我国主要聚煤期原煤、精煤和燃烧烟气中汞的同位素组成特征

Coal combustion is the largest source of anthropogenic mercury (Hg) emissions to the atmosphere and represents more than the two-thirds of the total anthropogenic emissions. It was previously shown that different coal deposits may have different mass dependent and mass indepen-dent Hg isotope composition signatures, highlighting the potential for coal combustion emission tracing. A case study on Hg isotopes in precipitation downwind from a large coal combustion in Florida (USA) showed, however, that wet precipitation Hg isotope composition signatures were isotopically fractionated from coal combustion feed coal. Therefore, only using of mercury isotopic signature to discriminate and quantify the mercury sources in environment is not credible. In view of the above opinion, this work aims at (1) investigating mercury and mercury isotopic constituents characteristic in coal types, coal accumulating basin and 7 coal forming periods of China; (2) understangding mercury isotopic fractionation through mercury isotopic variation in inorganic constituents(especialy pyrites) and soluble organic constituents of coal, and, in peat, lignite, bituminous coal and anthracite coal;(3) understangding the correlation of mercury isotopic variation of coal, washed coal and flue gas for tracing and quantifing mercury source in environment, mercury pollution and mercury global geochemical cycle study.

煤燃烧是最大的人为释汞源,超过所有人为释汞源排汞的三分之二。研究显示不同国家、不同聚煤期和不同聚煤盆地的煤分别具有明显不同的汞同位素组成信息，预示可以用来示踪生态系统中不同国家和地区燃煤电厂的汞来源。然而最新的燃煤电厂下风向雨水中汞同位素研究发现雨水的汞同位素组成与入炉煤的汞同位素组成具有一定差别，因此仅用原煤中汞同位素信息还不能准确识别和量化地表生态系统中燃煤汞的来源，鉴于此，申请项目：（1）系统了解我国7个主要聚煤期、不同煤种和不同聚煤盆地煤的汞和汞同位素组成特征；（2）通过煤中无机质（尤其黄铁矿）和可溶有机质汞同位素组成，现代沉积泥炭、褐煤和烟煤与无烟煤的汞同位素组成初步了解煤中汞同位素分馏作用；（3）详细了解原煤、精煤和燃煤电厂排放烟气中不同形态汞的汞同位素组成相互关系，为正确识别和量化地表生态系统汞的来源（尤其是来源于煤燃烧的汞）、汞污染和全球汞的生物地球化学循环研究提供科据。

不同国家、不同聚煤期和不同聚煤盆地的煤分别具有明显不同的汞同位素组成信息，然而仅用原煤中汞同位素信息还不能准确识别和量化地表生态系统中燃煤汞的来源，鉴此项目重点开展了：（1）我国主要聚煤期、不同煤种和不同聚煤盆地煤的汞和汞同位素组成特征；（2）煤燃煤电厂排放烟气中不同形态汞的分布特征及其释放量；（3）煤燃烧过程和尾气处理工艺中不同形态汞的同位素组成特征与分馏作用。通过项目的执行，取得了以下有意义的成果：.(1)河南聚煤盆地的石炭纪、二叠纪和侏罗纪煤中汞平均含量为120.2 ± 51.3 μg /kg，但各聚煤期煤中汞的含量差异较大；煤中与腐殖酸结合的汞占总汞 50% 以上，可溶性有机质中汞含量较低。鄂尔多斯聚煤盆地中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）。.(2)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1.1～11%）较低，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。布袋除尘器的脱汞效率最高，湿法脱硫对氧化态汞具有明显的去除效果（87～94%）。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。目前，飞灰和脱硫石膏可能是最大的二次汞污染源。.（3）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）。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，可以从汞同位素组成上明显分辨出来。褐煤热电厂经石灰石-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0.30～0.85‰）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。