0 引 言
近年来，随着我国经济快速发展，工业规模迅速扩大，随之而来的大气环境污染问题也日益突出，许多城市出现了不同程度的雾霾天气，对居民的身体和日常生活带来了危害与不便。另外，国家相关部门近几年针对各行业都新出台了一系列严苛的环境保护政策。相关的法律法规日趋严格也是未来环境保护发展的一个方向。
化工过程强化技术就是与现有常用设备和技术相比而言，强调以化工原理和反应工程及相关物系平衡特性为基础，通过采用新设备和新工艺，显著提升传递过程速率或反应过程速率及其选择性，达到大幅度减小设备尺寸或提高产能、降低能耗及废物排放，形成高效、节能、清洁、可持续发展的技术[1]，包括过程强化设备(硬件)和过程强化方法(软件)2个方面。本文介绍的外场强化作用属于过程强化方法的一种。随着许多新兴的过程强化技术的不断发展，其中外场作用对工业生产过程强化的影响日益增强。特别是在除尘领域，目前几种较为先进的传统除尘设备除尘效率虽然最高可达99%以上，但大多数设备对细颗粒和超细颗粒的捕集率还比较低，仍有大量的细颗粒物进入大气中，成为构成大气气溶胶的主要组分。而新型的外场作用强化除尘技术在这方面的研究有了很大进展，当前常见的外场作用强化细颗粒物团聚技术主要有声波团聚技术、蒸汽相变团聚技术、电团聚技术等。本文介绍了几种常见且应用效果较好的细颗粒预除尘技术的国内外最新研究进展。
1 细颗粒团聚技术
1.1 声波团聚技术
声波团聚技术是根据声学原理，利用高强度声场加剧细颗粒物之间的相对运动，从而增加碰撞效率，使细颗粒物随机黏附在一起长成粒径较大的预团聚体的一种细颗粒物团聚技术(图1)。一般来说，声波团聚技术包含同向团聚机理、流体力学机理、声致湍流机理、声压辐射机理等，其中流体力学机理还包括声波尾流效应和共辐射压作用，其与同向团聚机理被认为是作用较大的2种机理，也是被研究最多的声波团聚机理。
图1 细颗粒声波团聚长大示意
Fig.1 The diagrammatic sketch of fine particle sonic agglomerate
一般来说，声压级越大，细颗粒物在声场中的团聚效果越好。师云泽[2]在对影响声波团聚效果的主要参数进行研究后发现：声压级对PM10和PM2.5团聚效果影响最大分别达到51.6%和42.7%，其次是声波频率，分别为28.2%和32.7%，细颗粒浓度的影响较小，只有7.02%和8.21%。并且声波团聚还对应一个最佳停留时间，胡慧敏等[3]研究中发现工业中实际细颗粒物在声波团聚室的最佳停留时间为4～5 s。
Sarabia等[4]对柴油机尾气中亚微米级细颗粒物的团聚情况进行了高频声波团聚的试验研究，并考察了添加水汽对声波团聚效果的影响，发现声波作用时间约为2.7 s，数量浓度为2.99×108个/cm3，颗粒质量浓度为0.01 g/m3(标态)，声压级SPL=151 dB，尾气湿度由0.01 kg/kg增至0.06 kg/kg时，声波团聚室出口细颗粒物数量浓度降低率可由18%～25%增至56%。说明添加不同成分的介质很可能会促进声波团聚效率的提高。
声波团聚技术目前在燃煤电厂、流化床燃煤、燃油锅炉等领域都有广泛的研究应用，其他技术如种子颗粒联合声波技术、相变联合声波技术等耦合技术[5]也是一个重要的发展方向。目前，据国内报道只有华电青岛发电有限公司300 MW机组上得到了试验应用并达到10 mg/m3的超低排放要求，其他大多数研究仍处于实验室阶段。
1.2 电团聚技术
电团聚技术是指在外加电场的作用下，通过提高细颗粒物的荷电能力，利用布朗凝并、库仑凝并和气溶胶粒子的偶极效应等团聚机理，使细颗粒物长大的一种团聚技术，其核心是确定电凝并速率(电凝并系数)的大小并提高其团聚速度，原理类似于传统的静电除尘器。目前主要的研究方向可分为4个方面：异极性荷电颗粒的库仑凝聚、异极性荷电颗粒在恒定电场中凝聚、异极性荷电颗粒在交变电场中的凝聚及同极性荷电颗粒在交变电场中的凝聚(图2)。大多数试验中会把电团聚技术与传统的静电除尘器相结合进行研究，作为静电除尘装置的一种预除尘技术。
图2 同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并除尘原理
