中國細粒子（PM2.5）污染嚴(yán)重，而中國作為世界第一的水泥生產(chǎn)大國排放大量的粉塵和煙塵。本文綜述了國內(nèi)外有關(guān)水泥行業(yè)PM2.5的研究進展，闡述了PM2.5的來源及危害，排放現(xiàn)狀、采樣方法及其控制技術(shù)，并對其研究動向進行了展望。

“PM2.5是指空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，又稱作細粒子。近年，因具有比表面積大，能吸附多種有毒有害物質(zhì)，在大氣中的滯留時間長，傳輸距離遠和容易進入人體的肺部和支氣管等特點，PM2.5已成為人們的研究熱點，研究方向主要集中在PM2.5的粒徑分布、物理化學(xué)特征及組成、源解析、對人體健康的影響及對能見度的影響等。而對于工業(yè)源特別是水泥行業(yè)排放的PM2.5的研究還相對較少。

但是，我國霧霾天氣逐漸增多，國家環(huán)保部已將城市大氣細顆粒物（PM2.5）防治提上議程，制定的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012》也在2012年2月29日發(fā)布，增設(shè)了PM2.5濃度限值，該標(biāo)準(zhǔn)自2016年1月1日實施。

中國是水泥生產(chǎn)大國，30多年來，我國的水泥產(chǎn)量以超過年均10%的高速度持續(xù)增長。從1985年起，我國水泥產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)二十多年居世界第一位，占世界總產(chǎn)量的50%左右。2011年我國水泥總產(chǎn)量為20.9億噸，新型干法水泥生產(chǎn)線1513條，其中日產(chǎn)4000噸及以上生產(chǎn)線比重達到56.87%，且新型干法水泥產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的89%，水泥生產(chǎn)技術(shù)基本實現(xiàn)由立窯、濕法等落后技術(shù)向新型干法先進技術(shù)的轉(zhuǎn)變。

1PM2.5的環(huán)境及人體健康危害


PM2.5對人體健康的影響主要表現(xiàn)在引起呼吸系統(tǒng)疾病、增加死亡率和致病率及具有致癌致突變等方面。顆粒物的粒徑越小，進入人體呼吸系統(tǒng)的部位就越深。PM1-2.5可以進入支氣管等下呼吸系統(tǒng)，PM0.1-1能夠進入肺部，超細顆粒物PM0.1能夠穿透肺泡進入血液循環(huán)系統(tǒng)甚至影響其他重要器官。國內(nèi)外大量的流行病學(xué)調(diào)查表明，死亡率和致病率的增加與大氣顆粒物污染水平升高存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。Schwartz研究表明。PM2.5的濃度每升高10μg/m3，人氣呼吸系統(tǒng)疾病的死亡率則從2.1%增加到3.75%。與此同時，Arden和Burnett等研究發(fā)現(xiàn)細顆粒物濃度每升高10μg/m3，肺癌、心肺疾病的死亡率及全死亡率分別增加大約6%、8%和1.4%，而粗顆粒物則與死亡率無一致性聯(lián)系。

大量研究表明，能見度降低與PM2.5密切相關(guān)，特別是粒徑為0.1~1.0μm的顆粒物。能見度水平和PM2.5質(zhì)量濃度呈較好的負相關(guān)。PM2.5還能夠?qū)θ颦h(huán)境產(chǎn)生影響。通常顆粒物越小，大氣中的傳輸距離越遠。PM2.5的傳輸距離可達幾千至幾萬公里，對區(qū)域甚至全球環(huán)境產(chǎn)生影響。

