煤是我国最主要的能源,2012年我国煤炭总消耗量353亿t,其中煤电行业的煤耗量为174亿t,占总量的493%｡燃煤电厂大气Pb污染具有排放量大､排放集中､影响范围大的特点,是大气Pb污染的重要来源之一｡由于烟气中的Pb较为稳定,容易在环境积尘和土壤中富集,被人体摄入后产生累积毒性,并可能导致儿童血铅,故燃煤电厂大气Pb污染的环境健康风险不容忽视｡目前,我国对燃煤电厂Pb污染危害的认识还不够充分,在烟气Pb排放标准和污染防治上均未有明确的要求,只有少数几家单位开展过燃煤电厂Pb排放和迁移机理研究｡万勤等研究了石河子燃煤电厂Pb等重金属在飞灰中的富集因子｡邓双等通过实测分析了燃煤电厂Pb的释放率､烟气处理工艺对Pb的去除率以及Pb最终分布在燃煤副产物的比例｡裴冰对燃煤电厂烟尘中的Pb浓度进行实测,研究了燃煤电厂的Pb排放因子｡王彬蔚等研究分析了陕西省燃煤电厂各燃烧产物中Pb的含量｡随着我国煤电行业技术的发展,循环流化床锅炉和电袋复合除尘器的应用更加广泛,但其烟气净化技术对Pb排放控制的影响未见报道｡因此,本文选择3台典型的循环流化床锅炉开展燃煤电厂Pb的迁移特性研究,以期为燃煤电厂Pb污染防治措施的制定提供参考｡
(来源：循环流化床发电 ID：xhlhcfd 作者：刘军)
1实验部分
1.1 电厂基本情况
鉴于目前装机容量300MW的循环流化床机组最为常见,同时为比较相同和不同烟气处理管理水平存在的差异,本文选取广东省2家燃煤电厂3台300MW的典型循环流化床机组进行研究,均采用电袋复合除尘烟气处理工艺｡燃煤电厂的煤质分析结果见表1｡
1.2 样品采集和分析
目前我国没有专门针对燃煤烟气中Pb的标准监测方法,现行的《固定源废气铅测定火焰原子吸收分光光度法(暂行)》(HJ538—2009)只适用于废气中颗粒态Pb的测定,而实际上燃煤烟气中Pb以颗粒态和气(溶胶)态2种形态存在｡本研究参照德国监测标准方法《金属､类金属及其化合物总排放量的测定》(VDI3868),同时测定燃煤烟气中颗粒态和气(溶胶)态的Pb｡采样系统从烟气流中恒速取样,取样管线温度维持在120℃,颗粒态Pb由前端的石英纤维滤膜捕获,气(溶胶)态Pb由4个各盛有80mL3%HNO3˙10%H2O2吸收液的吸收瓶收集,采样流量为20L/min,最后用干燥剂将烟气中的水分干燥｡采样时间2h以上,以保证采集一定体积的烟气量,确保测试精度｡同时,采用缩分法收集相应工况下的燃煤､飞灰､底渣等固体样品,每个样品约1kg｡实验室分析采用《电感耦合等离子体发射光谱法》(USEPA2007—1995)测定各样品中的Pb含量｡
1.3 富集因子计算
Pb在飞灰或炉渣中的富集程度以富集因子EF表示:
式中Mash､Mslag､Mcoal分别为Pb在飞灰､炉渣､燃煤中的含量(μg/g)｡EF>1,表示在飞灰或炉渣中有富集的趋势;EF<1,表示有耗尽的趋势;EF=1则表示在燃烧产物中既不富集也不耗尽｡
1.4 质量平衡计算
循环流化床锅炉燃烧过程中,输入的煤和石灰石中Pb部分释放到飞灰和烟气中,另一部分残留在炉渣中｡根据质量平衡原理,循环流化床锅炉Pb的释放率(Y,即飞灰和烟气中Pb总量占系统Pb总量的百分比)按照式(2)计算;系统质量平衡率(RMB)则按照式(3)计算:
