中国动力煤汞含量特征及应用限值研究
0 引 言
联合国环境规划署(UNEP)报告明确指出,燃煤电厂是最大的人为汞污染源[1],其中亚洲的燃煤电厂汞排放最多,每年约排放860 t,超过全世界汞排放总量的1/3[2,3]。中国为燃煤大国,2016年一次能源产量34.6亿t标准煤,而原煤产量近34亿t,其中50%以上用于燃煤发电[4]。燃煤过程中,由于炉内高温,煤中几乎所有的汞燃烧后均以Hg0和Hg2+的形态存在于烟气中[5],该形态的汞蒸气具有特殊的传输特性,可形成大范围的汞污染并参与全球的汞循环,对人体健康、生态环境等均有不同程度的危害,因此近年来高汞煤的利用对环境的影响已引起国际环境、卫生界的极大关注[6-11]。
煤作为燃料或原料,大气环境标准及相关下游工业产品中对汞的含量均有要求,在目前燃煤汞排放控制技术并未完全成熟的情况下,针对我国高汞含量的煤炭资源情况和加工利用现状,研究提出我国动力煤中汞含量的限值,从源头上最大限度地减少当前高汞煤在利用中造成的危害就显得十分必要。
回顾两年来的魔方主题学习,学生从认识魔方开始,到魔方一面还原,到魔方六面还原,最后到组装魔方。魔方成了学生的宝贝,有的学生甚至玩“破”了好几个魔方。在这节课中,虽然实验任务难度较高,但学生在计算魔方块总数时积极地调动经验,而又不囿于经验,大胆推测再到实践检验,这种批判性思维的成长令人欣慰。在拆拼魔方任务中,学生思考与操作相结合,从随机拼装方块到有序拼装,空间观念得到了进一步发展。
1 煤中汞的分布与赋存特征
1.1 煤中汞的分布特征
依据中国煤种资源数据库,对全国范围内不同矿区1 100余个煤样中汞含量的数据进行统计分析,结果见表1及如图1所示。
表1 煤中汞(Hgd)的统计数据 μg/g
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含量范围加权平均值标准差样品数/个0~6 20 1540 2441123
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图1 中国煤中汞的分布
由表1和图1可见,煤中汞含量分布范围较宽,其中大多数汞含量分布范围为(0~6.2)μg/g,加权平均含量为0.154 μg/g。自然界大多数煤中汞含量处于n×10-1μg/g数量级,煤中汞含量与煤层所经历的沉积和构造作用有关,不同煤中汞含量常有明显差异[12]。但从总体上看,中国、美国及世界各国煤中汞平均含量基本在同一水平上。
我国各大聚煤区的汞含量(Hgd)分布不均衡,其分布情况见表2。由表2可看出,华南、华北地区煤中汞含量总体水平较高;东北、西北地区煤中汞含量普遍较低,此与煤质分布特征表现出相同的规律性。华南各时代、各煤田煤中灰分、硫分较高,相应汞含量总体水平也较高,而西北早中侏罗世煤以低灰、低硫煤为主,东北晚侏罗世-早白垩世煤,特别是褐煤虽其具有较高的平均灰分含量,但全硫含量较低,煤中汞含量总体水平相对较低[13]。
表2 不同聚煤区煤中汞含量(Hgd)分布 μg/g
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聚煤区含量范围算术平均值标准差华南0~6 20 2360 364东北0~0 80 0930 102华北C3-P10~1 10 1790 142华北J1-20~2 00 1480 225西北0~0 40 0860 085
注:C3~P1为晚石炭世~早二叠世;J1-2为早、中侏罗世。
1.2 煤中汞的赋存特征
按式(5)换算成煤中干燥基汞含量(Hgd):
(3)灰分。根据中国煤种资源数据库,中国煤中平均灰分(Ad)以21.49%计,依据式(6),燃煤灰渣达到GB 15618对总汞的要求时,煤中汞的限值含量结果见表9。
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图2 不同密度级产物中汞含量变化曲线
由图2可看出,浮沉实验中汞主要在重密度级产物中富集,其在最重密度级产物中含量常常可达其在轻密度级产物中的10倍以上。同时,大多数煤中汞在最轻密度级产物(-1.3 g/mL)中含量高于其在次轻密度级产物(1.3 g/mL~1.4 g/mL)中含量,与镜质组在浮沉试验不同密度级产物中的分配规律相似,表明汞可能主要赋存于黏土矿物及硫铁矿中,同时大多数情况下,汞在镜质组中的含量可能高于其在惰质组中的含量,无论其是以有机结合态或以微细粒单独矿物形式分布[14]。
2 动力煤燃烧过程中汞迁移、转化研究
