1000MW近零排放燃煤機組重金屬排放及分布特征

王樹民,顧永正,楊建興,蔣奕鋒,余學海,張志遠,王家偉,汪 濤,張永生*

1000MW近零排放燃煤機組重金屬排放及分布特征

王樹民1,顧永正2,楊建興3,蔣奕鋒3,余學海4,張志遠3,王家偉5,汪 濤5,張永生5*

(1.國家能源投資集團有限責任公司,北京 100011；2.中國神華能源股份有限公司國華電力分公司,北京 100025；3.神華國華壽光發(fā)電有限責任公司,山東 濰坊 262714；4.神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京 100018；5.華北電力大學能源動力與機械工程學院,北京 102206)

采用EPA 29方法對國華壽光電廠2號1000MW超超臨界燃煤機組污染物控制單元進行采樣,開展了重金屬污染物(As、Pb、Se、Cd)全流程監(jiān)測.建立了包括氣體/固體/液體中重金屬的燃煤過程中質量平衡,并考察了重金屬在機組中的富集與分布特征.結果表明:該機組煙氣排放的重金屬含量相對較低,100%負荷時As、Se、Pb、Cd排放濃度分別為1.11, 0.59, 0.33和0.01 μg/m3,45%負荷時相關重金屬排放和100%負荷接近.給出了不同負荷下各種重金屬在燃煤機組的分布,燃燒后Pb、Se、Cd主要富集到飛灰中,但低負荷時底渣中Se和Cd的比例明顯升高.APCDs中,ESP對煙氣中As、Pb、Se、Cd四種元素的脫除率均達到了97%以上,不同負荷下WFGD和WESP對這些重金屬具有深度脫除的效果.

燃煤機組；重金屬排放；重金屬分布

煤炭中部分痕量重金屬元素毒性強,具有遷徙性、沉積性,對人類健康和環(huán)境會產生巨大危害[1-4].美國于1990年頒布潔凈空氣法案(CAAA)將11種有毒痕量元素(Sb、As、Cr、Pb、Cd、Hg、Ni、Se、Be、Mn和Co)列為重點有毒空氣污染物[5].歐盟也將As、Pb、Cd、Hg和Ni等痕量元素放在環(huán)境關注的重要位置[6].盡管煤炭痕量元素含量很低,但由于我國的煤耗量巨大,總排放量也非常高,例如,中國在2007年由于燃煤排入大氣中的As為2205.5t, Se為2353.0t, Pb為12547.0t, Cr為8217.8t[7],且民用燃煤排放重金屬濃度高[8].出于能源安全和經濟性考慮,近期內煤炭依然在能源結構中占很大比重,燃煤發(fā)電作為最清潔的煤炭利用方式,預計2030年我國的煤電裝機達13.5億kW[9].

火電廠煤燃燒過程中經過一系列的物理化學過程,煤中重金屬會向底渣、飛灰、煙氣以及石膏中轉移,轉移過程與其在煤中的賦存形態(tài)有很大關系,從而不同重金屬元素表現(xiàn)出不同的的分布規(guī)律[10].針對燃煤電廠重金屬分布,國內外學者開展了一定的研究.Klika等[11]針對捷克2臺燃燒煙煤和褐煤的循環(huán)流化床研究了V、Cr、Cu、S、Cl、Br、Zn、Ge、Co、Ni、As 等重金屬分布特征,發(fā)現(xiàn)40%負荷比100%負荷時飛灰中痕量元素富集更明顯.岳勇等[12]對某電廠電除塵器前后的顆粒物進行現(xiàn)場采樣分析,發(fā)現(xiàn)痕量元素As、Pb、Cr、Cd、Ni、Co、Cu、Zn在小粒徑的飛灰中富集更明顯.我國實施的超低或近零排放對PM2.5等常規(guī)污染物減排有顯著貢獻,對我國大氣環(huán)境改善起到了重要作用[13].重金屬污染物方面,Wang等[14]針對300MW超低排放機組測試表明超低排放同時對煙氣中Be、Cd、Cr、Ni、Pb、Sb、Se、U等重金屬元素有協(xié)同控制作用.Zheng等[15]通過對固體、液體取樣研究了5個超低排放電廠中As、Pb、Se、Cd、Cr的分布及電廠常規(guī)煙氣污染物控制設備(APCDs)對其影響,認為選擇性催化還原(SCR)+低低溫電除塵(LLT-ESP)/電袋復合式除塵(EFF)+濕法煙氣脫硫(WFGD) + 濕式電除塵(WESP)的超低排放污染物控制系統(tǒng)能夠有效降低煙氣中這些重金屬的排放.

