内蒙古燃煤电厂燃烧烟气中汞的形态与汞同位素特征研究

作     者：王利娜 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤顺林

授予年度：2016年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：烟气中汞的形态 释汞量 汞同位素 质量分馏 非质量分馏 燃煤电厂 内蒙古 

摘      要：论文根据美国环保局(EPA)的烟气汞采样方法—Ontario Hydro Method(OHM)方法,采用美国环保供应公司(ESC)生产的C-5000烟气采样仪,采集和研究了内蒙古两种不同燃煤类型的三个典型燃煤电厂排放烟气中不同形态汞、入炉煤和燃煤副产物(底灰、飞灰、石膏等)中的汞含量,估算了中国最大产煤省—内蒙古燃煤电厂的汞排放量;详细探讨了其中一个褐煤热电厂燃烧烟气中不同形态汞和燃煤副产物中的汞同位素组成特征,并初步探讨了燃煤过程的汞同位素分馏机制,取得了以下有意义的成果:(1)在目前的高效脱硝+除尘+湿法脱硫设施运行下,燃煤电厂排放的烟气主要以原子态汞(85%)释放,颗粒态汞(2%)与氧化态汞(15%)只占排放烟气中总汞(Hgt)含量的一小部分。(2)内蒙古烟煤和褐煤中汞含量相差不大,其中烟煤含汞量为0.16±0.04μg/g(1SD),褐煤汞含量为0.19±0.05μg/g(1SD);煤中汞经过高温燃烧大部分释放进入烟气中,底灰中汞含量(占煤中汞的1.11%)较低;煤中汞经过高温燃烧主要富集于飞灰中,布袋除尘器收集的飞灰(0.64±0.08μg/g,1SD)富集汞程度远高于静电除尘器(0.22±0.03μg/g,1SD);湿法脱硫系统对氧化态汞具有明显的去除效果(874%),脱硫石膏中的汞与煤中汞含量基本相当。(3)三个研究电厂的汞质量平衡结果均较好,表明研究方法可靠,由此获得了燃煤电厂随烟气释放到大气中的直接释汞因子和随燃煤副产物排放到环境中的间接释汞因子,估算了2007-2014年内蒙古乃至全国燃煤电厂年排汞量。内蒙古燃煤电厂汞排放量最高为2012年的24.22t,推算我国在大气污染控制实施以来每年直接向大气的年排汞量约100t;2012年内蒙古燃煤电厂随飞灰和石膏的排汞量分别为80.49t和10.56t,全国燃煤电厂随飞灰和石膏排汞量分别为300t和40t。(4)燃煤电厂排放的飞灰和石膏为建材行业的原料,赋存于飞灰和石膏中的汞在利用过程的高温燃烧工段几乎全部二次释放到大气中,由此推算,在目前的高效脱硝、除尘和脱硫设施运行下,燃煤电厂并不是排放到大气中汞的最大释放源,最大的大气排汞源可能是以粉煤灰和石膏作为原材料的工业行业。(5)首次实测了燃煤烟气中不同形态汞的同位素信息。煤燃烧过程及尾气污染控制设施使入炉煤中的汞同位素产生了显著的汞同位素质量分馏(MDF),而未产生非质量分馏(MIF)。烟气经喷氨还原脱硝(SCRs)和静电除尘(ESPs),烟气中氧化态汞和原子态汞的δ202Hg值与入炉煤相比分别富集0.7‰和1.45‰的重同位素;燃煤烟气进一步经湿式脱硫系统(WFGDs),烟气中氧化态汞及原子态汞更进一步富集汞的重同位素,δ202Hg富集程度与入炉煤相比分别为1.7‰和2.6‰,复杂的褐煤燃烧过程使最终释放到大气中的原子态汞呈正的δ202Hg值。(6)统计分析(p0.05)表明煤(δ202Hg=-2.04±0.50‰,2SD)、底灰(δ202Hg=-0.41±0.06‰,2SD)、尾气污染控制设施副产物(δ202Hg=-2.20±0.24‰,2SD,包括飞灰与石膏)和烟气中不同形态的汞同位素组成差异明显,并可以从汞同位素组成上明显分辨出来。(7)入炉煤及燃烧副产物的所有样品(包括底灰、飞灰、石膏、循环水及脱硫前、后烟气中的氧化态汞和原子态汞)中Δ199Hg均表现为显著负值,且在燃烧和尾气处理过程中没有明显的变化。(8)褐煤热电厂石灰石-石膏湿法脱硫后排放到大气中的原子态汞δ202Hg值显著偏正(变化范围从0.30.85‰)及显著的Δ199Hg负值特征可用来示踪和量化大气、陆地生态系统中来自于褐煤燃烧排放的汞。(9)瑞利分馏可能是燃煤系统汞同位素分馏的主要机制之一。