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山西省是国家资源型经济转型综合配套改革试验区，是能源革命综合改革试点。“十二五”以来，山西省为推进煤矸石、煤泥和中煤等低热值煤高效利用，逐步实施低热值煤发电项目。而低热值煤发电主要使用循环流化床锅炉，加之部分自备电厂和燃煤锅炉使用该炉型，由此产生大量的循环流化床粉煤灰[1-3]。文献[4]报道，目前中国循环流化床粉煤灰的产生量高达0.8～1.5亿t/a，其中山西省的产生量近4 000万t/a，位居全国之首。相较于传统煤粉锅炉1 400 ℃的燃烧温度，循环流化床锅炉的燃烧温度仅为850 ℃左右。循环流化床锅炉燃料包容性强，多采用炉内喷钙脱硫，其粉煤灰产生量是同等规模煤粉炉的1.5～2倍，且残碳量、硫钙含量较高，极大制约了其综合利用，因此目前绝大多数循环流化床粉煤灰以灰场或回填造地形式填埋处置[5-6]。循环流化床粉煤灰中含有镉、铬、铜、镍和硒等重金属，且普遍pH值偏高，处置不当将存在潜在的环境和人体健康风险[7-10]。开展不同暴露途径的风险评估，对循环流化床粉煤灰环境管理具有借鉴意义[11-12]。
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2015年《山西省低热值煤发电“十二五”专项规划》中提出了全省发展低热值煤发电项目装机容量1 920万kW左右的目标；2016年《山西省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出要全面推进煤电产业优化升级，以60万kW循环流化床机组为引领，重点推进大容量低热值煤发电项目建设，稳步推进热电联产的低热值煤发电机组建设。由此，山西省低热值煤发电项目建设进入了快车道。
2019年山西省粉煤灰产生量约7 800万t，其中循环流化床粉煤灰产生量近4 000万t，占比超50%。使用循环流化床锅炉的企业共151家，占全省粉煤灰产生企业总数的64%，其中以供电企业及热电联产企业为主，锅炉容量也较大，单台最大锅炉吨位达1 217 t/h。2013～2019年山西省粉煤灰产生情况，见图1。
图1可知，随着经济发展，过去几年山西省粉煤灰产生总量持续增加，从2013年的4 800万t跃升到2019年的7 800万t，增长约1.6倍。而其中循环流化床粉煤灰更是呈现直线上升趋势，2013年仅占全省粉煤灰产生量的15%，而2019年已跃升至50%，且数量上呈现5倍以上的增长。相反，煤粉炉粉煤灰呈现相对平稳、稳中略降的趋势。
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循环流化床粉煤灰的矿物组成以无定形相为主，颗粒平均粒径较大且呈不规则状，CaO和SO3含量较高，而煤粉炉粉煤灰以玻璃相、莫来石相为主，不同的物理化学性质导致两者在资源化利用上存在较大差异[13]。循环流化床粉煤灰的综合利用尚处于起步发展阶段，山西省尚未形成循环流化床粉煤灰的规模化应用，多为企业在建材生产、路基填筑等方面的探索示范。无法综合利用的循环流化床粉煤灰只能贮存、填埋处置（含填沟造地、土地复垦等），贮存填埋量约占总产生量的70%。
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选取山西省某电厂循环流化床粉煤灰，该电厂共2台1 060 t/h循环流化床锅炉，入炉燃料平均热值约12 000 kJ/kg，采用炉内喷钙脱硫方式[14]。
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采用压片法，使用X射线荧光光谱仪（XRF）测定该粉煤灰的化学组成，见表1。
表1可知，循环流化床粉煤灰是硅铝氧化物，SiO2+Al2O3含量＞70%。同时，由于炉内喷钙脱硫，致使SO3和CaO的含量偏高，达到10%以上。
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采用微波消解仪对循环流化床粉煤灰固体样品进行酸消解后，使用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS, 安捷伦7900)测定重金属含量，见表2。
目前，我国尚没有针对固体废物污染物含量的标准值。鉴于粉煤灰堆存于环境中，不管是通过淋溶渗滤还是飘尘降尘，均与土壤接触密切，土壤的风险筛选值具有一定的参考意义，因此本文参照《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）: GB36600—2018》中第二类用地和《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）: GB15618—2018》中土壤pH值在6.5～7.5之间旱作地的土壤污染风险筛选值。表2可知，参照建设用地，循环流化床粉煤灰超标风险不大，而如果管理不善造成粉煤灰颗粒扬散，长期可能会对堆场周边的农田带来一定的影响，尤其是重金属镉。
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按照《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准：GB18599—2020》中的浸出方法要求，开展循环流化床粉煤灰重金属浸出分析，见表3。
表3可知，该循环流化床粉煤灰浸出液pH值和硒超标，单因子污染指数分别为2.65和7.66，属于第II类一般工业固体废物。
