两淮地区燃煤电厂砷、汞、氟、铍和铀的大气排放清单的研究

王克健，陈 健，王兴明，曾 建，张博斐，沙吉顿

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 引 言

近年来，大气环境污染严重，其中燃煤电厂排放的细颗粒物被认为是导致雾霾天气发生的主要原因[1]，虽配备了空气污染控制装置，但仍有部分有害元素排放到大气中，因此，燃煤电厂有害元素大气排放清单的建立十分重要。

赵毅等[2]通过研究电力用煤消费量、煤中汞含量和烟气净化设施汞的排放修正因子得出2010年我国燃煤电厂汞的总排放量约90.5 t；裴冰[3]通过对电厂烟尘铅排放分步实测，估算出2011年我国燃煤电厂烟尘铅排放量达126.8 t；田贺忠等[4]利用燃煤消耗的排放因子法，收集不同燃煤排放源类型的煤炭消费量及锑元素平均含量，得出2005年我国燃煤大气锑排放量约530t；张静静等[5]将燃煤源大致分为两类，并通过内蒙古自治区原煤中汞含量均值、民用煤消费量及民用燃煤汞释放比例估算出民用燃煤汞排放量，再针对不同行业燃煤消耗量和排放因子，建立了工业和电厂燃煤汞的排放清单。

安徽两淮地区地处我国地理南北分界线，煤炭资源丰富，是华东地区最重要的能源基地，煤电优势极其突出，而对两淮地区燃煤电厂有害元素大气排放量的估算未见报道。本文基于课题组两淮煤田煤中有害元素含量的测试数据、文献资料、区域燃煤电厂煤消费量和燃煤电厂有害元素的大气排放因子，初步估算了As、Hg、F、Be和U五种有害元素的大气排放量，建立了近几年的有害元素排放清单。

2 估算方法

两淮地区有害元素的排放量采用Chen等[6]的简化公式估算：

Egi,j=Cj×ci×EFi

其中：Egi,j为有害元素的年排放量，Cj为第j年燃煤电厂的煤消费量，ci为煤中元素i的平均含量，EFi为元素i的大气排放因子。

3 估算参数

3.1 两淮地区燃煤电厂的煤炭消费量

安徽省煤炭资源丰富，为产煤大省，全省含煤地层分布面积达17 950 km2，两淮矿区内煤炭资源占全省煤炭资源的99%以上[7-8]；据《中国能源统计年鉴2016》[9]与《淮南、淮北统计年鉴2016》[10-11]的统计数据：2015年，安徽省火力发电量为1 959亿千瓦时，其中，两淮地区的火力发电量为701.6亿千瓦时，占全省火力发电量的35.8%，年标准煤消费量约860万t。两淮地区2007～2015年间燃煤电厂发电量统计数据见表1。

表1 两淮地区2007～2015年燃煤电厂发电量[10-11]Tab.1 Capacity of coal-fired power lants in the Huainan and Huaibei during 2007 to 2015 (亿千瓦时)

从表1可看出，两淮地区发电量呈逐年增长的趋势，自2008年起，淮南市发电量增长迅速，与“皖电东送”(国家“十二五”电力发展规划的重要组成部分，利用淮南丰富的煤炭资源，加强煤电基地建设，变输煤为输电，经皖南、浙北到达上海，线路全长656 km，每年将能输送超过500亿度电)项目有关，该项目运行对促进皖北地区经济发展，缓解上海、浙江等地高速增长的能源需求，保障华东地区能源安全，具有十分重要的意义；发电量增加，燃煤电厂的煤消费量也相应增多。本文引入燃煤电厂的标准煤耗量：0.122 9千克标准煤=1千瓦时(GB/T 2589-2008，综合能耗计算中电力折标准煤参考系数)，进而利用发电量与标准煤消费量换算，分别计算出淮南和淮北年标准煤消费量(表2)。

表2 两淮地区2007～2015年燃煤电厂煤消费量Tab.2 Coal consumption by coal-fired power plants in the Huainan and Huaibei during 2007 to 2015 (万t)

3.2 两淮地区煤中元素含量

两淮地区为安徽省主要的产煤地，该区煤中有害微量元素已有较全面的报道，一致认为两淮地区煤中有害微量元素含量正常，如：张晶[12]认为与华北和全国相比，淮南地区煤中As含量正常；葛涛[13]认为淮南煤中汞不富集；黄文辉等[14]对淮南二叠纪煤中微量元素研究表明，淮南煤中多数微量元素含量属于正常水平；郑旺等[15]对淮北煤中12种有害微量元素的特征分析表明淮北煤中As和U平均含量与全国和华北煤背景值基本一致。

本文基于课题组淮南煤田主采煤层7个煤样品的有害微量元素(As、Hg、F、Be和U)的测试数据和文献资料报道数据的收集(表3)，确定两淮地区煤中元素的平均含量。淮南煤田煤中As、Hg、F、Be和U的平均含量分别为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的平均含量分别为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数据较少，故采用华北石炭二叠纪煤中Be平均含量数据)。

表3 两淮地区煤中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：“-”为无数据；由于淮北地区煤中Be含量数据较少，故引用华北石炭二叠纪煤中Be含量数据。

