燃煤耦合污泥发电过程重金属、砷和硒迁移转化试验研究-第2页-北极星火力发电网

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2.5 重金属、As和Se质量分配

可根据燃煤系统物质输入、输出质量及污染物质量浓度，计算重金属、As和Se的输入和输出情况。输入物质为煤粉、污泥和石灰粉，输出物质为炉渣、粉煤灰、脱硫石膏、脱硫废水液相和净烟气，进出系统各物质的流量见表2。未考虑入炉空气和脱硫工艺水（取自地表水）携带进入燃煤系统的污染物。

带入系统中的重金属、As和Se的质量记为Ini，i=1, 2, 3，分别为煤、污泥和石灰粉。

式中：Bi为煤、污泥或石灰粉的输入量；Mari为对应物质的收到基水分；ωi为对应物质中污染物的干基质量浓度。

锅炉灰渣比按9:1计算，带出系统中的重金属、As和Se的质量记为Outj，j=1, 2, 3, 4, 5，分别为炉渣、飞灰、脱硫石膏、脱硫废水和烟囱气。

式中：Aar1、Aar2为入炉煤、湿污泥的收到基灰分，%；msg、mfs为石膏、脱硫废水的产量，t/h；ωsg、ωfs为石膏、脱硫废水中痕量元素的质量浓度，mg/kg；Vgas、ωgas为标况下净烟气的体积流量（m3/h）和各元素的质量浓度（mg/m3）；未掺烧污泥工况下，取B2=0。

由于工业现场条件限制、物质流估算偏差、采样偏差和测量误差的存在，通常污染物总输出量为总输入量的70%~130%即可接受。计算了12种测定元素的质量平衡率，结果如图5所示。由图5可见：Ni、Co、Mn、V和Se在2个工况下的质量平衡率均在70%~130%；而Cr、Cd、Zn和Cu 4种元素超过此范围；其余元素在某一工况下略超出上述范围，可能主要由采样偏差引起。

图5 重金属、As和Se质量平衡率

根据入炉煤量、污泥掺烧量和污染物质量浓度，计算得到燃煤电厂掺烧污泥过程中重金属、As和Se的输入总流量及通过污泥输入系统的质量占比如图6所示。由图6可见，通过污泥携带进入的污染物比例极低，占比最高的Cd仅为0.44%，主要原因是污泥中Cd的含量显著高于煤粉。

图6 输入系统重金属、As和Se总质量流量及通过污泥带入系统占比情况

根据各输出产物的质量流量和污染物质量浓度，计算2种工况下重金属、As和Se在各输出方式中的占比情况，结果如图7所示。由图7可见：2种工况下，释放到大气中的Hg均约占总输出的28%，明显高于其他重金属，与文献中的比例相当；挥发性较高的Hg、Cd、Pb、As和Se在脱硫系统和烟囱气中分配比率（13%~29%）较高；Cu和Mn等不易挥发元素在炉渣和飞灰的分配比率（89%~98%）较高；脱硫装置协同脱除Cd、As和Se等挥发性较强元素的比例在14%~24%之间，高于对非挥发性元素的脱除比例。

图7 2种工况下重金属、As和Se各种输出方式占总输出的质量比

尽管广泛认为As元素挥发性较高，但通过烟气排出系统的As占总输出的比例小于1%，这可能与As的颗粒态分布或As与矿物的交互作用有关。

2.6 掺烧污泥比例或元素质量浓度的风险评估

随着国家能源局、环保部下发的《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》，燃煤电厂掺烧污泥成为重要的污泥处置技术路线。掺烧污泥对重金属大气排放的影响比较复杂，利弊共存。总体上，有机污泥的掺烧量及其污染物含量是影响燃煤耦合污泥发电过程重金属排放的最主要因素。但在具体的掺烧实践中，污泥掺烧的比例往往由干燥出力、着火稳定性等热力参数决定，较少考虑到重金属风险对掺烧量的限制。

