石河子燃煤電廠重金屬排放研究

萬 勤，孟 優(yōu)，陳 平，李 杰

1．新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團環(huán)境保護科學(xué)研究所，新疆 烏魯木齊 830002

2．新疆師范大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830011

3．新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團環(huán)境監(jiān)測中心站，新疆 烏魯木齊 830046

煤炭是重要的燃料和化工原料，即使是在石油占據(jù)能源主導(dǎo)地位的年代，煤炭的作用仍不能忽視［1］。目前，煤的燃燒占世界能源消耗的27%左右，煤炭消耗趨勢仍將以每年2%的速度增長［2］。電力行業(yè)是主要的煤炭消費行業(yè)，根據(jù)國際能源信息管理局預(yù)測［3］，即使到2025年，全球仍然是以發(fā)電為主的煤炭消費模式。中國在2015年發(fā)電用煤量約占50.49%，隨著時間的推移，發(fā)電部門用煤仍將占據(jù)很大比例。

燃煤電廠產(chǎn)生的不只是熱量、能量，同時也會向大氣排放大量的重金屬。重金屬是大氣顆粒物最主要的污染成分之一［4-5］，其本身具有生物富集性和不可降解性，可通過呼吸作用進入人體肺部組織，對人類健康有極大的潛在威脅［6-7］。因重金屬在環(huán)境污染中表現(xiàn)出隱蔽性、易遷移性、生物高度蓄積性以及持久危害性，燃煤重金屬元素的排放問題已經(jīng)成為重金屬研究領(lǐng)域的新前沿，成為全世界廣泛關(guān)注的對象［8-9］。

石河子市位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣，天山中段北麓，瑪納斯河西岸，是八師實行師市合一管理體制的一個新興城市，被譽為“戈壁明珠”，同時也是聯(lián)合國“人居環(huán)境改善良好城市”。但石河子市能源消費以煤炭消費為主，據(jù)統(tǒng)計，2000年石河子市耗煤量不足百萬噸，2015年增加到千萬噸，增加了10多倍。火力發(fā)電是石河子最重要的用煤行業(yè)，2011年后，天鋁、合盛硅業(yè)自備電廠的開建及天富、天業(yè)電廠的改擴建項目多是330 MW大容量機組，在石河子城市周邊已經(jīng)形成了600多萬千瓦的火電裝機容量群。

選擇石河子市4個典型燃煤電廠，定量分析燃煤電廠重金屬排放，研究結(jié)果可為石河子煙氣重金屬污染控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 電廠參數(shù)

分別測試了天鋁(A)、天河(B)、天能(C)、合盛(D)4個電廠。受采樣平臺限制，各電廠采樣點位均在脫硫裝置出口。燃煤電廠機組參數(shù)詳見表1。

1.2 主要儀器與試劑

實驗主要儀器包括電熱鼓風(fēng)干燥箱、JLBG—220型冷原子微分測汞儀、EXCEL微波消解儀、分析天平、嶗應(yīng)3032型廢氣智能重金屬采樣儀、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜、石墨爐原子吸收分光光度計Z-2000、雙道原子熒光光度計AFS-820等。主要試劑包括氯化亞錫、重鉻酸鉀、氫氟酸、硼酸、無水乙醇、五氧化二釩、硝酸、鹽酸、硫酸、高錳酸鉀、過氧化氫、鹽酸羥胺、過硫酸鉀等。

1.3 煙氣中重金屬監(jiān)測方法

煙氣重金屬監(jiān)測方法中較為經(jīng)典的方法是EPA-29法。另外，安大略法、EPA-30B法、固定源廢氣中汞的測定冷原子吸收分光光度法(暫行)等可用于煙氣中汞或汞形態(tài)的測定。

采用EPA-29法開展燃煤電廠煙氣中重金屬含量的監(jiān)測工作，考慮到采樣在脫硫出口或最終排放口進行，塵量很小。在現(xiàn)場實驗過程中省去了濾膜部分，測定結(jié)果為顆粒態(tài)、氣態(tài)重金屬總量。煙氣重金屬采樣參數(shù)見表2。

