煤炭燃烧的放射性污染及防治概述

2015-12-28 19:55:15 | 来源：新浪微博 | 投稿：YarnYouth | 编辑：小柯

原标题：煤炭燃烧的放射性污染及防治概述

说明：这是我前一阵的一篇调研报告（或者称为文献综述也行），关于煤炭的放射性问题的，发给大家，科普一下。煤炭中含有一定量的放射性物质，在燃烧后会有一定程度的放射性富集。对于一般的原煤，由于其含有的放射性物质及其微量，并不会造成环境污染；然而当用作燃料的原煤的放射性相对较高时，产生的煤渣和粉煤灰就是放射性污染源了。这种情况并不是十分罕见。

摘要

煤炭燃烧的放射性源于原煤中微量的放射性元素。我国的原煤放射性水平普遍偏高，部分地区的原煤还伴生有钍、铀矿。煤炭燃烧后，大部分放射性物质仍存留在煤渣和粉煤灰中，这样放射性物质经过火力发电后被富集。由于煤渣和粉煤灰被广泛用于制造水泥和粉煤灰砖等建筑材料。一旦燃煤固体废弃物放射性超标，危害不容小觑。

关键字

燃煤放射性煤炭煤渣粉煤灰

引言

我国能源对于煤炭的依赖程度非常高。2013年，火力发电站全国总装机容量的69.13%，其中尤以燃煤发电居多；冬季供暖的锅炉也以燃煤锅炉居多。煤炭燃烧产生的主要固体废弃物为煤渣和粉煤灰，这些固体废弃物是巨量的。目前全国仅粉煤灰年产量就超过5亿吨。【1】另一方面，燃煤的过程也是放射性元素富集的过程。大部分原煤的放射性元素含量并不高，然而由于放射性物质经历煤炭燃烧后，大部分仍保持固态，所以粉煤灰和煤渣的放射性水平较高，会对环境造成潜在的危害。此外，部分煤矿为放射性元素伴生矿，其本身的放射性水平就已经超过辐射防护标准。这些特种煤矿是不能以常规形式开采利用的。

应该说，我国在煤炭燃烧固体废弃物处理问题上的形式还是非常严峻的。如何合理利用这些固体材料的同时减少、防治其放射性危害，是一个值得研究的课题。

原煤的放射性水平

煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。从形成过程来看，煤炭中的放射性成分应该是在地质作用过程中从环境中扩散渗入的，因而总体来看煤炭的平均放射性元素含量与地壳大体相当。然而，不同的煤矿形成过程各不相同，它们周围的岩体的放射性元素含量也有所差异，故各地煤矿的放射性水平存在着差异。

我国煤炭分布广泛，种类丰富，形成原因复杂多样，因而各地煤炭的放射性水平参差不齐；然而据统计，全国煤炭的平均放射性水平比世界平均水平偏高50%~100%。【2】并且随着煤炭的不断消耗，含放射性的特种煤炭的开采利用问题日益凸显。如新疆伊犁、和田地区的半生放射性煤炭中含有高剂量的铀、镭元素，矿区部分区域铀品味高达万分之七，γ射线水平是正常水平的60多倍。【3】

原煤中的放射性物质以40K以及钍系（以232Th开头）、铀系（以238铀开头）等天然放射系为主，同时还存在少量裂变产物。研究测得各地原煤的放射性水平如下：

表格1 各地原煤中放射性核素含量【4】

与之相对比，全国土壤放射性核素平均含量为：238U35.6，226Ra32.8，232Th44.2，40K522.0（单位：Bq/kg）。【5】

放射性的富集

我们以火电厂为例研究煤炭在其中经历的过程。燃煤用输煤皮带从煤场运至煤斗中。大型火电厂为提高燃煤效率，用燃烧煤粉作为燃料。因此，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉。磨碎的煤粉由热空气携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧，产生热烟气和灰渣。其中，热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来，这便是粉煤灰；经过除尘的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，形成煤渣，运出锅炉。

原煤在研磨成煤粉时，其水分挥发导致质量减少，放射性元素得到第一次富集。之后，不同放射性成分经历了不同的富集过程。由于粉煤灰颗粒直径小，比表面积大，媳妇梦里强，所以易挥发的放射性物质大多先在煤炭燃烧时气化，随后在烟道中冷却而被粉煤灰所吸附。例如碳酸铅（PbCO3）在锅炉中受热分解生成氧化铅（PbO），继而被碳还原为Pb单质。铅为低熔点金属，易挥发，于是原煤中绝大部分铅最终富集在粉煤灰中。经历相似过程的还有钋。对于铀而言，一部分铀在锅炉中变为易挥发的UO3或UO3，最终沉积在粉煤灰中；另一部分转化为铀的矿物盐（常见为铝硅酸盐）而留在煤渣中。而钍、镭、钾等元素由于不能构成低熔点物质，故更倾向于富集在煤渣中。