3.3 排放因子

排放因子与燃烧工况和空气污染控制装置密切相关。工况条件一定时，污染控制装置起决定作用，Duan等[25]对循环流化床锅炉实验研究表明ESP/FF(静电除尘器/袋式除尘器)和WFGD(湿法烟气脱硫)的脱砷效率分别在99.2%～99.6%和67.3%～75.9%之间。不同元素的排放因子不同，Goodarzi[26]通过实验得出静电除尘器装置As排放率为0.85%，远小于Hg(88.5%)。多种污染控制装置的协同作用可显著降低排放因子，Tang等[27]对内蒙古燃煤电厂汞排放的研究发现，通过SCR(选择性还原技术)+FDC(布袋除尘器)(或FDC+ESP)+WLFGD(湿式石灰石烟气脱硫)装置，仅剩3.80%的汞直接排放进入大气。我国燃煤电厂采用的空气污染控制装置以ESP最为普遍[28]。

通过对国内外文献资料的收集，配备ESP、FGD(烟气脱硫)和ESP+FGD装置燃煤电厂As、Hg、F、Be和U的大气排放因子数据见表4。从表4可看出，ESP+FGD协同作用对有害微量元素的大气排放具有更好的控制效果。由于排放因子变化范围大，本文取几何均值为相应元素的排放因子，得出采用ESP和ESP+FGD装置As、Hg、F、Be和U的排放因子分别为：1.34%、72.4%、80.3%、0.4%、0.99%和0.4%、40.8%、4.1%、0.08%、0.11%。

表4 燃煤电厂As、Hg、F、Be和U的大气排放因子Tab.4 Emission factors of As, Hg, F, Be, and U of coal-fired power plants (%)

注：“-”为无数据。

4 两淮地区As、Hg、F、Be和U的大气排放清单

基于两淮地区燃煤电厂煤炭消费量、煤中有害微量元素的含量和元素大气排放因素因子等参数，计算出淮南和淮北2007～2012年度As、Hg、F、Be和U的排放量(图1和表5)。从图1可看出，由于淮南地区煤消费量较大，燃煤电厂是两淮地区五种元素大气排放的主要来源；除F元素外，两淮地区Hg的排放量高于其他元素，可能与ESP对汞的脱除率较低有关；而煤中F元素含量相对较高，且ESP去除效率也不高，故其排放量最大。对F元素排放控制的方法包括：通过煤洗选减少煤中F的含量，再通过合适的污染控制装置抑制其排放，如ESP+FGD协同作用F的排放因子可降至4.1%[31]。

表5 两淮地区2007～2012年燃煤电厂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)

图 两淮地区2007～2012年度燃煤电厂有害元素排放变化趋势图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

综合图和表5可看出，不同元素之间由于物化性质的不同，排放量差距较大，但年度变化整体趋势大致相同，并未发现明显变化；结合表2可得出，各元素排放量随时间变化的整体趋势与年煤消费量逐年增长有关，与年煤费量的增长趋势基本一致。

近年来，燃煤电厂污染物排放标准(2011年由环境保护部发布的国家污染物排放标准《火电厂大气污染物排放标准》)更新(GB13223-2011)，单一ESP装置难以达到污染物排放控制标准，需采用ESP+FGD协同控制颗粒物和硫化物排放，ESP+FGD的排放因子见表4。基于ESP+FGD协同控制的2013～2015年度两淮地区As、Hg、F、Be和U的排放量见表6。

表6 2013～2015年两淮地区配置ESP+FGD装置燃煤电厂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，两淮地区燃煤电厂仅ESP控制下As、Hg、F、Be和U的排放量分别为：0.31 t，1.93 t，727 t，0.08 t和0.18 t；2015年，两淮地区燃煤电厂在ESP+FGD协同控制下As、Hg、F、Be和U的排放量分别为：0.084 t、1.41 t、35.6 t、0.02 t和0.02 t，较单一ESP控制显著降低。

对有关燃煤电厂有害元素排放清单的建立方法已有许多报道，2012年淮南燃煤电厂大气汞排放的数据与内蒙古燃煤电厂大气汞(其煤中汞平均含量0.095 μg/g)的排放量[37](表7)相比，结合估算方法中的简化公式可发现：本文采用的参数和使用的数据简单且易得，准确度较高，方法适用于多数电厂元素排放量的估算。

注：“-”无数据。

新疆石河子市典型燃煤电厂燃煤中砷的含量为1.15μg/g，其排放因子为4.5%[38]，结合本文中淮南煤砷含量与排放因子分别为3.13μg/g和1.34%的数据可知，单位煤耗下，两市电厂中的砷排放量数据却相近，其原因主要在于煤中元素含量不同和电厂工况的差异，为降低两市燃煤电厂中有害元素的排放，石河子市电厂需加大对控制装置的升级和改进力度，而淮南电厂则要注重煤炭洗选过程，降低原煤中的有害元素含量。

5 结 论

本文基于两淮地区燃煤电厂煤消费量、煤中元素含量和元素大气排放因子建立了有害元素As、Hg、F、Be和U的大气排放清单。2012年两淮地区燃煤电厂在ESP作用下，As、Hg、F、Be和U的大气排放量分别为：0.31 t、1.93 t、727 t、0.08 t和0.18 t；元素排放量变化主要由年度煤消费量决定。

2015年两淮地区燃煤电厂在ESP+FGD协同作用下，As、Hg、F、Be和U的大气排放量分别为0.08 t、1.41 t、35.6 t、0.01 t和0.02 t。ESP+FGD对两淮地区燃煤电厂有害元素排放控制显著，其中F元素的减排效果最为明显。