贵阳市燃煤烟气中汞在大气中传输的数值模拟及敏感性数值试验

利用中尺度非静力大气化学模式(MESO-NHC),以及目前大气中臭氧(O3)和氢氧基(OH)对汞氧化的研究成果,研究贵阳市原煤燃烧产生的大气汞传输,以及φ(大气汞)对Hg0的干沉积速率,OH与元素汞(Hg0)的反应率常数的敏感性.结果表明:①模拟区内实际大气中φ(Hg0)为局地人为排放源和自然排放源共同作用的结果,二者所占比例大致相当.②由于化学和沉积特性不同,φ(Hg0),φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP)随着与排放源距离增加而衰减的程度存在差异,排放源对附近地区φ(大气汞)及各种形态汞所占比例影响较大;在远离排放源的地方,大气中的Hg(Ⅱ)和HgP主要来自于Hg0不断的氧化作用.③φ(大气汞)表现出2种不同的垂直分布特征,在一定高度以下φ(Hg0)随高度线性递减,而在该高度之上直到对流层顶φ(Hg0)几乎保持同样的数值;φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP)随高度的变化遵循指数递减规律.φ(Hg0)随高度和与排放源距离增加而衰减的程度不及φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP),主要是由于Hg0通过化学反应和沉积而离开大气的量少,能较充分通过平流扩散和垂直输送作用输送到离排放源较远和较高的地方.④排放源附近φ(大气汞)较高的地方φ(大气汞)对Hg0的干沉积速率敏感性较高,而φ(大气汞)较低的地方其敏感性较低.⑤φ(大气汞)对Hg0被OH氧化的反应率常数(k)的变化普遍很敏感,在较大的反应率常数kHg-OH=3.55×10-14×e294/T情况下,Hg0所占比例偏低,而Hg(Ⅱ)和HgP所占比例偏高,与监测结果偏差较大;在kHg-OH=2.94×10-14情况下模拟结果更为合理.     

中国非燃煤大气汞排放量估算

本研究根据各种非燃煤大气汞排放源的活动水平和排放因子,估算了1995～2003年中国分省非燃煤大气汞的排放量。2003年中国非燃煤大气汞排放量为393t,比燃煤汞排放多137t。在非燃煤大气汞排放中,84%来自有色金属冶炼,其中锌冶炼、铅冶炼、铜冶炼和黄金冶炼分别占总排放的51%、18%、4%和11%。Hg0、Hg2+和HgP在中国非燃煤大气汞排放中所占比例分别为77%、18%和5%。中国非燃煤汞排放在各地区间有较大差异,排放量超过30t?a-1的省区包括湖南、河南和云南,排放强度超过1t?km-2的省区包括上海、湖南、河南、辽宁和广东,这些地区的主要汞排放源为有色金属冶炼和生活垃圾焚烧。1995～2003年中国非燃煤大气汞排放的年均增长率为9%,其中生活垃圾焚烧排放的年均增长率最高,达到42%。     

影响大气汞化学过程的敏感因子分析

为了分析汞在大气中的化学行为,在一个化学模式中加入汞的气相、气液平衡和液相反应,模拟大气汞及其化合物的演变规律,并分析了气象因子(云、光解率、温度)和化学因子(气态O3、H2O2、HO2、OH和气态零价汞Hg0(g))的初始体积分数对各形态汞及其化合物浓度和Hg0(g)转化率的影响.模拟结果表明,在中等大气污染条件下,Hg0(g)的每小时平均转化率为2.91%.敏感性试验结果表明,云量、光解率、温度、O3和Hg0(g)的初始体积分数对不同形态汞的影响较为显著.云量的增加、光解率的增加、臭氧初始体积分数的升高,各形态汞的平衡时间缩短,除气态氧化汞和一价汞离子外,其他形态汞的平衡浓度均会降低,Hg0(g)的转化率增加.温度增加将抑制Hg0(g)的转化.Hg0(g)的初始体积分数增加,各形态汞的浓度升高,但其平均转化率没有显著变化.不同因子对汞化学过程的相对作用对区域或全球大气汞的环境模拟具有指导意义.     