表格2 煤渣、粉煤灰及土壤中放射性核素含量对比（单位：Bq）【6】

对比表1、表2，可以看出，放射性核素在燃煤固体废弃物中的富集程度为2~6倍。需要补充说明的是，不同类型锅炉结构不同，燃烧温度也不同，烟气除尘过程也有所区别，这些因素都会影响放射性核素在粉煤灰和煤渣中的含量。

危害及处理措施

外国的大量调研成果表明，一般情况下煤及其燃烧产物产生的放射性辐射不会造成危害，燃煤电厂产生的放射性辐射也还处于自然背景值范围之内。但是也曾发现过个别燃煤电厂产生的放射性辐射比较强的事例【7】；另一方面，即使是低剂量照射，其危害也是不能忽视的。当粉煤灰和煤渣的放射性剂量可能危害健康时，首当其冲的便是燃煤厂的工作人员。有外国学者研究了燃煤发电厂员工的受辐照剂量水平，发现发电厂员工尿液中210Pb的含量比对照组高出1.89~14.47pCi/L，且工作岗位距离灰斗越近，剂量越高。检测表明，这些员工染色体畸变的出现频率是对照组的数倍。【8】因为堆放煤灰与燃煤烟气沉降的缘故，燃煤厂周边的表层土壤也会受到一定的污染。国内有研究人员对西安某火电站周边土壤调研，结果表明表层土壤因受污染，致使地表辐射剂量增加0.55~0.6mSv/a，这大约是天然辐射源对成年人造成的平均有效剂量的1/4。【9】此外，由于粉煤灰和煤渣被大量用于制造粉煤灰砖和混凝土，建筑物内的放射性剂量会因此增加。这些建筑材料发出的射线使得建筑物室内氡气含量上升，氡气被吸入人体后形成内辐射，其危害不容小视。

防治粉煤灰和煤渣的放射性污染，应该从筛选燃煤和处理煤灰两部分入手。在筛选燃煤时，应当选用放射性低而热值高的原煤；而对于高放原煤，例如铀-煤矿，其煤灰中（甚至原煤中）铀含量已经达到工业品位，裂变能已经远高于化学能，这种情况下应以提炼铀为主，利用煤为辅。一些含放射性元素原煤的煤灰中，放射性元素虽没有达到工业品位，但是已经超过放射防护标准。对于这一类原煤，应该以利用煤炭为主，并且其煤灰只要处理得当，仍可以加以利用。可以采用与放射性元素含量较低的原煤混合燃烧的办法，或者在燃烧后将高放煤灰与正常煤灰混合，这样最终的煤灰亦可以满足放射性防护标准而正常用于建材制造。另一种降低粉煤灰放射性剂量的方法是添加防护剂，使粉煤灰颗粒新接相位处产生结晶或胶结，生成具有强度的水化产物，以起到吸收射线能量的作用。【10】对于以上方法不适用的情况，应将粉煤灰当作放射性废物，经由特殊途径处理。

参考文献

【1】数据摘自中华人民共和国中央政府网站。

【2】李中和.煤炭中放射性物质环境影响及控制.煤矿环境保护,10(4):30

【3】刘鄂,李建辉,时良辰,狄韶斌,赵其文,张占江.新疆伴生放射性煤炭开发利用中的辐射安全问题及对策探讨.中国核科学技术进展报告(第一卷),2009.11:206-207

【4】尹连庆,宏哲. 燃煤电厂粉煤灰放射性污染影响及其控制管理技术研究.电力环境保护,2007,23(1):56

【5】全国环境天然放射性水平调查总结报告编写小组. 全国土壤中天然放射性核素含量调查研究(1983-1990年).辐射防护,1992,2(12),132

【6】吴锦海,李金全,周天豹. 我国原煤及煤渣、粉煤灰的放射性水平调查.上海环境科学,1989,8(1):28

【7】黄文辉,唐修义. 中国煤中的铀、钍和放射性核素.中国煤田地质,2002,14(supp):61

【8】Bauman A,etal: Sci Total Environ,17(1):75- 81,1981

【9】王峰凌.西安市燃煤电厂对周围环境的辐射影响研究.陕西师范大学硕士学位论文,2008. 1-2

【10】尹连庆,宏哲. 燃煤电厂粉煤灰放射性污染影响及其控制管理技术研究.电力环境保护,2007,23(1):57

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