目前,我國燃煤機組基本全面實施超低或近零排放.隨著可再生能源供應比例提高,燃煤機組調峰需求增強,亟需系統(tǒng)探究不同負荷下超低或近零排放機組APCDs對其煙氣、廢水和固廢中重金屬污染物影響規(guī)律.然而燃煤電廠煙氣中重金屬含量低,且以顆粒態(tài)和氣態(tài)存在,多個點位同時開展現(xiàn)場取樣耗費大量人力物力,工作難度大,鮮有這方面研究.本文選取國華壽光電廠新建1000MW超超臨界近零排放燃煤機組為研究對象,使用美國EPA 29方法對6個點位進行煙氣采樣,以實現(xiàn)對多個點位重金屬進行全流程監(jiān)測,同時采集煤、灰、渣、脫硫副產物等固體/液體樣品,建立燃煤過程中重金屬的質量平衡,研究重金屬在燃煤電廠中的排放及分布特性.

1 研究方法

1.1 燃煤機組和煤質基本情況

國華壽光電廠2號1000MW超超臨界煤粉鍋爐(PC)為東方鍋爐(集團)股份有限公司設計,型號為DG3002.8/29.3-Ⅱ,為全懸吊結構Π型變壓直流爐鍋爐,采用一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣,采用定-滑-定運行或定-滑運行方式調節(jié)負荷.該機組為近零排放機組,安裝的APCDs設備包括SCR、低溫省煤器(LTE)+ESP、WFGD、WESP,如表1所示,工業(yè)分析測定煤中水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vad)和固定碳(FCad)含量,元素分析測定煤中氮(Nad)、碳(Cad)、氫(Had)、硫(Sad)、氧(Oad)含量,見表2.研究中分別對100%負荷和45%負荷進行采樣測試.

表1 電廠參數

表2 煤樣的工業(yè)分析和元素分析(%)

1.2 采樣方法

在2號機組的煙氣處理系統(tǒng)上布置6個煙氣采樣點(SCR前后、ESP前后、WESP前后),對各個點位煙氣中重金屬(As、Pb、Se、Cd)以及煙氣參數進行手動采樣測試.粗灰、細灰等固體樣品則在各電場及設備出口采集,并對采集的固體和液體樣品中重金屬含量進行分析(圖1).

圖1 采樣點示意

測試中采用EPA 29方法對電廠煙氣中的顆粒態(tài)、氣態(tài)重金屬進行取樣.通過取樣器/過濾系統(tǒng)從煙氣流中等速取樣,保持120℃或煙氣的溫度(取二者中高者),接著煙氣流通過一系列置于冰浴中的吸收瓶,從而取得樣品.顆粒態(tài)重金屬在取樣石英纖維過濾器被收集,氣態(tài)重金屬在盛有冷的HNO3-H2O2水溶液的吸收瓶中被收集.取樣后樣品被恢復、消解,然后用ICP-MS測定其中重金屬的含量.

測試過程中,要保持等速的取樣速率在真實等速的10%內,以保證顆粒態(tài)重金屬的采集.冷凝/吸收系統(tǒng)由4個沉浸于冰浴中的吸收瓶和一系列密封的毛玻璃連接管件或無污染的密封管件構成.第1個吸收瓶為空瓶,第2和第3個吸收瓶盛有5%(/)硝酸(HNO3)和10%(/)過氧化氫水溶液(H2O2)吸收煙氣中的重金屬,最后1個吸收瓶裝有硅膠或其他等效的干燥劑吸收殘留水分.

每個工況均平行采樣3次,每次采樣從抽氣泵啟動到停止時間為60min.包括溶液搬運、系統(tǒng)連接等,每次采樣需要0.5d.100%負荷測試在2018年1月開展(4d),45%負荷測試在2018年3月開展(4d).每個工況采樣期間機組負荷保持穩(wěn)定,煤質和燃料配比保持一致,鍋爐、制粉系統(tǒng)、送風系統(tǒng)和環(huán)保設施運行狀況良好.

