劉 軍，陳 耿，唐 念，柯釗躍，楊立輝

1.廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510308 2.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080

循環(huán)流化床燃煤電廠鉛的遷移特性

劉 軍1，陳 耿1，唐 念2，柯釗躍1，楊立輝1

1.廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510308 2.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080

選取2家燃煤電廠3臺循環(huán)流化床機組進行現場監(jiān)測，在不同負荷條件下，采集并分析燃煤、煙氣、飛灰、爐渣等樣品的Pb含量，通過物料平衡核算，對循環(huán)流化床機組各環(huán)節(jié)Pb的遷移特性進行研究。結果表明：機組負荷變化對煙氣、飛灰、爐渣的Pb含量影響不大，煙氣Pb排放質量濃度均在2 μg/m3以下。電袋復合除塵處理后，煙氣中顆粒態(tài)Pb的濃度總體低于氣(溶膠)態(tài)Pb的濃度。Pb在爐渣和飛灰中均有富集，平均富集因子分別為2.16和3.02。飛灰較爐渣對Pb具有更強的富集能力，布袋灰中Pb含量略高于電除塵灰。循環(huán)流化床鍋爐燃燒后Pb分布在飛灰、爐渣和外排煙氣中的比例分別為62.49%、37.49%和0.02%，Pb釋放率低于煤粉爐，在Pb污染控制方面更具優(yōu)勢。除塵過程對煙氣中Pb的影響主要表現為飛灰對Pb的吸附和除塵器對飛灰的分離脫除，尤以后者為主。由于煙氣中氣(溶膠)態(tài)Pb所占的比例很低，Pb基本吸附在飛灰上，除塵效率的高低直接決定了Pb的去除效果。

燃煤電廠；鉛；循環(huán)流化床；遷移特性

煤是我國最主要的能源，2012年我國煤炭總消耗量35.3億t，其中煤電行業(yè)的煤耗量為17.4億t，占總量的49.3%[1]。燃煤電廠大氣Pb污染具有排放量大、排放集中、影響范圍大的特點，是大氣Pb污染的重要來源之一。由于煙氣中的Pb較為穩(wěn)定，容易在環(huán)境積塵和土壤中富集[2-3]，被人體攝入后產生累積毒性[4-5]，并可能導致兒童血鉛[6]，故燃煤電廠大氣Pb污染的環(huán)境健康風險不容忽視。目前，我國對燃煤電廠Pb污染危害的認識還不夠充分，在煙氣Pb排放標準[7]和污染防治上均未有明確的要求，只有少數幾家單位開展過燃煤電廠Pb排放和遷移機理研究。萬勤等[8]研究了石河子燃煤電廠Pb等重金屬在飛灰中的富集因子。鄧雙等[9]通過實測分析了燃煤電廠Pb的釋放率、煙氣處理工藝對Pb的去除率以及Pb最終分布在燃煤副產物的比例。裴冰[10]對燃煤電廠煙塵中的Pb濃度進行實測，研究了燃煤電廠的Pb排放因子。王彬蔚等[11]研究分析了陜西省燃煤電廠各燃燒產物中Pb的含量。隨著我國煤電行業(yè)技術的發(fā)展，循環(huán)流化床鍋爐和電袋復合除塵器的應用更加廣泛，但其煙氣凈化技術對Pb排放控制的影響未見報道。因此，本文選擇3臺典型的循環(huán)流化床鍋爐開展燃煤電廠Pb的遷移特性研究，以期為燃煤電廠Pb污染防治措施的制定提供參考。

1 實驗部分

1.1 電廠基本情況

鑒于目前裝機容量300 MW的循環(huán)流化床機組最為常見，同時為比較相同和不同煙氣處理管理水平存在的差異，本文選取廣東省2家燃煤電廠3臺300 MW的典型循環(huán)流化床機組進行研究，均采用電袋復合除塵煙氣處理工藝。燃煤電廠的煤質分析結果見表1。

