上海市燃煤機(jī)組煙氣中氣態(tài)汞排放量計(jì)算

史躍龍, 胡雄星, 吳曉蔚

(上海市環(huán)境監(jiān)測中心, 上海 200235)

在生態(tài)系統(tǒng)中,汞屬于非生命必需、高毒的微量重金屬元素,是國際組織及各國政府優(yōu)先控制的環(huán)境污染物。自20世紀(jì)中葉以來,環(huán)境中汞的源匯和控制一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。汞的排放主要來自于燃煤排放、有色金屬冶煉、垃圾焚燒、水泥制造、氯堿生產(chǎn)、小金礦開采等領(lǐng)域[1-7]。

2011年7月29日,原環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中,首次包括了燃煤鍋爐煙氣中汞的排放標(biāo)準(zhǔn),確定的排放限值為0.03 mg/m3。該標(biāo)準(zhǔn)于2015年1月1日起實(shí)施[8]。2016年1月29日,原上海市環(huán)境保護(hù)局和上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布并實(shí)施DB 31/963—2016《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,規(guī)定汞的排放限值為0.03 mg/m3[9]。

近年來,隨著《上海市大氣污染防治行動計(jì)劃》的實(shí)施,上海市的燃煤工業(yè)鍋爐逐漸被天然氣鍋爐替代。雖然燃料煤消耗量呈逐年下降趨勢,但燃煤電廠燃料煤的使用率逐漸升高[10],2018年已達(dá)到99.31%,未來上海市燃料煤將全部用于燃煤電廠。截至2018年,上海市發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量共2 788萬kW,其中燃煤電廠機(jī)組裝機(jī)容量為1 497.4萬kW,占總裝機(jī)容量的53.7%。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣本選取

本文選取上海市35臺燃煤機(jī)組,裝機(jī)容量為1 495萬kW,占全市燃煤機(jī)組裝機(jī)容量的99.8%。除了2臺裝機(jī)容量為2.4萬kW的機(jī)組因無法獲取汞自行監(jiān)測數(shù)據(jù)未納入外,其他燃煤機(jī)組均納入本研究。將裝機(jī)容量作為機(jī)組編號,機(jī)組的基本情況如表1所示。

表1 燃煤機(jī)組基本情況

1.2 采樣與分析方法

燃煤電廠中,對汞的采樣和分析方法有很多種[11]。本文使用的采樣和分析方法包括:GBT 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》、安大略法(Ontario Hydro Method,OHM)、HJ 917—2017《固定污染源廢氣氣態(tài)汞的測定 活性炭吸附熱裂解原子吸收分光光度法》(檢出限為0.1 μg/m3)、HJ 543—2009《固定污染源廢氣汞的測定 冷原子吸收分光光度法》(檢出限為2.5 μg/m3)和“原子熒光分光光度法”[12](檢出限為0.003 μg/m3)。

其中,OHM的測量結(jié)果為氣態(tài)汞和顆粒態(tài)汞的加和,其他采樣和分析方法的監(jiān)測結(jié)果均為氣態(tài)汞,故本文將OHM測量的顆粒態(tài)汞扣除。

1.3 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)排污許可證的管理要求,上海市的燃煤電廠已全部開展自行監(jiān)測,因此氣態(tài)汞排放濃度使用燃煤電廠自行監(jiān)測數(shù)據(jù),煙氣量數(shù)據(jù)使用經(jīng)過審核的燃煤電廠在線監(jiān)測數(shù)據(jù),燃料煤消耗量使用2017年和2018年度環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

除手工監(jiān)測外,P8U1和P8U4機(jī)組裝有汞在線監(jiān)測。本文將對在線監(jiān)測計(jì)算結(jié)果與手工監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比。

1.4 計(jì)算方法

利用氣態(tài)汞排放濃度和煙氣量數(shù)據(jù)計(jì)算單臺機(jī)組的氣態(tài)汞排放量。HJ 820—2017《排污單位自行監(jiān)測技術(shù)指南 火力發(fā)電及鍋爐》規(guī)定,燃煤電廠汞排放監(jiān)測頻次為每季度一次[13-14],則機(jī)組的年排放量為4個(gè)季度排放量的加和。排放濃度低于檢出限時(shí),按照檢出限的1/2計(jì)算。由于部分機(jī)組在監(jiān)測時(shí)處于停產(chǎn)狀態(tài),因此使用后一個(gè)季度的排放濃度數(shù)據(jù)代替。

采用燃煤電廠汞排放量和燃料煤消耗量數(shù)據(jù)計(jì)算氣態(tài)汞排放系數(shù),最終結(jié)果為2017年和2018年的平均值。利用計(jì)算出的排放系數(shù)和電廠燃料煤消耗量,計(jì)算上海市燃煤煙氣氣態(tài)汞排放量。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣態(tài)汞排放濃度和排放系數(shù)

