刘 军，陈 耿，唐 念，柯钊跃，杨立辉

1.广东省环境监测中心，广东 广州 510308 2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080

循环流化床燃煤电厂铅的迁移特性

刘 军1，陈 耿1，唐 念2，柯钊跃1，杨立辉1

1.广东省环境监测中心，广东 广州 510308 2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080

选取2家燃煤电厂3台循环流化床机组进行现场监测，在不同负荷条件下，采集并分析燃煤、烟气、飞灰、炉渣等样品的Pb含量，通过物料平衡核算，对循环流化床机组各环节Pb的迁移特性进行研究。结果表明：机组负荷变化对烟气、飞灰、炉渣的Pb含量影响不大，烟气Pb排放质量浓度均在2 μg/m3以下。电袋复合除尘处理后，烟气中颗粒态Pb的浓度总体低于气(溶胶)态Pb的浓度。Pb在炉渣和飞灰中均有富集，平均富集因子分别为2.16和3.02。飞灰较炉渣对Pb具有更强的富集能力，布袋灰中Pb含量略高于电除尘灰。循环流化床锅炉燃烧后Pb分布在飞灰、炉渣和外排烟气中的比例分别为62.49%、37.49%和0.02%，Pb释放率低于煤粉炉，在Pb污染控制方面更具优势。除尘过程对烟气中Pb的影响主要表现为飞灰对Pb的吸附和除尘器对飞灰的分离脱除，尤以后者为主。由于烟气中气(溶胶)态Pb所占的比例很低，Pb基本吸附在飞灰上，除尘效率的高低直接决定了Pb的去除效果。

燃煤电厂；铅；循环流化床；迁移特性

煤是我国最主要的能源，2012年我国煤炭总消耗量35.3亿t，其中煤电行业的煤耗量为17.4亿t，占总量的49.3%[1]。燃煤电厂大气Pb污染具有排放量大、排放集中、影响范围大的特点，是大气Pb污染的重要来源之一。由于烟气中的Pb较为稳定，容易在环境积尘和土壤中富集[2-3]，被人体摄入后产生累积毒性[4-5]，并可能导致儿童血铅[6]，故燃煤电厂大气Pb污染的环境健康风险不容忽视。目前，我国对燃煤电厂Pb污染危害的认识还不够充分，在烟气Pb排放标准[7]和污染防治上均未有明确的要求，只有少数几家单位开展过燃煤电厂Pb排放和迁移机理研究。万勤等[8]研究了石河子燃煤电厂Pb等重金属在飞灰中的富集因子。邓双等[9]通过实测分析了燃煤电厂Pb的释放率、烟气处理工艺对Pb的去除率以及Pb最终分布在燃煤副产物的比例。裴冰[10]对燃煤电厂烟尘中的Pb浓度进行实测，研究了燃煤电厂的Pb排放因子。王彬蔚等[11]研究分析了陕西省燃煤电厂各燃烧产物中Pb的含量。随着我国煤电行业技术的发展，循环流化床锅炉和电袋复合除尘器的应用更加广泛，但其烟气净化技术对Pb排放控制的影响未见报道。因此，本文选择3台典型的循环流化床锅炉开展燃煤电厂Pb的迁移特性研究，以期为燃煤电厂Pb污染防治措施的制定提供参考。

1 实验部分

1.1 电厂基本情况

鉴于目前装机容量300 MW的循环流化床机组最为常见，同时为比较相同和不同烟气处理管理水平存在的差异，本文选取广东省2家燃煤电厂3台300 MW的典型循环流化床机组进行研究，均采用电袋复合除尘烟气处理工艺。燃煤电厂的煤质分析结果见表1。

