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PM2.5及其工业源头控制技术
出处:    编辑:系统管理员    时间: 2012/9/17

PM2.5及其工业源头控制技术

 

1 前言

 

PM2.5细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,大气中颗粒物的粒径变化范围很大,按粒径大小颗粒物可分为降尘、总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5),其中的PM2.5就是指大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物,也称为可入肺颗粒物,它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20(见图1)。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分,但它对空气质量和人体健康等有着重要的影响。PM2.5对光的散射作用比较强,在不利的气象条件下很容易导致灰霾形成,这就是空气看起来不透澈的原因,同时PM2.5也是引起一系列人体健康问题的罪魁祸首。

 

 

 

 

2 国内外关于PM2.5对人体健康危害的研究

 

一般认为,粒径在10μm以上的颗粒物,会被挡在人的鼻子外面;粒径在2.510μm之间的颗粒物,能够进入上呼吸道,但部分可通过痰液等排出体外,另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡,对人体健康危害相对较小;而粒径在2.5μm以下的细颗粒物即PM2.5,被吸入人体后会直接进入支气管,干扰肺部的气体交换,引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。与较粗的大气颗粒物相比,PM2.5粒径小,富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间为1000小时左右、传输距离可达上千公里,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

 

国内外有很多这方面的研究。国内的环境卫生专家潘小川教授曾研究了大气中PM2.5浓度与心血管急诊人数的关系,在2004年至2006年期间,北京大学第三医院总共接待了8377名心血管病急诊患者(见表1中的急诊人数,以及空气污染数据及天气情况的统计数据)。表1中可见,这一时间段的平均SO2NO2浓度均低于国家“良”级空气质量标准限定的最高值(60μg/m380μg/m3),而PM2.5平均浓度为121.58μg/m3,远高于世卫组织认定的安全值(10μg/m3)。

 

此外,从表1中还可发现,当观测点的PM2.5日均浓度增加时,在距观测点约4公里以外的北京大学第三医院,心血管病急诊患者数量也相应增加。虽然PM10PM2.5都是心血管病发病的危险因素,但PM2.5的影响显然更大。在PM2.5污染值最高的一天,心血管病急诊患者数量达到了最高的26人。

 

 

 

国外对PM2.5的研究就更早更深入,哈佛大学曾在19741991年对美国圣路易(St. Louis)地区的6个城市做了多年的跟踪对比研究,证实了大气中粉尘颗粒物对健康的负面影响。这一研究的主要目的是为了了解人类长时间暴露在二氧化硫和粉尘环境下的肺部病变情况。图2显示了该研究所跟踪人群的存活率与细粉尘颗粒物的联系。

 

 

 

研究结论表明,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(见图2右中的LHS三城市),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的排放与人类存活率有直接相关性,而不是总颗粒物的排放(见图3)。可见,对人体健康而言,有效控制PM2.5的意义高于控制总颗粒物。

 

 

 

由上可见,PM2.5对人体健康的巨大危害已被科学证实,世界卫生组织(WHO)在2005年版《空气质量准则》中指出:当PM2.5年均浓度达到35μg/m3时,人的死亡风险比10μg/m3的情形约增加15%,故此WHO将过渡期第1阶段目标值设定为35μg/m3

 

3 PM2.5的来源及控制

 

长久以来,由于缺乏对细颗粒物的监测标准,我国一直未开展针对PM2.5的监测,导致公众自我感观与空气监测评价结果不一致的现象时有发生。随着人们环境意识的提高,以及监测技术和手段的完善,我国出台PM2.5监测标准也水到渠成。在最新修订的《环境空气质量标准》中,PM2.5监测标准已被写入“国标”,并纳入各省市的强制监测范畴,将PM2.5年和24小时平均浓度限值分别定为35μg/m375μg/m3,这与WHO过渡期第1阶段目标值相同。

 

在我国大部分地区,特别是工业集中地区,PM2.5占整个空气悬浮颗粒物重量的比重很大。要控制PM2.5,就要了解PM2.5的来源。PM2.5的来源很复杂,既有自然来源也有人为排放。PM2.5的自然来源,包括风扬尘土、火山灰、森林火灾、植物花粉等。当然PM2.5主要来源还是人为排放,煤炭,石油及其他矿物燃烧产生的工业废气,农业生产中的秸秆燃烧以及机动车产生的粉尘烟气等都是PM2.5的重要来源。有研究表明,我国工业城市空气中PM2.5污染有50%以上来源于燃煤、机动车燃油、工业使用燃料等燃烧过程,而工业生产中所产生的PM2.5通常携带有二英、重金属等有毒物质,对人体的危害非常大,所以控制工业生产中的PM2.5排放是最能立竿见影的改善空气质量的手段。

 

4 工业排放PM2.5源头控制技术

 

工业烟气中粉尘颗粒物的控制,主要是通过除尘器来实现的(如图4)。除尘器的过滤性能决定了最终排放的粉尘,尤其是PM2.5的排放浓度。除尘器的种类非常多,目前静电除尘逐步过渡为布袋除尘的理念已经被大多数企业所认可,而且当前国内外在布袋除尘方面也已经积累了非常丰富的经验,技术已经达到了成熟的阶段。就布袋除尘技术而言,除了必需在除尘器结构上优化外,除尘器中所用的滤袋则是影响除尘器过滤性能等的核心部件。

 

 

 