圖2 EPA 29方法采樣示意

1.3 質量平衡

相對于常規(guī)污染物,重金屬精確測試要困難的多,通常用質量平衡來驗證現(xiàn)場測試數據的正確性和可靠性[16-17],通過測量固體和氣體中重金屬的總質量,計算其平衡常數 RI,公式如下[16]:

式中: RI代表重金屬的平衡系數,其中RI等于100%,代表達到完全質量平衡.考慮采樣和分析的可重復性和準確性,研究中認為采樣可接受的平衡范圍為70%～130%[18],in和out代表平衡的總輸入和總輸出,其中:

其中

式中:coal、flue、slag、fa、和WFGD分別代表煤、煙氣、渣、飛灰和WFGD中重金屬的含量, μg/kg 煤;gy和lim分別代表石膏和石灰石中重金屬的含量, μg/kg 煤.

1.4 分析方法

煤質分析參照美國ASTM方法(moisture,ash and volatile matter-ASTM D-5142-02a;sulfur- ASTM D-4239-02a)通過工業(yè)分析儀(美國 LECO TGA701S4C)和元素分析儀(意大利EA3000)測試.樣品中的重金屬含量通過電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)(Perkin Elmer:NexION 300X)分析,其中煤樣、飛灰樣、渣樣、石膏樣和石灰石中的重金屬含量參考標準HJ766-2015《固體廢物金屬元素的測定電感耦合等離子體質譜法》[19]分析完成,水樣中的重金屬含量參考標準HJ700-2014《水質65種元素的測定電感耦合等離子體質譜法》[20]分析完成,煙氣中的重金屬含量參考標準HJ657-2013《空氣和廢氣顆粒物中Pb等金屬元素的測定電感耦合等離子體質譜法》[21]分析完成.各測點的煙氣中O2含量采用德國德圖Testo 350Pro多功能煙氣分析儀獲得,取樣期間相關參數如表3所示.

表3 不同點位煙氣中O2含量和溫度

2 結果與討論

為方便計算重金屬的形態(tài)分布及各污染物控制設備對重金屬的脫除效率, 定義以下公式:

重金屬的脫除效率通過以下公式被計算:

ESP設備對重金屬的脫除效率η通過以下公式計算:

FGD和WESP對重金屬的脫除效率類似ESP計算.

每個點位顆粒態(tài)、氣態(tài)重金屬占總重金屬的比例(P、G)通過以下公式計算:

2.1 As的排放及分布

2.1.1 煙氣中As濃度和形態(tài)分布 100%負荷時,從圖3可見,SCR前煙氣中總As濃度為215.62 μg/m3,其中氣態(tài)As濃度為17.14μg/m3,大部分以顆粒態(tài)As存在,SCR前顆粒態(tài)As(P)為92.09%.SCR后氣態(tài)As的濃度為5.42μg/m3,該位置P達到97.20%.隨著煙氣溫度的降低,在ESP前測點氣態(tài)As濃度降低至5.04μg/m3,P為96.92%.煙氣經過ESP后,顆粒態(tài)As隨飛灰被有效捕獲,煙氣中取樣得到的只有氣態(tài)As,ESP后測點煙氣中As濃度1.21μg/m3,且后續(xù)煙氣中As濃度變化很小,WESP后測定煙氣中As濃度為1.11μg/m3.

45%負荷時,由圖4可見,SCR前煙氣中總As濃度為146.11μg/m3,其中氣態(tài)As濃度為1.39μg/m3,此處P為99.06%.SCR后氣態(tài)As濃度為1.32μg/m3,P達到98.98%.隨著煙氣溫度降低,ESP前測點氣態(tài)As濃度降低至0.82μg/m3,P為99.26%.煙氣經過ESP后,顆粒態(tài)As被捕獲下來,ESP后測點煙氣中As濃度0.39μg/m3,WESP后測點煙氣中As濃度為0.33μg/m3.盡管如表4所示100%負荷與45%負荷時煤中As含量不同,但歸一化折算后依然會發(fā)現(xiàn)低負荷時不同測點對應的As濃度較低.

圖3 100%負荷條件下煙氣中As濃度

圖4 45%負荷條件下煙氣中As濃度

2.1.2 固體和液體樣品As含量 由表4可知, 100%負荷時,煤樣中As含量約為1.77μg/g,渣中As含量較低,略高于煤,粗灰中As含量為煤中5倍以上,細灰中的As含量為煤中10倍左右.由于取樣時間不同,45%負荷時煤樣中As含量約為1.46μg/g,比100%時低,細灰富集也明顯高于粗灰.另外,2種工況下石灰石和石膏中As含量較為接近,說明煙氣中As向脫硫副產物中遷移的程度并不明顯.