表1 燃煤电厂的煤质分析结果

1.2 样品采集和分析

目前我国没有专门针对燃煤烟气中Pb的标准监测方法，现行的《固定源废气 铅测定火焰原子吸收分光光度法(暂行)》(HJ 538—2009)只适用于废气中颗粒态Pb的测定，而实际上燃煤烟气中Pb以颗粒态和气(溶胶)态2种形态存在。本研究参照德国监测标准方法《金属、类金属及其化合物总排放量的测定》(VDI 3868)，同时测定燃煤烟气中颗粒态和气(溶胶)态的Pb。采样系统从烟气流中恒速取样，取样管线温度维持在120 ℃，颗粒态Pb由前端的石英纤维滤膜捕获，气(溶胶)态Pb由4个各盛有80 mL 3% HNO3·10%H2O2吸收液的吸收瓶收集，采样流量为20 L/min，最后用干燥剂将烟气中的水分干燥。采样时间2 h以上，以保证采集一定体积的烟气量，确保测试精度。同时，采用缩分法收集相应工况下的燃煤、飞灰、底渣等固体样品，每个样品约1 kg。实验室分析采用《电感耦合等离子体发射光谱法》(USEPA 200.7—1995)测定各样品中的Pb含量。

1.3 富集因子计算

Pb在飞灰或炉渣中的富集程度以富集因子EF[12]表示：

(1)

式中Mash、Mslag、Mcoal分别为Pb在飞灰、炉渣、燃煤中的含量(μg/g)。EF>1，表示在飞灰或炉渣中有富集的趋势；EF<1，表示有耗尽的趋势；EF=1则表示在燃烧产物中既不富集也不耗尽。

1.4 质量平衡计算

循环流化床锅炉燃烧过程中，输入的煤和石灰石中Pb部分释放到飞灰和烟气中，另一部分残留在炉渣中。根据质量平衡原理，循环流化床锅炉Pb的释放率(Y，即飞灰和烟气中Pb总量占系统Pb总量的百分比)按照式(2)计算；系统质量平衡率(RMB)则按照式(3)计算：

(2)

(3)

式中Fcoal、Flime分别为燃煤、石灰石小时消耗量，t/h；Fash、Fslag分别为飞灰、炉渣小时产生量，t/h；Fgas为烟气小时产生量，m3/h；Ccoal、Clime、Cash、Cslag分别为燃煤、石灰石、飞灰、炉渣中Pb含量，μg/g；Cgas为烟气中Pb质量浓度，μg/m3。

2 结果与讨论

2.1 燃煤电厂各物料中的Pb浓度

本研究监测了各机组在不同负荷下烟气中Pb的排放浓度，取样点均在除尘设施后，结果见表2。在各种工况共9次实验条件下，燃煤机组烟气中Pb的排放浓度都不高，《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)未涉及Pb的排放标准，若以《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)第二时段限值评价则达标。电厂1的1号和2号机组烟气中Pb排放浓度差异性不大，但与电厂2的3号机组比相对较高。同一机组排放的烟气Pb浓度相对稳定，受负荷影响不大。对于除尘率很高的电袋复合除尘器，处理后烟气中颗粒态Pb的浓度总体低于气(溶胶)态Pb的浓度，2号机组60%负荷时烟气中颗粒态Pb浓度略高于气(溶胶)态Pb浓度，可能受除尘器效率的轻微波动影响。可见，现行的《固定源废气铅的测定 火焰原子吸收分光光度法(暂行)》(HJ 538—2009)并不适用于燃煤电厂烟气。

表2 不同负荷下各燃煤机组烟气Pb排放监测结果

实验过程中电厂所用燃煤和石灰石的Pb含量比较稳定，电厂1煤中Pb含量约23 μg/g，石灰石中Pb含量为23～27 μg/g；电厂2煤中Pb含量约20 μg/g，石灰石中Pb未检出。不同工况下产生的飞灰和炉渣中Pb含量也比较稳定，电厂1飞灰中Pb含量为64～80 μg/g，炉渣中Pb含量为43～50 μg/g；电厂2飞灰中Pb含量为59～62 μg/g，炉渣中Pb含量约49 μg/g。

