兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)砷、汞、氟、鈹和鈾的大氣排放清單的研究

王克健，陳 健，王興明，曾 建，張博斐，沙吉頓

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引 言

近年來(lái)，大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，其中燃煤電廠(chǎng)排放的細(xì)顆粒物被認(rèn)為是導(dǎo)致霧霾天氣發(fā)生的主要原因[1]，雖配備了空氣污染控制裝置，但仍有部分有害元素排放到大氣中，因此，燃煤電廠(chǎng)有害元素大氣排放清單的建立十分重要。

趙毅等[2]通過(guò)研究電力用煤消費(fèi)量、煤中汞含量和煙氣凈化設(shè)施汞的排放修正因子得出2010年我國(guó)燃煤電廠(chǎng)汞的總排放量約90.5 t；裴冰[3]通過(guò)對(duì)電廠(chǎng)煙塵鉛排放分步實(shí)測(cè)，估算出2011年我國(guó)燃煤電廠(chǎng)煙塵鉛排放量達(dá)126.8 t；田賀忠等[4]利用燃煤消耗的排放因子法，收集不同燃煤排放源類(lèi)型的煤炭消費(fèi)量及銻元素平均含量，得出2005年我國(guó)燃煤大氣銻排放量約530t；張靜靜等[5]將燃煤源大致分為兩類(lèi)，并通過(guò)內(nèi)蒙古自治區(qū)原煤中汞含量均值、民用煤消費(fèi)量及民用燃煤汞釋放比例估算出民用燃煤汞排放量，再針對(duì)不同行業(yè)燃煤消耗量和排放因子，建立了工業(yè)和電廠(chǎng)燃煤汞的排放清單。

安徽兩淮地區(qū)地處我國(guó)地理南北分界線(xiàn)，煤炭資源豐富，是華東地區(qū)最重要的能源基地，煤電優(yōu)勢(shì)極其突出，而對(duì)兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)有害元素大氣排放量的估算未見(jiàn)報(bào)道。本文基于課題組兩淮煤田煤中有害元素含量的測(cè)試數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料、區(qū)域燃煤電廠(chǎng)煤消費(fèi)量和燃煤電廠(chǎng)有害元素的大氣排放因子，初步估算了As、Hg、F、Be和U五種有害元素的大氣排放量，建立了近幾年的有害元素排放清單。

2 估算方法

兩淮地區(qū)有害元素的排放量采用Chen等[6]的簡(jiǎn)化公式估算：

Egi,j=Cj×ci×EFi

其中：Egi,j為有害元素的年排放量，Cj為第j年燃煤電廠(chǎng)的煤消費(fèi)量，ci為煤中元素i的平均含量，EFi為元素i的大氣排放因子。

3 估算參數(shù)

3.1 兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)的煤炭消費(fèi)量

安徽省煤炭資源豐富，為產(chǎn)煤大省，全省含煤地層分布面積達(dá)17 950 km2，兩淮礦區(qū)內(nèi)煤炭資源占全省煤炭資源的99%以上[7-8]；據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2016》[9]與《淮南、淮北統(tǒng)計(jì)年鑒2016》[10-11]的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：2015年，安徽省火力發(fā)電量為1 959億千瓦時(shí)，其中，兩淮地區(qū)的火力發(fā)電量為701.6億千瓦時(shí)，占全省火力發(fā)電量的35.8%，年標(biāo)準(zhǔn)煤消費(fèi)量約860萬(wàn)t。兩淮地區(qū)2007～2015年間燃煤電廠(chǎng)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 兩淮地區(qū)2007～2015年燃煤電廠(chǎng)發(fā)電量[10-11]Tab.1 Capacity of coal-fired power lants in the Huainan and Huaibei during 2007 to 2015 (億千瓦時(shí))

從表1可看出，兩淮地區(qū)發(fā)電量呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，自2008年起，淮南市發(fā)電量增長(zhǎng)迅速，與“皖電東送”(國(guó)家“十二五”電力發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分，利用淮南豐富的煤炭資源，加強(qiáng)煤電基地建設(shè)，變輸煤為輸電，經(jīng)皖南、浙北到達(dá)上海，線(xiàn)路全長(zhǎng)656 km，每年將能輸送超過(guò)500億度電)項(xiàng)目有關(guān)，該項(xiàng)目運(yùn)行對(duì)促進(jìn)皖北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解上海、浙江等地高速增長(zhǎng)的能源需求，保障華東地區(qū)能源安全，具有十分重要的意義；發(fā)電量增加，燃煤電廠(chǎng)的煤消費(fèi)量也相應(yīng)增多。本文引入燃煤電廠(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量：0.122 9千克標(biāo)準(zhǔn)煤=1千瓦時(shí)(GB/T 2589-2008，綜合能耗計(jì)算中電力折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù))，進(jìn)而利用發(fā)電量與標(biāo)準(zhǔn)煤消費(fèi)量換算，分別計(jì)算出淮南和淮北年標(biāo)準(zhǔn)煤消費(fèi)量(表2)。