液體樣品中,100%負荷條件下,取樣的4d中脫硫廢水As濃度在2.00′10-3～3.79′10-3mg/L之間,濕除排水中As濃度在1.37′10-3～3.80′10-3mg/L之間,工藝水中As濃度在1.32′10-3～2.06′10-3mg/L之間.45%負荷條件下,脫硫廢水As濃度在0.01′10-3～3.21′10-3mg/L之間,濕除排水中As濃度在0.43′10-3～1.24′10-3mg/L之間,工藝水中As濃度在0.01′10-3～0.80′10-3mg/L之間.可見不同負荷下均符合地下水質量標準(GB/T 14848-2017)[22]III類標準.液體樣品中的As來源于煤燃燒及后續(xù)污染物脫除工藝過程和各種物質的相互作用,受多種因素影響,直接比較負荷對各種水中As濃度的影響難度較大.

表4 不同負荷下固體和液體樣品As含量

注:固體中重金屬濃度單位:μg/g,液體中重金屬濃度單位:′10-3mg/L, n.d.表示未檢測到.

2.2 Se的排放及分布

圖5 100%負荷條件下煙氣Se濃度

2.2.1 煙氣中Se濃度和形態(tài)分布 各個采樣點煙氣中Se的濃度見圖5和圖6.100%負荷時,SCR前測點煙氣中總Se濃度為122.27μg/m3,氣態(tài)Se濃度為14.48μg/m3,SCR前顆粒態(tài)(P)占比為88.15%,SCR后氣態(tài)Se濃度為1.73μg/m3,SCR后顆粒態(tài)(P)占比達到98.24%.隨著煙氣溫度的降低,ESP前測點氣態(tài)Se濃度降低至1.53μg/m3,其中P為98.10%.煙氣經過ESP后,顆粒態(tài)Se得到有效捕獲,ESP后測點煙氣中Se濃度為0.91μg/m3,WESP后煙氣中Se濃度為0.59μg/m3.

圖6 45%負荷條件下煙氣Se濃度

45%負荷時,SCR前測點煙氣中總Se濃度為99.29μg/m3,氣態(tài)Se濃度為21.15μg/m3,SCR前顆粒態(tài)(P)占比為78.77%,SCR后氣態(tài)Se濃度為1.20μg/m3,SCR后P達到98.46%.隨著煙氣溫度降低,ESP前測點氣態(tài)Se濃度降低至0.46μg/m3,其中P為99.22%.煙氣經過ESP后,煙氣中顆粒態(tài)Se并未完全捕獲下來,ESP后測點煙氣中氣態(tài)Se濃度為0.35μg/m3,P為55.13%,WESP后煙氣中Se濃度為0.23μg/m3.

2.2.2 固體和液體樣品Se含量 從表5可以看出100%負荷煤樣中Se含量為1.05μg/g.燃燒后,底渣中Se含量很低,為0.03μg/kg,飛灰中的Se含量最高,其中粗灰為5.91μg/g,細灰10.70μg/g.另外,石灰石中Se含量為0.10μg/g,石膏中為0.71μg/g.45%負荷時煤樣中Se含量在0.84μg/g,底渣中Se含量為0.01μg/kg,粗灰為7.41μg/g,細灰8.39μg/g.可見由于揮發(fā)性較強,煤燃燒過程中Se大部分釋放,從而底渣中含量很低,富集在灰中含量較高,細灰中富集系數為10左右,粗灰稍微低一些.另外,石灰石中Se含量為0.52μg/g,石膏中為0.58μg/g,變化不大.

對于液體樣品中Se的濃度,100%負荷脫硫廢水Se濃度為124.94′10-3mg/L,當負荷降到45%負荷,脫硫廢水Se濃度降到為41.19′10-3mg/L,濕除排水中As含量從15.06′10-3mg/L增加到37.03′10-3mg/L.除100%負荷脫硫廢水外,液體樣品中Se濃度均符合地下水質量標準(GB/T 14848-2017)[22]IV類標準.

表5 不同負荷下固體和液體樣品SeSe含量

注:固體中重金屬濃度單位:μg/g(渣的單位:μg/kg),液體中重金屬濃度單位:′10-3mg/L,n.d.表示未檢出.

