燃煤電廠汞逃逸的風(fēng)險(xiǎn)分析

燃煤電廠汞逃逸的風(fēng)險(xiǎn)分析

截至2010年底，中國火力發(fā)電裝置安裝總數(shù)達(dá)到700.05億kw，全國煤炭供電消費(fèi)15.90億t'1.3%。大量煤炭消耗造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。汞(Hg)是煤中痕量重金屬元素,我國煤中平均汞含量為0.22μg/g［4］。汞具有極強(qiáng)的揮發(fā)性,煤在爐膛燃燒過程中,其中的汞幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)汞(Hg0)并停留在煙氣中。在煙氣流向煙囪出口過程中,隨著煙氣溫度的降低,部分Hg0與煙氣中其他成分反應(yīng)形成氧化態(tài)汞(Hg2+),也有部分Hg0與Hg2+吸附在燃煤飛灰中,以顆粒態(tài)汞(Hgp)形式存在。研究表明,燃煤鍋爐常規(guī)污染物控制裝置對汞排放具有一定的脫除能力。燃煤電廠配置的常規(guī)污染物控制裝置包括除塵裝置,如靜電除塵(ESP),布袋除塵(FF)等;脫硫裝置,如石灰石-石膏濕法脫硫裝置(WFGD),半干法脫硫裝置等,其中以WFGD為主;脫硝裝置,主要包括選擇性催化還原裝置(SCR)。Hgp可以被燃煤電廠除塵裝置隨燃煤飛灰一同除去,氣相中的Hg2+可以被WFGD通過濕法洗滌除去,最終進(jìn)入石膏和脫硫廢水,大部分Hg0由于其穩(wěn)定性和不溶性排放到大氣中,造成環(huán)境污染［4］。燃煤飛灰和石膏作為一種固體廢棄物產(chǎn)量較大,直接堆積會(huì)占用大量土地并造成環(huán)境污染,需要進(jìn)行合理填埋或資源化利用。在進(jìn)行綜合利用過程中需要經(jīng)過煅燒,加熱,擠壓等加工工藝生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品,填埋或堆積還會(huì)受到雨水沖洗,浸泡的作用［5－6］。因此,富集在固體排放產(chǎn)物中的汞在復(fù)雜加工工藝和環(huán)境雨水沖洗等條件下有通過逃逸造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)［6－7］,成為燃煤煙氣汞污染控制的重大隱患。本文分析了汞在燃煤鍋爐排放產(chǎn)物中的分布,并結(jié)合燃煤飛灰和脫硫石膏綜合利用工藝,對汞在燃煤電廠固廢利用過程中汞的二次污染問題進(jìn)行了研究,對燃煤電廠汞控制方法研究和固廢利用過程具有指導(dǎo)意義。1煙氣排放的類別表1為汞在電廠排放產(chǎn)物中的分布情況的研究結(jié)果。汞在不同燃煤電廠排放產(chǎn)物中的分布差別較大,這與燃燒方式、煤種、除塵裝置類型以及是否配置SCR等因素有關(guān)。結(jié)果可知,除了一部分通過煙囪隨煙氣排放到大氣中的汞以外,大部分的汞進(jìn)入了燃煤飛灰和脫硫石膏中。因此,燃煤飛灰和脫硫石膏在綜合利用過程中汞的逃逸問題更加值得關(guān)注。2燃煤飛灰中汞的逃逸規(guī)律我國2010年燃煤飛灰(粉煤灰)產(chǎn)量為4.3億t,綜合利用3.2億t,利用率為74%［2］。我國燃煤飛灰的主要利用方式包括在建筑、農(nóng)業(yè)和作為吸附劑方面的應(yīng)用,其中在建筑行業(yè)的應(yīng)用包括作為水泥摻料、道路底基層鋪設(shè)、生產(chǎn)粉煤灰磚、礦山填充以及燒結(jié)陶瓷等。農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用主要包括改土造田、生產(chǎn)含硅有機(jī)肥、改良土壤等。此外,燃煤飛灰可用作吸附廢水和煙氣中有機(jī)物和重金屬的吸附劑［7］。我國燃煤飛灰利用主要以水泥生產(chǎn)、礦山充填和道路鋪設(shè)為主。在眾多的利用方式中,高溫釋放和溶液浸出兩個(gè)過程會(huì)造成燃煤飛灰中汞的二次污染。在進(jìn)行燃煤飛灰中汞的穩(wěn)定性分析時(shí),需要考察燃煤飛灰中汞在高溫和不同PH值溶液浸濾環(huán)境下的逃逸過程。孟陽［13］在1300℃條件下模擬了飛灰煅燒過程汞的釋放,汞逃逸率達(dá)到98%以上;180℃加熱8h模擬蒸養(yǎng)磚生產(chǎn)過程表明,汞的平均釋放率為28%。Shi［7，14］的研究表明,在200℃以下,燃煤飛灰中總汞的逃逸量低于0.04μg/g,而溫度由200℃升高到400℃,汞的逃逸量增加到0.15μg/g,繼續(xù)升高溫度,逃逸量不超過0.2μg/g。浸出實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中研究材料在環(huán)境中釋放到表面與水體中的潛力。常用的實(shí)驗(yàn)方法包括固定床浸出柱和攪拌釜萃取器(CSTX)。