表2 兩淮地區(qū)2007～2015年燃煤電廠(chǎng)煤消費(fèi)量Tab.2 Coal consumption by coal-fired power plants in the Huainan and Huaibei during 2007 to 2015 (萬(wàn)t)

3.2 兩淮地區(qū)煤中元素含量

兩淮地區(qū)為安徽省主要的產(chǎn)煤地，該區(qū)煤中有害微量元素已有較全面的報(bào)道，一致認(rèn)為兩淮地區(qū)煤中有害微量元素含量正常，如：張晶[12]認(rèn)為與華北和全國(guó)相比，淮南地區(qū)煤中As含量正常；葛濤[13]認(rèn)為淮南煤中汞不富集；黃文輝等[14]對(duì)淮南二疊紀(jì)煤中微量元素研究表明，淮南煤中多數(shù)微量元素含量屬于正常水平；鄭旺等[15]對(duì)淮北煤中12種有害微量元素的特征分析表明淮北煤中As和U平均含量與全國(guó)和華北煤背景值基本一致。

本文基于課題組淮南煤田主采煤層7個(gè)煤樣品的有害微量元素(As、Hg、F、Be和U)的測(cè)試數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料報(bào)道數(shù)據(jù)的收集(表3)，確定兩淮地區(qū)煤中元素的平均含量?；茨厦禾锩褐蠥s、Hg、F、Be和U的平均含量分別為3.13 μg/g、0.37 μg/g、115 μg/g、2.67 μg/g和2.26 μg/g；淮北煤田煤中As、Hg、F、Be和U的平均含量分別為2.54 μg/g、0.26 μg/g、156 μg/g、2.00 μg/g和3.88 μg/g(其中淮北煤田煤中Be數(shù)據(jù)較少，故采用華北石炭二疊紀(jì)煤中Be平均含量數(shù)據(jù))。

表3 兩淮地區(qū)煤中As、Hg、F、Be和U的含量Tab.3 Concentrations of As, Hg, F, Be, and U in the Huainan and Huaibei coals (μg/g)

注：“-”為無(wú)數(shù)據(jù)；由于淮北地區(qū)煤中Be含量數(shù)據(jù)較少，故引用華北石炭二疊紀(jì)煤中Be含量數(shù)據(jù)。

3.3 排放因子

排放因子與燃燒工況和空氣污染控制裝置密切相關(guān)。工況條件一定時(shí)，污染控制裝置起決定作用，Duan等[25]對(duì)循環(huán)流化床鍋爐實(shí)驗(yàn)研究表明ESP/FF(靜電除塵器/袋式除塵器)和WFGD(濕法煙氣脫硫)的脫砷效率分別在99.2%～99.6%和67.3%～75.9%之間。不同元素的排放因子不同，Goodarzi[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出靜電除塵器裝置As排放率為0.85%，遠(yuǎn)小于Hg(88.5%)。多種污染控制裝置的協(xié)同作用可顯著降低排放因子，Tang等[27]對(duì)內(nèi)蒙古燃煤電廠(chǎng)汞排放的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)SCR(選擇性還原技術(shù))+FDC(布袋除塵器)(或FDC+ESP)+WLFGD(濕式石灰石煙氣脫硫)裝置，僅剩3.80%的汞直接排放進(jìn)入大氣。我國(guó)燃煤電廠(chǎng)采用的空氣污染控制裝置以ESP最為普遍[28]。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的收集，配備ESP、FGD(煙氣脫硫)和ESP+FGD裝置燃煤電廠(chǎng)As、Hg、F、Be和U的大氣排放因子數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。從表4可看出，ESP+FGD協(xié)同作用對(duì)有害微量元素的大氣排放具有更好的控制效果。由于排放因子變化范圍大，本文取幾何均值為相應(yīng)元素的排放因子，得出采用ESP和ESP+FGD裝置As、Hg、F、Be和U的排放因子分別為：1.34%、72.4%、80.3%、0.4%、0.99%和0.4%、40.8%、4.1%、0.08%、0.11%。

表4 燃煤電廠(chǎng)As、Hg、F、Be和U的大氣排放因子Tab.4 Emission factors of As, Hg, F, Be, and U of coal-fired power plants (%)