2.3 Pb的排放及分布

圖7 100%負荷條件下煙氣中Pb濃度

2.3.1 煙氣中Pb濃度和形態(tài)分布 各個采樣點煙氣中Pb的濃度見圖7和圖8.100%負荷時,SCR前測點煙氣中總Pb濃度為946.10μg/m3,氣態(tài)Pb濃度為9.08μg/m3,此處P為99.04%.SCR后氣態(tài)Pb濃度為8.90μg/m3,P達到99.02%.隨著煙氣向后流動,ESP前測點氣態(tài)Pb濃度降低至1.29μg/m3,其中P為99.82%.煙氣經過ESP后,顆粒態(tài)Pb被捕獲下來,ESP后點位煙氣中Pb濃度0.63μg/m3,WESP后煙氣中Pb濃度為0.33μg/m3.

45%負荷時,SCR前測點煙氣中總Pb濃度為983.42μg/m3,氣態(tài)Pb濃度為20.15μg/m3,P為97.85%.SCR后氣態(tài)Pb濃度為18.90μg/m3,P達到97.82%.隨著煙氣溫度的降低,在ESP前測點氣態(tài)Pb濃度降低至14.63μg/m3,其中顆粒態(tài)占比97.87%.煙氣經過ESP后Pb全部為氣態(tài),濃度6.37μg/m3,WESP后煙氣中Pb濃度為5.14μg/m3.

2.3.2 固體和液體樣品的Pb含量 由表6可知:100%負荷煤樣中Pb含量為8.93μg/g,石灰石為6.59μg/g.渣中含量略高于煤,飛灰中Pb富集明顯,其中粗灰為59.63μg/g,細灰101.65μg/g,細灰中富集程度大概是粗灰的2倍.45%負荷煤樣中Pb含量為7.09μg/g,石灰石為23.05μg/g.飛灰中的含量最高,其中粗灰為44.44μg/g,細灰74.37μg/g.

對于液體樣品,100%負荷脫硫廢水Pb濃度為1.15′10-3mg/L,濕除排水為6.82′10-3mg/L,工藝水為0.26′10-3mg/L.液體樣品中Pb濃度均符合地下水質量標準(GB/T 14848-2017)[19]III類標準.45%負荷時液體樣品Pb濃度均低于儀器檢測限.

圖8 45%負荷條件下煙氣中Pb濃度

表6 不同負荷工況條件下固體和液體樣品的Pb含量

注:固體中重金屬濃度單位:μg/g,液體中重金屬濃度單位:×10-3mg/L, n.d.表示未檢出.

2.4 Cd的排放及分布

圖9 100%負荷煙氣中Cd濃度

2.4.1 煙氣中Cd濃度和形態(tài)分布 各個采樣點煙氣中Cd的濃度見圖9和圖10.100%負荷時,SCR前測點煙氣中總Cd濃度為195.57μg/m3,氣態(tài)Cd濃度為0.10μg/m3,P為99.95%.SCR后氣態(tài)Cd的濃度為0.05μg/m3,P達到99.97%.隨著煙氣溫度的降低,在ESP前測點氣態(tài)Cd濃度降低至0.04μg/m3,其中P為99.97%.煙氣經過ESP后,顆粒態(tài)Cd含量極少,ESP后測點煙氣中Cd濃度0.03μg/m3,WESP后煙氣中Cd濃度為0.01μg/m3.

45%負荷時,SCR前測點煙氣中總Cd濃度為40.27μg/m3,氣態(tài)Cd濃度為2.17μg/m3,K為94.58%.SCR后測點氣態(tài)Cd的濃度為1.49μg/m3,P達到95.78%.隨著煙氣溫度的降低,ESP前測點氣態(tài)Cd濃度降低至1.33μg/m3,其中顆粒態(tài)占比95.21%.煙氣經過ESP后,沒有顆粒態(tài)Cd,ESP后測點煙氣中Cd濃度0.73μg/m3,WESP后煙氣中Cd濃度為0.65μg/m3.

2.4.2 固體和液體樣品的Cd含量 由表7可知:2次測試的煤中Cd含量相差較大,100%負荷煤樣中Cd含量在1.54μg/g,45%負荷煤樣中Cd含量在0.33μg/g,且均在灰、渣中富集明顯,是煤中含量的5～25倍.

液體樣品中,100%負荷時脫硫廢水Cd濃度為4.35′10-3mg/L,符合地下水質量標準(GB/T 14848-2017)[19]III類標準,45%負荷時增大到16.85′10-3mg/L,符合V類標準.濕除排水和工藝水低于檢測限.

