燃煤火电厂汞排放因子测试设计及案例分析(2)(1).doc

第19卷 第2期环 境 科 学 研 究 ResearchofEnvironmentalSciences Vol.19,No.2,2006 燃煤火电厂汞排放因子测试设计及案例分析 陈义珍,柴发合,薛志钢,刘 涛,陈煜辉,田崇国 2 2 3 1.中国环境科学研究院,北京 100012;2.广州市环境监测中心站,广东广州 510030;3.东北大学,辽宁沈阳 110004 摘要在火电厂锅炉煤的燃烧中,汞的迁移是个复杂的过程.在炉内高温下,几乎所有的汞以气态形式停留于烟气中,随着烟气温度的降低,汞被再分配到粉煤灰、炉渣和空气中.采用测试和衡算的方法,对火电厂汞排放因子进行测试和分析.结果表明汞的迁移分配与煤中汞的赋存量、粉煤灰中可燃物碳的含量及烟气温度相关.煤燃烧后,进入粉煤灰中的汞占煤中汞含量的1217～3113,进入炉渣中的汞占019～1218,大部分汞排入大气中,占6718～8212.关键词火电厂;汞排放;测试 中图分类号X70117 文献标识码A 文章编号1001-6929200602-0049-04 StudyonMercuryEmissionFactorsforCoal2CHENYi2zhen,CHAIFa2he,XUEZhi2gang,,NYuChong2guo MonitoringCentralStation,Guangzhou ,Shenyang 110004,China AbstractMercurytransportationcombustionincoal2firedpowerplants.Thestudyworksonemissionfactorsofmercuryfrompowerandbalancing.Itprovesthatmercurytransportationanddistributionarerelatedtothefactorssuchasmercury,contentinashandthetemperatureoffluegas.Aftercoalcombustion,about1217to3113ofmercuryis,019to1218intoslagandmostlyintotheatmosphere,takingapercentageofabout6718to8212.Keywordscoal2firedpowerplant;mercuryemission;testing 2 3 1.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalGuangzhouEnvironmental 燃煤电厂汞排放是环境,尤其是大气环境中有毒 有害污染物的重要排放源.过量的汞排放不仅会污染空气,而且会通过各环境界面的交换,向水、土壤迁移,对生态环境和人体健康产生危害. 西方国家对燃煤电厂汞污染问题非常重视.美国作为全球最大的能源生产和消耗国,其对燃煤汞在环境中的行为进行过深入的研究,并对新、旧电厂的汞排放制订相应法律进行严格控制,建立了电厂汞排放数据库.加拿大和欧洲各国也正在对燃煤中汞排放进行模拟研究.而我国对该方面的研究仅局限在排放源的个例分析和实验研究上,由于不同煤种的汞排放数据积累不多,因此燃煤汞的排放总量仍局限于初步估算.随着我国经济和能源消耗的高速增长,燃煤汞的环境问题和由此引发的国际争端将日益突出. 根据国家重点基础研究发展计划973计划项目“长江、珠江三角洲地区环境污染控制对策与环境质量调控战略”的要求,笔者于2003年8月选择华能南通 收稿日期2005-03-28 基金项目国家重点基础研究发展计划项目2002CB410811作者简介陈义珍1965-,男,湖南湘乡人,副研究员,硕士. 电厂和珠海电厂,以研究燃煤火电厂汞的排放因子和 去向,为准确地评估长江、珠江三角洲地区火电厂汞的排放量提供数据. 1 实验设计 华能南通电厂装有4350MW机组,锅炉为美国巴布科克・威尔科克斯有限公司制造的煤粉炉,具有亚临界压力、一次中间再热、自然循环、固态排渣等特点.每台锅炉安装2台四电场静电除尘器.煤种为大同煤和神华煤各占1Π3,其余为兖州煤和淮南煤等.实验选择在3号锅炉进行,煤种为大同煤和神华煤. 珠海电厂装有2700MW机组,锅炉为日本三菱设计制造的MB-FRR型煤粉炉,具有亚临界压力、中间再热、强制循环、固态排渣等特点.每台锅炉安装4台四电场静电除尘器.燃煤以神华煤为主,部分燃用大同煤和兖州煤.实验选择在1号锅炉进行,煤种为神华煤.111 煤、粉煤灰和炉渣的计量 由于国内测试手段缺乏认证,国外测试设备昂贵,因此未进行烟气中汞的测定,而是通过物量衡算计算汞的排放量.煤炭燃烧形成的固态物质中,从除尘器下收集的称为粉煤灰或灰,从炉膛中排出的称为炉渣 50环 境 科 学 研 究第19卷 或渣.煤炭燃烧产生的灰、渣量与煤的灰分含量和锅113 样品采集与分析的质量控制 a1工况要求锅炉达到额定负荷的90以上且运 炉的机械不完全燃烧状况有关.燃煤量可从给煤机前 的计量仪直接读出.炉渣排放量采用平衡法计算,计算公式为 1-FzGzdz・B・AΠ式中,Gz为炉渣排放量,kg;dz为炉渣中的灰分占燃煤总灰分的比例,;B为耗煤量,kg;A为煤中灰分含 量,,煤质测试;Fz为炉渣中可燃物以C为主,其次为S,N和H等的比例,,实验测试. 