生物質焚燒灰渣資源化技術分析與應用

趙開興 上海市機電設計研究院有限公司

在“雙碳目標”的政策背景下,生物質能的清潔高效利用已成為中國低碳能源發展的重要方向,其中生物質直燃發電是現有生物質規模化利用最普遍、最有效的方向，是實現“雙碳”目標的有效途徑，已然成為了“碳中和”的重要發力點。近年來，我國生物質發電量和累計裝機容量逐年遞增。然而，生物質焚燒過程會產生大量飛灰和爐渣。據統計，2020年我國現有生物質電廠總發電量為1326億kWh，年消耗6億～7億t生物質燃料，產生近4000萬t生物質焚燒灰渣。

1 生物質焚燒灰渣理化特性

目前，國內生物質燃燒電廠普遍采用的燃燒方式主要是以爐排爐為代表的層燃燃燒和以循環流化床為代表的流化床懸浮燃燒。表1為7家生物質電廠焚燒飛灰和爐渣的主要成分分析。振動爐排爐焚燒的生物質飛灰呈黑色，表明燃燒不完全，殘碳較高；爐排爐爐渣呈形狀不一、疏松多孔的結構，且其粒徑要遠大于飛灰。循環流化床飛灰采用懸浮燃燒，其產生的飛灰和爐渣燃燼率均較高，殘炭率低。飛灰經布袋除塵器收集，顆粒較細，大部分顆粒粒徑集中在0.25mm以下,而爐渣的顆粒較粗，雜質（砂石）較多，粒徑分布廣泛，粒徑多分布于0.25～4mm。

2 生物質焚燒灰渣處置現狀

目前生物質電廠灰渣的出路：①堆積填埋；②建材（鋪路、摻雜制備免燒磚）；③肥料/土壤改良劑原料；④水處理填料；⑤堆積在廠區。隨著環保監管力度的增大，灰渣處理已成為生物質發電行業普遍存在的亟待解決的難題, 生物質焚燒灰渣處置現狀見表2。

表2 生物質焚燒灰渣處置現狀

3 生物質焚燒灰渣資源化技術

3.1 建材利用

生物質灰渣免燒磚主要有3類產品：①蒸壓灰砂磚；②水泥免燒磚；③加氣混凝土砌塊。蒸壓磚主要是依靠生石灰中的有效CaO和灰渣中SiO2在0.8Mpa以上壓力的飽和蒸汽（174.5℃以上）的條件下起熱合成反應，生物質灰渣摻量可達80%以上。水泥免燒磚是用60%～70%的生物質灰渣，加7%～10%的水泥，再摻入一定的骨料和外加劑，經強化攪拌、擠壓成型、自然養護而成。加氣混凝土砌塊工藝對原料中SiO2要求較高，需達到70%～80%。因此，生物質灰渣利用的產品主要是蒸壓免燒磚和水泥免燒磚。

本文以安徽省蚌埠市某循環流化床生物質電廠灰渣為原料，引入“篩分+磁選+混料攪拌+消化+二次攪拌+壓制成型+蒸壓養護+自然養護”蒸壓免燒磚工藝，探究生物質電廠灰渣制備環保免燒磚的可行性。免燒磚產品原料為爐渣、飛灰、生石灰、廢礦石和建筑垃圾，其混合比例分別為：30%、50%、12%、8%；其中爐渣和飛灰的摻配比例高達80%。免燒磚產品性能檢測結果見表3所示，該產品的抗折、抗壓均滿足《蒸壓粉煤灰磚》標準中規定的MU15要求。

表3 免燒磚強度檢測結果

3.2 填料

采用振動爐排焚燒生物質產生的爐渣，呈燒結狀，表面疏松多孔，孔隙結構發達，比表面積大，具有較強的吸附性能。另一方面，由于不完全燃燒，生物質灰渣中殘留的有機質在一定程度上可以被微生物所利用，使得生物灰渣在作為污水處理的補充碳源方面具有潛在的應用價值。生物質灰渣在環境領域的應用雖然不多,但是近年來，國內高校開始了生物質灰渣填料等方面的研究工作，將其應用于污水處理領域。

本文以安徽省滁州市某生物質振動爐排焚燒爐渣為原料，經“篩分+水洗+改性”工藝制備粒徑大于1cm的生物質填料，其產品置于某一體化設備末級過濾凈化段進行水處理，委托某環境監測站進行檢測，具體檢測項目及結果如表4所示。從表4可以看出，生物質灰渣填料對污水中懸浮物去除效果明顯，出水懸浮物接近出水一級A標準（10 mg/L）；而對化學需氧量、氨氮、總氮、總磷等污染物的去除效果不明顯。

表4 水樣檢測結果

3.3 肥料/土壤改良劑

生物質電廠的飛灰由于使用的燃料為秸稈類，因此排出的灰渣為秸稈灰渣屬于草木灰系列，其主要成分中鉀含量較高,同時還含有磷、鈣、鎂、等多種元素，是生產肥料/土壤調理劑的優質原材料。生物質灰渣肥料/土壤改良劑，是通過人工添加營養成分，結合灰渣內的營養成分，與其他原料配合后，經造粒、烘干等工藝生產的產品。

但是,利用生物質飛灰制肥料/土壤調理劑對爐灰質量要求嚴格，不能含有重金屬、硫酸鈣等,這就要求電廠采用純生物質秸稈類燃料，不允許摻燒模板等其他燃料,同時要求電廠煙氣凈化脫酸藥劑不能采用氫氧化鈣,以防止飛灰中鈣鹽過多導致土壤板結。因此利用灰渣生產肥料/土壤改良劑規模較小，利用能力非常有限。因此，從工藝成本和產業化應用的角度考慮，有必要針對其產業化應用經濟效益、技術應用瓶頸、產業政策做深入分析。

4 結論與展望

生物質灰渣富含大量Si、Al、Ca以及P、K等營養元素，生物質電廠灰渣的資源化利用需根據其理化性質特征（元素組成與粒徑）進行綜合考慮。

循環流化床、振動爐排灰渣均富含火山灰礦物，可根據其物化特性不同來選擇合適的建材利用資源化產品。蒸壓免燒磚工藝具有免燒結、低能耗、生產周期短、原料成本低、設備簡單、易于產業化等優點，是實現生物質電廠灰渣高摻量、規模化利用的重要方向。

大顆粒振動爐排焚燒爐渣、循環流化床焚燒飛灰可分別考慮填料、肥料/土壤改良劑資源化方向。目前該方向的應用仍處于起步階段，其推廣利用還存在很多問題，建議對其產業化應用的經濟效益、技術應用瓶頸、產業政策做深入分析。