生活垃圾焚烧厂垃圾的汞含量与汞排放特征研究

垃圾焚烧是大气汞的重要排放源之一,为了解垃圾焚烧厂入炉垃圾中的汞含量和焚烧汞排放特征,本研究选取了上海、广州和芜湖市3座典型生活垃圾焚烧厂,对入炉垃圾进行连续采样分析,采用OH法对排放烟气进行采样测试,同时采集焚烧飞灰和炉渣样品进行汞含量分析.结果表明,上海、广州、芜湖市生活垃圾焚烧厂入炉垃圾中汞含量分别为(0.39±0.04)、(0.57±0.05)、(0.27±0.08)mg·kg~(-1).广州市焚烧厂排放烟气汞质量浓度为(9.5±3.9)μg·m~(-3),烟气中Hgp、Hg~(2+)、Hg~0分布比例分别为(0.9±0.8)%、(89.0±5.4)%、(10.1±4.6)%;芜湖市焚烧厂排放烟气汞质量浓度为(24.1±6.0)μg·m~(-3),烟气中Hgp、Hg~(2+)、Hg~0分布比例分别为(1.0±0.8)%、(65.4±27.6)%、(33.6±27.5)%;不同焚烧工艺排放烟气中Hg~(2+)的分布比例不同.广州、芜湖市焚烧厂脱汞效率分别为96.7%、33.7%;上海、广州、芜湖市垃圾焚烧厂大气汞排放因子分别为(0.156±0.016)、(0.019±0.002)、(0.178±0.027)mg·kg~(-1),广州市焚烧厂大气汞排放因子略低于韩国、日本的生活垃圾焚烧厂,上海、芜湖市垃圾焚烧厂大气汞排放因子与国内部分生活垃圾焚烧厂相接近.     

上海典型燃烧源铅和汞大气排放趋势分析

上海百年来快速的城市化进程导致资源能源的大量消耗,并向城市环境中排放了大量有毒有害污染物.为探寻上海典型燃烧源重金属大气排放历史及趋势,基于上海化石燃料(煤炭和汽油)的历史消耗量及其大气铅(Pb)和汞(Hg)的排放因子,估算了上海主要燃煤部门(燃煤电厂、工业部门和居民生活)和机动车燃油大气Pb和Hg的历史排放量.结果表明,1949~2015年间大气Pb和Hg的燃煤排放量随时间推进均呈现先增长后下降趋势,即1949年解放后快速增长的煤炭消耗和较少的烟尘控制措施使其排放量出现急剧地波动式增长,至20世纪80~90年达到高峰,此后上海采取了各种减排和控制措施,使得目前三大燃煤源的大气Pb和Hg排放量出现大幅度下降.1980~2015年间上海大气Hg的燃煤排放比例一直占据主导地位(87.5%~99.7%).含铅汽油自1997年完全退出上海市场之后,燃煤排放替代其成为大气Pb的主要贡献源(78.2%~83.5%),然而自2005年起随着汽油消耗的急速增长,汽油燃烧排放又成为其主要贡献源(55.5%~79.1%).     

沿海城市降水中总汞及汞同位素特征研究

大气汞沉降是汞从排放源进入地表系统最主要的迁移途径,利用汞同位素追踪汞在大气中的迁移转化规律及潜在来源对研究汞的生物地球化学循环具有重要意义.本研究于2012—2013年对厦门市小坪、坂头、鼓浪屿和洪文站点降水中总汞(THg)浓度和汞同位素的变化特征进行了研究.结果表明,厦门降水中THg浓度为1.0～59.4 ng·L~(-1),大气THg湿沉降量为13.1μg·m~(-2)·a~(-1).厦门冷、暖季降水中THg浓度相当,但由于暖季丰沛的降水量,导致暖季THg的湿沉降量约为冷季的2.5倍.降水样品中均表现出负的偶数汞同位素质量分馏(δ~(202)Hg,-2.2‰～-1.5‰)、正的奇数汞同位素非质量分馏(Δ~(199)Hg,0.08‰～0.22‰),以及轻微偏正的偶数汞同位素非质量分馏(Δ~(200)Hg,0.01‰～0.07‰).厦门降水中奇数汞同位素非质量分馏是大气汞液相光致还原反应的结果.偶数汞同位素非质量分馏不明显与其处于较低的纬度有关.厦门降水中δ~(202)Hg接近于厦门当地及贵州燃煤烟气中的δ~(202)Hg值,表明厦门降水中汞可能受到本地或传输过来的燃煤排放的影响.     

