杭州市燃煤废气中重金属排放清单建立

姚 琳，焦 荔，廖欣峰，朱英俊，张丽娜

杭州市环境监测中心站，浙江杭州 310007

汞、砷、铅、镉、铬、镍等重金属(类金属)毒性持久、不可降解、生物富集，其中砷、铬、镍、铅和镉具有一定的致癌能力，砷和镉对人体有潜在致畸作用，铅和汞对胎儿有毒性作用［1-3］。近年来，大气重金属污染(尤其是血铅事件)频发，严重危害人体健康，引起国家高度重视［4-5］。同时，大气干、湿沉降是生态系统中重金属的主要来源［6-8］，并具有远距离输送的特点［9-10］。中国大气重金属污染的研究起步较晚，主要集中在污染现状与特征研究方面［11-17］，大气中重金属污染物的来源研究较少。2007年中国开展第一次污染源普查，仅对水中部分重金属(汞、砷、铅、镉、铬等)进行了调查统计，未将大气重金属纳入。建立排放清单是污染来源解析技术之一，是污染防治的基础，能为环境决策提供依据，是进行环境影响评价的有效工具［18］。美国环保署及英国、法国和德国等都建立了国家大气污染物排放清单数据库，其中包括大气中重金属的排放清单［19-21］。在中国，有研究者建立了2005年燃煤废气中汞、砷、硒、锑的排放清单［22-25］，城市尺度的大气重金属排放清单未见报道。

通过对杭州市涉及重金属的大气工业污染源调查和识别，发现工业源以燃煤源为主。为此，依据2010年污染源普查动态更新数据，以工业点源作为输入，采用基于燃料消耗的排放因子法，建立了2010年杭州市燃煤废气中重金属(汞、砷、铅、镉、总铬、镍、锑等7种)的排放清单。

1 研究方法

1.1 计算方法

燃煤废气中排放的重金属计算公式为式中:Q为重金属年排放量，t;C为燃煤中平均重金属含量，%;M为燃煤年消耗量，t;PPM为除尘类大气污染控制设施对各重金属的去除效率，%;PFGD为烟气脱硫类大气污染控制设施对各重金属的去除效率，%;T为杭州市区;i为各燃煤工业源。

1.2 燃煤消耗与重金属含量

2010年污染源普查动态更新显示，杭州市区生活源燃料为天然气和液化石油气，无煤炭消耗。故仅考虑杭州市区工业源，燃煤消耗量以2010年污染源普查动态更新数据为基准(图1)。

图1 2010年杭州市区工业燃煤消耗量(万吨/年)

杭州市不产煤炭，即无生产原煤，仅考虑消费原煤的重金属平均含量，采用文献中浙江省的统计值［25-28］，见表 1。

表1 杭州市燃煤中重金属平均含量 μg/g

1.3 排放因子

1.3.1 不同煤燃烧方式的重金属释放率

煤燃烧时，随着炉温升高，煤种的痕量重金属将变成烟气的一部分，并和周围的烟气发生反应。重金属的释放率取决于煤燃烧技术和运行条件，将煤燃烧装置分为4种:煤粉炉、层燃炉、流化床和炼焦炉，其重金属释放率见表2［25-28］。

表2 不同煤燃烧方式的重金属释放率 %

1.3.2 除尘和脱硫设施的重金属脱除率

煤中的重金属在燃烧装置中被释放出来以后，烟气和飞灰中的重金属及其化合物能被除尘和脱硫设施去除一部分，剩下的烟气将经烟囱排放。表3列举了几种主要的除尘和脱硫方式对重金属的脱除率［25-28］。

表3 除尘和脱硫设施的重金属脱除率 %

2 结果与讨论

2.1 排放量

依据杭州市2010年污染源普查动态更新的工业污染源信息(煤种、燃煤消耗、燃烧方式以及除尘脱硫设施等)，结合排放因子，计算得到杭州市区燃煤废气中重金属的排放清单(表4)。2010年杭州市工业源燃煤废气中汞、砷、铅、镉、总铬、镍、锑的年排放量分别为 194.2、252.9、1 915.7、53.9、3 390.4、1 465.4、101.0 kg。

近年来，市区工业源基本都安装了除尘设施，且以重金属脱除率较高的电除尘、湿法除尘和布袋除尘为主，燃煤产生的重金属得到了极大的削减。

表4 2010年杭州市工业源燃煤废气中重金属的排放量kg/a

2.2 部门分布特征

按经济部门将燃煤源分为电力(含供热)、工业2类，将计算得到的排放清单分类如图2所示。

图2 燃煤废气中重金属排放部门分布

由图2可见，各重金属排放量工业和电力部门分布不尽相同，与燃煤消耗比也略有差异。其中，汞、镍的部门排放比例(工业∶电力)接近燃煤消耗比(6∶4);砷、铅、镉、锑的电力和工业部门排放分别占 68%和 32%、53%和 47%、43%和57%、57%和43%;总铬的工业部门排放明显高于电力部门，分别为80%和20%。