表1 燃煤電廠的煤質分析結果

1.2 樣品采集和分析

目前我國沒有專門針對燃煤煙氣中Pb的標準監(jiān)測方法，現行的《固定源廢氣 鉛測定火焰原子吸收分光光度法(暫行)》(HJ 538—2009)只適用于廢氣中顆粒態(tài)Pb的測定，而實際上燃煤煙氣中Pb以顆粒態(tài)和氣(溶膠)態(tài)2種形態(tài)存在。本研究參照德國監(jiān)測標準方法《金屬、類金屬及其化合物總排放量的測定》(VDI 3868)，同時測定燃煤煙氣中顆粒態(tài)和氣(溶膠)態(tài)的Pb。采樣系統(tǒng)從煙氣流中恒速取樣，取樣管線溫度維持在120 ℃，顆粒態(tài)Pb由前端的石英纖維濾膜捕獲，氣(溶膠)態(tài)Pb由4個各盛有80 mL 3% HNO3·10%H2O2吸收液的吸收瓶收集，采樣流量為20 L/min，最后用干燥劑將煙氣中的水分干燥。采樣時間2 h以上，以保證采集一定體積的煙氣量，確保測試精度。同時，采用縮分法收集相應工況下的燃煤、飛灰、底渣等固體樣品，每個樣品約1 kg。實驗室分析采用《電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》(USEPA 200.7—1995)測定各樣品中的Pb含量。

1.3 富集因子計算

Pb在飛灰或爐渣中的富集程度以富集因子EF[12]表示：

(1)

式中Mash、Mslag、Mcoal分別為Pb在飛灰、爐渣、燃煤中的含量(μg/g)。EF>1，表示在飛灰或爐渣中有富集的趨勢；EF<1，表示有耗盡的趨勢；EF=1則表示在燃燒產物中既不富集也不耗盡。

1.4 質量平衡計算

循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中，輸入的煤和石灰石中Pb部分釋放到飛灰和煙氣中，另一部分殘留在爐渣中。根據質量平衡原理，循環(huán)流化床鍋爐Pb的釋放率(Y，即飛灰和煙氣中Pb總量占系統(tǒng)Pb總量的百分比)按照式(2)計算；系統(tǒng)質量平衡率(RMB)則按照式(3)計算：

(2)

(3)

式中Fcoal、Flime分別為燃煤、石灰石小時消耗量，t/h；Fash、Fslag分別為飛灰、爐渣小時產生量，t/h；Fgas為煙氣小時產生量，m3/h；Ccoal、Clime、Cash、Cslag分別為燃煤、石灰石、飛灰、爐渣中Pb含量，μg/g；Cgas為煙氣中Pb質量濃度，μg/m3。

2 結果與討論

2.1 燃煤電廠各物料中的Pb濃度

本研究監(jiān)測了各機組在不同負荷下煙氣中Pb的排放濃度，取樣點均在除塵設施后，結果見表2。在各種工況共9次實驗條件下，燃煤機組煙氣中Pb的排放濃度都不高，《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)未涉及Pb的排放標準，若以《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)第二時段限值評價則達標。電廠1的1號和2號機組煙氣中Pb排放濃度差異性不大，但與電廠2的3號機組比相對較高。同一機組排放的煙氣Pb濃度相對穩(wěn)定，受負荷影響不大。對于除塵率很高的電袋復合除塵器，處理后煙氣中顆粒態(tài)Pb的濃度總體低于氣(溶膠)態(tài)Pb的濃度，2號機組60%負荷時煙氣中顆粒態(tài)Pb濃度略高于氣(溶膠)態(tài)Pb濃度，可能受除塵器效率的輕微波動影響?？梢?，現行的《固定源廢氣鉛的測定 火焰原子吸收分光光度法(暫行)》(HJ 538—2009)并不適用于燃煤電廠煙氣。

表2 不同負荷下各燃煤機組煙氣Pb排放監(jiān)測結果

實驗過程中電廠所用燃煤和石灰石的Pb含量比較穩(wěn)定，電廠1煤中Pb含量約23 μg/g，石灰石中Pb含量為23～27 μg/g；電廠2煤中Pb含量約20 μg/g，石灰石中Pb未檢出。不同工況下產生的飛灰和爐渣中Pb含量也比較穩(wěn)定，電廠1飛灰中Pb含量為64～80 μg/g，爐渣中Pb含量為43～50 μg/g；電廠2飛灰中Pb含量為59～62 μg/g，爐渣中Pb含量約49 μg/g。