基于高架点源大气中汞演变规律数值模拟研究

在分析大气中汞来源的基础上,根据前人研究成果建立了大气中汞的累积量模型,对大气中汞的累积量进行预测。通过合理化简修正高架源扩散模型,采用控制变量法研究了风速、有效源高度、大气稳定度和湿度对Hg扩散的影响,并比较大气稳定度对市区和平原郊区的影响差异。此外,综合分析了上述4个因素对汞在大气中扩散的总体影响。研究结果表明:大气中Hg的扩散是随着有效源的距离增长而逐渐降低;有效源高度不同,其浓度最大值所在的位置就不同,高度越小,其扩散程度越剧烈;湿度越大,Hg的浓度随之增大;大气越稳定,Hg的扩散越稳定,但大气稳定度对市区和平原郊区的影响差异不大,且风速不影响其最大浓度值的所在位置;综合考虑影响大气汞扩散的因素时,风速和有效源高度对大气Hg扩散起协同促进作用;湿度则起抑制作用;大气稳定度与其它几个因素间几乎无影响。     

中国燃煤汞排放清单的初步建立

建立中国分省燃煤汞排放清单,对于研究汞的大气化学转化、迁移和沉降,制定中国汞污染控制对策具有重要意义.本研究按经济部门、燃料类型、燃烧方式和污染控制技术将排放源划分为65种不同类型,根据各类型的煤炭消费量、燃料汞含量和汞排放因子计算汞排放量,最终建立了分省燃煤汞排放清单.用2组原煤汞含量数据资料计算的2000年中国燃煤大气汞排放量分别为161.6 t和219.5 t,其中绝大部分汞排放来自工业、电力和生活消费,分别占46%、35%和14%.Hg⁰、Hg²⁺和Hg_p在中国燃煤大气汞排放中所占的比例分别为16%、61%和23%.中国燃煤汞排放在各地区间有较大差异,排放量较大的省份有河南、山西、河北、辽宁和江苏,均超过10t/a.     

中国区大气汞污染模型模拟初探

介绍并利用Community Multiscale Air Quality-Hg (CMAQ-Hg)多尺度大气汞污染模型,模拟研究了2005年6月24日—7月31日我国大气汞污染状况. 初步模拟结果表明:人为排放源高的地区(如有汞矿群分布、煤炭和火力发电厂及金属冶炼厂)的大气中ρ(汞)较高,大气中元素态汞(GEM)的月均ρ(汞)高于反应性气态汞(RGM)和颗粒汞(PHG),初步反映了我国大气汞污染的分布以及不同形态汞的浓度分布受汞排放源种类及其物理化学特性的影响特征. 在解决汞排放源清单不确定性较大的问题及将模型运行参数本地化后,CMAQ-Hg有望成为研究我国汞污染特点及其长程输送的有力工具.      

重庆缙云山降水中不同形态汞的含量及其沉降量

于2013年4月至2014年3月连续1 a,利用湿沉降自动采样器采集了重庆缙云山的雨水样品,分析了样品中不同形态汞的含量,并计算其沉降量.结果表明,降水中总汞(THg)、溶解态汞(DHg)、颗粒态汞(PHg)、活性汞(RHg)、总甲基汞(Me Hg)、溶解态甲基汞(DMe Hg)、颗粒态甲基汞(PMe Hg)的含量范围分别为7.47~120.11、2.51~43.03、2.28~77.99、0.14~15.14、2.58×10-2~101.62×10-2、0.30×10-2~72.29×10-2、1.45×10-2~63.55×10-2ng·L-1.在计算各形态汞体积加权平均含量(VWM)的基础上,分别算出其年沉降通量为:42.71、23.51、19.20、5.87、0.61、0.34、0.27μg·(m2·a)-1.Me Hg占THg的比例是0.07%~3.79%(平均1.34%),而PHg占THg的比例以及PMe Hg占Me Hg的比例分别是10.49%~89.30%(平均49.95%)、4.31%~98.86%(平均43.14%).除Me Hg外,其它形态汞的含量和沉降量都表现出了明显的季节变化特征,THg、DHg、PHg的含量均为冬季最高而夏季最低,RHg的含量在春冬季明显高于秋夏季.THg、DHg、Me Hg、DMe Hg的沉降量与降雨量具有相同的季节变化趋势,均为春季夏季秋季冬季,RHg的沉降量也是春季最大,而冬季最小.缙云山大气汞沉降不仅受到降雨量、降雨频率以及其它气象条件的影响,也受到了人为活动的干扰.     