为考察动力煤燃烧利用中汞的迁移、转化规律,笔者所在的课题组选取东北长焰煤、西南高硫焦煤和无烟煤作为试验用煤,按照GB/T 16659《煤中汞的测定方法》测定煤样中的汞含量,并采用管式炉燃烧试验装置分解试样以研究煤中汞在不同反应条件下形态迁移特征[4]。煤样的工业分析及煤中汞含量结果见表3。试验结果分析汇总如下:
(1)温度对汞析出率的影响。由高汞煤样在200 ℃加热0.5 h及500 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃燃烧0.5 h时后灰渣残留汞的含量推算出煤中汞的析出率,对其分析可知:高汞煤样在200 ℃加热0.5 h时其汞析出率可高达70%,燃烧温度500 ℃时0.5 h时其汞析出率可高达90%,在700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃燃烧0.5 h时其汞析出率均已接近100%。即高汞煤样燃烧时其煤中汞主要以气态方式进入烟气,并在很短时间内即可基本完全析出。不同燃烧温度对某高汞煤样汞析出率的影响如图3所示。
表3 煤样的工业分析及煤中汞含量
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编号工业分析Mad/%Ad/%Vd/%FCd/%Hgd/(μg·g-1)东北长焰煤(煤样A)4 9429 9029 9640 140 613西南高硫焦煤(煤样B)1 1351 9915 5132 500 392无烟煤(煤样C)1 5750 9419 9829 080 112
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图3 燃烧温度对某高汞煤样汞析出率的影响
(2)煤中汞形态迁移变化规律。选择3种高汞煤样在温度700 ℃、900 ℃、1 100 ℃石英管式炉中进行富氧状态下的燃烧试验,采用安大略方法吸收烟气中的汞,并对燃烧0.5 h后的吸收液测试其价态汞含量,结果如图4所示。由图4可知:汞在烟气中的形态分布与燃烧温度密切相关;烟气中汞在不同燃烧条件下均主要以二价汞(Hg2+)和零价汞(Hg0)形式存在;随着燃烧温度升高,在烟气中零价汞含量逐渐降低,二价汞含量逐渐升高。
(1)汞排放因子。汞排放因子(EF)即燃煤过程中汞向大气排放的比例。为了减少气态汞的排放,燃煤电厂采取了许多有效的措施。如燃前洗选可获得约21%~37%的去除率[16];飞灰对原煤中汞的脱除率可达13%~80%[17];活性焦对汞的脱除率可达90%以上[18]等。
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图4 燃烧温度对烟气中汞形态分布的影响
3 动力煤汞含量应用限值研究
3.1 燃煤烟气汞排放研究
3.1.1 研究方法
按照国家相关标准规定的污染物中汞的排放限值,依据煤质特征、汞排放因子等参数计算煤中汞含量限值。该方法的步骤如下:①计算煤完全燃烧产生的烟气量;②依据燃煤大气汞排放因子,推导燃煤排放烟气中汞的浓度;③依据标准中限值反推煤中汞含量限值。
坚持探索创新,不断提升稽查执法工作水平。总队积极贯彻落实国家总局和省局“创新监管手段、提高工作效能”精神,2015年完成投诉举报信息化系统省、市联通,在此基础上,进一步创新开发了稽查案件管理系统。目前,投诉举报信息化系统二期工程已全面启动,将实现省、市、县三级全覆盖。率先建立了食品药品快检实验室,为监管提供技术支撑,也为全省食品药品快检工作做出了示范。
3.1.2 公 式
1 kg煤完全燃烧所需要的理论空气量(V0,m3/kg)见式(1)[15]。其中,Car为煤中收到基碳含量,%;Sar为煤中收到基硫含量,%;Har为煤中收到基氢含量,%;Oar为煤中收到基氧含量,%。
V0=0.088 9(Car+0.375Sar)+
0.265Har-0.033 3Oar
(1)
1 kg煤完全燃烧产生的烟气量(V,m3/kg):
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(2)
以一般烟气密度为1.3 kg/m3计,根据式(1)、式(2)可计算出不同煤种动力煤完全燃烧所产生的烟气量(V):无烟煤平均为10.10 Nm3/kg,贫煤为8.65 Nm3/kg,其他烟煤为8.87 Nm3/kg,褐煤为5.95 Nm3/kg。
在建立AKI模型1周后,治疗组小鼠腹腔注射剂量为100 mg/kg·d-1的参麦注射液,大黄制剂方:大黄1.5 g,黄芪2.0 g,茯苓1.5 g,菊花1.5 g,川芎1.0 g,甘草1.0 g,丹参1.0 g,加水50 mL,煎煮取汁30 mL,每天分别将1.5 mL温度37℃的大黄制剂进行灌肠,保留时间为30 min。连续给药7天,损伤组和对照组小鼠则注射等体积的生理盐水,连续7天。