Fig.2 The principle of condensation and dust removal in alternating charged electric field
闫东杰等[6]研究电团聚技术对电袋复合除尘器的强化效果时发现，电团聚装置电压由±16 kV提高到±40 kV时，总除尘效率由99.76%增加到99.96%。粒径在0～5 μm的粉尘的分级效率由20%～30%提高到55%～65%，说明电团聚工作电压和电场区电压对整体除尘效率影响较大。
Ji等[7]对偶极荷电子粒子在交变电场中的凝并性质及粒子的荷电性质(采用线-板式DC电晕电极)方面进行了研究，结果表明：当交变电场频率在60～500 Hz范围变化时，亚微米级颗粒质量可减少25%～29%；且在额定电压下，对于所有粒径范围的粒子，负电晕放电比正电晕放电荷电的效果要好。日本Nakajima等[8-9]使用声波或者施加AC电场的方法促使亚微米级细颗粒物接近荷电的粒子使亚微米粒子电极化，证明当核心粒子粒径为8 μm时对亚微米级粒径收集效果最好。说明不同粒径的颗粒对应着不同的最适电场频率。
电团聚是众多团聚技术中最为可行的一种团聚方式，在燃油、燃煤锅炉等方面都有着良好的工业应用前景，大多数研究主要将其与传统的静电除尘器相结合，从而提高细颗粒的去除效果。目前工业上应用较成功的是澳大利亚INDIGO公司利用双极静电凝并技术开发的INDIGO凝聚器[10]，在澳大利亚、美国、中国多家电厂都有着较为成功的应用，其中PM2.5、PM1.0的排放可分别减少80%、90%以上，总排放浓度可降低1/3～2/3。
1.3 化学团聚技术
化学团聚技术是在含尘烟气中添加各种吸附剂(表面活性剂、高分子黏合剂、润湿剂等)，通过改变细颗粒物表面张力和在颗粒与液体间架桥等化学反应和物理吸附相结合的机理，实现细颗粒团聚变大的一种技术。根据吸附剂添加的位置不同，又可分为燃烧中化学团聚和燃烧后化学团聚。
对于燃烧后化学团聚，申贤坤等[11]利用将湍流团聚技术与化学团聚技术相结合的方法，在团聚室内设置湍流器件，改变颗粒运动的同时喷入化学团聚剂，团聚室内颗粒浓度为3 g/m3时，颗粒团聚效果最佳。而美国Durham等[12]通过将特殊黏结剂和降比电附剂喷入烟道，通过调节烟气中颗粒物的黏性和比电阻提高静电除尘器的脱除效率。所喷入的黏结剂包括某些可溶于水的纤维素、树脂乙烯基化合物的聚合物等，取得了很好的效果。
郭沂权等[13]也在50 MW燃煤电站锅炉实际生产条件下综合考察了工业用水、化学团聚剂、脱硫废水等不同溶液对除尘器除尘效率的影响，结果表明：喷入0.1%化学团聚剂可有效提高除尘器对颗粒物的捕集效率，降低除尘器后细颗粒物浓度可达40%以上。且加入化学吸附剂对后续脱硫脱硝有一定促进作用，另外其研究的化学团聚技术[14]在江西某300 MW机组上也成功得到应用，颗粒物排放均值仅为1.7 mg/m3，达到国家相关超低排放标准[15]。
化学团聚技术在协同脱除SO2促进细颗粒长大、与常规除尘器相结合等方面有明朗的发展前景，特别是在常规除尘器如静电除尘器、湿式除尘器等入口烟道喷射化学团聚剂，既不改变正常的生产条件，也不改变现有除尘器和操作参数，就可促进细颗粒物有效团聚长大，从而提高传统除尘设备对细颗粒的脱除效率。对于化学团聚技术来说，目前其研究主要集中在开发新型团聚剂方面，且团聚剂的种类选择比较单一，如何开发出廉价高效的吸附剂成为化学团聚技术亟待解决的问题之一。
1.4 蒸汽相变团聚技术
蒸汽相变团聚技术是指含尘气体中的细颗粒物与过饱和水蒸气接触的过程中，过饱和水蒸气以细颗粒为凝结核发生异质核化凝结效应(图3)，在细颗粒表面凝结成小液滴，从而促使细颗粒变大增重的一种团聚技术。蒸汽相变团聚技术作为细颗粒物去除的预调节措施，在国内外有着很长的历史研究背景，在含湿量较高的烟气环境，如燃油、天然气、生物质等燃烧源，湿法或半干法烟气脱硫装置细颗粒排放源，比外加电场、温度场、磁场等预调节措施有着更好的经济技术优势。
图3 经典异质核化理论物理模型示意
Fig.3 Schematic diagram of the theoretical physical model of classical heterogenous nucleation