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目前，固体废物环境风险评估方法包括源项分析、污染物暴露与健康风险评估等。其中，源项分析主要应用于突发环境事件风险评估，而污染物暴露与健康风险评估方法适用于对污染物迁移转化规律进行研究并评估其对人体产生的健康风险[15]。本文参照《建设用地土壤污染风险评估技术导则：HJ25.3—2019》[16]，选取循环流化床粉煤灰堆存场景开展风险评估。
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根据前述分析结果，本文选取镉和硒作为关注污染物。镉和硒在土壤中的暴露浓度选取循环流化床粉煤灰中污染物浓度，分别为4.445和24.4 mg/kg；地下水中暴露浓度选取循环流化床粉煤灰中浸出液浓度，分别为8.89和766 µg/L。
鉴于循环流化床粉煤灰主要为重金属等无机污染，且其堆存多为远离城市区域的工业用地，因此考虑第二类工业用地方式下的暴露情景，以成人期的暴露来评估污染物的致癌风险和非致癌效应。
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鉴于关注污染物主要为重金属，因此考虑经口摄入、皮肤接触、吸入颗粒物和渗滤液下渗污染饮用地下水等4种暴露途径进行风险表征。暴露评估模型参见《建设用地土壤污染风险评估技术导则:HJ25.3—2019》[16]中附录A2.1、A2.2、A2.3和A2.9，模型参数参考导则推荐值。
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关注污染物镉和硒的毒性特征见表4，其理化性质和毒性参数采用《建设用地土壤污染风险评估技术导则:HJ25.3—2019》[16]中推荐参数。
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致癌风险和危害商的计算模型、风险表征模型见《建设用地土壤污染风险评估技术导则：HJ25.3—2019》[16]附录C和G推荐参数，由此对镉和硒进行风险表征，见表5。
表5可知，在第二类工业用地情形下，循环流化床粉煤灰中镉和硒对土壤和地下水均无致癌风险，但具有一定的危害性。其中，对土壤的危害风险可接受，而考虑最不利情形，假设循环流化床粉煤灰渗滤液中重金属全部进入地下水时，硒的危害商达3.4，超过了可接受值，对人体的健康风险不可接受。由此可见，循环流化床粉煤灰堆存时选址的水文地质条件、防渗层设置等对环境风险防控是十分必要的。
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由前述可知，循环流化床粉煤灰的环境风险不容忽视。然而，不同燃料来源、不同生产工况、不同炉型规模和不同烟气处理方式等均会对循环流化床粉煤灰的性质产生影响，其关注污染物也略有差异。前期调查结果表明，除重金属外，山西省部分循环流化床粉煤灰还存在氟化物偏高的现象。摸清底数、源头减量、过程控制、末端规范，实现全生命周期、全链条的环境风险管控，是循环流化床粉煤灰环境管理的必然要求。
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准确掌握循环流化床粉煤灰的产生特征、污染特性是确保其合理处置利用的前提。针对循环流化床锅炉使用企业深入开展粉煤灰数量、性质、贮存和填埋环境等方面的调查评估，建立循环流化床粉煤灰堆场清单以及问题清单，为推动其规范治理奠定基础。
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按照绿色工厂、绿色园区、绿色制造等要求，加大循环流化床锅炉使用企业绿色生产项目支持力度，引导生产者将所承担的环境责任从生产环节延伸到生产工艺设计、原辅料使用、回收利用和废物处置等全生命周期，最大限度减少循环流化床粉煤灰排放。
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推动“资源—产品—废弃物”线性模式向“资源—产品—再生资源”闭环模式转变，鼓励企业基于自身循环流化床粉煤灰产生特征探索多途径综合利用方式。政府在公共建筑建材采购、道路建设等方面优先采用粉煤灰建材制品，并对粉煤灰综合利用给予相应的补贴及财税优惠等。
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以环境风险管控为目标，以环境监察为发力点，以排污许可为抓手，以税收优惠为助推，全面加强循环流化床粉煤灰的环境监管，尤其对堆场及土地复垦途径的循环流化床粉煤灰严格落实防渗漏、防扬撒、防流失的措施，严格落实相关标准规范要求。建立从产生、贮存、转运、处置和利用全链条的联动机制，确保每一环节依法合规、风险可控。
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（1）随着山西省低热值煤发电项目的推进，循环流化床粉煤灰产生量与日俱增，已占据全省粉煤灰产生量的半数以上，受其物理化学性质所限，其综合利用途径有限，多数以贮存、填埋等形式处理，如管控不当将存在潜在环境风险。
（2）选取典型循环流化床粉煤灰堆存场景开展风险评估，镉和硒为关注污染物。风险表征结果表明，镉和硒进入土壤中对人体的健康风险可接受；而假设最不利情形，粉煤灰浸出液中污染物全部进入地下水，硒对人体的健康风险不可接受。
（3）深入开展调查评估、着力推动源头减量、积极拓宽综合利用、全面强化环境监管，是实施循环流化床粉煤灰环境风险管控的有效途径。