2.2 炉渣和飞灰中Pb的富集规律

燃煤机组产生的炉渣和飞灰中Pb的富集因子EF见表3。在所研究的循环流化床机组中，Pb在炉渣和飞灰的EF都很接近，Pb在炉渣中的EF为2.01～2.43，在飞灰中的EF为2.74～3.49。相比较而言，Pb在飞灰中的EF高于炉渣，说明飞灰对Pb具有较强的富集能力；飞灰中布袋灰中Pb含量略高于电除尘灰，原因在于布袋灰粒度更小，比表面积较大，因此对Pb的吸附能力更强。根据痕量元素挥发性分类(不挥发、中等挥发和易挥发3类)，Pb可归于中等挥发性元素，分析结果与文献报道[12]一致。

表3 炉渣和飞灰中Pb的富集因子EF

2.3 Pb质量平衡核算

根据燃煤电厂各物料的总流量和Pb含量，计算出对应的Pb流量和Pb质量平衡率(表4)。痕量重金属的系统平衡往往会有一定的误差，学术上一般认为，质量平衡率在70%～130%范围内最佳。本研究电厂1的Pb质量平衡率为140%～149%，电厂2的Pb质量平衡率为79%～85%，部分超出了70%～130%的最佳范围。考虑到取样和分析过程中有许多难以避免的影响因素存在，且本次实验的Pb质量平衡率即使超出最佳范围也偏离得不多，仍可认为实验结果总体是可接受的。

表4 燃煤电厂系统Pb流量与质量平衡率

2.4 Pb在各燃烧产物中的分布

在不同工况下，所研究的3台循环流化床机组各燃烧产物中Pb的分布比例很接近(表5)，飞灰中Pb分布比例为61.10%～65.65%，均值62.49%；炉渣中Pb分布比例为34.32%～38.89%，均值37.49%；外排烟气中Pb分布比例为0.01%～0.03%，均值0.02%。

表 5 燃煤电厂Pb在各燃烧产物中的分布比例 %

由此可计算得到循环流化床机组Pb的平均释放率Y为62.51%。文献[9]研究1台循环流化床机组得到Pb的释放率Y为84.99%，与本研究相比较高，可能由于该研究机组所用燃煤的低位发热量(16.77 MJ/kg)比本研究机组所用燃煤的低位发热量(12.4～12.9 MJ/kg)高，燃烧温度较高；同时该研究所用燃煤的Pb含量(34.9 μg/g)也较高，更容易释放出来。而煤粉炉机组Pb的平均释放率Y为 97.11%[9]，明显高于循环流化床机组，可能因为煤粉炉的燃烧温度(1 200～1 500 ℃)高于循环流化床机锅炉(800～1 100 ℃)，且燃煤粒径比循环流化床更小，煤中Pb析出更多，故释放率较高。

2.5 除尘过程对Pb迁移的影响

所研究的机组均采用电袋复合除尘工艺，除尘过程对烟气中Pb的影响主要表现为飞灰对Pb的吸附和除尘器对飞灰的分离脱除，尤以后者为主。为研究除尘器飞灰层对Pb的吸附作用，对电厂1的2台机组除尘器前后的气(溶胶)态Pb进行监测(见表 6)。可以看出，经过除尘器后，烟气中气(溶胶)态Pb浓度均显著降低，去除率为76.2%～93.0%，说明飞灰层对气(溶胶)态Pb具有一定的吸附作用。

由于烟气中气(溶胶)态Pb的分布比例很低，Pb基本吸附在飞灰上，因此除尘效率的高低直接决定了Pb的去除效果。电袋复合除尘器除尘率一般在99.9%以上，吸附了Pb的飞灰被除尘器脱除下来，对Pb的去除作用非常明显。另外，由于布袋灰中的Pb浓度高于电除尘灰，而电袋复合除尘器对细小颗粒捕集的效果较一般电除尘器更好，因此更有利于Pb的脱除。特别是对于Pb释放率更高的煤粉炉机组，建议采用电袋复合除尘器。