按式(3)反推要达到标准规定的汞最高允许汞排放浓度要求。
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(3)
式中,EF为汞排放因子,%;Hgar为煤中收到基汞含量,mg/kg;Elim为标准规定的最高允许汞排放浓度,mg/Nm3。
(2)燃煤汞迁移至灰渣中比例值。对于装备有烟气脱硫装置的燃煤电站,煤中汞向大气中的排放因子可降至40%左右;研究以40%计,则燃煤汞迁移至灰渣中比例η为60%。
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(4)
煤中汞的赋存状态比较复杂,通过洗选或烟气处理降低汞排放时均须首先考虑汞赋存状态的影响,以确定最经济合理的技术路线。选取10个代表性煤样并运用浮沉试验和煤岩显微组分分析相结合的手段,以研究煤中汞在煤岩组分中分布的一般状况[14]。浮沉实验不同密度级产物中汞含量变化曲线如图2所示。
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(5)
式中,Mt为煤中全水分,%。
威县的葡萄基地则是我国五大葡萄产区中唯一符合最适宜区7项指标要求的优生区,常年种植优质葡萄10万亩以上。近年来,威县按照供给侧改革发展理念,通过产业结构调整,大力发挥葡萄种植科普示范基地、葡萄种植专业合作社等组织的作用,引导农户强力推广成熟的葡萄种植技术和优质的葡萄品种,使威县葡萄种植产业逐步成为带动农民增收致富的又一大主导产业。
3.1.3 相关指标的确定
一天,爱德华多很晚才从街上回家,看到克里斯蒂安的黑马拴在木桩上。老大穿着他那身最体面的衣服在院子里等他。女人捧着马黛茶罐进进出出。克里斯蒂安对爱德华多说:“我要到法里亚斯那儿去玩。胡利安娜就留给你啦;如果你喜欢她,你就派她用场吧。”
按照目前大多数学者的研究结果,对于只采用静电除尘装置而未配备烟气脱硫装置的燃煤电站,汞的平均排放因子一般在75%左右;由于烟气脱硫装置对汞也有一定的脱除率,因此对于装备有烟气脱硫装置的燃煤电站,汞的排放因子可降至40%左右;对于采用先进技术的吸附剂法脱汞,汞的排放因子可降至10%左右,为此,笔者在对煤中汞含量限值的研究中将汞排放因子主要分为0.75、0.4两个等级。
(2)煤燃烧烟气量。依据《中国煤种资源数据库》,典型动力商品煤工业分析和元素分析平均数据见表4。
式中,Aar为煤中收到基灰分,%;α为空气过剩系数。
表4 中国不同煤种动力商品煤的平均灰分和元素组成
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煤类工业分析/%MarAarVdaf元素分析/%CarHarOarNarSt,ar无烟煤035 218 228 1169 992 132 630 820 95贫煤5 428 8217 7056 862 682 870 892 75其他烟煤8 721 9733 0457 833 496 410 920 9褐煤26 120 0147 1938 682 6511 000 740 54
3.1.4 结果与讨论
根据上述公式和数据,要满足GB 16297中规定的不同要求,对于不同装备水平和负荷的燃煤锅炉来说,煤中汞含量的限值结果见表5~表7。
表5 GB 16297最高允许排放煤中汞含量限值 μg/g
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煤种现有污染源EF=0 75EF=0 40新污染源EF=0 75EF=0 40无烟煤030 2130 3990 1700 319贫煤0 1830 3430 1460 274其他烟煤0 1940 3640 1560 292褐煤0 1610 3020 1290 242
由表5可见,对于无烟煤锅炉,煤中汞含量在0.210 μg/g以下时,在不配备烟气脱硫装置的情况下可满足最高允许排放浓度的规定;当煤中汞含量在0.400 μg/g以上时,须使用烟气脱硫装置才能使烟气中汞含量达到最高允许排放浓度的要求。对于贫煤、其他烟煤锅炉及褐煤锅炉,相应的煤中汞含量临界值分别在0.190 μg/g、0.350 μg/g~0.160 μg/g、0.300 μg/g左右。对一座300 MW的燃煤发电机组,其燃煤量一般在120t/h ~140 t/h。