本文掺烧约1%纸厂污泥，没有明显改变重金属、As和Se在输出物质中的分配比率及大气排放。假设污泥掺烧过程中污染物的排放水平与输入的污染物量线性相关，污泥掺烧的量并不改变污染物在不同输出物质中的分配比率。基于此假设，评估污泥掺烧量10%、污泥中污染物质量浓度增加9倍、99倍情况下，炉渣、飞灰和烟气中的污染物含量，结果见表3。由表3可知：若将本研究中所使用的污泥掺烧量提升至10%，污染物的质量浓度提升至现污泥的10倍、100倍，烟气中的污染物质量浓度均显著增加，Hg的质量浓度为试验工况的1.1和2.4倍；污泥污染物质量浓度增加99倍工况下，元素Cd变化最大，其在烟囱气中的质量浓度增加为试验工况的5.7倍。对比发现，即使在污染物质量浓度为现污泥的100倍、掺烧量为10%工况下，预测烟囱气中Hg质量浓度小于0.03 mg/m3，As、Pb、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、V的质量浓度之和约0.32 mg/m3，仍低于《欧盟工业排放指令》2010/75/EU的限值（0.5 mg/m3）。

表3 掺烧10% 3种不同质量浓度污泥时烟气、飞灰和炉渣中重金属、As和Se预测值

对于污泥中污染物质量浓度不变，仅增加掺烧量至10%的工况，由于污泥与煤粉中对应元素的含量相近，增加掺烧量虽然导致污泥带入系统的各元素量增加，但飞灰和炉渣的量也增加了，最终在烟囱气、飞灰和炉渣中各重金属元素、As和Se的变化不大。污染物质量浓度提升100倍、掺烧量为10%，预测灰渣中各污染物的质量浓度增至掺烧试验工况的2.4~5.5倍，元素Cd的质量浓度变化最大。

飞灰、炉渣作为重要的建材原料，虽然在《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GBT 1596—2017）标准中尚无关于重金属的相关要求，但也应根据飞灰的重金属总量、水泥产品在特定的应用环境下重金属的生物有效性和浸出毒性等进行综合评定，降低环境风险。

为了将环境风险降至最低且不影响灰渣的综合利用，应采取以下措施：1）对入厂污泥、煤粉和烟囱气中污染物含量定期检测等风险管控措施；2）建立起污染物含量与掺烧比例的定量关系，确定某种污泥的最大掺烧比例或入炉污泥污染物含量限值；3）定期定量分析灰渣中污染物含量，保证飞灰等产品的综合利用不会造成环境影响。

3 结论

1）掺烧1%污泥没有显著改变飞灰、炉渣、烟囱气和脱硫石膏中重金属、As和Se的质量浓度和在各输出物质中的质量分配比例。烟气中Hg质量浓度低于《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）中规定的排放限值0.03 mg/m3。

2）煤和污泥掺烧后，绝大部分痕量元素转移至飞灰和炉渣中；挥发性元素在脱硫石膏中的富集比率明显高于非挥发性元素，挥发性最强的Hg约有30%被脱硫系统捕集。

3）将所研究的污泥掺烧量提升至10%、污染物质量浓度提升至100倍，预测Hg的大气排放增加至0.003 7 mg/m3，仍满足相关要求。由于污泥成分复杂多变及脱水工艺优化使入厂污泥含水率降低，在确定掺烧比例时仍应需考虑重金属输入量增加带来的环境风险。应定期对入炉污泥、煤粉和烟囱气中的重金属、As和Se的含量进行监测。

引用本文格式

刘笑, 丹慧杰, 房凡, 等. 燃煤耦合污泥发电过程重金属、砷和硒迁移转化试验研究[J]. 热力发电, 2022, 51(5): 65-72.

LIU Xiao, DAN Huijie, FANG Fan, et al. A test study on migration and transformation of heavy metals, As and Se in coal and sludge co-firing power generation system[J]. Thermal Power Generation, 2022, 51(5): 65-72.

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