表6 除尘器前后气(溶胶)态Pb质量浓度对比

2.6 循环流化床燃煤电厂Pb的迁移特性

根据实验结果，可判断循环流化床机组中Pb的迁移特性。首先，煤在锅炉炉膛内燃烧，煤和石灰石中的小部分Pb(约37.49%)留存在炉渣中；由于高温的作用，大部分Pb(约62.49%)释放出来，经过炉膛、省煤器、空预器等时，随着烟气的冷却，绝大部分凝结吸附到飞灰表面。接下来，经过电袋复合除尘器时，Pb在飞灰层的作用下进一步被吸附，最终连同飞灰一起从烟气中脱除，富集在飞灰中，剩余的极少量气(溶胶)态Pb(约0.02%)则随烟气从烟囱排入大气环境。

3 结论

1)所研究的机组负荷变化对烟气Pb排放影响不大，排放质量浓度均在2 μg/m3以下。不同负荷下，相同机组的飞灰和炉渣中Pb含量比较稳定。电袋复合除尘处理后，烟气中颗粒态Pb的浓度总体低于气(溶胶)态Pb的浓度。

2)燃煤电厂Pb在炉渣和飞灰中均有富集，平均富集因子分别为2.16和3.02。飞灰较炉渣对Pb具有更强的富集能力，布袋灰中Pb含量略高于电除尘灰。飞灰和炉渣作为可综合利用的固体废物，往往忽视了监管，鉴于其潜在的Pb污染风险，应当加强燃煤电厂飞灰和炉渣存放、运输及利用等各环节的监管，减少无组织排放。

3) 循环流化床机组系统输出的Pb分布在飞灰、炉渣和外排烟气中的比例分别为62.49%、37.49%和0.02%，Pb释放率低于煤粉炉，在Pb污染控制方面更具优势。

4)除尘过程对烟气中Pb的影响主要表现为飞灰对Pb的吸附和除尘器对飞灰的分离脱除，尤以后者为主。由于烟气中气(溶胶)态Pb所占的比例很低，Pb基本吸附在飞灰上，因此除尘效率的高低直接决定了Pb的去除效果。

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[12] 秦攀.煤燃烧重金属生成规律的研究[D].杭州:浙江大学,2005:43-62.

Migration Characteristics of Lead in Fluidized Bed Furnace Coal-fired Power Plants

LIU Jun1, CHEN Geng1, TANG Nian2, KE Zhaoyue1, YANG Lihui1

1.Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510308, China 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China

Lead (Pb) is a harmful element and may cause environmental issues during coal combustion. A full-scale study of Pb migration was conducted at three fluidized bed furnace boiler units of two coal-fired power plants. Samples of coal, flue gas, fly ash, slag were collected under different load conditions of boiler units and their Pb content was also detected. Migration characteristics of Pb in all sectors of boiler units were studied by material balance accounting. The results revealed that changes of load had little effect on the Pb content of flue gas, fly ash and slag. Pb concentrations in flue gas emissions were less than 2 μg/m3. In the flue gas after electrostatic bag dust collectors, Pb content of particulates was less than that of aerosol. Pb accumulated in slag and ash, with average enrichment factors of 2.16 and 3.02. Fly ash had more enrichment capability of Pb than slag. Pb content of dusts in bag collectors was slightly higher than those in electrostatic collectors. After combustion, the proportion of Pb distribution was 62.49% in fly ash, 37.49% in slag and 0.02% in flue gas. As fluidized bed furnace boiler had a lower release rate of Pb than pulverized coal-fired boiler, it had more advantages in Pb pollution control. Effect of dust removal process on Pb in flue gas mainly occurred as fly ash adsorption on Pb and dust collector separation on fly ash, the latter dominated. Because the proportion of Pb in flue gas was low and Pb was basically adsorbed on fly ash, the dust removal efficiency directly determined the removal efficiency of Pb.

coal-fired power plant; lead; fluidized bed furnace; migration

2016-03-04;

2016-04-10

广东省环保专项资金项目(2110399)

刘 军(1969-)，男，湖南醴陵人，硕士，高级工程师。

X822.7

A

1002-6002(2016)04- 0069- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.13