電廠生物質灰渣全組分分選及特性試驗研究

劉 偉，王甘翔，賈玉寶，李飛鵬

（上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093）

目前，我國每年可利用的農林廢棄物高達7 億多t，折合約3.7 億t 標準煤［1］。隨著生物質能的蓬勃發展，生物質資源得到初步有效利用。生物質發電是目前對生物質能利用最普遍的一種形式。2016 年國家能源局《生物質能發展“十三五”規劃》［2］顯示，我國生物質電廠裝機容量逐年上升，2015 年達到1 030 萬kW，但如何處理每年約2 050 萬t 的生物質灰渣成為一個亟需解決的問題。為了實現生物質灰渣的資源化利用，國內外學者對生物質灰渣的特性進行了一系列相關研究，探討將其應用于各領域的可能性。例如，將生物質灰渣應用于建筑（填料填埋路基）、化工（制取硅酸鹽產品，比如水玻璃等［3］）、環境治理（作為吸附劑）和農業（制成復合化肥、土壤改良劑）等領域。但在對生物質灰渣進行資源化利用時不同領域使用的生物質灰渣的粒徑范圍不盡相同。基于此，本文提出一種生物質灰渣粒徑分選方式，借助磁力除鐵用多層篩網同步篩分機，基于生物質電廠發電作業產生的生物質灰渣原料在不同資源化利用方向的粒徑特征，將其分選為1～6 號等6 種不同粒徑規格。結合對生物質灰渣的特性研究，對分選出的6 種粒徑規格的生物質灰渣應用現狀進行綜合論述。

1 材料與方法

1.1 分選試驗

1.1.1 試驗原料

試驗所用生物質灰渣樣品為宿遷市凱迪綠色能源開發有限公司進行發電作業時，秸稈和樹皮等生物質在破碎后混合均勻所形成的生物質燃料，于700～800 ℃條件下在循環流化床鍋爐中燃燒所產生的固體廢棄物。該生物質灰渣原料粒徑不均，約為0.005～30 mm 左右，雜質含量較高，尤其是鐵釘、鐵屑等雜質較多。該電廠生物質的來源及組成如表1 所示。

表 1 生物質來源及組成Tab. 1 Biomass sources and constituents

1.1.2 分選工藝的選擇

通過分選工藝將廢物中可回收利用或者不利于后續處理、處置工藝要求的物料分離出來。根據廢物的物理和化學性質不同，分選方法主要分為：篩分、重力分選、磁力分選、光電分選、渦電流分選和浮選等。由于生物質電廠灰渣粒徑分布廣，雜質含量較高，尤其是鐵磁性金屬雜質，因此規范化的分選方法對生物質灰渣后續應用研究至關重要。根據不同分選方法的適用范圍，選擇磁選和篩分串聯使用，對生物質電廠發電作業產生的灰渣進行分選。

圖 1 篩分流程Fig. 1 Screening process

1.1.3 磁選設備的選擇

為解決生物質灰渣中鐵雜質去除的問題，同時篩分得到不同粒徑的生物質灰渣顆粒，實現生物質電廠灰渣高效的分選，選擇一種磁力除鐵用多層篩網同步篩分機。該篩分機篩分流程如圖1所示。篩分機包括進料部、篩分部、收集部。生物質灰渣通過進料、篩分、收集，依次經歷除金屬、分級、出料而得到去除鐵雜質的不同粒徑的生物質灰渣。

1.1.4 分選流程

為了更好地分選生物質灰渣，將傳送裝置設置為傳送帶，進料傳送裝置和傳送篩網上設置振動器，殼體、箱體內設置滑道。傳送篩網設置為5 層，篩網孔徑上、下依次為2.5、5、9、16、32 和60 目，間距設置為30 cm。生物質灰渣經由進料口送入進料震動傳送帶。在進料震動傳送帶的不斷震動過程中，鐵類雜質不斷被反向運動的磁力傳送帶吸附去除。去除雜質后的生物質灰渣進入篩分部和收集部后即同步分篩出6 種不同粒徑規格的生物質灰渣。