由表7可见,当烟囱高度为50 m、煤中汞含量在0.20 μg/g以下时,即使不采用烟气脱硫装置,其烟气中汞含量也可满足最高允许排放速率“二级”标准的规定;而当汞含量在0.35μg/g~0.45μg/g时,必须使用烟气脱硫装置,其燃煤烟气中汞含量才能达到最高允许排放速率“二级”的要求。由表5、表6可看出,对于煤中汞含量在0.100 μg/g以下的煤,无论对于新污染源还是现有污染源,无论是否采用烟气处理装置,其排放浓度和速率大多可满足GB 16297的要求。
表6 达到GB 16297新污染源最高允许排放速率“二级”标准时煤中汞含量(Hgd)限值 μg/g
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排气筒高度/m每小时燃煤量/(t·h-1)50EF=0 75EF=0 475EF=0 75EF=0 4100EF=0 75EF=0 4125EF=0 75EF=0 4150EF=0 75EF=0 4150 0400 0750 0270 0500 0200 0380 0160 0300 0130 025200 0690 1300 0460 0870 0350 0650 0280 0520 0230 043300 2080 3900 1390 2600 1040 1950 0830 1560 0690 130400 4000 7500 2670 5000 2000 3750 1600 3000 1330 250500 6131 1500 4090 7670 3070 5750 2450 4600 2040 383600 8801 6500 5871 1000 4400 8250 3520 6600 2930 550
表7 达到GB 16297新污染源最高允许排放速率“三级”标准时煤中汞含量(Hgd)极限 μg/g
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排气筒高度/m每小时燃煤量/(t·h-1)50EF=0 75EF=0 475EF=0 75EF=0 4100EF=0 75EF=0 4125EF=0 75EF=0 4150EF=0 75EF=0 4150 0640 1200 0430 0800 0320 0600 0260 0480 0210 040200 1040 1950 0690 1300 0520 0980 0420 0780 0350 065300 3470 6500 2310 4330 1730 3250 1390 2600 1160 217400 6131 1500 4090 7670 3070 5750 2450 4600 2040 383500 9331 7500 6221 1670 4670 8750 3730 7000 3110 583601 3332 5000 8891 6670 6671 2500 5331 0000 4440 833
3.2 燃煤灰渣中汞对土壤的影响
燃煤灰渣堆放使用过程中,其汞对土壤环境会造成影响。为减少灰渣中汞对土壤影响,燃煤中汞含量应满足式(6)。其中,Hgd为煤中汞含量,μg/g;Ad为煤干基灰分产率,%;η为燃煤汞迁移至灰渣中比例值;LHg为土壤中汞含量限值,μg/g。
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(6)
根据式(6)可推导出煤中干基汞含量限值。其中对LHg、η、Ad等指标作如下规定。
(1)土壤中汞含量限值。GB 15618《土壤环境质量标准》中对土壤中总汞含量有不同分级要求,见表8。
表8 GB 15618《土壤环境质量标准》对土壤中汞含量要求 μg/g
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级别一级二级三级土壤PH值自然背景<6 56 5~7 5>7 5>6 5总汞≤0 15≤0 30≤0 50≤1 0≤1 5
由式(3)转换成式(4):
2) 移动基站。通过获取手机连接的基站信息在运营商的库中转换成对应的经纬度,将经纬度对应到地图上。基站定位的优点是只要有手机信号就能定位,在室内和室外均可,无成本;缺点是定位误差大,无法在室内进行精准定位。
二环路标准横断面为四幅路形式,可供安装喷洒装置的位置包括中央隔离带以及主辅隔离带。从管线布设空间、喷洒方向与路拱横坡的结合方式、施工难度、后期维护等方面进行综合比选,优缺点对比见表1。
目前大多数教师在临床实践期间主要从事临床护理工作[2]。各院校护理系根据教师所学专业及已从事临床护理和医疗实践年限的不同提出相应要求,将其分为掌握工作环境特点、熟悉护理工作常规、辅助参与护理工作、了解诊疗护理发展现状并兼职指导护生等内容[3]。教师在临床实际工作中即能了解护理程序、直接观察病情变化和进行健康教育,也能收集较为典型的临床病例用以丰富教学内容,使枯燥的理论知识讲授变得生动有趣,更具说服力,进而提高教学能力。