2水泥行業(yè)PM2.5的排放現(xiàn)狀及采樣方法

2.1水泥行業(yè)PM2.5的排放現(xiàn)狀

2.1.1歐盟

2009年，歐洲環(huán)境署（EuropeanEnvironmentAgency，EEA）頒布的EMEP/EEA空氣污染物排放清單指南指出，歐盟27個國家的水泥設(shè)備在2006年共生產(chǎn)2.66億t水泥。由于除塵設(shè)備的不同，PM10約占TSP的90%～95%，而PM2.5占TSP的50%～85%。同時，PM2.5的去除效率也因除塵設(shè)備而有所不同，靜電除塵器的PM2.5除塵效率為27%～60%，平均效率為40%；布袋除塵器PM2.5的除塵效率為49%～100%，平均效率為73%。2009年排放清單指南提出，水泥生產(chǎn)PM2.5的平均排放因子為110g/t-水泥，范圍在55～220g/t-水泥；濕法回轉(zhuǎn)窯的PM2.5平均排放因子為0.18kg/t-水泥，范圍在0.12～0.27kg/t-水泥；而干法排放因子為0.94kg/t-水泥，范圍在0.6～1.4kg/t-水泥。而在2011年的EMEP/EEA空氣污染物排放清單指南草稿中提出，水泥生產(chǎn)PM2.5平均排放因子為120g/t-水泥，范圍在1～300g/t-水泥，其他指標(biāo)未發(fā)生改變。

Ehrilich等研究德國各工業(yè)源的顆粒物排放，其中有關(guān)水泥行業(yè)排放情況如表1。結(jié)果顯示，篦冷機采用布袋除塵器的總粉塵排放量高于采用靜電除塵器的，但是對PM2.5的除塵效率卻高于靜電。

表1德國水泥生產(chǎn)顆粒物排放情況


2.1.2美國

美國早在1994年就提出了《空氣污染物排放技術(shù)手冊AP-42》，其中11.6章討論有關(guān)水泥PM2.5排放因子，見表2。從各生產(chǎn)工藝的PM2.5排放因子看，布袋除塵器的除塵效果好。根據(jù)波特蘭水泥協(xié)會的2009年的一份報告指出，除塵設(shè)備為布袋除塵器，使用廢輪胎作為替代燃料的預(yù)熱器/分解爐排放的PM2.5比不使用廢輪胎的略高。

2.1.3中國

中國還沒有有關(guān)水泥行業(yè)PM2.5的排放標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)存的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB4915—2004》于2004年修訂，其規(guī)定，自2010年1月1日起現(xiàn)有生產(chǎn)線，自2005年1月1日起新建設(shè)備，水泥制造中的水泥窯及窯磨一體化、烘干機、烘干磨、煤磨及冷卻機排放的顆粒物濃度限值為50mg/m3，礦石開采、水泥制品生產(chǎn)及部分水泥制造設(shè)備排放的限制為30mg/m3。

表2USEPA水泥行業(yè)PM2.5排放因子


張強等估算出2001年中國水泥行業(yè)PM2.5的排放量約為4.36×106t，占全國排放總量的35%，是最大的PM2.5排放源。2005年，水泥工業(yè)向大氣中排放PM2.5為301萬噸，其中有組織排放280萬t，無組織排放20萬t。雷宇等通過大氣顆粒物排放模型，得出1997年、2001年和2004年全國PM2.5排放量分別為436、343和367萬t。張楚瑩等利用排放因子法，2005年工業(yè)過程源對PM2.5的貢獻率為65%，其中有78.5%來自水泥生產(chǎn)，工業(yè)過程源指水泥生產(chǎn)、石灰生產(chǎn)、磚瓦生產(chǎn)、煉焦、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等。馬靜玉使用顆粒物分級采樣儀（LPI）和鋁膜及Teflon膜對水泥廠窯頭、窯尾、煤磨和水泥磨等工序進行顆粒物樣品采集，得出所測企業(yè)窯頭PM2.5排放因子為0.06和0.15kg/t-熟料，窯尾排放因子為0.04、0.20和0.45kg/t-熟料，水泥磨排放因子0.0002和0.003kg/t-水泥，煤磨排放因子為0.0002和0.002kg/t-煤粉。

2.2采樣方法

由于煙氣溫度高和含有水汽，燃燒源采集PM2.5比大氣環(huán)境中的采樣復(fù)雜和困難。研究中通常采用的采樣方法有直接采樣法和稀釋采樣法兩類[21-22]。

2.2.1直接采樣法

直接采樣法就是直接在固定燃燒源煙道中熱采集顆粒物。該方法通常包括美國環(huán)保局（USEPA）頒布的method5、method17和method201A/202。