这种差异源于不同的锅炉燃烧方式对各重金属的释放率不同、不同的除尘脱硫方式对各重金属的去除效率也不同。以半山电厂为例，锅炉为室燃，除尘脱硫方式为静电除尘+湿法脱硫(目前中国火电机组最常见的模式)。在工业部门，锅炉以层燃为主，除尘以湿式除尘和布袋除尘居多。

2.3 地区分布特征

由杭州市各行政区燃煤消耗及重金属排放比例(图3)可见，除铅以外，汞、砷、镉、总铬、镍、锑等6种重金属的排放量区域分布规律基本与燃煤消耗量接近。拱墅区燃煤消耗占全市约80%，汞排放占全市约75%，总铬、镍、锑约占60%，砷约占55%，镉约占45%。江干区燃煤消耗约占全市16%，铅排放量(约50%)大于拱墅区(约30%)，与这2个区域中企业采用的除尘设施对铅的脱除率不同有关;镉排放量与拱墅区相当，其余几种重金属排放量占全市20%～40%。上城区铅、镉、总铬排放量占全市10% ～15%，汞排放量约占全市6%，其余金属排放量占全市不足5%。滨江区重金属排放量占全市1% ～5%，西湖区和下城区均在1%以下。

总体说来，拱墅区、江干区、上城区重金属的排放量之和超过全市的95%，各区域排放量与燃煤量密切相关，但锅炉燃烧方式、除尘脱硫设施对重金属排放也起到了决定性作用。

图3 2010年杭州市燃煤废气中重金属排放的区域分布

将各行政区燃煤废气中重金属排放量除以行政区土地面积，得到各区重金属的排放密度(图4)。

图4 燃煤废气中重金属的区域排放密度

由图4可知，下城区和西湖区单位面积燃煤废气中排放的重金属量较小，滨江区居中，拱墅区、上城区和江干区单位面积排放量相对较大。拱墅区汞、砷、铅、镉、总铬、镍、锑的单位面积排放量分别为 1.65、1.60、6.73、0.27、23.8、11.0、0.70 kg/km2。江干区重金属排放绝对量仅次于拱墅区，但由于土地面积较大，单位面积排放量低于上城区。燃煤废气中汞、砷、铅、镉、总铬、镍、锑的单位面积排放量分别为 0.16、0.45、4.48、0.10、3.55、2.02、0.17 kg/km2。上城区需引起关注，虽其总体排放量不高，但城区面积较小，单位面积排放量不容忽视，其中铅、镉单位面积排放量(分别为15.2、0.32 kg/km2)超过拱墅区，位居首位，其余重金属(汞、砷、总铬、镍、锑)单位面积排放量分别为 0.66、0.55、22.4、2.73、0.12 kg/km2。

2.4 同类研究结果比较

目前报道的燃煤废气中重金属的排放清单，基本以省为单位，根据统计资料中各省区能源分配比例情况，通过排放因子估算排放量，暂无城市尺度的排放清单建立。

研究依据污染源普查动态更新数据，以单个工业点源的详细参数(如燃煤种类及数量、煤燃烧方式、除尘脱硫设施等)作为输入，更为精准地、“由下至上”地建立了杭州市区工业燃煤废气中重金属的排放清单。

2.5 燃煤废气中排放的重金属控制措施建议

杭州市区燃煤结构不合理，以原煤为主，燃煤工业消耗高于电力生产消耗。控制燃煤废气中重金属的排放应首先确保除尘脱硫设施达标运行;再逐步改善以煤为主(特别是工业部门燃煤)的能源结构;采取提高原煤入洗率、采用高效的煤炭洗选技术、添加燃煤固化吸附剂、积极开发联合污染物脱除技术以及动力配煤技术等。

3 结论

1)采用基于燃料消耗的排放因子法，依据污染源普查动态更新数据，估算2010年杭州市燃煤废气中汞、砷、铅、镉、总铬、镍、锑的年排放量分别为 194.2、252.9、1 915.7、53.9、3 390.4、1 465.4、101.0 kg。

2)燃煤废气中重金属的排放量与燃煤量密切相关，但锅炉燃烧方式、除尘脱硫设施对重金属排放也起到了决定性作用。燃煤废气中重金属的排放主要集中在燃煤消耗较高的拱墅区和江干区，其次是上城区，这3个区燃煤废气中排放的重金属排放量之和超过全市的95%。

3)清单的建立填补了杭州市大气重金属源排放清单的空白，同时提供了一种基于污染源调查的估算方法。清单的建立，为今后杭州市的大气重金属污染防治指明了重点防治区域和重点防治对象，为环境管理和决策提供了有力的技术支撑。

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