1.2 生物質灰渣性質的測定和分析

密度的測定：將篩分好的6 種不同粒徑規格的生物質灰渣依次編號1～6 號，稱取質量為m的灰渣，將其放入裝有固定體積水的量筒測定體積V，計算得到密度。

相對密度的測定：取100 mL 的燒杯，用天平稱量燒杯的質量，將生物質灰渣填滿燒杯，壓實后測定其質量，計算得到灰渣的相對密度。

pH 的測定：先稱量質量為20 g 的生物質灰渣并放入250 mL 錐形瓶，再加入40 mL 的純水。然后將錐形瓶放入搖床，轉速為120 r·min-1，時間為30 min，搖勻后用精密臺式酸度計測定灰渣的pH。

粒徑的測定：利用激光粒度分布儀測定灰渣的粒徑。

X 射線熒光光譜（XRF）分析：利用從X 射線管產生的入射X 射線（一次X 射線）激發被測樣品。受激發樣品中的每一種元素均會放射出二次X 射線，并且不同元素所放射出的二次X 射線具有特定的能量特性或波長特性。探測系統測量二次X 射線的能量和數量。然后，通過儀器軟件將探測系統所收集到的信息轉換成樣品中各種元素的種類和含量。

2 結果與分析

2.1 粒徑分選

根據生物質灰渣在不同領域進行資源化利用時粒徑R的特征差異，對生物質灰渣進行粒徑分選。不同規格生物質灰渣所對應的粒徑范圍如表2 所示。各規格生物質灰渣的產出比如圖2 所示。從表2、圖2 中可以看出，由于1 號生物質灰渣粒徑范圍最廣，所以其產出比最大，為26.30%；6 號生物質灰渣產出比最小，為3.80%，2～5 號生物質灰渣產出比相近，為14.30%～19.70%。

表 2 不同規格生物質灰渣基本性質測定結果Tab. 2 Analysis of fundamental properties of the biomass ash with different particle sizes

2.2 生物質灰渣基本性質及XRF 測定結果

2.2.1 基本性質測定結果

不同規格生物質灰渣基本性質測定結果如表2 所示。由表中可見，不同規格生物質灰渣雖然粒徑不同，但密度、相對密度、pH 大致相同。表3為生物質灰渣和石英砂基本性質對比。從表中可知，生物質灰渣的密度低于石英砂，相對密度接近石英砂，可推測灰渣質地疏松，顆粒細小，堆積密度小，可能存在更多的孔隙結構，并具有一定的比表面積和吸附能力。不同之處在于，試驗所用生物質灰渣均呈堿性，pH 為9 左右，石英砂pH 為6 左右。

2.2.2 XRF 測定結果

表4 為XRF 測定結果。從表中可知，生物質灰渣主要由Si、Al、Ca、Fe、Mg、Na、O 等元素組成，其中，所有規格生物質灰渣中Si 的質量分數最高，為60%～80%；Al 的質量分數為7%～10%，在不同規格灰渣生物質中其含量差異較小；Ca 的質量分數為0.83%～19.38%，2～5 號生物質灰渣的Ca 含量接近，但1、6號生物質灰渣中Ca 的質量分數分別為0.83%、19.38%，差異明顯。這主要是由于該電廠使用的鍋爐為循環流化床所致［4］。相關研究［5］表明，稻殼和稻草中Si 含量很高，會在燃燒過程中轉化成無定形的二氧化硅。而生物質燃料中常會摻雜砂石、泥土等雜質，泥土的主要成分是高嶺石，其中含有Al。

圖 2 不同規格生物質灰渣產出比Fig. 2 Ash content in the biomass with different particle sizes

表 3 生物質灰渣和石英砂基本性質對比Tab. 3 Comparison of the fundamental properties between biomass ash and quartz sands

2.3 生物質灰渣的應用

從生物質灰渣基本性質和XRF 測定結果可知，1、2 號生物質灰渣粒徑較大，一般應用在建筑行業；而6 號生物質灰渣粒徑小，其中Ca、Fe、P 等的元素含量較高，一般作為生產復合肥料的原料；從表2、4 中可以看出，3、4、5 號生物質灰渣粒徑適中，且性質與石英砂接近。

表 4 XRF 測定結果Tab. 4 XRF analysis

2.3.1 1、2 號生物質灰渣的應用

1、2 號生物質灰渣（R＞ 2 mm）中碎石等雜質成分含量較高，一般應用在建筑方面，利用方式包括直接利用和間接利用。直接利用一般是將生物質灰渣當作填料填埋路基；間接利用則是將生物質灰渣作為建筑原料的部分替代物或摻雜物應用于建筑材料的生產環節。國外尤其歐美等發達國家和地區主要研究生物質灰渣在建筑行業的應用，如道路回填，用于生產混凝土、水泥等。但是直接利用會造成生物質灰渣中豐富養分的流失與浪費。而間接利用不僅可以高效合理地利用生物質灰渣中的豐富養分，而且能減少因直接填埋所帶來的環境影響［6］。

