煤燃燒排放的顆粒物控制技術經歷了兩個發展階段：第一個階段是常規除塵技術，包括慣性分離、靜電除塵、布袋除塵等，達到30mg/Nm³的排放濃度；第二個階段是目前要求的超低排放技術，排放濃度要求達到5mg/Nm³以下。經過對比發現，現行的顆粒物超低排放技術都是在常規除塵技術基礎上發展起來的：比如濕式靜電除塵技術，是在原靜電除塵技術基礎上的改進，讓極板布上水膜，工作環境由干態變為濕態，但基本原理沒有根本性變化；再如旋流耦合技術，實際上是在原有的旋風分離技術基礎上的發展，而高效除霧技術是也在原有的慣性分離技術上的改進，這兩種技術也沒有根本性創新，只不過是以增加煙氣阻力和能耗為代價的前提下，獲得更高的除塵效率。布袋除塵沒有對應的超低排放技術，因為超低排放技術處理的煙氣是濕法脫硫后的濕煙氣，煙氣還攜帶水滴，容易糊住布袋，因此無法發展過濾式的超低排放技術。目前公認的最先進的超低排放技術是濕式靜電除塵技術，排放濃度可達到5mg/Nm³以下的水平。現行超低排放技術存在問題：一是難以進一步降低顆粒物排放濃度，也就是原有的除塵機制的效果已經發揮到極限；二是現行技術解決不了可凝結顆粒物的污染控制問題。
針對此現狀，結合目前煙氣冷凝、潛熱回收、水分回收等技術的發展，山東大學燃煤污染物減排國家工程實驗室提出了一種煙氣冷凝與顆粒物凈化協同的機制，并進行了相關實驗研究。該方法是對濕法脫硫之后的飽和濕煙氣進行降溫冷凝，在煙氣冷凝過程中協同脫除細顆粒物，這是一種不同于現有超低排放方法的全新的顆粒物脫除機理，利用煙氣中水蒸氣冷凝過程中的熱泳和擴散泳效應，實現細顆粒物（粒徑小于PM2.5以下的顆粒物）向冷表面的沉積和高效捕集。
該研究目前經歷了兩個階段：第一階段，采用冷凝換熱器對濕法脫硫后大約50℃的飽和濕煙氣進行冷卻，對冷凝過程對細顆粒物的協同脫除機制進行了細致的探討，發現了熱泳和擴散泳對顆粒物沉積的作用跡象，該結果發表在國際知名學術期刊《Applied Energy》上。但換熱器冷凝這種方式，顆粒物脫除效率并不高，只有30-40%，分析原因認為換熱器管之間的間距相對于細顆粒物而言尺度過大，存在顆粒物逃逸的情況。
為此開展了第二階段的研究，即采用冷噴淋的方式代替換熱器，噴到煙氣中的冷水滴數量多，呈彌散狀態，冷水滴之間的間距大大減小，可避免顆粒物的逃逸。實驗證明：冷噴淋方式的顆粒物脫除效率非常理想，結果如圖1所示。該結果已發表在國際知名學術期刊《Energy》上。
圖1. 煙氣冷凝協同脫除細顆粒物性能曲線——飽和煙氣的降溫幅度與顆粒物脫除效率的對應關系
圖1中的幾條曲線是不同種工況下的煙氣冷凝協同顆粒物凈化的效率曲線。為了對比，圖中同時標出了濕式靜電除塵技術的效率區間，大約在70-85%之間。可見冷噴淋方式中的Mode1，2，3，5幾種工況（不同工況的噴淋溫度、粒徑、液氣比有差異），在煙氣降溫5-15℃的范圍內，顆粒物脫除效率達到或超過了濕式靜電除塵技術的效率區間，有的工況點效率接近100%。這就為在目前超低排放的基礎上進一步降低煙塵排放濃度提供了理論上的可能性。
圖中，Mode 6工況代表的是第一階段研究的冷凝換熱器的協同除塵效率。可見，即使煙氣溫度降低40℃，顆粒物的脫除效率也達不到40%，遠遠未達到濕式靜電除塵器的效率。
以上結果表明，向飽和濕煙氣中進行冷噴淋，可以在冷卻煙氣的同時實現非常理想的細顆粒物脫除效果。這個結論很容易引發一個疑問：以噴淋方式進行的濕法除塵已經發展多年，以往的工程經驗表明，濕法除塵的效率并不高，這里提到的向飽和濕煙氣中進行冷噴淋為什么可以實現細顆粒物的高效脫除，其機理是什么？