粉煤灰排放量可通过测定烟气中尘的浓度和烟气量核定,计算公式为 ηΠ1-FfGfdfh・B・A・ 式中,Gf为粉煤灰排放量,kg,实验测试;η为除尘系统的除尘效率,,实验测试;Ff为粉煤灰中可燃物质所占比例,,实验测试;dfh为烟尘中的灰分占燃煤总灰分的比例,,其中dz1-dfh.112 汞的排放流程和采样点布设 行稳定;煤质稳定,制粉系统和送风系统运行稳定,供煤保持均衡;静电除尘器运行状况良好. b1每一煤种测试2d,每d持续4h.更换煤种要 求系统运行12h以上,才进行采样,以保证系统中煤种的一致. c1煤样在锅炉给煤机取样口采集,每隔30min采1个样,最后用“十”字法分样,每d混成1个煤样. d1在采集煤样后30min采集粉煤灰和炉渣样.粉 煤灰样在电除尘器底部采集,3个灰斗每隔20min采样,每d混成1个灰样;炉渣样每d每隔20min采样,每d混成1个样. e1烟尘采样参照-1996,在烟道 上、. GBΠT212-2001、煤GBΠT476-2001、煤中汞的测定方 T16659-1996等标准,对煤、粉煤灰和炉渣样 根据电厂工艺流程和实验目的布设采样点,的排放流程和采样点布设见图 1. 品进行工业分析、元素分析及汞含量测定. 2 结果与讨论 211 测试结果2.1.1 煤的汞含量 图1 汞的排放流程和采样点布设 Fig.1 Flowchartofmercuryemissionand thelocationofsamplingpoints 表2为煤样分析结果.由表2可知,大同煤w汞为01087～01102μgΠg,神华煤w汞为01023～01032μgΠg.文献[1]报道,山西煤w汞为0102～gΠg,平均为0122μgΠg;神华煤w汞平均为1195μ 01090μgΠg.笔者对2种煤种的测试结果均比文献[1] 采集样品包括煤样、粉煤灰样、炉渣样和烟气样.各类样品分析项目有①对煤样需测定其灰分和汞含量,提供计算炉渣排放量的参数;②对气样需测定烟气温度、流速、压强、烟气量和烟尘浓度,提供计算粉煤灰排放量和烟尘中的灰分占燃煤总灰分比例等参数;③对粉煤灰样需测定其C,H,S,N及汞含量,提供计算粉煤灰中可燃物的参数;④对炉渣样需测定其C,H,S,N及汞的含量,提供计算炉渣中可燃物的参数.样品采集情况见表1. 表1 样品采集情况 Table1 Descriptionsofsamplecollecting 样品编号 123456 的平均值低. 表2 煤样分析结果 Table2 Testresultforcoalsamples 样品编号 123456 煤种大同煤大同煤神华煤神华煤神华煤神华煤 t・BΠh-1139183012617861371780136114026517142601000 AΠ w汞Π排汞量Π g・h-112116512193231996413566190951980 μg・g-1010870110201029010320102601023 15175161009125910851535177 电厂名称采样日期 2003-08-052003-08-062003-08-072003-08-082003-08-122003-08-13 煤种大同煤大同煤神华煤神华煤神华煤神华煤 全国不同矿区的不同煤种,同一矿区同一煤种,甚至在同一煤层中,汞的含量差异较大 [1] 华能南通电厂 ,表2的数据可 以清楚地说明这一点.因此要较为准确地估算全国煤中的含汞量,需做大量的样品分析,包括同批煤的抽样和煤量的计量,而在研究汞的环境问题时,获取上述数 珠海电厂 第2期陈义珍等燃煤火电厂汞排放因子测试设计及案例分析51 据尤为重要.2.1.2 粉煤灰和炉渣中汞的迁移量 表3为粉煤灰样的分析结果.粉煤灰中w汞表现出煤种的特性,即同煤种粉煤灰中的w汞差别不大,大同煤w汞为01298～01348μgΠg,神华煤w汞为01096～01148μgΠg. 表3 粉煤灰样分析结果 Table3 Testresultforashsamples 样品编号 123456 煤种大同煤大同煤神华煤神华煤神华煤神华煤 t・粉煤灰量Πh-1 除尘前 61979617076155351792131648131339 除尘后 010290102301037010290106501061 ηΠ 991699179914991599159915 t・GfΠh-161950616846151751763131583131278 FfΠdfhΠwCΠ w汞Π排汞量Π g・h-1210712132601665015532101011872 μg・g-10129801348011020109601148010140111308123511011831162 281429134712441591128715 10103101997164416201980154 值得注意的是,通常在进行烟尘量的核算时,往往 认为dfh与锅炉的燃烧方式炉型有关,但笔者发现,同一类型的锅炉或同一锅炉,dfh差别较大.而6个样品除尘前后每t煤的产灰量分别为42～520118～0126kg,相差不大. 表4.