可吸入颗粒物中超细颗粒物的治理与开发利用

可吸入颗粒物中超细颗粒物的治理与开发利用孙俊民刘惠永姚强徐旭常张金成薛元张成峰清华大学热能工程系北京１０００８４摘要本文简要论述ｒ一些主要工业工程中排放的超细颗粒物与可吸入颗粒物形成的内在联系，阐述了可吸入颗粒物的环境及生态危害，提出开展超细颗粒物污染控制工作的重要意义在于切断了可吸入颗粒物的重要形成途径：超细颗粒物同样可以“变废为宝”，成为重要的可利用资源。

关键词町吸入颗粒物治理开发利用Ｙｌ可吸入颗粒物的危害概述可吸入颗粒物（Ｉｎｈａｌａｂｌｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ，ＩＰ）是指通过鼻和嘴进入人体呼吸道的颗粒物总称，叉用ＰＭｌ０表示。

小于ｌＯ微米的颗粒ＰＭｌ０对人体健康关系较大，是室内外环境空气质量的重要监测指标。

ＰＭ２．５（小于２．５微米的颗粒）又称为可入肺颗粒，能够进入人体肺泡甚至血液系统中去，直接导致心血管病等疾病。

ＰＭ２．５的比表面积较大，通常富集各种重金属元素（如Ａｓ、Ｓｅ、Ｐｂ、Ｃｒ等）和ＰＡＨｓ、ＰＣＤＤ／Ｆｓ、ＶＯＣｓ等有机污染物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。

目前已知的ＰＭ２．５健康影响包括：增加重病及慢性病患者的死亡率；使呼吸系统及心脏系统疾病恶化；改变肺功能及结构；改变免疫结构等方面。

近年来。

人们认识到大气悬浮颗粒中的ＰＭ２．５对人体健康的危害远比粗颗粒大，而且是引起城市大气酸雨、光化学烟雾、能见度降低的重要因素，许多研究已经揭示出ＰＭ２５对人体健康的严重危害和对气候的重要影响。

ＰＭ２．５已成为国际环境科学的研究焦点之一，美国环保局子１９９６年修订了大气颗粒物标准，增加了ＰＭ２．５的２４小时和年平均值，我国于２０００年６月１日起将空气质量日报中的总悬浮颗粒物指标修订为可吸入颗粒物指标。

我国一些城市（如北京市）空气质量的恶化与大气中超细粒子浓度的增加直接有关，目前可吸入颗粒物已经成为我国城市大气的首要污染物，全国范围内大气ＰＭ２．５的调查１：作已经开始启动。

ＰＭ２．５的源解析工作、不同地区ＰＭ２．５分布的特殊性以及其对生态环境的影响对于环境保护对策的制定是至关重要的。

据现有的研究结果，ＰＭ２．５的污染源包括自然源和人为源，人为源分为固定源（燃料燃烧、工业生产过程等）和流动源（交通运输等），自然源包括植物花粉和孢子、土壤扬尘、海盐等。

研究结果还表明，ＰＭ２．５颗粒对大气能见度产生极人的影响，表现在细颗粒物质的散光效应、碳黑以及含碳黑颗粒对光的吸收作用等方面。

英国环境部门的研究结果表明，ＰＭ２．５在大气中停留的时间为７．３０天，所以这种颗粒可以长距离传输从而造成更大更远距离的污染，我国还没有对ＰＭｌ０以及ＰＭ２．５的生态及经济影响进行系统性的研究和评价。

据我国环境质量报告书和世界资源报告提供的数据，我国空气质量超标的城市中，６８％——５６４——都存在可吸入颗粒物污染问题。

１９９８年，统计的全国３２２个城市中，空气总悬浮颗粒物平均浓度值为Ｏ．２８９毫克／立方米，６８％的城市总悬浮颗粒物浓度年均值超过国家二级标准，有３０８个城市总悬浮颗粒物年均浓度高于世界卫生组织（ＷＨＯ）的空气质量指南值（Ｏ．０９毫克／立方米），占统计城市的９５％以上。

可吸入颗粒物是目前我国城市大气环境的首要污染物，ＰＭ２．５污染问题同样是十分严重的。

燃料燃烧以及其它工业过程不仅排放一次颗粒物。

而且排放二次颗粒物的前驱物如ＳＯ，、ＮＯｘ和ＶＯＣｓ等，更增加了ＰＭ２．５的复杂性。

另～方面，现有的细颗粒净化装置对ＰＭ２．５的捕获率很低，也导致大气中ＰＭ２．５浓度的增加。

２０００年１２月份英国专家研究结果还表明：大气中ＳＯ：、氮化物和ＣＯ等污染物的含量与人类日死亡率并没有紧密的联系，细颗粒物反而是导致人类死亡率上升的主要原因。

２可吸入颗粒物与超细颗粒物的形成探讨可吸入颗粒物的形成主要有两个途径：其一，各种工业过程（燃煤、冶金、化工、内燃机等）直接排放的超细颗粒物：其二，大气中二次形成的超细颗粒物与气溶胶等。