式中Fcoal､Flime分别为燃煤､石灰石小时消耗量,t/h;Fash､Fslag分别为飞灰､炉渣小时产生量,t/h;Fgas为烟气小时产生量,m3/h;Ccoal､Clime､Cash､Cslag分别为燃煤､石灰石､飞灰､炉渣中Pb含量,μg/g;C为烟气中Pb质量浓度,μg/m3｡
2结果与讨论
2.1 燃煤电厂各物料中的Pb浓度
本研究监测了各机组在不同负荷下烟气中Pb的排放浓度,取样点均在除尘设施后,结果见表2｡在各种工况共9次实验条件下,燃煤机组烟气中Pb的排放浓度都不高,《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)未涉及Pb的排放标准,若以《大气污染物综合排放标准》(GB16297—1996)第二时段限值评价则达标｡电厂一1号和2号机组烟气中Pb排放浓度差异性不大,但与电厂二3号机组比相对较高｡同一机组排放的烟气Pb浓度相对稳定,受负荷影响不大｡对于除尘率很高的电袋复合除尘器,处理后烟气中颗粒态Pb的浓度总体低于气(溶胶)态Pb的浓度,2号机组60%负荷时烟气中颗粒态Pb浓度略高于气(溶胶)态Pb浓度,可能受除尘器效率的轻微波动影响｡可见,现行的《固定源废气铅的测定火焰原子吸收分光光度法(暂行)》(HJ538—2009)并不适用于燃煤电厂烟气｡
实验过程中电厂所用燃煤和石灰石的Pb含量比较稳定,电厂一煤中Pb含量约23μg/g,石灰石中Pb含量为23~27μg/g;电厂二煤中Pb含量约20μg/g,石灰石中Pb未检出｡不同工况下产生的飞灰和炉渣中Pb含量也比较稳定,电厂一飞灰中Pb含量为64~80μg/g,炉渣中Pb含量为43~50μg/g;电厂二飞灰中Pb含量为59~62μg/g,炉渣中Pb含量约49μg/g｡
2.2 炉渣和飞灰中Pb的富集规律
燃煤机组产生的炉渣和飞灰中Pb的富集因子EF见表3｡在所研究的循环流化床机组中,Pb在炉渣和飞灰的EF都很接近,Pb在炉渣中的EF为201~243,在飞灰中的EF为274~349｡相比较而言,Pb在飞灰中的EF高于炉渣,说明飞灰对Pb具有较强的富集能力;飞灰中布袋灰中Pb含量略高于电除尘灰,原因在于布袋灰粒度更小,比表面积较大,因此对Pb的吸附能力更强｡根据痕量元素挥发性分类(不挥发､中等挥发和易挥发3类),Pb可归于中等挥发性元素,分析结果与文献报道一致｡
2.3 Pb质量平衡核算
根据燃煤电厂各物料的总流量和Pb含量,计算出对应的Pb流量和Pb质量平衡率(表4)｡痕量重金属的系统平衡往往会有一定的误差,学术上一般认为,质量平衡率在70%~130%范围内最佳｡本研究电厂一的Pb质量平衡率为140%~149%,电厂二的Pb质量平衡率为79%~85%,部分超出了70%~130%的最佳范围｡考虑到取样和分析过程中有许多难以避免的影响因素存在,且本次实验的Pb质量平衡率即使超出最佳范围也偏离得不多,仍可认为实验结果总体是可接受的｡
2.4 Pb在各燃烧产物中的分布
在不同工况下,所研究的3台循环流化床机组各燃烧产物中Pb的分布比例很接近(表5),飞灰中Pb分布比例为6110%~6565%,均值6249%;炉渣中Pb分布比例为3432%~3889%,均值3749%;外排烟气中Pb分布比例为001%~003%,均值002%｡