表2 煙氣重金屬采樣參數(shù)

1.4 固體樣品的采集

電廠煤樣、電廠飛灰、鍋爐底渣、石灰、脫硫石膏，脫硫灰和煤樣的采集、制備方法分別執(zhí)行《商品煤人工采取方法》(GB/T 475—2008)、《煤樣的制備方法》(GB 474—2008)。采集樣品依次經(jīng)機械破碎、機械縮分、球磨至0.2 mm以下，然后室溫空氣干燥24 h后裝入樣品袋中密封保存。

1.5 固體樣品中重金屬的消解與測試

1.5.1 樣品中汞的消解與測試

煤中汞按照微波消解-冷原子吸收法進行消解與測試。渣、飛灰、脫硫灰、石灰、脫硫石膏中的Hg元素按照美國安大略法中無機固體消解法進行消解，為減少酸耗量，將固體量、試劑量均減半，稱取0.25 g固體于聚四氟乙烯消解罐中，加入3.5 ml HF，2.5 ml預(yù)先配置好的王水后密封消解罐。將消解罐置于高溫干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度至90℃，保持8 h，待降至室溫后，取出消解罐依次加入1.75 g硼酸，繼續(xù)將消解罐置于90℃的高溫干燥箱中加熱1 h，待冷卻后拿出消解罐，將溶液定容至50 ml比色管中，用冷原子吸收測汞儀進行測試。

1.5.2 樣品中其他重金屬的消解與測試

煤中 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、As 元素的消解方法為準(zhǔn)確稱取空氣干燥煤樣2 g±0.1 g(稱準(zhǔn)至0.000 2 g)于瓷粥中鋪平，放進馬弗爐底部，升溫至約500℃，在此溫度下使煤樣燃燒約4 h。將灰樣全部轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯坩堝中，用水潤濕，加氫氟酸2 ml、硝酸5 ml、鹽酸2 ml。蓋上消解罐進行消解，第一步程序升溫至180℃保持10 min，第二步繼續(xù)升溫至210℃保持5 min，消解完全后，降溫，取出溶液后，在低溫電熱板上蒸干HF溶液到1 ml左右時，冷卻并用去離子水將其定容至25 ml容量瓶。

渣、飛灰、脫硫灰、脫硫石膏中的 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、As元素消解方法為稱取 0.2 g(精確至0.000 2 g)樣品加氫氟酸2 ml、硝酸5 ml、鹽酸2 ml。蓋上消解罐進行消解，第一步程序升溫至180℃保持10 min，第二步繼續(xù)升溫至210℃保持5 min，消解完全后，降溫，取出溶液后，在低溫電熱板上蒸干HF溶液到1 ml左右時，冷卻并用去離子水將其定容至25 ml容量瓶。

1.6 質(zhì)量控制

實驗中的質(zhì)量控制措施包括采樣前每種試劑，特別是H2SO4需單獨進行空白試驗，試劑空白最大值不大于樣品測試結(jié)果的10%或儀器檢出限的10倍，KMnO4-H2SO4溶液需當(dāng)天配制，并用濾膜過濾二氧化錳，防止KMnO4分解。采樣過程中如果發(fā)現(xiàn)裝有KMnO4-H2SO4溶液的撞擊瓶中有兩個溶液從紫色褪成無色了，立刻停止測試，且本次測試無效，需要重新進行測試，現(xiàn)場同步進行空白實驗。樣品回收后低溫保存，隨后在實驗室消解后用冷原子吸收等方法進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣重金屬排放濃度

針對測試電廠鍋爐的9種重金屬(Hg、As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd)排放狀況進行分析，其排放濃度如表3所示。鑒于目前國家及地方標(biāo)準(zhǔn)中除Hg外均無電廠鍋爐重金屬排放標(biāo)準(zhǔn)，故排放濃度為實測濃度。