這里首先分析以往濕法除塵效率不高的原因。以往的濕法除塵大多情況是往相對濕度較低的干煙氣中噴水，雖然水相對于煙氣溫度也是冷的，但是噴入煙氣中的水滴表面發生的是蒸發相變過程。水蒸氣由水滴表面向空間擴散，這不利于細顆粒在水滴表面的沉積。有國外研究者已經拍攝到微重力條件下一個蒸發的水滴表面對氣溶膠顆粒的排斥作用。如圖2所示，a、b是間隔很短時間的兩張照片，可明顯觀察到水滴表面的蒸發作用將氣溶膠顆粒推離水滴。這是向外的擴散泳力的作用結果，一般這種泳力對于粒徑小的氣溶膠顆粒的作用效果較明顯，而對大顆粒效果減弱。所以以往的濕法除塵可以解決大顆粒的凈化問題，但無法解決PM2.5級別以及更細小的顆粒物的捕集問題。這也能解釋為什么濕法脫硫塔內的噴淋不能同時凈化細顆粒物的原因，因為濕法脫硫塔內的水滴總體而言也是發生的蒸發過程。
圖2. 蒸發水滴表面對氣溶膠顆粒的排斥作用
再回到本文提到的在飽和濕煙氣中進行冷噴淋的方法，該方法營造的是一個與蒸發過程相反的冷凝過程。雖然目前沒有照片為證，但從理論上分析，飽和濕煙氣中的冷水滴表面必然發生如圖3所示的過程，即水蒸氣向冷水滴表面運動，并在表面冷凝成水。水蒸氣的定向運動攜帶細顆粒物同時向冷水滴表面運動，并沉積、凝并到水滴表面。水滴一般是幾十到幾百微米，尺度遠遠大于細顆粒物，因此更容易從煙氣中分離。這樣，噴淋到煙氣空間中每個角落的無數個冷水滴，瞬間實現對其周圍的細顆粒物的凝并，然后再通過重力沉降、慣性分離等方法與煙氣分離，因此可以得到圖1所示的理想效果。
圖3. 冷凝水滴表面對氣溶膠顆粒的吸引作用原理圖
本文提出的方法與現行的超低排放技術的顆粒物分離機制完全不同，類似于水凈化技術中的絮凝原理，是一種新型的顆粒團聚技術。舉一個生活中的例子類比：鹵水點豆腐的工藝，制作豆腐首先把黃豆磨成豆漿，豆漿里面都是細小的蛋白質顆粒，如果想直接把這些顆粒從豆漿中分離出來是很難的，加入的鹵水相當于絮凝劑，使顆粒發生絮凝、團聚，進而可以實現分離。實際上目前煙氣凈化技術中難以解決的顆粒物都是粒徑極小的顆粒，無論靜電除塵，還是慣性機制，要實現如此小粒徑顆粒的分離，都達到了效率極限。而本文提出的冷凝過程的細顆粒協同凝并脫除技術，可突破現有技術的效率瓶頸，實現更高的治理水平。
下面介紹本方法的應用方案：一、在濕法脫硫塔后設置一個冷噴淋塔，代替現行的超低排放技術，實現更高水平的超低排放；二、在濕法脫硫塔內設置二級冷噴淋，即單塔雙循環方案，把上級循環變成冷噴淋，可以實現同樣的效果；三、對目前的濕式靜電除塵器進行增效改造，在其前設置冷噴淋，冷水滴捕集顆粒后，在后續的濕式靜電除塵器中被脫除，將濕式靜電除塵器的角色由原來的脫除細顆粒物，轉變成脫除粒徑較大的水滴，效率必將大大提高。
該技術的應用要解決的一個重要問題是冷源的供給問題，冷噴淋要持續發揮作用必須將從煙氣中吸收的熱量及時消耗掉，這與當前盛行的煙氣深度余熱利用技術是切合的，兩項技術進行整合后，可實現節能與減排的雙重效益。即使余熱沒有利用的途徑，也可以通過自然冷卻方式解決冷源的供給問題。這特別適用冬季采暖小鍋爐的超低排放改造，因冬季氣溫低，通過自然冷卻方式就能獲得本方法所需要的冷水，有助于解決冬季采暖鍋爐造成環境影響的突出矛盾。
目前，該方法對細顆粒物的脫除效果已經得到證明，研究團隊正在研究該方法對于可凝結顆粒物的治理效果。從理論上分析，冷水滴表面的水蒸氣凝結后，其它氣體的濃度會升高，且冷水滴表面溫度較低，有可能在冷水滴表面存在一個有利于可凝結顆粒物凝結成顆粒的條件，且凝結成的顆粒可在擴散泳作用下進一步凝并到冷水滴表面實現脫除。這方面的工作，研究團隊正在一項國家自然科學基金面上項目的支持下開展，相關成果將及時報道。
最后，談幾句目前頗受爭議的白色煙羽治理的話題。在白色煙羽治理技術中有一種方法也涉及煙氣中水蒸氣的冷凝，這與本文提出方法的物理過程是相同的。煙氣冷凝過程可以回收煙氣潛熱和水分，本研究又證明其可以協同脫除細顆粒物，并且有治理可凝結顆粒物的潛力。因此，建議暫不爭論是否消除白色煙羽的問題，多關注和研究煙氣冷凝技術的現實價值。