制作除尘器滤袋的滤料根据其过滤机理的不同,可分为普通非覆膜滤料和覆膜滤料。普通非覆膜滤料由于其纤维间的孔隙较大,其自身很难起到很好的粉尘过滤效果。其过滤过程通常是最初接触滤料的粉尘一部分穿透滤料,还有一部分滞留在滤料的表层,滞留在滤料表层的粉尘逐渐形成一层初始粉饼,使得滤料的孔隙减少而提高过滤效率。但每次清灰则会破坏这层用于过滤的初始粉饼,造成每次清灰后的排放明显波动。随着过滤的进行,粉尘会顺气流压力不断渗入滤料,并穿透滤料,尤其是对于粒径较小的PM2.5细微粉尘穿透率非常高。

 

覆膜滤料是指在普通滤料的基础上压覆上一层膨体聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜(见图5)。ePTFE是一种高分子聚合物,具有不黏灰、憎水和化学性能稳定等特点。ePTFE薄膜的纤维组织极为细密,粉尘能被阻挡在这层薄膜之外,使含尘气体经过滤料后的粉尘排放量接近于零,能有效过滤PM2.5等细颗粒物。这种过滤通常被称为表面过滤。这种滤料在改善空气质量和人类的生存环境方面被认为是一次巨大的科技进步。

 

 

 

美国环保署的环境技术认证(Environmental TechnologyVerificationETV)项目曾对这种滤料做过各方面的性能检测,其中的一个检测指标就是PM2.5的排放,在ETV检测中,该覆膜滤料的PM2.5的出口浓度小于0.0167mg/m3,远低于我国即将实施的PM2.5监测标准值(0.035mg/m3),甚至低于设备所能检测到的极限值,是所有参检的同类滤料里排放最低的(见表2)。

 

 

 

由上表可见,采用该覆膜滤料进行工业粉尘过滤,可有效杜绝PM2.5等细微颗粒物的穿透,无论是在环保排放标准方面,还是在消除PM2.5等亚微粉尘的污染方面,为人类期望的清洁生产、健康生产都提供了可能。

 

5 覆膜滤袋控制PM2.5的应用

 

PM2.5的控制标准,是由美国在1997年提出的,主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。目前全美各地已经建立起了关于细颗粒物的日常监测和公众通报制度,所以美国对PM2.5的控制是非常严格的。

 

目前美国针对各个行业发布了或正在制定新的排放标准,这些新标准中的一个重要改变就是颗粒物排放允许值大幅度降低。以美国水泥行业为例,美国环保署制定出即将在2013年实施的新标准,对于现存水泥窑固体颗粒物排放限值为0.04/吨熟料(0.04lb.=18g),大约相当于6mg/Nm3,对于新建水泥窑则为0.01/t熟料(大约为1.5mg/Nm3),并且要求30天以上的平均值。而我国当前的水泥窑固体颗粒物排放限值为150g/t熟料(50mg/m3),可见美国的行业标准是非常苛刻的。

 

当然这一严格标准的制定是有科学依据的,美国环保署从19982007年的10年间持续对美国国内的45条水泥熟料生产线的排放状况进行了长期跟踪检测分析,其中固体颗粒物粉尘的排放为检测的重点,并确定了其中排放最好的前13%的平均值作为新的标准值。在所有检测的45条生产线中,有6条生产线的固体颗粒物粉尘的排放平均值长期低于0.025/吨熟料。其中有5条线使用的是该覆膜滤袋。图6显示的是全部检测水泥窑中最好的6条生产线。可见该覆膜滤袋完全能满足最严格的颗粒物(包括PM2.5)排放的控制要求。

 

 

 

在国内的一些对粉尘排放要求严格的行业如垃圾焚烧、高炉煤气TRT发电烟气净化、水泥窑尾等应用中,也普遍使用了该表面过滤技术,颗粒物排放都非常低。

 

比如在用于TRT透平发电的攀钢高炉煤气净化系统中,由于粉尘会对透平机叶轮产生致命的影响,故所要求的粉尘排放非常低,采用了该覆膜滤袋后,颗粒物排放在1mg/Nm3之内,最大程度减少了透平机叶轮的磨损;分布在大城市周边的垃圾焚烧炉,其粉尘排放浓度的高低直接影响到周边居民的生活环境,采用该覆膜滤袋的烟气净化系统尘排放浓度普遍都控制在10mg/Nm3之内,远低于行业限定的标准值。该覆膜滤料通过各种实践应用,已经被验证为是一种可靠的粉尘控制技术,使用先进的表面过滤技术,可以从源头上控制工业排放的PM2.5细颗粒物。

6 结语

 

PM2.5对人体健康和环境质量的巨大危害已被科学证实,随着我国PM2.5污染问题日益凸显,以及公众环境意识的增强,对PM2.5的关注也越来越多。为此新的《环境空气质量标准》已将PM2.5纳入强制性污染物监测范围,并将在2016年开始全面实施,PM2.5的控制可以产生重大的社会经济效益,或者说可以避免更大的社会经济损失,因而将是我国长期的一项重要环保目标。而工业生产污染物的排放又是PM2.5的主要来源之一,从源头上控制工业生产中的PM2.5排放迫在眉睫。本文介绍的表面过滤技术就是这样一种有效的从源头控制PM2.5污染物排放的技术,可为达到我国即将实施的更严格的环保标准提供技术保障。

 

来源:中国环保产业协会

 



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