由于燃煤飛灰的膠結(jié)性以及石膏顆粒過細(xì),通常在進(jìn)行燃煤飛灰和脫硫石膏浸出實(shí)驗(yàn)時(shí)采用CSTX［15］。在酸性溶液中的浸出實(shí)驗(yàn)表明［14］,在PH為1~8范圍內(nèi),燃煤飛灰中汞的浸出率低于20%。說明燃煤飛灰產(chǎn)品和燃煤飛灰在環(huán)境溫度下,自然雨水沖洗及其他地表水的作用不會(huì)造成其中汞的大量逃逸。飛灰中汞的逃逸主要受處理溫度影響,此外與汞在粉煤灰中不同存在形式所占比例有關(guān)［13，16］。燃煤飛灰利用過程中,燒結(jié)陶瓷需要加熱到1000℃以上。生產(chǎn)粉煤灰磚過程中,不同工藝所達(dá)到的處理溫度不同,部分工藝需要在1000℃以上燒結(jié),蒸壓磚處理工藝蒸汽加熱溫度在180℃以下。粉煤灰作為水泥摻料處理溫度低于100℃,其他處理工藝則大都在環(huán)境溫度下進(jìn)行。在燒結(jié)陶瓷等涉及高溫的處理工藝中,粉煤灰中的汞逃逸率在70%以上,部分逃逸接近100%,汞的大量溢出產(chǎn)生二次污染,低于200℃汞逃逸率通常低于30%。自然水體沖洗不會(huì)造成汞大量逃逸。因此,我國以水泥生產(chǎn),礦山填充和道路鋪設(shè)為主的粉煤灰利用方式下,不會(huì)造成嚴(yán)重的汞二次污染問題。3脫硫石膏與石膏中汞的逃逸我國2010年脫硫機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到5.78億kW,約占全國煤電機(jī)組容量的86%［2］。其中WF-GD仍是主要脫硫方法,占92%［3］。脫硫石膏產(chǎn)量是5940.5萬t,綜合利用量達(dá)到5176萬t［2］。脫硫石膏的利用主要包括直接利用和間接利用兩種方式,直接利用包括作為水泥緩凝劑、道路路基、土壤改良和肥料等;間接利用主要是通過煅燒(脫水)制備熟石膏,熟石膏用于生產(chǎn)石膏板或建筑石膏［5］。脫硫石膏主要成分為二水硫酸鈣,熟石膏又稱半水石膏,脫硫石膏加熱至170℃脫去一個(gè)水可以得到熟石膏,此外,脫硫石膏可以在500℃以上煅燒失去兩個(gè)水得到硬石膏。在歐洲和日本,脫硫石膏主要用于水泥生產(chǎn)和石膏板原料,其中日本用于水泥緩凝劑和石膏板原料的脫硫石膏比例超過90%。美國脫硫石膏利用率不高,約20%~30%,其中用于生產(chǎn)石膏墻板比例達(dá)到70%~80%［6］。脫硫石膏利用方式不同,處理工藝和應(yīng)用環(huán)境差別造成汞的逃逸差異。Kairias和EERC［14］的研究結(jié)果表明,脫硫石膏在170℃以下進(jìn)行干燥過程中,脫硫石膏中的汞基本不存在逃逸。加熱至200~400℃石膏中汞大量釋放,繼續(xù)升高溫度到500℃以上,汞的釋放量很少。生產(chǎn)石膏板的過程中,對大部分的生產(chǎn)工藝,脫硫石膏中的汞逃逸率低于10%,但也有處理工藝使汞的逃逸率達(dá)到58%,這主要與石膏板處理溫度有關(guān)［5］。而Liu［17］的研究結(jié)果表明,因石膏中HgCl2和Hg2Cl2含量不同,石膏板生產(chǎn)過程汞的逃逸率在12.1%~55.1%之間,石膏中汞的存在形式同樣對石膏低溫處理工藝下汞逃逸率影響較大。脫硫石膏和脫硫石膏板的CSTX浸出實(shí)驗(yàn)［15，18－19］同樣表明,兩種物質(zhì)的浸出率分別為1%和0%,說明汞在脫硫石膏和石膏板中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。此外,利用脫硫石膏改性堿性土壤不會(huì)造成土壤中汞含量的顯著變化［20］。脫硫石膏應(yīng)用于水泥緩凝劑過程中汞的逃逸問題未見相關(guān)研究,但作為水泥緩凝劑使用時(shí),由于處理溫度低于100℃,不存在汞逃逸的問題。在水泥使用過程中,除個(gè)別特殊高溫應(yīng)用場合外,普遍應(yīng)用方式如道路橋梁、大壩等使用過程中,主要存在水體沖刷影響,根據(jù)脫硫石膏的浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不會(huì)造成汞逃逸到自然水體中的問題。與燃煤飛灰類似,影響脫硫石膏中汞逃逸的主要因素是溫度,溫度越高,逃逸越嚴(yán)重。此外,逃逸率因石膏中汞的存在形態(tài)不同存在差異。脫硫石膏的大部分利用方式下汞的逃逸率低于20%,自然環(huán)境條件下的逃逸接近零,只有部分涉及高溫加工工藝的石膏板生產(chǎn)過程會(huì)造成汞的大量逃逸。4飛灰和脫硫石膏安全性的存在形式煤燃燒產(chǎn)生的汞蒸氣可以部分被常規(guī)污染物脫除裝置脫除,進(jìn)入燃煤電廠排放產(chǎn)物中,絕大部分的汞富集在除塵器捕集的燃煤飛灰和WFGD脫硫石膏中。燃煤飛灰和脫硫石膏再利用過程中汞的逃逸主要與工業(yè)應(yīng)用過程的處理溫度有關(guān),此外還與汞在飛灰和脫硫石膏中存在形式有關(guān)。低于200℃汞逃逸較低,高于200℃