2.2 爐渣和飛灰中Pb的富集規(guī)律

燃煤機組產生的爐渣和飛灰中Pb的富集因子EF見表3。在所研究的循環(huán)流化床機組中，Pb在爐渣和飛灰的EF都很接近，Pb在爐渣中的EF為2.01～2.43，在飛灰中的EF為2.74～3.49。相比較而言，Pb在飛灰中的EF高于爐渣，說明飛灰對Pb具有較強的富集能力；飛灰中布袋灰中Pb含量略高于電除塵灰，原因在于布袋灰粒度更小，比表面積較大，因此對Pb的吸附能力更強。根據痕量元素揮發(fā)性分類(不揮發(fā)、中等揮發(fā)和易揮發(fā)3類)，Pb可歸于中等揮發(fā)性元素，分析結果與文獻報道[12]一致。

表3 爐渣和飛灰中Pb的富集因子EF

2.3 Pb質量平衡核算

根據燃煤電廠各物料的總流量和Pb含量，計算出對應的Pb流量和Pb質量平衡率(表4)。痕量重金屬的系統(tǒng)平衡往往會有一定的誤差，學術上一般認為，質量平衡率在70%～130%范圍內最佳。本研究電廠1的Pb質量平衡率為140%～149%，電廠2的Pb質量平衡率為79%～85%，部分超出了70%～130%的最佳范圍?？紤]到取樣和分析過程中有許多難以避免的影響因素存在，且本次實驗的Pb質量平衡率即使超出最佳范圍也偏離得不多，仍可認為實驗結果總體是可接受的。

表4 燃煤電廠系統(tǒng)Pb流量與質量平衡率

2.4 Pb在各燃燒產物中的分布

在不同工況下，所研究的3臺循環(huán)流化床機組各燃燒產物中Pb的分布比例很接近(表5)，飛灰中Pb分布比例為61.10%～65.65%，均值62.49%；爐渣中Pb分布比例為34.32%～38.89%，均值37.49%；外排煙氣中Pb分布比例為0.01%～0.03%，均值0.02%。

表 5 燃煤電廠Pb在各燃燒產物中的分布比例 %

由此可計算得到循環(huán)流化床機組Pb的平均釋放率Y為62.51%。文獻[9]研究1臺循環(huán)流化床機組得到Pb的釋放率Y為84.99%，與本研究相比較高，可能由于該研究機組所用燃煤的低位發(fā)熱量(16.77 MJ/kg)比本研究機組所用燃煤的低位發(fā)熱量(12.4～12.9 MJ/kg)高，燃燒溫度較高；同時該研究所用燃煤的Pb含量(34.9 μg/g)也較高，更容易釋放出來。而煤粉爐機組Pb的平均釋放率Y為 97.11%[9]，明顯高于循環(huán)流化床機組，可能因為煤粉爐的燃燒溫度(1 200～1 500 ℃)高于循環(huán)流化床機鍋爐(800～1 100 ℃)，且燃煤粒徑比循環(huán)流化床更小，煤中Pb析出更多，故釋放率較高。

2.5 除塵過程對Pb遷移的影響

所研究的機組均采用電袋復合除塵工藝，除塵過程對煙氣中Pb的影響主要表現為飛灰對Pb的吸附和除塵器對飛灰的分離脫除，尤以后者為主。為研究除塵器飛灰層對Pb的吸附作用，對電廠1的2臺機組除塵器前后的氣(溶膠)態(tài)Pb進行監(jiān)測(見表 6)?？梢钥闯觯涍^除塵器后，煙氣中氣(溶膠)態(tài)Pb濃度均顯著降低，去除率為76.2%～93.0%，說明飛灰層對氣(溶膠)態(tài)Pb具有一定的吸附作用。

由于煙氣中氣(溶膠)態(tài)Pb的分布比例很低，Pb基本吸附在飛灰上，因此除塵效率的高低直接決定了Pb的去除效果。電袋復合除塵器除塵率一般在99.9%以上，吸附了Pb的飛灰被除塵器脫除下來，對Pb的去除作用非常明顯。另外，由于布袋灰中的Pb濃度高于電除塵灰，而電袋復合除塵器對細小顆粒捕集的效果較一般電除塵器更好，因此更有利于Pb的脫除。特別是對于Pb釋放率更高的煤粉爐機組，建議采用電袋復合除塵器。