由此可计算得到循环流化床机组Pb的平均释放率Y为6251%｡文献研究1台循环流化床机组得到Pb的释放率Y为8499%,与本研究相比较高,可能由于该研究机组所用燃煤的低位发热量(1677MJ/kg)比本研究机组所用燃煤的低位发热量(124~129MJ/kg)高,燃烧温度较高;同时该研究所用燃煤的Pb含量(349μg/g)也较高,更容易释放出来｡而煤粉炉机组Pb的平均释放率Y为9711%,明显高于循环流化床机组,可能因为煤粉炉的燃烧温度(1200~1500℃)高于循环流化床机锅炉(800~1100℃),且燃煤粒径比循环流化床更小,煤中Pb析出更多,故释放率较高｡
2.5 除尘过程对Pb迁移的影响
所研究的机组均采用电袋复合除尘工艺,除尘过程对烟气中Pb的影响主要表现为飞灰对Pb的吸附和除尘器对飞灰的分离脱除,尤以后者为主｡为研究除尘器飞灰层对Pb的吸附作用,对电厂一2台机组除尘器前后的气(溶胶)态Pb进行监测(见表6)｡可以看出,经过除尘器后,烟气中气(溶胶)态Pb浓度均显著降低,去除率为762%~930%,说明飞灰层对气(溶胶)态Pb具有一定的吸附作用｡
由于烟气中气(溶胶)态Pb的分布比例很低,Pb基本吸附在飞灰上,因此除尘效率的高低直接决定了Pb的去除效果｡电袋复合除尘器除尘率一般在999%以上,吸附了Pb的飞灰被除尘器脱除下来,对Pb的去除作用非常明显｡另外,由于布袋灰中的Pb浓度高于电除尘灰,而电袋复合除尘器对细小颗粒捕集的效果较一般电除尘器更好,因此更有利于Pb的脱除｡特别是对于Pb释放率更高的煤粉炉机组,建议采用电袋复合除尘器｡
2.6 循环流化床燃煤电厂Pb的迁移特性
根据实验结果,可判断循环流化床机组中Pb的迁移特性｡首先,煤在锅炉炉膛内燃烧,煤和石灰石中的小部分Pb(约3749%)留存在炉渣中;由于高温的作用,大部分Pb(约6249%)释放出来,经过炉膛､省煤器､空预器等时,随着烟气的冷却,绝大部分凝结吸附到飞灰表面｡接下来,经过电袋复合除尘器时,Pb在飞灰层的作用下进一步被吸附,最终连同飞灰一起从烟气中脱除,富集在飞灰中,剩余的极少量气(溶胶)态Pb(约002%)则随烟气从烟囱排入大气环境｡
3结论
1)所研究的机组负荷变化对烟气Pb排放影响不大,排放质量浓度均在2μg/m3以下｡不同负荷下,相同机组的飞灰和炉渣中Pb含量比较稳定｡电袋复合除尘处理后,烟气中颗粒态Pb的浓度总体低于气(溶胶)态Pb的浓度｡
2)燃煤电厂Pb在炉渣和飞灰中均有富集,平均富集因子分别为216和302｡飞灰较炉渣对Pb具有更强的富集能力,布袋灰中Pb含量略高于电除尘灰｡飞灰和炉渣作为可综合利用的固体废物,往往忽视了监管,鉴于其潜在的Pb污染风险,应当加强燃煤电厂飞灰和炉渣存放､运输及利用等各环节的监管,减少无组织排放｡
3)循环流化床机组系统输出的Pb分布在飞灰､炉渣和外排烟气中的比例分别为6249%､3749%和002%,Pb释放率低于煤粉炉,在Pb污染控制方面更具优势｡
4)除尘过程对烟气中Pb的影响主要表现为飞灰对Pb的吸附和除尘器对飞灰的分离脱除,尤以后者为主｡由于烟气中气(溶胶)态Pb所占的比例很低,Pb基本吸附在飞灰上,因此除尘效率的高低直接决定了Pb的去除效果｡
文献信息
刘军,陈耿,唐念,柯钊跃,杨立辉. 循环流化床燃煤电厂铅的迁移特性[J]. 中国环境监测,2016,04:69-73.