其中，第一种途径是可吸入颗粒物的主要形成源，也是可吸入颗粒物污染控制的重要对象。

以煤炭利用领域为例。

我国一次能源以煤炭为主，大量煤炭燃烧已对生态环境造成严重危害，并影响到资源与环境的可持续发展。

除控制ＳＯ：和ＮＯ、的排放外．悬浮颗粒物的排放亦不容忽视。

据统计，目前全国粉煤灰的排放量已达１．５亿吨，虽然现有除尘装置的除尘效率可高达９９％以上，但静电除尘器对超细飞灰的捕获率较低，约有１％的飞灰进入大气，构成大气气溶胶的主要部分。

这部分飞灰以粒径小于２．５微米甚至亚微米级超细颗粒为主．其数量可达到飞灰总数的９０％以上，且表面往往富集煤中微量重金属元素及有机污染物，危害甚大。

另外，超细飞灰的形成也导致锅炉内炉壁的结渣与沾污程度的增加，影响锅炉的安全经济运行。

因此，研究燃煤过程中超细飞灰的形成机制，降低其形成与排放量，意义重大。

七十年代以来，鉴于世界各国燃煤吨位的剧增，煤炭燃烧过程中无机组分的转化行为及其对锅炉设备和环境的影响受到普遍关注，有关燃煤飞灰的物理化学特性、形成机制及其利用途径．国内外已进行不同程度的研究，但对于超细飞灰的形成机制，尚无定论。

Ｍ．Ｓｈｉｂａｏｋａ＆Ａ．Ｒ．Ｒａｍｓｄｅｎ利用特殊取样装置观察到煤粉燃烧过程中无机组分的形态变化，认为高灰分及高惰性组含量的煤，容易形成大量细粒飞灰。

ＱｕａｒｍＲ．Ｊ．ａｎｄＳａｒｏｆｉｍＡ．Ｊ．利用电子显微镜研究了褐煤燃烧过程中灰粒的形成过程与数量。

ＥｒｉｃｋｓｏｎｔＡ．ｅｔｃ研究了在有Ｎａ、Ｓ和ｓｉ存在的煤粉火焰中飞灰的演变过程。

Ｈ．ＭｔｅｎＢｒｉｎｋ揭示出煤粉燃烧过程中，超细硅烟雾的形成。

最近，美国麻省理工学院的研究结果表明，该类飞灰形成的数量主要与煤中矿物分布赋存特征有关，而与煤级关系不大。

一般认为，亚微米级颗粒主要由挥发的元素均相凝聚而成，主要为碱金属或碱土金属的盐类（Ｋ２ＳＯ．、Ｎａ２ＳＯ．、ＣａＳＯ，）。

日本学者利用低变质烟煤与褐煤进行研究表明，亚微米级颗粒主要来自于与有机质结合的钙离子。

燃烧过程中未能充分聚结。

可见，不同学者由于采用煤种与试验条件的差异，得出的结论并非一致。

我国也有少数学者涉足该领域的研究，王伯春（１９９７）等的研究发现，细粒飞灰形成——５６５——的数量随着煤中Ｆｅ、Ｋ、Ｎａ等元素的蒸发量的增加而增加。

我国动力用煤煤种齐全，今后针对不同煤种的煤质特性及不同锅炉类型，研究超细１ｓ灰的形成机制是十分必要的。

姚强（２０００）等针对不同的锅炉类型、不同的煤种以及不同的工业过程，开展了燃煤排放超细颗粒物的形成、重金属与有机污染物的产生与转化及细颗粒的脱除等方面的部分基础与技术开发研究工作，已经取得了一定的研究成果。

３超细颗粒物的治理简述（以燃煤工业过程为例）以燃煤工业过程为例进行简要论述。

燃煤电站与工业锅炉排放烟气中飞灰的中值直径分别为３．８微米和７．５微米。

传统的除尘器捕集小于１ｐｍ的粒子的效率是很低的，因为所应用的除尘原理如重力沉积、惯性沉积、电泳等对于该粒径范围的粒子已经没有明显的作用。

在目前常规的除尘方法中，采用惯性，旋风方法，对于细微粒子的脱除效率仅在２０－－４０％。

对细微颗粒脱除比较有效的是电除尘、文丘里除尘器和袋式除尘器，对于全效率为９７％的电除尘，０—５微米粒径的分级效率仅为９０％，对于文丘里除尘器和袋式除尘器则为９４－－９５％，都低于全效率。

