了旋风装置。

图 3 Cyclone 设备

袋式过滤器

袋式过滤器使用尼龙或羊毛等过滤材料从含尘气体中去除颗粒。颗粒保留在织物材料上。当清洁气体通过材料时。然后通过机械摇动或使用鼓风的清洁机制将收集的颗粒从织物过滤器中去除。去除的颗粒储存在收集料斗中。袋式过滤器中使用的各种纤维材料及其性能见表1。

在袋式过滤器中，三个独立的力，即撞击、直接拦截和扩散，负责从气体中去除颗粒并收集它们。当颗粒大到无法跟随气流并撞击或撞击袋式过滤器的纤维并与气流分离时，就会发生撞击。在直接碰撞的情况下，由于粒子中心与纤维之间的距离小于粒子半径，粒子跟随气流围绕纤维直到发生碰撞。扩散发生是因为非常小的粒子在整个气体体积中经历布朗运动。非常小的颗粒会受到气流中分子碰撞的影响。这些随机运动的粒子通过气体扩散，撞击纤维并被收集起来。

袋式过滤器通常具有大量垂直悬挂在袋式过滤器中的圆柱形纤维袋。当灰尘层达到足够的厚度时，清洁袋子，使灰尘颗粒落入收集料斗。可以通过多种方法清洁袋子。三种最常见的方法是摇动、反向空气清洁和脉冲喷射。在机械摇动中，袋子由驱动系统轻轻摇动，以去除沉积的灰尘。在反向空气清洗机构中，袋式过滤器隔间用低压气流进行反洗。只需让袋子塌陷即可去除灰尘。脉冲喷射清洁机制是最流行的机制。它使用高压空气喷射去除袋子中的灰尘。通过喷射到袋管顶部的压缩空气将尘饼从袋中去除。高压空气的喷射阻止了空气通过过滤器的正常流动。空气发展成冲击波，当冲击波沿着袋管传播时，导致袋子弯曲或膨胀。当蛋糕弯曲时，蛋糕破裂并且沉积的颗粒从袋中掉落。冲击波在大约 0.5 秒内向下传播并返回管子。压缩空气的冲击力应足以穿过袋子的长度并粉碎或破裂尘饼。

袋式过滤器的袋子有寿命，当寿命结束时需要更换。三个条件对袋子的寿命产生不利影响。这些是磨损、高温和化学侵蚀。

袋式过滤器设计中的重要变量之一是空气与布料的比例。非常高的空气布比会导致压降过大，收集效率降低，袋子会因灰尘而结块，并且袋子会迅速变质。图4为脉冲喷射袋式过滤器。

图 4 脉冲喷射袋式过滤器

静电除尘器

静电除尘器用于收集粒径范围为0.1微米至10微米的颗粒。它使用不均匀的高压场将大电荷施加到在场中移动的粒子。带电粒子向带相反电荷的收集表面移动，并在那里聚集。它的收集效率很高，有时甚至超过99%。 ESP 可在 175 至 700 摄氏度的温度范围内处理大量废气。

静电除尘器主要分为三种类型，即 (i) 带负电的干式除尘器、(ii) 带负电的湿壁除尘器和 (ii) 带正电的两级除尘器。带负电的干式除尘器是大型应用中最常用的类型。湿壁除尘器（有时称为湿式除尘器）经常用于收集中等粘性的雾和/或固体材料。带正电的两级除尘器仅用于除雾。图5为静电除尘器及其概念。

图 5 静电除尘器

ESP 中涉及的粒子收集机制是静电力。悬浮在烟气中的粉尘颗粒在通过 ESP 时带电。向由小直径放电电极和收集电极组成的电极系统施加高压、脉动直流电。放电电极通常带负电。收集电极通常接地。增加所施加的电压，直到它产生电晕放电，这可以看作是放电电极周围的发光蓝色辉光。电晕使气体分子电离。产生的负气体离子向接地的收集电极迁移。负气体离子轰击悬浮在烟道气流中的颗粒并赋予它们负电荷。带负电的粒子然后迁移到收集电极并被收集。

ESP 有六个基本要素。它们是 (i) 放电电极、(ii) 收集电极、(iii) 电气系统、(iv) 振打器、(v) 料斗和 (vi) 外壳。放电电极通常是小直径的金属线。该电极用于电离使尘粒带电的气体，并产生强电场。收集电极是平板或管，其电荷与放电电极的电荷相反。该电极收集带电粒子。电气系统由用于控制放电电极和收集电极之间的电场强度的高压组件组成。振打器向电极施加振动或冲击以去除收集的灰尘。刮板清除积聚在收集电极和放电电极上的灰尘。料斗位于 ESP 的底部，用于收集和临时储存振打过程中去除的灰尘。外壳将电极包裹起来，支撑着整个 ESP。

尘粒的电阻率会极大地影响 ESP 的收集效率。电阻率描述了收集的灰尘层对电流的阻力。具有高电阻率的颗粒比具有正常电阻率的颗粒更难收集。可以通过调节流入 ESP 的烟气的温度和水分含量来降低高电阻率。但在调节温度和湿度时，要保证烟气温度在露点以上，否则会腐蚀板材。

ESP 设计中的重要参数之一是特定收集面积，其定义为收集表面积与进入 ESP 的气体流量的比率。对于给定的烟气流量，增加表面积通常会提高除尘器的收集效率。