表6 除塵器前后氣(溶膠)態(tài)Pb質量濃度對比

2.6 循環(huán)流化床燃煤電廠Pb的遷移特性

根據實驗結果，可判斷循環(huán)流化床機組中Pb的遷移特性。首先，煤在鍋爐爐膛內燃燒，煤和石灰石中的小部分Pb(約37.49%)留存在爐渣中；由于高溫的作用，大部分Pb(約62.49%)釋放出來，經過爐膛、省煤器、空預器等時，隨著煙氣的冷卻，絕大部分凝結吸附到飛灰表面。接下來，經過電袋復合除塵器時，Pb在飛灰層的作用下進一步被吸附，最終連同飛灰一起從煙氣中脫除，富集在飛灰中，剩余的極少量氣(溶膠)態(tài)Pb(約0.02%)則隨煙氣從煙囪排入大氣環(huán)境。

3 結論

1)所研究的機組負荷變化對煙氣Pb排放影響不大，排放質量濃度均在2 μg/m3以下。不同負荷下，相同機組的飛灰和爐渣中Pb含量比較穩(wěn)定。電袋復合除塵處理后，煙氣中顆粒態(tài)Pb的濃度總體低于氣(溶膠)態(tài)Pb的濃度。

2)燃煤電廠Pb在爐渣和飛灰中均有富集，平均富集因子分別為2.16和3.02。飛灰較爐渣對Pb具有更強的富集能力，布袋灰中Pb含量略高于電除塵灰。飛灰和爐渣作為可綜合利用的固體廢物，往往忽視了監(jiān)管，鑒于其潛在的Pb污染風險，應當加強燃煤電廠飛灰和爐渣存放、運輸及利用等各環(huán)節(jié)的監(jiān)管，減少無組織排放。

3) 循環(huán)流化床機組系統(tǒng)輸出的Pb分布在飛灰、爐渣和外排煙氣中的比例分別為62.49%、37.49%和0.02%，Pb釋放率低于煤粉爐，在Pb污染控制方面更具優(yōu)勢。

4)除塵過程對煙氣中Pb的影響主要表現為飛灰對Pb的吸附和除塵器對飛灰的分離脫除，尤以后者為主。由于煙氣中氣(溶膠)態(tài)Pb所占的比例很低，Pb基本吸附在飛灰上，因此除塵效率的高低直接決定了Pb的去除效果。

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Migration Characteristics of Lead in Fluidized Bed Furnace Coal-fired Power Plants

LIU Jun1, CHEN Geng1, TANG Nian2, KE Zhaoyue1, YANG Lihui1

1.Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510308, China 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China

Lead (Pb) is a harmful element and may cause environmental issues during coal combustion. A full-scale study of Pb migration was conducted at three fluidized bed furnace boiler units of two coal-fired power plants. Samples of coal, flue gas, fly ash, slag were collected under different load conditions of boiler units and their Pb content was also detected. Migration characteristics of Pb in all sectors of boiler units were studied by material balance accounting. The results revealed that changes of load had little effect on the Pb content of flue gas, fly ash and slag. Pb concentrations in flue gas emissions were less than 2 μg/m3. In the flue gas after electrostatic bag dust collectors, Pb content of particulates was less than that of aerosol. Pb accumulated in slag and ash, with average enrichment factors of 2.16 and 3.02. Fly ash had more enrichment capability of Pb than slag. Pb content of dusts in bag collectors was slightly higher than those in electrostatic collectors. After combustion, the proportion of Pb distribution was 62.49% in fly ash, 37.49% in slag and 0.02% in flue gas. As fluidized bed furnace boiler had a lower release rate of Pb than pulverized coal-fired boiler, it had more advantages in Pb pollution control. Effect of dust removal process on Pb in flue gas mainly occurred as fly ash adsorption on Pb and dust collector separation on fly ash, the latter dominated. Because the proportion of Pb in flue gas was low and Pb was basically adsorbed on fly ash, the dust removal efficiency directly determined the removal efficiency of Pb.

coal-fired power plant; lead; fluidized bed furnace; migration

2016-03-04;

2016-04-10

廣東省環(huán)保專項資金項目(2110399)

劉 軍(1969-)，男，湖南醴陵人，碩士，高級工程師。

X822.7

A

1002-6002(2016)04- 0069- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.13