圖10 45%負荷煙氣中Cd濃度

表7 不同負荷工況條件下固體和液體樣品的Cd含量

注:固體中重金屬濃度單位:μg/g,液體中重金屬濃度單位:×10-3mg/L,n.d.表示未檢出.

2.5 全流程重金屬質量平衡

表8 不同負荷時煙氣中重金屬的平衡常數(%)

如表8所示, 100%負荷和45%負荷時的平衡系數都在70%～130%之間.機組重金屬分布見圖11和12.可見,重金屬的輸入主要來自于煤樣,輸出端主要是飛灰、底渣和石膏.通過100%和45%兩種負荷對比可以發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低,重金屬化合物冷凝并吸附在飛灰表面,滿負荷時重金屬更多的是富集在飛灰中,As、Se、Pb、Cd比例分別為88.75%、96.53%、97.18%、90.58%.而在底渣和石膏中富集根據元素不同而不同,Pb在底渣和石膏中的比例基本相等,石膏中的As含量是底渣中2倍,石膏中的Se含量高于底渣中的占比.45%負荷時,大部分重金屬都富集在飛灰中,但是底渣中Se和Cd的比例明顯升高,分別為20.87%和34.58%,因為負荷降低會導致爐膛溫度降低,Se屬于第三族元素,揮發(fā)性高,溫度降低導致更多的Se不容易揮發(fā),富集在底渣中,Cd的化合物CdO是煤燃燒后Cd的主要存在形式,沸點1385℃,當負荷降低后爐膛的燃燒溫度可能低于1385℃,導致底渣中含有較多的Cd.石膏中的比例與100%負荷相比基本無變化.

圖11 100%負荷條件下重金屬分布

圖12 45%負荷條件下重金屬分布

2.6 APCDs對重金屬的脫除效率

圖13～15總結了兩種負荷下各污染物控制設備(ESP、WFGD和WESP)對重金屬的脫除效率.

圖13 不同負荷下ESP對重金屬的脫除效率

由圖13可以看出,ESP對As、Se、Pb、Cd具有很強的脫除效率,均大于97%,最高脫除效率可達到99.98%.這是由于大部分的重金屬都與飛灰結合,形成顆粒態(tài)的重金屬,進而大部分都被ESP除去[3,17],由于本近零排放機組中ESP除塵效率很高(設計值99.85%以上),研究中也表現(xiàn)出對重金屬具有很高的脫除效,與華偉等[24]的99.84%的ESP重金屬脫除效率研究結論相一致.

圖14 不同負荷條件下WFGD對重金屬的脫除效率

圖15 不同負荷條件下WESP對重金屬的脫除效率

由圖14、15可以看出,WFGD、WESP對As、Se、Pb、Cd均具有一定的脫除效率.其中100%負荷時,WFGD對Pb和Cd的脫除效率較高,分別為30.16%和33.33%,但是對于Se具有很低的脫除效率,僅為0.64%.45%負荷,WFGD對Se具有很高的脫除效率,為39.74%.WFGD對其他重金屬的脫除效率均很低,As、Pb、Cd脫除效率分別為4.82%、4.87%、5.48%.100%負荷時,WESP對Cd具有很高的脫除效率,為50.00%.45%負荷時,WESP對Se具有很高的脫除效率,為51.66%,但對其他幾種重金屬脫除效率相對較低.不同負荷下,WFGD和WESP對應脫除效率高的重金屬種類不同,這是由重金屬化學特性、分布形態(tài)以及細顆粒物中重金屬富集程度等因素造成,但WFGD脫除效率高時WESP脫除效率也高,這主要和煙氣中不同重金屬在溶液中的溶解、吸收等有關,而不同的污染物控制設備對不同重金屬元素的脫除效率不同這點,與文獻[23-24]的研究結果一致.

3 結論

3.1 國華壽光電廠2號機排放煙氣中重金屬濃度相對較低,100%負荷時As、Se、Pb、Cd排放濃度分別為1.11, 0.59, 0.33, 0.01μg/m3.45%負荷時它們分別為0.33, 0.23, 5.14, 0.65μg/m3.水中重金屬基本符合地下水質量標準(GB/T 14848-2017)III類標準.