美國環(huán)保局頒布的method5是將濾筒放置在煙道外，并加熱到(120±14)℃范圍內(nèi)，使冷凝溫度等于或高于這個溫度的細顆粒物被采集。Method17是將等速采樣頭和濾筒放置在煙道中，煙氣由等速采樣頭進入濾筒并以煙道溫度捕捉到濾筒內(nèi)。Method5和method17只能采集到部分一次顆粒物，無法采集到經(jīng)過復(fù)雜大氣物理化學(xué)變化過程生成的二次顆粒物，同時存在于氣溶膠相中的許多有機化合物在氣相和氣溶膠中的比率隨著煙氣在大氣中溫度和稀釋程度的變化而變化。這兩種方法導(dǎo)致采樣結(jié)果的負偏差，且采集到的PM2.5的化學(xué)成分也與實際排放到大氣中的不同。

Method201A是以動壓等速的方法將煙氣吸入采樣管，內(nèi)置旋風(fēng)分離器分離粒徑大于10μm的顆粒物，同時內(nèi)置玻璃纖維濾筒或濾膜收集PM10。Method202用于測定固定源凝結(jié)顆粒物，該方法和method17或method201A聯(lián)用可同時捕集過濾顆粒物和凝結(jié)顆粒物。但是由于該方法會使常溫下不能凝結(jié)成顆粒物的氣體凝結(jié)，導(dǎo)致高估燃燒源排放的一次凝結(jié)顆粒物，造成采樣結(jié)果的正偏差。

2.2.2稀釋采樣法

稀釋采樣法是通過將煙氣進行稀釋模擬煙氣在大氣中擴散的過程，以此來避免高溫和高濕煙氣環(huán)境的干擾。

自二十世紀(jì)七八十年代開始，稀釋采樣法已經(jīng)開始應(yīng)用于機動車尾氣排放的采樣，后來逐漸在固定燃燒源中應(yīng)用。Hidemann等在1989年提出自己的稀釋設(shè)備，該設(shè)備將稀釋氣體與高溫?zé)煔庖灾辽?0:1的稀釋比進行稀釋并混合均與，冷卻后的氣體進入停留室80～90s后，進行采集和分析顆粒物。

隨著Hildemann等的稀釋系統(tǒng)經(jīng)改進后，加州理工大學(xué)和美國沙漠研究所等也設(shè)計了稀釋系統(tǒng)。加州大學(xué)Schauer設(shè)計的稀釋系統(tǒng)在停留室后面加裝了三組采樣器：1）旋風(fēng)分離器和denudar/濾膜/PUF組合，采集半揮發(fā)和顆粒態(tài)有機物；2）旋風(fēng)分離器和3個平行放置的濾膜/PUF組合；3）旋風(fēng)分離器、濾膜和VOC采樣罐/筒。這套改進的稀釋系統(tǒng)可用來對固定源排放的PM2.5、氣相有機物、半揮發(fā)態(tài)和顆粒態(tài)有機物等進行采集和分析。

與Hidemann等的稀釋系統(tǒng)相比，美國沙漠研究所的稀釋系統(tǒng)增加混合長度和混合時間，并便于拆卸和運輸，經(jīng)稀釋和旋風(fēng)分離器，PM2.5采集到石英膜、Teflon膜和玻璃纖維濾膜上便于不同目的的分析。該系統(tǒng)還可測定C8-C20的烴、羰基化合物及VOC，并在各種固定源排放PM2.5研究中得到應(yīng)用。

在中國，對于固定源稀釋采樣法的研究起步較晚且國內(nèi)外尚未有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。曾立民等研發(fā)了一套稀釋采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)煙道內(nèi)氣壓變化，動態(tài)調(diào)節(jié)采樣流量，實現(xiàn)全過程等速采樣，可以模擬煙氣在大氣中的物理化學(xué)變化，最大限度的減少了顆粒物在實驗過程中的損失。但是，在采樣過程中，可能由于系統(tǒng)的流量控制器和采樣泵因煙氣流速波動而一直變化，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會使采樣結(jié)果出現(xiàn)偏差。郝吉明等開發(fā)出一套固定燃燒源顆粒物稀釋采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由煙氣進氣部分、一級稀釋系統(tǒng)、二級稀釋系統(tǒng)、停留室和采樣部分組成，可以實現(xiàn)80左右的稀釋比，停留室停留80s。同時，該系統(tǒng)可與在線顆粒物測量儀器（如ELPI）聯(lián)用，也可使用PM2.5采樣器和不同采樣膜（如石英膜、Teflon膜和聚碳酸酯膜等）采樣用作不同目的的后續(xù)分析。