谭厚章等[16]根据蒸汽相变团聚技术开发出一种湿式相变凝聚器(wet phase transition agglomerator，WPTA)装置，并在某660 MW燃煤机组全烟气工况工程进行了实验研究，结果显示：满负荷下WPTA投运，PM2.5、PM10脱除效率比不投运分别提高约5%和15%，同时还实现了烟气中Hg、As、Ba等元素的高效脱除。凡凤仙等[17]研究指出：随着颗粒在过饱和蒸汽环境中停留时间的延长,颗粒粒径范围迅速变窄，且由于相变凝结后颗粒粒径趋于一致，初始PM2.5粒径分布(粒度、分散度)对颗粒增长效果影响很小。说明蒸汽相变团聚技术对细颗粒物的去除有一定效果。
Smorodin等[18]考虑了细颗粒物表面不均匀性对水汽核化的影响，认为细颗粒物表面各处的成核能力不完全相同。Hogrefe等[19]利用电动天平技术将单个微粒悬浮于热扩散云室内，研究了过饱和水汽在光滑玻璃微珠表面的异质成核现象，对蒸汽相变异质核化理论部分进行了更进一步的研究。
蒸汽相变团聚技术特别适合于烟气中含湿量较高的过程，在如燃油、天然气等高温高湿细颗粒排放源、安装湿法或半干法烟气脱硫装置、湿式洗涤除尘装置的细颗粒排放源的应用中有明显的技术经济优势。蒸汽相变团聚技术能有效地促进细颗粒的长大脱除，相对于其他团聚技术有更好的应用前景，但在工业化推广的过程中还存在一些关键问题。例如，过饱和水蒸气在细颗粒表面凝结的同时还会在蒸汽相变室壁面凝结，会对蒸汽相变效果造成一定影响，还可能会加强壁面腐蚀。另外，过饱和水蒸气凝结的非平衡效应、过饱和水蒸气在细颗粒与蒸汽相变室壁面的竞争凝结等理论机理还需要进行更加深入的研究。
2 其他团聚技术
除上述研究较多的外场作用强化细颗粒预团聚技术，还包括磁团聚技术、湍流团聚技术、光团聚技术、热团聚技术等。但由于这些团聚技术本身机理的复杂性，目前对这些技术机理研究得并不透彻，实际应用效果并不理想，而且国内外相关的研究不多。例如，磁团聚技术中，Zhang等[20-21]研究发现，燃煤颗粒物中铁氧化物的含量为4.1%～23.5%；孙俊民等[22]研究发现，燃煤产生的细颗粒物中铁氧化物主要有Fe3O4、α-Fe2O3、γ-Fe2O3，其中Fe3O4和γ-Fe2O3具有较高的饱和磁化强度；美国Gooding等[23]针对钢铁厂氧气项吹转炉(BOF)，电弧炼钢炉(EAF)产生的粉尘，进行了高梯度磁分离除尘的小试和中试规模试验，结果表明，高梯度磁分离技术可以有效去除钢铁厂BOF、EAF产生的粉尘，除尘效率最高可达99%以上。高梯度磁分离技术是另一种应用外加磁场脱除燃烧源细颗粒物的途径，而Gooding等采用5～10 m/s的高气速，所得除尘效率大多可达80%以上。这表明细颗粒物的磁性大小对高梯度磁分离效果具有重要影响。另外，几种除尘机理和设备联合运用也是这些目前研究应用效果不太理想的细颗粒预除尘技术的一个发展方向。
3 结束语
面对日益严峻的大气环境保护形势，虽然国内外研究学者对化工过程强化技术中外场强化作用促进细颗粒物控制技术方面进行了大量的研究，并取得了一定的进展，但由于细颗粒物控制技术的复杂性与多样性，还有大量的工作待完成。
1)对于外场作用强化细颗粒团聚预处理方面，如对湍流团聚技术、热团聚技术等，研究基本处于实验室探索阶段，工程上尚未见应用。例如，湍流团聚技术中一般需要在高温或雷诺数较大时效果比较明显，单靠湍流团聚使颗粒物显著增大还有一定难度，今后可根据其技术特点采用与其他技术相结合的方式进一步加强对这些技术实践应用方面的探索。
2)声波团聚技术、化学团聚技术等在小试阶段取得了较好的效果，但在相关预除尘技术的研究方面还主要集中在宏观特性分析上，对很多实际问题无法提供有效的理论指导。例如，在声波团聚技术微观机理研究方面，可以针对燃烧源PM2.5采用高速显微摄像等先进手段可视化观察外加声场下微粒的运动、碰撞、团聚长大特性，并考察其与操作参数的关系，从而为声波团聚技术提供理论指导。
3)在我国能源结构的基础上，对细颗粒来源的研究大多集中在燃油、燃煤锅炉燃烧细颗粒。随着近些年大量替代能源的崛起，一些新的化石能源利用方式、生物质规模化利用等将导致细颗粒的成分组成性质有较大变化，可能会对现有的除尘方式与运行参数有一定影响，也是今后需要研究的一个重点方向。
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