3.3 燃煤灰渣中汞对水体的影响
根据燃煤灰渣中汞向水体的淋滤迁移规律,结合中国相关水体中关于汞的排放限值规定以及中国电厂的耗水情况,可以推导出满足相关水体汞排放标准时电厂用煤的汞含量限值。
表9 GB 5618不同土壤煤中汞(Hgd)极限值 μg/g
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级别一级二级三级土壤pH值自然背景<6 56 5~7 5>7 5>6 5煤中汞含量0 050 110 180 360 54
3.3.1 研究方法
GB 20426《煤炭工业污染物排放标准》中对煤炭工业废水污染物中总汞浓度进行了规定,即日最高允许排放浓度为总汞不大于0.05 μg/g。电厂排出污水中汞含量若满足GB 20426中规定,原煤中汞含量值应满足式(7)。
SHgϑηγ≤(LHg-Ιs)
(7)
式中,SHg为原煤中汞含量,μg/g;ϑ为原煤中汞燃烧过程中向灰渣中迁移比例;η为灰渣中汞在淋滤过程中向水体迁移比例;γ为电厂生产单位电量所用煤质量与用水质量比值;LHg为标准规定污水汞含量限值,μg/g;Ιs为电厂用水中汞含量值,μg/g。
根据式(7)可推导出电厂用煤汞含量限值SHg计算公式,见式(8)。
疾病是脱贫人口返贫的一个重要因素,俗话说“人吃五谷杂粮,难免会生病”。疾病具有突发性、持久性、不可预知、经济支出大等特点。普通家庭一旦有人得病,不仅仅会丧失1个劳动力,少了收入来源,更会背上沉重的医药费负担,直接导致家庭贫困。这种现象在农村时有发生,成为脱贫后再返贫的重要原因。
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(8)
3.3.2 结 果
对燃煤灰渣淋滤试验表明,汞为较易淋滤元素,淋滤液pH值越低其越易淋滤;在自然淋滤条件下,燃煤灰渣中汞淋出率约20%。研究对燃煤固态产物中汞的平均淋出率η以25%计。
常规电厂每发1 000度电,需耗水3 t~4 t。按照常规电厂的发电煤耗,约为每燃烧1 t煤,同时耗水10 t计,冲灰水以3t计,则γ以0.3计。同时假定淋出的汞全部进入冲灰水,自来水含汞Ιs以0.000 01 mg/L计。根据以上设定,则可计算出燃煤汞排放达到相关标准时煤中汞含量限值,即煤中汞限值(Hgd)为1.11 μg/g。
4 动力煤汞含量应用限值提出
参考大气、水体及土壤标准中汞排放限值反推动力煤汞含量的上限值,根据反推结果并综合考虑中国煤中汞的分布、赋存特征等多种因素,研究提出我国动力煤汞含量的上限值应控制在0.600 μg/g,即动力煤利用中不宜采用高汞煤。
根据GB/T 20475.4—2012,高汞煤是指汞含量(Hgd)在0.600 μg/g以上的煤,此类煤即使在配备烟气脱硫装置情况下,燃煤烟气中汞含量及排放速率也难以同时满足最高允许排放浓度和排放速率的规定,必须采用燃前脱汞手段或开发先进的、针对性强的燃煤汞排放控制技术,才能保证排放达标。中国有约1.78%的煤属于高汞煤,该分类方案也基本与世界煤中汞含量分布特征相适应。
5 结 论
(1)煤中汞含量分布范围较宽,其中大多数煤中汞含量分布范围为(0~6.2)μg/g,加权平均含量为0.154 μg/g。汞在各大区的分布不均衡,其中华南、华北地区煤中汞含量总体水平较高,东北、西北地区煤中汞含量普遍较低。
南国社的戏剧演出力图达到自然真实的艺术效果,同时注重营造感伤浪漫的氛围,引起了青年人及上海舆论界的轰动。“南国社在戏剧上的投石虽然小,但青年间的反响却相当大。他们除了以陶醉的要求来接近我们的戏剧的以外也很有能站在一定的立场来批评我们的。”[26]115
(2)浮沉实验结果表明,汞主要赋存于黏土矿物及硫铁矿中,同时大多数情况下汞在镜质组中的含量要高于其在惰质组中的含量。煤中汞在煤炭燃烧时主要以气态方式进入烟气,且其形态分布与燃烧温度有关。
工件表面是否有锈、油污、氧化膜,或是否进行过其它表面处理即工件表面是否洁净和表面活性如何等等,都会影响表面对化学反应的催化或产生机械阻碍作用。因此,渗碳前对刀片除锈、打磨,处理后,铡草机刀片刃面进行局部气体渗碳(渗碳区域如图2所示),对其它部位刷防渗剂。
(3)中国动力煤中汞含量的应用上限值应控制在0.600 μg/g。
参考文献:
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