3.水泥行業(yè)PM2.5控制

由于現(xiàn)階段針對水泥行業(yè)研究較少，對于PM2.5的控制研究借鑒其他行業(yè)特別是固定源的控制經(jīng)驗。李超等對8個燃煤工業(yè)鍋爐除塵器進出口進行測試，得出多管旋風(fēng)除塵器、水膜除塵器及電除塵器對PM2.5的去除效率分別為65.1%、62.5和97.4%?？梢?，旋風(fēng)除塵及水膜除塵已不能滿足目前的環(huán)境需求。

3.1靜電除塵

我國目前水泥行業(yè)除塵設(shè)備多采用靜電除塵器。靜電除塵器具有除塵效率高、氣體壓力損失小、能耗少等特點，但是，靜電除塵器對0.1～2μm塵粒的除塵效率較差，且粉塵比電阻影響除塵效率。

王圣等對6個燃煤電廠進行現(xiàn)場實測，研究結(jié)果表明通過靜電除塵、脫硫之后，對PM2.5的去除率為95.68～98.47%，平均為97.41%。2004～2005年，郝吉明等對實測的5個電場通過靜電除塵、脫硫后PM2.5的去除率為95.58%～99.16%，平均為97.26%。劉建忠等對410t/h的電廠鍋爐靜電除塵器前后細灰組分進行測試，得到PM2.5除塵效率為90.6%。裝機等級及配套的除塵、脫硫設(shè)施的先進水平對PM2.5的去除率影響明顯。

3.2布袋除塵

布袋除塵器具有除塵效率高特別是細微顆粒，對煙塵性質(zhì)、入口濃度及溫度等適應(yīng)性強，結(jié)構(gòu)簡單等特點，且脫硫效果顯著。但是布袋除塵器壓力損失大，運行中出現(xiàn)的問題50%以上與濾料的選擇有關(guān)。

傳統(tǒng)的針氈濾料屬于深層過濾，存在過濾阻力大、反沖洗頻率高等問題，但是覆膜濾料的出現(xiàn)較好的解決了這一問題。覆膜濾料屬于表面過濾，是指在普通濾料的基礎(chǔ)上壓覆一層膨體聚四氟乙烯（ePTFE）的薄膜，主要利用薄膜的孔徑小，能把極大部分塵粒阻留在膜表面，完成氣固分離，且粉塵不深入到纖維內(nèi)部。HonghongYi等研究某電廠布袋除塵器對PM2.5的去除效率可達到99.72%，遠高于五電廠靜電除塵器的96.75%和四電場靜電除塵器的95.58%。

3.3電袋復(fù)合除塵

迄今為止，電袋復(fù)合除塵主要有：預(yù)荷電-布袋形式、靜電-布袋并聯(lián)式及靜電-布袋串聯(lián)式。

電袋復(fù)合除塵的工作原理主要為：電除塵作為第一級除塵，除去煙氣中的80%左右的粗顆粒，然后布袋作為第二級除塵除去剩余的微細顆粒物。與電除塵、布袋除塵相比，電袋復(fù)合除塵具有除塵效率不受粉塵特性影響，效率穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，且過濾阻力小，濾袋壽命增長的優(yōu)點。趙海波等對靜電除塵器和對其改造采用靜電-布袋串聯(lián)，進行了顆粒群平衡模擬，結(jié)果顯示改造后的除塵效率較之前的靜電除塵高。

4.研究展望

目前歐美已對水泥PM2.5提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但中國對水泥行業(yè)各工藝細微粒子的研究較少。未來水泥行業(yè)PM2.5的研究應(yīng)主要集中在以下幾個方面：

1）水泥行業(yè)排放的PM2.5的物理化學(xué)特征，主要包括質(zhì)量濃度和粒徑分布、單顆粒物形貌及化學(xué)組成、水溶性粒子、有機碳/元素碳（OC/EC）、有機芳香烴及痕量元素等及顆粒物在不同生產(chǎn)工藝下的形成機理，特別是痕量元素在PM2.5上的富集規(guī)律；

2）調(diào)查研究水泥行業(yè)的PM2.5，在此基礎(chǔ)上制定水泥行業(yè)PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)；

3）研制新型高效的PM2.5凈化設(shè)備，大幅削減PM2.5排放量。