注：“-”為無(wú)數(shù)據(jù)。

4 兩淮地區(qū)As、Hg、F、Be和U的大氣排放清單

基于兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)煤炭消費(fèi)量、煤中有害微量元素的含量和元素大氣排放因素因子等參數(shù)，計(jì)算出淮南和淮北2007～2012年度As、Hg、F、Be和U的排放量(圖1和表5)。從圖1可看出，由于淮南地區(qū)煤消費(fèi)量較大，燃煤電廠(chǎng)是兩淮地區(qū)五種元素大氣排放的主要來(lái)源；除F元素外，兩淮地區(qū)Hg的排放量高于其他元素，可能與ESP對(duì)汞的脫除率較低有關(guān)；而煤中F元素含量相對(duì)較高，且ESP去除效率也不高，故其排放量最大。對(duì)F元素排放控制的方法包括：通過(guò)煤洗選減少煤中F的含量，再通過(guò)合適的污染控制裝置抑制其排放，如ESP+FGD協(xié)同作用F的排放因子可降至4.1%[31]。

表5 兩淮地區(qū)2007～2012年燃煤電廠(chǎng)As、Hg、F、Be和U的排放量Tab.5 Atmospheric emissions of As, Hg, F, Be, and U from the Huainan and Huaibei coal-fired power plants during 2007 to 2012 (t)

圖 兩淮地區(qū)2007～2012年度燃煤電廠(chǎng)有害元素排放變化趨勢(shì)圖Fig. Variation of atmospheric emissions of As,Hg,F,Be and U from the Huainan and Huaibei coal-fired power plants during 2007 to 2012

綜合圖和表5可看出，不同元素之間由于物化性質(zhì)的不同，排放量差距較大，但年度變化整體趨勢(shì)大致相同，并未發(fā)現(xiàn)明顯變化；結(jié)合表2可得出，各元素排放量隨時(shí)間變化的整體趨勢(shì)與年煤消費(fèi)量逐年增長(zhǎng)有關(guān)，與年煤費(fèi)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。

近年來(lái)，燃煤電廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(2011年由環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的國(guó)家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》)更新(GB13223-2011)，單一ESP裝置難以達(dá)到污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)，需采用ESP+FGD協(xié)同控制顆粒物和硫化物排放，ESP+FGD的排放因子見(jiàn)表4?；贓SP+FGD協(xié)同控制的2013～2015年度兩淮地區(qū)As、Hg、F、Be和U的排放量見(jiàn)表6。

表6 2013～2015年兩淮地區(qū)配置ESP+FGD裝置燃煤電廠(chǎng)As、Hg、F、Be和U排放量Tab.6 Atmospheric emissions of As, Hg, F, Be, and U from the Huainan and Huaibei coal-fired power plants equipped with ESP and FGD during 2013 to 2015 (t)

2012年，兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)僅ESP控制下As、Hg、F、Be和U的排放量分別為：0.31 t，1.93 t，727 t，0.08 t和0.18 t；2015年，兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)在ESP+FGD協(xié)同控制下As、Hg、F、Be和U的排放量分別為：0.084 t、1.41 t、35.6 t、0.02 t和0.02 t，較單一ESP控制顯著降低。

對(duì)有關(guān)燃煤電廠(chǎng)有害元素排放清單的建立方法已有許多報(bào)道，2012年淮南燃煤電廠(chǎng)大氣汞排放的數(shù)據(jù)與內(nèi)蒙古燃煤電廠(chǎng)大氣汞(其煤中汞平均含量0.095 μg/g)的排放量[37](表7)相比，結(jié)合估算方法中的簡(jiǎn)化公式可發(fā)現(xiàn)：本文采用的參數(shù)和使用的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單且易得，準(zhǔn)確度較高，方法適用于多數(shù)電廠(chǎng)元素排放量的估算。

注：“-”無(wú)數(shù)據(jù)。

新疆石河子市典型燃煤電廠(chǎng)燃煤中砷的含量為1.15μg/g，其排放因子為4.5%[38]，結(jié)合本文中淮南煤砷含量與排放因子分別為3.13μg/g和1.34%的數(shù)據(jù)可知，單位煤耗下，兩市電廠(chǎng)中的砷排放量數(shù)據(jù)卻相近，其原因主要在于煤中元素含量不同和電廠(chǎng)工況的差異，為降低兩市燃煤電廠(chǎng)中有害元素的排放，石河子市電廠(chǎng)需加大對(duì)控制裝置的升級(jí)和改進(jìn)力度，而淮南電廠(chǎng)則要注重煤炭洗選過(guò)程，降低原煤中的有害元素含量。

5 結(jié) 論

本文基于兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)煤消費(fèi)量、煤中元素含量和元素大氣排放因子建立了有害元素As、Hg、F、Be和U的大氣排放清單。2012年兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)在ESP作用下，As、Hg、F、Be和U的大氣排放量分別為：0.31 t、1.93 t、727 t、0.08 t和0.18 t；元素排放量變化主要由年度煤消費(fèi)量決定。

2015年兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)在ESP+FGD協(xié)同作用下，As、Hg、F、Be和U的大氣排放量分別為0.08 t、1.41 t、35.6 t、0.01 t和0.02 t。ESP+FGD對(duì)兩淮地區(qū)燃煤電廠(chǎng)有害元素排放控制顯著，其中F元素的減排效果最為明顯。