煤燃烧排放的颗粒物控制技术经历了两个发展阶段：第一个阶段是常规除尘技术，包括惯性分离、静电除尘、布袋除尘等，达到30mg/Nm³的排放浓度；第二个阶段是目前要求的超低排放技术，排放浓度要求达到5mg/Nm³以下。经过对比发现，现行的颗粒物超低排放技术都是在常规除尘技术基础上发展起来的：比如湿式静电除尘技术，是在原静电除尘技术基础上的改进，让极板布上水膜，工作环境由干态变为湿态，但基本原理没有根本性变化；再如旋流耦合技术，实际上是在原有的旋风分离技术基础上的发展，而高效除雾技术是也在原有的惯性分离技术上的改进，这两种技术也没有根本性创新，只不过是以增加烟气阻力和能耗为代价的前提下，获得更高的除尘效率。布袋除尘没有对应的超低排放技术，因为超低排放技术处理的烟气是湿法脱硫后的湿烟气，烟气还携带水滴，容易糊住布袋，因此无法发展过滤式的超低排放技术。目前公认的最先进的超低排放技术是湿式静电除尘技术，排放浓度可达到5mg/Nm³以下的水平。现行超低排放技术存在问题：一是难以进一步降低颗粒物排放浓度，也就是原有的除尘机制的效果已经发挥到极限；二是现行技术解决不了可凝结颗粒物的污染控制问题。
针对此现状，结合目前烟气冷凝、潜热回收、水分回收等技术的发展，山东大学燃煤污染物减排国家工程实验室提出了一种烟气冷凝与颗粒物净化协同的机制，并进行了相关实验研究。该方法是对湿法脱硫之后的饱和湿烟气进行降温冷凝，在烟气冷凝过程中协同脱除细颗粒物，这是一种不同于现有超低排放方法的全新的颗粒物脱除机理，利用烟气中水蒸气冷凝过程中的热泳和扩散泳效应，实现细颗粒物（粒径小于PM2.5以下的颗粒物）向冷表面的沉积和高效捕集。
该研究目前经历了两个阶段：第一阶段，采用冷凝换热器对湿法脱硫后大约50℃的饱和湿烟气进行冷却，对冷凝过程对细颗粒物的协同脱除机制进行了细致的探讨，发现了热泳和扩散泳对颗粒物沉积的作用迹象，该结果发表在国际知名学术期刊《Applied Energy》上。但换热器冷凝这种方式，颗粒物脱除效率并不高，只有30-40%，分析原因认为换热器管之间的间距相对于细颗粒物而言尺度过大，存在颗粒物逃逸的情况。
为此开展了第二阶段的研究，即采用冷喷淋的方式代替换热器，喷到烟气中的冷水滴数量多，呈弥散状态，冷水滴之间的间距大大减小，可避免颗粒物的逃逸。实验证明：冷喷淋方式的颗粒物脱除效率非常理想，结果如图1所示。该结果已发表在国际知名学术期刊《Energy》上。
图1. 烟气冷凝协同脱除细颗粒物性能曲线——饱和烟气的降温幅度与颗粒物脱除效率的对应关系
图1中的几条曲线是不同种工况下的烟气冷凝协同颗粒物净化的效率曲线。为了对比，图中同时标出了湿式静电除尘技术的效率区间，大约在70-85%之间。可见冷喷淋方式中的Mode1，2，3，5几种工况（不同工况的喷淋温度、粒径、液气比有差异），在烟气降温5-15℃的范围内，颗粒物脱除效率达到或超过了湿式静电除尘技术的效率区间，有的工况点效率接近100%。这就为在目前超低排放的基础上进一步降低烟尘排放浓度提供了理论上的可能性。
图中，Mode 6工况代表的是第一阶段研究的冷凝换热器的协同除尘效率。可见，即使烟气温度降低40℃，颗粒物的脱除效率也达不到40%，远远未达到湿式静电除尘器的效率。
以上结果表明，向饱和湿烟气中进行冷喷淋，可以在冷却烟气的同时实现非常理想的细颗粒物脱除效果。这个结论很容易引发一个疑问：以喷淋方式进行的湿法除尘已经发展多年，以往的工程经验表明，湿法除尘的效率并不高，这里提到的向饱和湿烟气中进行冷喷淋为什么可以实现细颗粒物的高效脱除，其机理是什么？