表3 煙氣中重金屬排放濃度 μg/m3

從表3可以看出，燃煤電廠煙氣中Zn的排放濃度最高，排放濃度在2.73～7.51 μg/m3范圍內(nèi)，平均排放濃度為5.651 μg/m3。Zn的排放濃度最高主要由于原煤中Zn的含量較高，約為18.06 μg/g，且燃燒時易揮發(fā)。由煤中形態(tài)分析可知，鋅大多以無機態(tài)存在，分別吸附在煤的礦物和有機質(zhì)空隙、裂隙中或賦存于硫化礦物、黏土礦物晶格里。在高溫燃燒時易分解，鋅元素態(tài)熔點為420℃，沸點為907℃，氧化態(tài)、氯化態(tài)的熔點、沸點也不高，因而在900℃下大多揮發(fā)出來。As的排放濃度最低，為0.006 μg/m3左右。As的排放濃度最低主要因為原煤中As的含量較低，約為0.89 μg/g，且As為不揮發(fā)重金屬元素，主要富集在飛灰、底渣中。石河子燃煤電廠Hg平均排放濃度為0.156 μg/m3，遠低于《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)限值，同時也低于相關(guān)文獻中的Hg排放濃度［10-11］，原因是石河子地區(qū)煤中汞含量較低，約為0.09 μg/g。煙氣中各重金屬排放濃度從高到低依次為 Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Hg、Co、Cd、As。

2.2 固體樣品中重金屬的富集

在燃煤電廠的鍋爐內(nèi)，煤中重金屬元素在燃燒時經(jīng)歷了各種化學(xué)、物理變化之后，飛灰、底渣或脫硫產(chǎn)物中重金屬元素分布類型與原煤不同。在煤燃燒過程中，重金屬能在底灰、飛灰或脫硫產(chǎn)物(脫硫灰或脫硫石膏)中富集。一般利用富集因子來研究電廠中重金屬的排放分布，計算公式為

式中：ωa為產(chǎn)物中重金屬的含量，ωc為煤中重金屬的含量。

固體樣品的富集因子見表4。各重金屬元素在飛灰中的富集程度較高，Hg相對于其他重金屬在飛灰中的富集程度較低，其次是Cd，除Hg、Cd、Ni外，其他重金屬元素在飛灰的富集因子均值均大于5。其中，As在飛灰的富集因子均值為5.76。As在飛灰中富集程度最高是因為煤中As在燃燒過程中大部分都可以釋放出來，釋放出的As大部分又被飛灰俘獲(92.5%左右)，進而隨飛灰被除塵設(shè)備俘獲，很少釋放到大氣中，這也是導(dǎo)致As排放濃度最低的原因之一。Co、Cr、Cu、Ni在飛灰中的富集因子 ＞ 底渣中的富集因子＞脫硫灰或脫硫石膏中的富集因子，Pb、Zn、Cd、As、Hg 在飛灰中的富集因子 ＞脫硫灰或脫硫石膏中的富集因子＞底渣中的富集因子。由此得出，飛灰更容易吸附重金屬，這與王家偉［12］、陸曉華［13］的研究結(jié)果相同。范海燕［14］通過燃煤顆粒物粒徑大小與重金屬富集規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)飛灰顆粒越小越容易吸附重金屬，沒有被除塵器捕獲的超細顆粒物很容易釋放到大氣中，然而這類污染物的潛在危害性很大。

表4 固體樣品的富集因子

3 結(jié)論

1)燃煤電廠煙氣中Zn的排放濃度最高，排放濃度為 2.73～7.51 μg/m3，平均排放濃度為5.651 μg/m3。煙氣中各重金屬排放濃度從高到低依次為 Zn、Ni、Cr、Pb、Cu、Hg、Co、Cd、As。

2)各重金屬元素在飛灰中的富集程度較高，除Hg、Cd、Ni外，其他重金屬元素在飛灰的富集因子均值均大于5。其中，As在飛灰的富集因子均值為5.76。Co、Cr、Cu、Ni在飛灰中的富集因子＞底渣中的富集因子＞脫硫灰或脫硫石膏中的富集因子，Pb、Zn、Cd、As、Hg 在飛灰中的富集因子＞脫硫灰或脫硫石膏中的富集因子＞底渣中的富集因子。

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