（4）循环流化床粉煤灰的资源属性不可忽视，规模化消纳及综合利用将是未来着力发展的方向。相比煤粉炉粉煤灰，由于其自硬性、膨胀性和需水性等特征，使得其污染物浸出迁移也有显著差异，而关于该方面的研究还明显不足，也是未来值得研究的方向。
山西省循环流化床粉煤灰环境风险评估及管控建议
Environmental risk assessment and management suggestions of circulating fluidized bed fly ash in Shanxi Province
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摘要: 为服务山西省循环流化床粉煤灰环境管理，本文在对全省循环流化床锅炉粉煤灰调查的基础上，选取典型粉煤灰开展了物理化学性质及污染物赋存及浸出特征研究，开展了不同暴露途径的环境风险评估，提出了环境风险管控建议。结果表明，循环流化床粉煤灰堆存对土壤和地下水无致癌风险，但具有一定的危害性，需强化堆存规范性、着力源头减量、拓宽综合利用，加强环境监管。Abstract: To serve the environmental management of circulating fluidized bed (CFB) fly ash in Shanxi, based on the province-wide investigation, this paper selected the typical fly ash to carry out the research on physicochemical properties and the occurring and leaching characteristics, and also assessed the environmental risks of different exposure scenarios. The environmental risk management suggestions were proposed. The results showed that CFB fly ash storage had no carcinogenic risk to soil and groundwater. However, because of its hazardous characteristics, it was necessary to strengthen the standardization of CFB fly ash storage, especially focusing on the source reduction, expanding the comprehensive utilization and reinforcing the environmental supervision.
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Key words:
- circulating fluidized bed /
- fly ash /
- environmental risk
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表 1 循环流化床粉煤灰化学组成
成分 含量/% SiO2 37.900 Al2O3 33.500 Fe2O3 5.730 SO3 4.990 CaO 8.550 TiO2 1.320 MgO 0.970 K2O 0.510 Na2O 0.044 P2O5 0.190 Cl 0.035 未然碳 1.900 
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表 2 循环流化床粉煤灰重金属含量
mg•kg−1 元素 含量 GB36600—2018 GB15618—2018
（6.5＜pH≤7.5）As 21.7 60 30 V 129 752 - Pb 89 800 120 Cr 48.5 - 200 Mn 115.5 - - Cu 44.3 18 000 100 Mo 11.75 - - Se 24.4 - - Cd 4.445 65 0.3 Sb 1.23 180 -
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表 3 循环流化床粉煤灰污染物浸出浓度
μg•L−1 元素 浓度 GB8978—1996 pH 12.3 6~9 As 35.9 500 V 3.37 - Pb 30.6 1 000 Cr 170 1 500 Mn 29.3 2 000 Cu 88.5 500 Mo 247 - Se 766 100 Cd 8.89 100 Sb 16.6 -
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表 5 关注污染物风险计算结果
污染物 污染介质 致癌风险 单一污染物可接受致癌风险水平 危害商 单一污染物
可接受危害商风险是否
可接受镉 土壤 1.17 E-07 1.00 E-06 5.16 E-02 1.00 E+00 可接受 地下水 − 1.00 E-06 1.97 E-01 1.00 E+00 可接受 硒 土壤 − 1.00 E-06 1.09 E-02 1.00 E+00 可接受 地下水 − 1.00 E-06 3.40 E+00 1.00 E+00 不可接受
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