这里首先分析以往湿法除尘效率不高的原因。以往的湿法除尘大多情况是往相对湿度较低的干烟气中喷水，虽然水相对于烟气温度也是冷的，但是喷入烟气中的水滴表面发生的是蒸发相变过程。水蒸气由水滴表面向空间扩散，这不利于细颗粒在水滴表面的沉积。有国外研究者已经拍摄到微重力条件下一个蒸发的水滴表面对气溶胶颗粒的排斥作用。如图2所示，a、b是间隔很短时间的两张照片，可明显观察到水滴表面的蒸发作用将气溶胶颗粒推离水滴。这是向外的扩散泳力的作用结果，一般这种泳力对于粒径小的气溶胶颗粒的作用效果较明显，而对大颗粒效果减弱。所以以往的湿法除尘可以解决大颗粒的净化问题，但无法解决PM2.5级别以及更细小的颗粒物的捕集问题。这也能解释为什么湿法脱硫塔内的喷淋不能同时净化细颗粒物的原因，因为湿法脱硫塔内的水滴总体而言也是发生的蒸发过程。
图2. 蒸发水滴表面对气溶胶颗粒的排斥作用
再回到本文提到的在饱和湿烟气中进行冷喷淋的方法，该方法营造的是一个与蒸发过程相反的冷凝过程。虽然目前没有照片为证，但从理论上分析，饱和湿烟气中的冷水滴表面必然发生如图3所示的过程，即水蒸气向冷水滴表面运动，并在表面冷凝成水。水蒸气的定向运动携带细颗粒物同时向冷水滴表面运动，并沉积、凝并到水滴表面。水滴一般是几十到几百微米，尺度远远大于细颗粒物，因此更容易从烟气中分离。这样，喷淋到烟气空间中每个角落的无数个冷水滴，瞬间实现对其周围的细颗粒物的凝并，然后再通过重力沉降、惯性分离等方法与烟气分离，因此可以得到图1所示的理想效果。
图3. 冷凝水滴表面对气溶胶颗粒的吸引作用原理图
本文提出的方法与现行的超低排放技术的颗粒物分离机制完全不同，类似于水净化技术中的絮凝原理，是一种新型的颗粒团聚技术。举一个生活中的例子类比：卤水点豆腐的工艺，制作豆腐首先把黄豆磨成豆浆，豆浆里面都是细小的蛋白质颗粒，如果想直接把这些颗粒从豆浆中分离出来是很难的，加入的卤水相当于絮凝剂，使颗粒发生絮凝、团聚，进而可以实现分离。实际上目前烟气净化技术中难以解决的颗粒物都是粒径极小的颗粒，无论静电除尘，还是惯性机制，要实现如此小粒径颗粒的分离，都达到了效率极限。而本文提出的冷凝过程的细颗粒协同凝并脱除技术，可突破现有技术的效率瓶颈，实现更高的治理水平。
下面介绍本方法的应用方案：一、在湿法脱硫塔后设置一个冷喷淋塔，代替现行的超低排放技术，实现更高水平的超低排放；二、在湿法脱硫塔内设置二级冷喷淋，即单塔双循环方案，把上级循环变成冷喷淋，可以实现同样的效果；三、对目前的湿式静电除尘器进行增效改造，在其前设置冷喷淋，冷水滴捕集颗粒后，在后续的湿式静电除尘器中被脱除，将湿式静电除尘器的角色由原来的脱除细颗粒物，转变成脱除粒径较大的水滴，效率必将大大提高。
该技术的应用要解决的一个重要问题是冷源的供给问题，冷喷淋要持续发挥作用必须将从烟气中吸收的热量及时消耗掉，这与当前盛行的烟气深度余热利用技术是切合的，两项技术进行整合后，可实现节能与减排的双重效益。即使余热没有利用的途径，也可以通过自然冷却方式解决冷源的供给问题。这特别适用冬季采暖小锅炉的超低排放改造，因冬季气温低，通过自然冷却方式就能获得本方法所需要的冷水，有助于解决冬季采暖锅炉造成环境影响的突出矛盾。
目前，该方法对细颗粒物的脱除效果已经得到证明，研究团队正在研究该方法对于可凝结颗粒物的治理效果。从理论上分析，冷水滴表面的水蒸气凝结后，其它气体的浓度会升高，且冷水滴表面温度较低，有可能在冷水滴表面存在一个有利于可凝结颗粒物凝结成颗粒的条件，且凝结成的颗粒可在扩散泳作用下进一步凝并到冷水滴表面实现脱除。这方面的工作，研究团队正在一项国家自然科学基金面上项目的支持下开展，相关成果将及时报道。
最后，谈几句目前颇受争议的白色烟羽治理的话题。在白色烟羽治理技术中有一种方法也涉及烟气中水蒸气的冷凝，这与本文提出方法的物理过程是相同的。烟气冷凝过程可以回收烟气潜热和水分，本研究又证明其可以协同脱除细颗粒物，并且有治理可凝结颗粒物的潜力。因此，建议暂不争论是否消除白色烟羽的问题，多关注和研究烟气冷凝技术的现实价值。