3.2 現(xiàn)有常規(guī)污染物控制設備對重金屬有明顯的脫除作用,尤其是ESP對煙氣中的As、Se、Pb、Cd的脫除效率可達97%以上,不同負荷下,WFGD和WESP對這些重金屬具有深度脫除的效果.

3.3 Se、Pb、Cd大部分富集到飛灰中,細灰富集含量更高.100%負荷時,重金屬更多的是富集在飛灰中;45%負荷時,大部分重金屬也都富集在飛灰中,但底渣中Se和Cd的比例明顯升高.

[1] 能子禮超,孫 勁,楊 紅,等.煙氣單質汞氧化去除過程絡合反應機理 [J]. 中國環(huán)境科學, 2019,39(9):3727-3735.

Nengzi L C, Sun J, Yang H, et al. Study on the mechanism of complexation reaction in the process of mercury removal from flue gas [J]. China Environmental Science, 2019,39(9):3727-3735.

[2] 鄭逸武,段鈺鋒,湯紅健,等.燃煤煙氣污染物控制裝置協(xié)同脫汞特性研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2018,38(3):862-870.

Zheng Y W, Duan Y F, Tang H J, et al. Characteristics of the existing air pollutant control devices on Hg synergistic removal in a coal-fired power plant [J]. China Environmental Science, 2018,38(3):862-870.

[3] 王云鶴,李海濱,黃海濤,等.重金屬在煤氣化過程的分布遷移規(guī)律及控制 [J]. 中國環(huán)境科學, 2002,22(6):556-560.

Wang Y H, Li H B, Huang H T, et al. Distribution rule and control of heavy metals during coal gasification [J]. China Environmental Science, 2002,22(6):556-560.

[4] 鄧 雙,張 凡,劉 宇,等.燃煤電廠鉛的遷移轉化研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2013,33(7):1199-1206.

Deng S, Zhang F, Liu Y, et al. Lead emission and speciation of coal-fired power plants in China [J]. China Environmental Science, 2013,33(7):1199-1206.

[5] Clean air act amendments of 1990 [R]. U.S. Environmental Protection Agency, 1990.

[6] Air pollutant emission inventory guidebook: technical report9 [R]. European Environment Agency, 2009.

[7] Tian H Z, Lu L, Hao J M, et al. A review of key hazardous trace elements in Chinese coals: Abundance, occurrence, behavior during coal combustion and their environmental impacts [J]. Energy & Fuels, 2013,27(2):601-614.

[8] 張銀曉,盧春穎,張 劍,等.民用燃煤排放細顆粒中金屬元素排放特征及單顆粒分析 [J]. 中國環(huán)境科學, 2018,38(9):3273-3279.

Zhang Y X, Lu C Y, Zhang J, et al. Emission characteristics and individual particle analysis of metals in fine particles emitted from residential coal burning [J]. China Environmental Science, 2018,38(9): 3273-3279.

[9] 電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016-2020) [R]. 國家能源局, 2016.

13th five-year plan for electric power development (2016-2020) [R]. National Energy Administration of China, 2016.

[10] 黃亞繼,金保升,仲兆平,等.煤燃燒過程中痕量元素的分類研究 [J]. 東南大學學報, 2003,33(2):26-30.

Huang Y J, Jin B S, Zhong Z P, et al. Study on groups of trace elements during coal combustion [J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2003,33(2):26-30.

[11] Klika Z, Bartoňová L, Spears D A. Effect of boiler output on trace element partitioning during coal combustion in two fluidised-bed power stations [J]. Fuel, 2001,80(7):907-917.

[12] 岳 勇,陳 雷,姚 強,等.燃煤鍋爐顆粒物粒徑分布和痕量元素富集特性實驗研究 [J]. 中國電機工程學報, 2005,25(18):74-79.

Yue Y, Chen L, Yao Q, et al. Experimental study on charcteristics of particulate matter size distribution and trace elements enrichment in emissions form a pulverized coal-fired bolier [J]. Proceeding of the CSEE, 2005,25(18):74-79.

[13] Zhang Q, Zheng Y X, Tong D, et al. Drivers of improved PM2.5air quality in China from 2013 to 2017 [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2019,116(49): 24463-24469.

[14] Wang J, Zhang Y, Liu Z, et al. Coeffect of air pollution control devices on trace element emissions in an ultralow emission coal-fired power plant [J]. Energy & Fuels, 2019,33(1):248-256.

[15] Zheng C, Wang L, Zhang Y, et al. Partitioning of hazardous trace elements among air pollution control devices in ultra-low-emission coal-fired power plants [J]. Energy & Fuels, 2017,31(6):6334-6344.