万山汞矿区地表与大气界面间汞交换通量研究

采用动力学通量箱与高时间分辨率大气自动测汞仪联用技术对万山汞矿区不同季节、不同地表与大气界面间汞交换通量和大气汞含量进行了测定.结果显示,受人为活动和地表强烈释汞的影响,万山地区大气汞含量高出背景区1～3个数量级,在冶炼厂附近平均值可达1 101.8 ng/m³,最低平均值达17.8 ng/m³,显示万山汞矿区已遭受较严重的大气汞污染.万山汞矿区土壤与大气界面汞交换非常强烈,土壤向大气的释汞通量最高可达27 827 ng/(m².h),大气汞干沉降通量最高可达9 434ng/(m²·h).万山汞矿区土壤与大气汞交换通量主要受光照强度、大气汞含量影响.光照在土壤释汞过程中起促进作用,而较高的大气汞含量则抑制了土壤向大气的释放,并导致大气汞强烈的干沉降.不同的地表类型对地表释汞影响较大,植被覆盖土壤释汞通量显著低于无植被覆盖地区,而冶炼后的矿渣堆则成为大气汞的净源.     

基于燃煤电厂“近零排放”的大气污染物排放限值探讨

针对神华集团典型“近零排放”燃煤机组,考察了大气污染物（烟尘、SO₂、NO_x、汞及其化合物）的排放特征,提出了更加契合绿色发展生态环保要求的燃煤电厂大气污染物排放限值,即烟尘、SO₂、NO_x和汞及其化合物排放限值分别为1、10、20和0.003 mg/m3（简称“‘1123’排放限值”）.评估了新建“近零排放”燃煤机组的长期运行排放状态,并研究了“近零排放”机组汞污染协同减排效果.结果表明,2017年1—10月新建机组烟尘、SO₂、NO_x排放质量浓度平均值分别在0.69~0.77、6.04~6.63、16.56~16.79 mg/m3之间,排放绩效可低至0.0023、0.022、0.057 g/（kW·h）,污染减排已达到国际领先水平;“1123”排放限值下烟尘、SO₂和NO_x的达标率分别超过92.06%、85.43%和77.46%,“近零排放”原则性技术路线可实现更好、更优的生态环保排放指标.燃煤机组通过“近零排放”技术改造,可提高烟气中Hg0的氧化效率和汞化合物的捕获效率,环保设施组合协同脱汞效率提升至75.3%~90.9%（平均值为82.8%±8.1%）,汞排放水平降至0.51~1.45 μg/m3〔平均质量浓度为（0.94±0.47）μg/m3〕,基本达到国际先进煤电机组的协同控制水平.研究显示,清洁煤电大气污染物新排放限值总体上比GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中燃煤电厂大气污染物排放限值小1个数量级,可为加快推进生态文明建设、制订先进的燃煤电厂大气污染物排放新标准提供科学依据.      

贵阳市2种不同类型草地的汞释放通量

利用动态通量箱法对贵阳市人工草坪和天然草地的汞释放通量进行了野外实测. 结果表明:春季和夏季的草地是大气中汞的来源,并未出现明显的季节性变化,其平均汞释放通量为(7.8±15.7)～(41.5±15.2) ng/(m2·h),且天然草地的汞释放通量明显高于人工草坪. 草地的汞释放通量具有明显的日变化特征,白天汞释放通量显著高于夜间,最大值通常出现在午后,最小值则出现在夜间. 草地的汞释放通量与光照强度、土壤温度、大气温度呈显著的正线性关系,与大气相对湿度呈负线性关系. 大气中气态总汞的质量浓度是影响草地汞释放通量的另一个重要因素. 大气中气态总汞质量浓度的升高能够抑制草叶片向大气中释放汞,而高质量浓度的气态总汞可导致大气中的汞向草叶片的强烈沉降.      

《火电厂大气污染物排放标准》实施对燃煤电厂大气汞减排的影响

为评估GB 13223─2011《火电厂大气污染物排放标准》实施对燃煤电厂大气Hg(汞)减排的影响,采用“自下而上”排放因子法,对燃煤电厂大气Hg排放量进行了估算,通过设计不同发展情景,对排放标准实施条件下我国燃煤电厂大气Hg减排量(不含港澳台地区数据,下同)进行了预测. 结果表明:不同能耗情景下,预计2015年燃煤电厂的煤炭消费量为18.5×108~20.3×108 t,2020年煤炭消费量可达19.7×108~22.5×108 t;GB 13223─2011实施后,大气污染控制设施包括ESP(静电除尘器)、FF(袋式除尘器)、WFGD(湿法脱硫)和SCR(选择性催化还原脱硝)的应用比例亟需提高,控制设施面临提效改造,主要控制技术组合SCR+ESP+WFGD在2015年和2020年的应用比例将达到40%、75%;改造后技术组合FF+WFGD、ESP+WFGD、SCR+ESP+WFGD可分别实现90%、85%、80%的脱Hg效率. 由此可为我国燃煤电厂大气Hg排放带来巨大的协同减排潜力,与2010年约119 t的排放水平相比,2015年和2020年在低能耗情景下,我国燃煤电厂大气Hg减排幅度可分别高达38%和39%. 为进一步提高燃煤电厂大气的Hg减排量,建议逐步推广应用活性炭喷射(ACI)等技术.      