近期研究还表明，飞灰颗粒本身，尤其是铁质颗粒对细粒飞灰捕捉的能力较强。

具有显著的自脱除效应。

有些学者利用脉冲放电技术进行细颗粒的脱除试验，也取得了一定成果。

对燃煤烟气中超细颗粒排放的控制，目前国内外尚无成熟的技术，因此开发实用的超细飞灰脱除技术，是国内外正待加强研究的课题，我国作为燃煤大国，则更显紧迫。

从可持续发展的观点看，煤的燃烧与污染控制是复杂的系统工程，从煤的形成与埋藏～煤炭资源特性一煤的燃烧一燃烧产物的处置与污染控制，一环紧扣一环，是一个互为关联的整体。

其研究的核心，既是煤中有机组分和无机组分在不同环境条件下的物理化学转化行为，研究目的则是充分利用有利于人类发展的这些物质演化过程，并将不利转化为有利或尽量控制不利方向的转化。

总体来讲，煤燃烧过程中超细颗粒物的治理是一个多种学科综合交叉的基础研究与技术开发领域，大力开展超细颗粒物治理工作不仅具有巨大的经济效益，而且具有潜在的环境效益和社会效益。

燃煤过程中超细颗粒物的治理工作主要表现在以下几个方面：（１）在线测试技术水平的提高。

这是研究超细颗粒物形成、排放与治理的重要基础。

（２）打破常规的研究思路与手段。

由于超细颗粒物的微观性和复杂性，其化学行为与动力学行为十分特殊，因此需要建立新的研究思路，寻求新的研究手段，才更加有利于问题的解决。

（３）除上述两点以外，国家在法规及其政策上的支持也是至关重要的。

４超细颗粒是可以“变废为宝”的重要资源大气中可吸入颗粒物的一次形成源多为工业过程中超细颗粒物的排放。

但超细颗粒如——５６６——果捕集下来，将是可以再生利用的重要资源。

以铁铝合金冶炼炉排放的超细粉末一硅微粉为例。

硅微粉系铁合金冶炼炉生产过程中，由硅石中的Ｓｉ０２被还原生成的气态物质，在逸出料面后，再氧化形成的ＳｉＯ：微粒。

它是一种灰白色的超细粉末，在扫描电镜下为光滑的圆球状，平均粒径小于ｌＩ．ｔｍ。

用氮吸附法测得比表面积２５￣３０ｍ２／ｇ，比水泥（０．４ｍ２／ｇ）大５０－－，１００倍。

堆积密度为２００～２５０ｋｇ／ｍ３，比重２．１～３．０ｋｇ／ｍ３，常温下比电阻２．４×１０１４Ｑ．ｍ，酸碱度６．７～８，火山灰活性９０％。

硅微粉由于具有优良的理化性能，是一种重要的纳米～微米级无机非金属材料，被国外称为“神奇的材料”，目前已广泛应用于建筑、橡胶、陶瓷与耐火材料等领域，且利用范围日益扩大。

据悉，日本在从我国进口铁合金产品的同时，也大量进口硅微粉，进行提纯加工后，生产出高性能陶瓷材料，用于航空、航天等高技术领域。

而我国在提纯、加密与高性能陶瓷材料方面，尚未掌握关键技术。

另～方面。

如果对这些粉尘不进行治理，进入大气后成为可吸入颗粒物，可直接进入人体肺部，危害极大。

因此，硅微粉的回收利用，不仅体现在其经济效益上，而且体现在环境效益上。

我国冶金炉硅微粉产品自１９９０年以来，畅销美、日、英、德、港、台等１８个国家和地区，年创汇达１０００万美元以上，深受国内外用户好评。

但目前仅将布袋除尘器收集的原状硅微粉进行出售，由于在硅微粉的除尘回收、提纯、加密以及综合利用方面的技术开发力度不够，在一定程度上影响了硅微粉回收的经济效益，而且产品销售受到外界市场状况的制约。

由于硅微粉的容重轻，密度只有２００ｋｇ／ｍ３，因此，在运输和包装上费用较高。

另外，高纯度的硅微粉在耐火材料、化工等领域应用较广，现在许多国家提出该产品的供货要求，但是，目前我国硅微粉纯度不够，ＳｉＯ：含量只能达到９２％左右，如果在提高收尘率的同时，能够把ＳｉＯ：含量提高到９６％以上，将其中的杂质Ｆｅ：Ｏ，、Ｃ等去除，则每吨销售价格可以大幅度提高，为企业带来更显著的经济效益。