燃煤发电厂气态流出物辐射环境影响研究

宋卫杰，程卫亚

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

受资源条件的影响，我国对煤炭资源的依赖程度非常高。1980年至今，能源消费结构中煤炭比重约占70%。煤中含有的微量U系、Th系及40K等天然放射性核素，随煤燃烧后富集在灰渣中，部分以气态形式经烟囱排出扩散到周围环境。国内外相关学者针对燃煤发电厂的辐射环境影响进行了研究，结果表明，燃煤发电厂气态流出物的长期排放导致电厂周围环境中天然放射性核素比活度局部升高，居民受照射剂量增加[1-3]。可见煤炭为社会经济发展做出巨大贡献的同时，也造成了放射性环境污染，燃煤发电厂对环境和公众产生的辐射影响已引起了广泛关注。

2014年，我国电力年鉴统计数据显示，300～600 MW的煤电装机容量约占80%。本研究选择三家燃煤发电厂分析气态流出物对周围环境造成的辐射影响，三家电厂均位于长江沿岸，机组装机容量均在300～600 MW，样品采集当年发电量分别为0.37、0.68、0.59 GW，具有一定的代表性。

1 材料与方法

1.1 评价方法

气态流出物排放的评价方法和模式比较成熟。但本次燃煤电厂气态流出物的排放评价除考虑烟囱直接排放外，还考虑了直接沉积和经降雨冲刷对水体的影响，具体照射途径示于图1。

1.1.1直接排放模式

放射性核素弥散因子(或释放率)采用AIRDOS模式进行估算，涉及的排放参数取自文献[4]。直接排放所致剂量包括浸没外照射DJ、地面沉积外照射DD、吸入内照射DX、食入内照射DS及222Rn内照射DRn所致剂量。具体估算模式列于式(1)～(5)。

图1 气态流出物辐射照射途径Fig.1 The way of radiation from gaseous effuent

(1)

(2)

(3)

(4)

DRn=CRn×DCFRn×Th×F

(5)

1.1.2进入水体的评价模式

气态放射性物质排放后，通过干湿沉积作用会直接沉降到水面上，或沉降到地面后由降雨径流带入河流。该部分的剂量评价涉及直接沉降和降雨径流两部分到水体沉积量的估算，国内还少见在燃煤发电厂环境评价中考虑降雨径流沉积量的估算。

降雨径流污染作为面源污染，目前定量估算模型可概括为直接和黑箱两类。直接模型对参数要求高，需深入了解污染物的迁移过程及机理。黑箱模型类似于库室模式，基于污染物输出，以大量样本反映其输入特征。Hakanson[8]针对湖泊污染建立基于库室的新汇水模型并得到验证。李红等[9]对核电厂严重事故时放射性烟羽造成水源污染的估算，考虑了烟羽沉积被径流带入水源造成的污染。两位研究者采用的模型一致，其中汇水模型中径流率基于降雨量计算，均未给出径流面积的确定方法。

考虑到发电厂的长期影响，本研究仅考虑距电厂最近的河流，基于汇水模型将径流面积定为该河流流过的评价子区面积。进入水体后放射性核素所致剂量包括饮用水DY、食入水产品DA和岸边沉积外照射DB所致剂量，具体估算模式，见式(6)～(8)。

DY=Ci,YgsIY

(6)

DB=Ci,BgsIB

(7)

DA=Ci,ABIgDIA

(8)

式中，Ci,w为河水中放射性核素i的浓度，Bq/m3；IY为成人的年饮水量，m3/a[7]；BI为放射性核素i的浓集因子，(Bq/kg)/(Bq/L)；IA为成人年食用鱼总量，kg[7]；Ci,B为放射性核素i的岸边沉积浓度，Bq/m2；IB为岸边的受照时间[7]；其他参数同1.1.1节。

1.2 释放源项

燃煤发电厂工艺流程主要包括燃烧、汽水和电气。其中燃烧部分是原煤运至电厂后，依次输送到煤仓和磨煤机，而后送到锅炉内进行燃烧发电，燃烧过程中除生产大量煤灰渣外，还会向大气、水体中排放天然放射性物质，本文对气态流出物的辐射影响进行研究。煤炭中含有U系、Th系和40K等天然放射性核素，燃烧富集后会有一部分从烟囱排放到大气环境。其中以气态形式存在的222Rn及其子体低熔沸点易挥发的210Pb和210Po，均是烟囱排放的主要放射性核素，估算三家电厂运行采样当年210Pb、210Po和222Rn的排放量列于表1[4]。

表1 电厂气态流出物中主要放射性核素的年排放量Table 1 Annual emissions of main radionuclides in gaseous effluent from the coal-fired power plants

2 结果与分析

2.1 估算结果

基于三家燃煤发电厂气态放射性流出物的年排放量，以及第1节中评价模式及参数，估算得出电厂80 km范围内气态流出物中放射性核素的年均大气弥散因子、210Po和210Pb的地面沉积量及各途径所致居民的最大个人有效剂量，其中210Po、210Pb和222Rn所致居民最大个人有效剂量列于表2。

根据样品采集当年的发电量，进一步估算三家燃煤发电厂气态流出物中210Po、210Pb和222Rn所致归一化最大个人有效剂量分别为3.02×10-4、4.32×10-5、8.50×10-5Sv/GW。由表2可看出，三家燃煤发电厂排放的210Po和210Pb所致居民个人年有效剂量分别为1.12×10-4、2.94×10-5、5.02×10-5Sv/a，主要来自直接排放的贡献，远大于降雨径流进入水体的影响，也远大于222Rn所致个人年有效剂量1.1×10-9、4.5×10-9、3.0×10-9Sv/a。

表2 210Po、210Pb和222Rn排放所致居民最大个人有效剂量Table 2 Maximum individual dose from the emission of 210Po,210Pb and 222Rn

2.2 结果分析

评价结果显示，三家燃煤发电厂气态流出物中放射性核素的大气弥散因子及地面沉积量在不同距离最大值出现的方位，均与厂址所在地区气象观测结果十分吻合(以燃煤发电厂1为例，见图2)。由图2还可看出，核素210Pb的地面沉降浓度随与电厂距离增大而减小，20～30 km处达到可忽略水平。

三家燃煤发电厂气态流出物所致个人剂量多来自食入照射途径的贡献。类似结论的研究有英国NRPB-R237(2001)给出燃煤电厂烟囱排放对关键居民组造成的个人剂量中食入途径贡献占88%[10]，及比利时2006年对一家现代化燃煤电厂气态流出物的评价得出食入照射途径对剂量贡献最大，约占83%[11]。表明评价结果合理。

图2 燃煤发电厂1 排放210Po和210Pb的大气弥散因子和地面沉积浓度Fig.2 Atmospheric dispersion factors and ground sediment concentrations of 210Po和210Pb from the first coal-fired power plant

3 结论

对长江沿岸具有代表性的三家燃煤发电厂气态流出物辐射环境影响的研究结果表明：(1) 燃煤发电厂气态流出物释放造成80 km范围内辐射影响很小，归一化最大个人年有效剂量分别为3.02×10-4、4.32×10-5、8.50×10-5Sv/GW；(2) 燃煤发电厂气态流出物辐射环境影响中关键核素为210Po和210Pb，关键照射途径为食入照射；(3) 地面沉积核素210Pb半衰期相对较长，可能会导致局部土壤中比活度累加，建议后续相关研究需关注电厂下风向30 km范围内的长期辐射影响。