现出煤种的特性,,大同煤w汞为010μgΠgw汞差别略大, Π为01029～01075表4 炉渣样分析结果 Table4 Testresultforslagsamples 样品编号 123456 T5combustionofpertoncoal123456 mg8710102102910321026102310 炉渣中的汞大气中的汞 所占比例Π 761976127016821269176718 mΠ质量Π所占比质量Π所占比质量Π mg14181813418411716712 例Π 171018101616121729113113 mg513519317116013012 例Π 6115181218511112019 mg661977172015261318111516 煤种大同煤大同煤神华煤神华煤神华煤神华煤 GzΠ t・h-115185414150161833619851130811887 FzΠwCΠ w汞Π排汞量Π g・h-1017450175401512012240108401055 μg・g-1010470105201075010320106401029 释放到烟气中,在烟气冷却过程中,其中的汞经历一系列物理化学变化,部分凝结在飞灰颗粒表面,绝大部分随烟气排出进入大气环境.煤中的汞在燃烧过程中,重新分配了其进入粉煤灰、炉渣和大气中的比例.研究表明 [24] 015311131150117201930143 013801971143613001560127 ,汞的重新分配与以下因素相关①煤中汞的赋 存形态以及含量,其他元素如S,Cl,O等赋存比例和形态;②灰、渣中可燃物C的含量;③烟气从燃烧至排出过程中温度的变化规律;④静电除尘器的结构和效率;⑤炉型和燃烧方式. 从煤中的汞含量看,同一炉型华能南通电厂,粉煤灰中的汞含量与煤中的汞含量呈正相关;C对汞的吸附性很好,对粉煤灰中可燃物C的含量分析,也表现出了与上述相同的规律1 与华能南通电厂相比,珠海电厂煤中汞含量低,但粉煤灰中汞含量却高,C含量小.虽然两电厂静电除尘器结构和效率、锅炉炉型和燃烧方式基本相同,但上述差异可以从烟气温度上找到原因.1～2号样品的烟气温度为155～158℃,而3～4号和5～6号样品分别比1～2号样品低10和20℃,温度低,有利于汞的附着.对 由于煤在锅炉炉膛中燃烧时,炉膛中温度很高,使 汞挥发,且煤渣中可燃物C的含量也较低,所以炉渣中的汞含量都较低.2.1.3 汞的排放因子表5为燃烧过程中每t煤中汞的质量平衡.由表5可知,煤燃烧后,汞被再分配到粉煤灰、炉渣和空气中,其中进入粉煤灰中的汞占1217～3113,进入炉渣中的汞占019～1218,排入大气中的汞占6718～8212.212 分析与讨论 汞作为挥发性的痕量元素在燃烧温度下全部蒸发 52环 境 科 学 研 究第19卷 煤中汞的形态和其他元素的赋存量和形态,笔者未做 分析. [2] 朱珍锦,薛来,谈仪,等.300MW煤粉锅炉燃烧产物中汞的分布 特征研究[J].动力工程,2002,2211594-1607. ZhuZhenjin,XueLai,TanYi,etal.Researchoncharacteristicsof mercurydistributionincombustionproductsfora300MWpulverizedcoalfiredboiler[J].PowerEngineering,2002,22115941607.[3] 郭欣,郑楚光,贾小红,等.300MW煤粉锅炉烟气中汞形态分析 3 结论 研究表明火电厂煤燃烧过程中汞的迁移分配与 煤中汞的赋存量、粉煤灰中可燃物C的含量及烟气温度相关.煤燃烧后,汞被再分配到粉煤灰、炉渣和空气中,其中进入粉煤灰的汞占1217～3113,进入渣中的汞占019～1218,排入大气中的汞占6718～8212. 的实验研究[J].中国电机工程学报,2004,246185188. GuoXin,ZhengChuguang,JiaXiaohong,etal.Studyonmercury speciationin300MWpulverizedcoalfiredfluegas[J].ProceedingoftheCSEE,2004,246185188. [4] 彭苏萍,王立刚.燃煤飞灰对锅炉烟道气汞的吸附研究[J].煤炭 参考文献 [1] 韩建国,鹿志发,华泽桥.神华煤炭[M].北京中国标准出版社, 2003.100. 科学技术,2002,3093335. PengSuping,WangLigang.StudyonHgadsorptionofflyingashinflue gas[J].CoalScienceTechnology,2002,3093335. HanJianguo,LuZhifa,HuaZeqiao.CoalfromthecollieryofShenhua [M].BeijingStandardsPressofChina,2003.100. 责任编辑孙彩萍 上接第43页 [8] 朱震达,陈广庭.中国土地沙质荒漠化[M].北京科学出版社, 1994. ]ME.scienceofscarciyanddiversity[M]. 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