35臺機(jī)組的氣態(tài)汞排放濃度如表2所示。由表2可以看出,P9U2機(jī)組的排放濃度最高,為25.70 μg/m3,其次是P9U1機(jī)組和P1U1機(jī)組,分別為25.10 μg/m3和9.84 μg/m3。35臺機(jī)組的排放濃度平均值為1.43 μg/m3。P9U2機(jī)組和P9U1機(jī)組來自同一家電廠,其排放濃度明顯高于其他機(jī)組,可能與燃料煤煤質(zhì)、處理設(shè)施、機(jī)組負(fù)荷等因素有關(guān)。

表2 燃煤機(jī)組氣態(tài)汞排放濃度 單位:μg/m3

有2家發(fā)電廠的4臺機(jī)組(P4U1,P4U2,P4U3,P11U1)排放濃度最小值均為0.02 μg/m3,與其他機(jī)組相比明顯偏小。主要原因在于這2家電廠的委托監(jiān)測單位使用原子熒光分光光度法進(jìn)行分析,該方法檢出限極低,僅為0.003 μg/m3,在機(jī)組未檢出的情況下檢出限的高低會影響機(jī)組排放濃度。

從監(jiān)測結(jié)果來看,所有機(jī)組的氣態(tài)汞排放濃度均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)中0.03 mg/m3的排放限值。

2017年和2018年,35臺燃煤機(jī)組的氣態(tài)汞排放系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 燃煤機(jī)組氣態(tài)汞排放系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 氣態(tài)汞排放量

由表3中的數(shù)據(jù)可計(jì)算得出,2017年和2018年單位原料排放系數(shù)平均值為0.013 5 μg/g,單位產(chǎn)品排放系數(shù)平均值為6.620 μg/kWh。利用單位原料排放系數(shù)和單位產(chǎn)品排放系數(shù)分別計(jì)算出了2013—2018年35臺燃煤機(jī)組的氣態(tài)汞排放量,如圖1所示。

圖1 燃煤機(jī)組的氣態(tài)汞排放量

由圖1可以看出,由單位原料排放系數(shù)與單位產(chǎn)品排放系數(shù)計(jì)算所得結(jié)果的差異并不大,使用單位產(chǎn)品排放系數(shù)計(jì)算所得的結(jié)果稍高(假設(shè)檢驗(yàn)的概率p>0.05)。考慮到上海市燃煤機(jī)組除發(fā)電外還生產(chǎn)較少量的蒸汽,使用單位產(chǎn)品排放系數(shù)計(jì)算時(shí)并未納入蒸汽產(chǎn)量,因此使用單位原料排放系數(shù)計(jì)算出的排放量數(shù)據(jù)更為合理。

由單位原料排放系數(shù)計(jì)算所得的排放量結(jié)果來看,2013年上海市燃煤機(jī)組的氣態(tài)汞排放量最高,為521.7 kg,2013—2018年氣態(tài)汞排放量平均值為451.6 kg,2014—2018年氣態(tài)汞排放量較為平穩(wěn)。由單位產(chǎn)品排放系數(shù)計(jì)算所得結(jié)果來看,2013年氣態(tài)汞排放量也是最高,為541.8 kg。

2.3 自行監(jiān)測與在線監(jiān)測結(jié)果比較

35臺機(jī)組中,P8U1機(jī)組和P8U4機(jī)組裝有汞排放在線監(jiān)測設(shè)備。統(tǒng)計(jì)2017年和2018年這2臺機(jī)組的氣態(tài)汞排放濃度自行監(jiān)測數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)果如圖2所示。其中,2017年第2季度,2臺機(jī)組因停產(chǎn)無自行監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由圖2可以看出,P8U1機(jī)組的兩項(xiàng)數(shù)據(jù)存在較大差異(p<0.01),兩年內(nèi)機(jī)組自行監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值為1.97 μg/m3,在線監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值為0.95 μg/m3。P8U4機(jī)組的兩項(xiàng)數(shù)據(jù)也有差異(p<0.05),兩年內(nèi)自行監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值為1.51 μg/m3,在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值為13.21 μg/m32018年第1季度和第2季度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯偏高,分別為35.52 μg/m3和60.38 μg/m3。這可能與在線設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)有關(guān)。

圖2 2臺機(jī)組的汞排放自行監(jiān)測數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

3 結(jié) 論

(1) 利用燃煤機(jī)組氣態(tài)汞排放濃度自行監(jiān)測數(shù)據(jù),計(jì)算出上海市燃煤電廠2013—2018年氣態(tài)汞排放量平均值為451.6 kg。

(2) 燃煤機(jī)組的汞在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與自行監(jiān)測數(shù)據(jù)存在明顯差異。這可能與在線監(jiān)測運(yùn)行維護(hù)不到位有關(guān)。下一步應(yīng)明確燃煤電廠汞在線監(jiān)測運(yùn)行維護(hù)的相關(guān)細(xì)則,比對監(jiān)測規(guī)范做進(jìn)一步研究,后期可考慮使用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算汞排放量。

(3) 燃煤電廠汞排放監(jiān)測中不同分析方法的檢出限也不相同,對汞的排放量計(jì)算會產(chǎn)生一定的影響。除了分析方法外,燃料煤煤質(zhì)、處理設(shè)施、機(jī)組負(fù)荷等因素也可能會影響汞的產(chǎn)生和排放。