[16] Guo X, Zheng C G, Cheng D. Characterization of arsenic emissions from a coal-fired power plant [J]. Environmental Science, 2006,27(6): 1822-1826.

[17] Cheng C M, Hack P, Chu P, et al. Partitioning of mercury, arsenic, selenium, boron, and chloride in a full-scale coal combustion process equipped with selective catalytic reduction, electrostatic precipitation, and flue gas desulfurization systems [J]. Energy & Fuels, 2009,23(10): 4805-4816.

[18] Yokoyama T, Asakura K, Matsuda H, et al. Mercury emissions from a coal-fired power plant in Japan [J]. Science of the Total Environment, 2000,259(1-3):97-103.

[19] HJ766-2015 固體廢物金屬元素的測定電感耦合等離子體質譜法[S].

HJ766-2015 determination of metal elements in solid waste by inductively coupled plasma mass spectrometry [S].

[20] HJ700-2014 水質65種元素的測定電感耦合等離子體質譜法[S].

HJ700-2014 determination of 65elements in water quality by inductively coupled plasma mass spectrometry [S].

[21] HJ657-2013 空氣和廢氣顆粒物中鉛等金屬元素的測定電感耦合等離子體質譜法[S].

HJ657-2013 Determination of lead and other metal elements in air and exhaust particulates by inductively coupled plasma mass spectrometry [S].

[22] GB/T 14848-2017 地下水質量標準[S].

GB/T 14848-2017 Groundwater quality standard [S].

[23] 華 偉,孫和泰,祁建民,等.燃煤電廠超低排放機組重金屬鉛,砷排放特性 [J]. 熱力發(fā)電, 2019,48(10):65-70.

Emission characteristics of Pb and As from an ultra-low emission coal-fired power plant [J]. Thermal Power Generation, 2019,48(10):65-70.

[24] Zheng C H, Wang L, Zhang Y X, et al. Co-benefit of hazardous trace elements capture in dust removal devices of ultra-low emission coal-fired power plants [J]. Journal of Zhejiang University-Science A, 2018,19(1):68-79.

Emissions and distribution characteristics of heavy metal in 1000MW near-zero emission coal-fired units.

WANG Shu-min1, GU Yong-zheng2, YANG Jian-xing3, JIANG Yi-feng3, YU Xue-hai4, ZHANG Zhi-yuan3, WANG Jia-wei5, WANG Tao5, ZHANG Yong-sheng5*

(1.China Energy Investment Corporation, Beijing 100011, China；2.China Shenhua Energy Co., Ltd.,Guohua Power Branch,Beijing 100025, China；3.Shenhua Guohua Shouguang Power Generation, Weifang 262714, China；4.Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute, Beijing 100018, China；5.North China Electric Power University, School of Energy, Power and Mechanical Engineering,Beijing 102206, China)., 2022,42(5)：2060～2069

The EPA Method 29 was used to sample the 1000 MW unit in Shouguang ultra-supercritical coal-fired power plant, the whole process monitoring of heavy metal pollutants (As, Pb, Se, Cd) at multiple points can be realized. The mass balance of heavy metals in the coal combustion process was established, and the enrichment and distribution characteristics of heavy metals in flue gas in coal-fired power plants were studied. The results showed that the heavy metal content of the flue gas was relatively low, the flue gas emission concentrations of As, Se, Pb and Cd were 1.11μg/m3, 0.59μg/m3, 0.33μg/m3and 0.01μg/m3at 100% load, respectively, and the heavy metal content at 45% load was close to that at 100% load. The distribution of various heavy metals in coal-fired units under different loads was presented. Pb, Se, and Cd are all enriched in fly ash, but the proportion of Se and Cd in the bottom slag increased significantly at low load. The removal rates of ESP for As, Pb, Se and Cd all reached more than 97% in the APCDs, and WFGD and WESP can deeply remove heavy metals under different loads.

coal-fired power unit；heavy metal pollutants emission；heavy metal pollutants emission distribution

X701

A

1000-6923(2022)05-2060-10

王樹民(1962-),男,山東東平人,教授級高級工程師,博士,主要從事煤炭清潔高效轉化和污染物控制技術及應用研究.發(fā)表論文20余篇.

2021-10-21

國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0600205)

* 責任作者, 教授, yszhang@ncepu.edu.cn