王克健，陳 健，王興明，曾 建，張博斐，沙吉頓

(安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

1 引 言

近年來，大氣環(huán)境污染嚴重，其中燃煤電廠排放的細顆粒物被認為是導致霧霾天氣發(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，燃煤電廠有害元素大氣排放清單的建立十分重要。

趙毅等[2]通過研究電力用煤消費量、煤中汞含量和煙氣凈化設施汞的排放修正因子得出2010年我國燃煤電廠汞的總排放量約90.5 t；裴冰[3]通過對電廠煙塵鉛排放分步實測，估算出2011年我國燃煤電廠煙塵鉛排放量達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型的煤炭消費量及銻元素平均含量，得出2005年我國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，并通過內蒙古自治區(qū)原煤中汞含量均值、民用煤消費量及民用燃煤汞釋放比例估算出民用燃煤汞排放量，再針對不同行業(yè)燃煤消耗量和排放因子，建立了工業(yè)和電廠燃煤汞的排放清單。

安徽兩淮地區(qū)地處我國地理南北分界線，煤炭資源豐富，是華東地區(qū)最重要的能源基地，煤電優(yōu)勢極其突出，而對兩淮地區(qū)燃煤電廠有害元素大氣排放量的估算未見報道。本文基于課題組兩淮煤田煤中有害元素含量的測試數據、文獻資料、區(qū)域燃煤電廠煤消費量和燃煤電廠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年燃煤電廠的煤消費量，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

3.1 兩淮地區(qū)燃煤電廠的煤炭消費量

安徽省煤炭資源豐富，為產煤大省，全省含煤地層分布面積達17 950 km2，兩淮礦區(qū)內煤炭資源占全省煤炭資源的99%以上[7-8]；據《中國能源統(tǒng)計年鑒2016》[9]與《淮南、淮北統(tǒng)計年鑒2016》[10-11]的統(tǒng)計數據：2015年，安徽省火力發(fā)電量為1 959億千瓦時，其中，兩淮地區(qū)的火力發(fā)電量為701.6億千瓦時，占全省火力發(fā)電量的35.8%，年標準煤消費量約860萬t。兩淮地區(qū)2007～2015年間燃煤電廠發(fā)電量統(tǒng)計數據見表1。

表1 兩淮地區(qū)2007～2015年燃煤電廠發(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)

從表1可看出，兩淮地區(qū)發(fā)電量呈逐年增長的趨勢，自2008年起，淮南市發(fā)電量增長迅速，與“皖電東送”(國家“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，加強煤電基地建設，變輸煤為輸電，經皖南、浙北到達上海，線路全長656 km，每年將能輸送超過500億度電)項目有關，該項目運行對促進皖北地區(qū)經濟發(fā)展，緩解上海、浙江等地高速增長的能源需求，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，燃煤電廠的煤消費量也相應增多。本文引入燃煤電廠的標準煤耗量：0.122 9千克標準煤=1千瓦時(GB/T 2589-2008，綜合能耗計算中電力折標準煤參考系數)，進而利用發(fā)電量與標準煤消費量換算，分別計算出淮南和淮北年標準煤消費量(表2)。

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

3.2 兩淮地區(qū)煤中元素含量

兩淮地區(qū)為安徽省主要的產煤地，該區(qū)煤中有害微量元素已有較全面的報道，一致認為兩淮地區(qū)煤中有害微量元素含量正常，如：張晶[12]認為與華北和全國相比，淮南地區(qū)煤中As含量正常；葛濤[13]認為淮南煤中汞不富集；黃文輝等[14]對淮南二疊紀煤中微量元素研究表明，淮南煤中多數微量元素含量屬于正常水平；鄭旺等[15]對淮北煤中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個煤樣品的有害微量元素(As、Hg、F、Be和U)的測試數據和文獻資料報道數據的收集(表3)，確定兩淮地區(qū)煤中元素的平均含量。淮南煤田煤中As、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數據較少，故采用華北石炭二疊紀煤中Be平均含量數據)。

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：“-”為無數據；由于淮北地區(qū)煤中Be含量數據較少，故引用華北石炭二疊紀煤中Be含量數據。

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。工況條件一定時，污染控制裝置起決定作用，Duan等[25]對循環(huán)流化床鍋爐實驗研究表明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]通過實驗得出靜電除塵器裝置As排放率為0.85%，遠小于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]對內蒙古燃煤電廠汞排放的研究發(fā)現(xiàn)，通過SCR(選擇性還原技術)+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%的汞直接排放進入大氣。我國燃煤電廠采用的空氣污染控制裝置以ESP最為普遍[28]。

通過對國內外文獻資料的收集，配備ESP、FGD(煙氣脫硫)和ESP+FGD裝置燃煤電廠As、Hg、F、Be和U的大氣排放因子數據見表4。從表4可看出，ESP+FGD協(xié)同作用對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：“-”為無數據。

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)燃煤電廠煤炭消費量、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，計算出淮南和淮北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)煤消費量較大，燃煤電廠是兩淮地區(qū)五種元素大氣排放的主要來源；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對汞的脫除率較低有關；而煤中F元素含量相對較高，且ESP去除效率也不高，故其排放量最大。對F元素排放控制的方法包括：通過煤洗選減少煤中F的含量，再通過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年度燃煤電廠有害元素排放變化趨勢圖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的不同，排放量差距較大，但年度變化整體趨勢大致相同，并未發(fā)現(xiàn)明顯變化；結合表2可得出，各元素排放量隨時間變化的整體趨勢與年煤消費量逐年增長有關，與年煤費量的增長趨勢基本一致。

近年來，燃煤電廠污染物排放標準(2011年由環(huán)境保護部發(fā)布的國家污染物排放標準《火電廠大氣污染物排放標準》)更新(GB13223-2011)，單一ESP裝置難以達到污染物排放控制標準，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的排放量見表6。

表6 2013～2015年兩淮地區(qū)配置ESP+FGD裝置燃煤電廠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。

對有關燃煤電廠有害元素排放清單的建立方法已有許多報道，2012年淮南燃煤電廠大氣汞排放的數據與內蒙古燃煤電廠大氣汞(其煤中汞平均含量0.095 μg/g)的排放量[37](表7)相比，結合估算方法中的簡化公式可發(fā)現(xiàn)：本文采用的參數和使用的數據簡單且易得，準確度較高，方法適用于多數電廠元素排放量的估算。

注：“-”無數據。

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

5 結 論

本文基于兩淮地區(qū)燃煤電廠煤消費量、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量決定。

2015年兩淮地區(qū)燃煤電廠在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對兩淮地區(qū)燃煤電廠有害元素排放控制顯著，其中F元素的減排效果最為明顯。