上海市夏季湿沉降汞的时空分布规律及其影响因素

为研究上海市夏季湿沉降汞的时空分布特征,按月采集了2008年夏季(6～8月)5个采样点的大气湿沉降样品,经过王水+BrC1水浴消解、SnCl2还原后,用原子荧光测汞仪测试了样品中的总汞、溶解态汞和颗粒态汞浓度并对结果加以分析。结果表明,上海市夏季各采样点湿沉降中总汞、溶解态汞和颗粒态汞的平均浓度变化范围大,分别为0.13～0.39μg/L、0.04～0.22μg/L、0.09～0.18μg/L,总体上各形态汞的浓度都较高。湿沉降总汞的浓度在时间上表现为6月份较低而7、8月份较高的特征,在空间上是浦东最高,普陀其次,宝山最低;颗粒态汞占总汞的比例大,并且在不同降水类型中所占总汞的比例不同,在梅雨期锋面雨中所占比例较少而在对流雨中所占比例较大;总汞的沉降量与降水量成明显的正相关关系。大气湿沉降中各形态汞的浓度受控因素较多,其中在重要排放源和市中心下风向地区汞的浓度偏高,这需要在节能减排上下功夫,从源头治理汞的污染。     

红枫湖水体中活性汞和溶解气态汞的分布特征及其控制因素

基于二次金汞齐结合冷原子荧光测定法对红枫湖活性汞(RHg)和溶解气态汞(DGM)的时空分布特征及其控制因素进行了研究. 红枫湖溶解气态汞含量(ρ(DGM))为0.024～0.110 ng/L,随着水深的增加ρ(DGM)降低,且夏季高,冬季低,这种分布特征表明光在原子态汞的形成中起着重要的作用. 红枫湖ρ(DGM)除受光强影响外,还受到春季后五大量生长的藻类影响,但与溶解性有机碳含量(ρ(DOC))及温度的相关性不大. 活性汞含量(ρ(RHg))为0.14～2.70 ng/L,其主要受Hg2+的光致还原过程,Hg2+的甲基化过程以及人为源的释放等因素的控制.      

粉煤灰在热处理过程中汞的逸出规律

文章研究了粉煤灰在热处理过程中汞的逸出规律,通过改变焙烧温度、焙烧时间和通气流量等条件,利用安大略水法,对逸出的零价汞(Hg0)和二价汞(Hg2+)以及总汞的含量进行了测定。结果表明:在加热温度达到400℃时,飞灰中的可挥发汞已基本完全释放,逸出量大约为0.2μg/g。当加热温度升高到600~1 000℃之间时,零价汞含量明显降低,而二价汞含量明显升高,可以观察到较为明显的零价汞氧化为二价汞的现象。汞的逸出量与氧化程度主要与加热温度有关,而加热时间与通气量的影响相对较小。在1 000℃,加热时间30 min,通气量0.5 L/min的条件下,可挥发汞将完全逸出并有部分零价汞被氧化。结合上述研究结果,在对粉煤灰进行加热处理时,需要对其中汞的二次释放现象加以重视并采取相应的控制措施。     

添加CaCl2对烟气净化装置联合脱汞的规律分析

煤炭燃烧向大气中排放了大量汞。为了探究经济有效的汞排放控制方法,在管式炉中进行了CaCl₂晶体的水解实验,CaCl₂在一定温度和气氛下会水解产生HCl,HCl有利于烟气中Hg0的氧化。且随着反应温度的增加,水解率呈上升趋势。在流化床炉中进行了CaCl₂溶液蒸发协同脱汞实验。CaCl₂溶液喷洒在燃煤中可显著提高SCR脱销装置对Hg0的氧化率;煤中喷洒CaCl₂溶液可提高烟气中Hg2+的浓度和占比,从而提高湿法烟气脱硫装置（WFGD）对气态Hg的脱除效果。相比于喷洒在原煤中,将CaCl₂溶液喷洒在布袋除尘器（FF）前的蒸发干燥塔中,可显著提高FF脱除Hg的效果。整体上看,当温度越高,氯添加比越高时,烟气净化装置协同脱汞的效率也越高。