2.3.2 3、4、5 號生物質灰渣的應用

由表2、3、4 中可知，3、4、5 號生物質灰渣（R為0.25～1 mm）由于其粒徑適中，且密度低于石英砂，相對密度接近石英砂，人們開始將目光轉向探尋將生物質灰渣作為水處理濾料的可能性。田冬等［7］將不同粒徑生物質灰渣作為過濾裝置的填料來凈化生活污水。研究結果表明：生物質灰渣由于較大顆粒間的小空隙增大了污染物與灰渣基質的接觸面積，基質表面吸附截留有機污染物，從而降低污水中的化學需氧量（COD）；生物質灰渣對氨氮的去除主要依靠顆粒吸附、氨化作用和硝化作用，帶負電荷的生物質灰渣顆粒與帶正電荷的NH4+發生靜電吸附，從而將NH4+固持在填料內部，達到去除作用。通過對比利用生物質灰渣和石英砂濾柱處理河道原水的實驗結果發現，與石英砂相比，生物質灰渣對濁度的降低效果優勢顯著；對COD、氨氮等的去除率相當，但穩定性更優［8］。

2.3.3 6 號生物質灰渣的應用

6 號生物質灰渣（R ＜ 0.25 mm）的形態更接近于傳統的草木灰，且含有較高的Ca、Fe、P 等植物生長所必需的營養元素，可促進植物生長，故將其作為肥料應用在農業方面［9］。國內學者將秸稈灰應用于基質育苗或作物肥效研究，比較不同秸稈灰渣對幼苗和作物生長發育的影響，結果表明，秸稈灰渣可提高煙草幼苗品質，提高小白菜、油菜、水稻以及空心菜產量或增強生長質量［10］。

由表2、4 中可知，生物質灰渣是一種堿性材料，富含Si、Ca、Mg、P 等礦質元素，可用于酸性土壤和配置生物質灰肥，但不同生物質源的生物質成分有差異，需分類使用。將生物質灰渣作為土壤改良劑進行有效利用會導致土壤pH和大部分主要營養元素的含量增加，并且減少Al 和次要元素的可用性［11-13］。黃容等［14-15］分別利用經不同方法處理過的稻殼灰對廢水中的重金屬元素進行吸附試驗，結果表明，稻殼灰對廢水中的汞和鉛具有良好的吸附作用。以含有大量硅的稻殼灰代替硅土作為原料來制取水泥，其效果可達到行業標準，且成本較低［16］。將生物質灰與水泥、樹脂混合均勻后壓膜制成的磚塊，不僅質量輕，而且具有防火、防水、隔熱、不易破碎等性能。將生物質灰添加到涂料中，因為稻殼灰中含有約38%的干性纖維素，解決了涂料的龜裂現象［17］。

3 結 論

對電廠發電作業產生的生物質灰渣進行磁選篩分，分選成1 號（R ＞ 5 mm）、2 號（R 為2～5 mm）、3 號（R 為1～2 mm）、4 號（R 為0.5～1 mm）、5 號（R 為0.25～0.5 mm）和6 號（R ＜ 0.25 mm）等6 種粒徑規格的生物質灰渣。相關特性研究結果表明，生物質灰渣均呈現出一定的堿性，可以應用于酸性土壤以調節土壤酸堿度，改善土壤活性；生物質灰渣中含有Si、Al、Ca、Fe、Mg、P 等元素，而Ca、Fe、P 都是植物生長所必需的營養元素；生物質灰渣的密度低于石英砂，相對密度接近于石英砂，且質地疏松，顆粒細小，堆積密度小。

1、2 號生物質灰渣粒徑較大，碎石等雜質成分含量較高，一般將其當作填料填埋路基或作為建筑原料的部分替代物或摻雜物；3、4、5 號生物質灰渣粒徑處于0.25～1 mm 之間，其特性研究結果以及現有的將其應用于水處理方面的相關研究為將3、4、5 號生物質灰渣作為水處理的一種新型功能性材料提供了依據；6 號生物質灰渣粒徑小，形態接近于傳統的草木灰渣，含有較多的Ca、Fe、P 等元素，可將其作為肥料應用在農業方面。