生物質電廠灰渣資源化應用研究

摘要：為解決生物質電廠灰渣積存量大、資源化應用困難等問題，通過元素分析、XRF分析等方法對某生物質電廠灰渣的顆粒分布、成分組成、酸堿度等進行了檢測。結果表明，樣品中SiO2和 Al2O3含量超70%，且含有Fe2O3、CaO、MgO、P2O5等礦物成分，因此生物質電廠灰渣具有火山灰活性，且呈堿性，重金屬含量低，在土壤改善、肥料生產、水泥熟料制備、混凝土制備方面具有廣闊的前景。總結生物質灰渣在農業生產和建材資源化低碳利用中的方式和方法，可對進一步實現生物質電廠灰渣大規模、高摻量資源化應用提供參考。

關鍵詞：生物質電廠灰渣；資源化；低碳利用

引言

生物質是一種“零碳排放”的可再生能源，是化石燃料的潛在替代能源之一，我國生物質具有產量大、種類多與分布廣的特點，利用生物質原料進行發電，對能源高效利用及實現“雙碳”目標具有積極的影響。目前，生物質發電已成為生物質能源利用的有效方式，每年全球的生物質電廠產生的生物質灰渣量約為4.8億t，其中生物質底渣占36%，飛灰占64%[1]。我國生物質發電裝機容量，在2022年時達到4100 kW，生物質電廠灰渣產生率為0.5%～20%，但大部分生物質電廠灰渣被作為廢棄物進行填埋處理，不僅造成了土地資源的浪費，還存在環境污染的風險。目前，國內外生物質灰渣的資源化利用研究主要集中在農林化工、建材等領域，因此本文主要對某生物質電廠的灰渣進行理化性質測試分析，并對生物質灰渣在農業生產中的循環利用、建材資源化中的再利用等方面進行了述評，為生物質灰渣的資源化應用提供參考。

1 材料與分析方法

1.1 材料

本試驗所用生物質灰渣樣品為某生物質直燃電廠燃燒秸稈、廢棄模板等廢棄物所產生的生物質底渣和飛灰。

1.2 分析方法

元素分析通過德國生產的Vario MICRO元素分析儀進行，氧元素通過差減法估算；生物質灰渣分析參照《固體生物質燃料工業分析方法》（GB/T 28731-2012）；熱值分析用氧彈量熱法進行檢測，參照《固體生物質燃料發熱量測定方法》（GB/T 30727-2014）；生物質電廠灰渣化學成分通過X射線熒光光譜分析儀（XRF，Thermo ARL 9400 XP）進行測試；

生物質電廠灰渣水溶液的pH通過臺式酸度計測定。

2 生物質電廠灰渣的理化性質

2.1 生物質灰渣的理化性質分析

生物質電廠灰渣的資源化利用主要取決于灰渣的顆粒大小、物質組成、未燃成分、重金屬成分等。研究表明，生物質灰渣密度大多分布在1～2g/cm3，灰渣浸出液呈堿性，生物質飛灰粒度一般小于90μm[2]。某生物質電廠生物質灰渣的工業分析及元素分析如表1所示，經過燃燒后收集的生物質底渣和飛灰含灰量高，底渣和飛灰中的灰含量分別高達71.34%和94.75%。而生物質底渣中由于仍含有較多未燃盡的有機物，因此底渣中的固定碳含量達20.91%，高位熱值達7524kJ/kg。

結合生物質底渣中含有木質炭和焦塊等物質、表面疏松多孔的特征，將生物質底渣按照不同粒徑區間進行分選，并將分級分選后的底渣分別進行工業分析，各級分選底渣的固定碳含量如圖1所示。由分選結果可知，實驗所選用的生物質底渣，粒徑在0.6～2mm范圍內的顆粒固定碳含量均高于20%，占灰渣總質量的36.53%，含有較多的未燃有機物，孔隙發達，可作為污水處理吸附材料；樣品底渣中焦塊含量高達52.78%，可作為硅酸鹽、制磚等原料的替代物。

2.2 生物質灰渣的成分分析

對生物質灰渣中的底渣和飛灰進行XRF分析，獲得其元素分布情況，如表2所示。XRF測定結果表明，生物質灰渣主要是由Si、Al、Fe、Ca、Mg、K等元素組成，灰渣來源不同，成分差異較大；生物質底渣和飛灰中SiO2含量分別高達64.60%和52.01%；樣品中SiO2和 Al2O3總含量超70%，同時還存在Fe2O3、CaO、MgO、P2O5等礦物質。該結果與BOSQUE I F S D等[3]的結論一致，灰渣中的SiO2、 Al2O3、Fe2O3等活性物質可與水泥水化反應產生的Ca（OH）2堿性物質發生火山灰反應，生成硅酸鈣（C-S-H）和水化鋁酸鈣（C-A-H）等膠凝物質，增強水泥試塊的強度，提高混凝土的抗腐蝕性[4]。

3 生物質灰渣在農業生產中的循環利用

生物質灰渣中含有成分類似的硅酸鹽、Fe、K、Ca、Mg等植物生長所需的營養成分，經過處理后，可作為土壤改良劑和肥料用于農業生產。同時，由于生物質底渣具有疏松多孔、比表面積大的特點，生物質飛灰呈粉末狀，因而生物質灰渣對土壤的透氣性、含水量、團狀結構等具有一定的影響。有研究表明，在土壤中使用生物質灰后，土壤空隙結構改變，促進了土壤團粒結構的形成，調整了土壤氣水比，土壤儲水能力增強[6]。

石灰被廣泛用于改良土壤酸堿度，保持土壤pH為6.5～7，保證了大部分植物所需的土壤環境，同時使得營養素吸收最大化，但石灰的大規模應用導致碳排增加及全球變暖等氣候問題。而生物質電廠灰渣的水溶液呈堿性，pH檢測結果如圖2所示，pH介于10～12之間，因此可利用生物質灰渣代替石灰作為土壤改良劑，在調整土壤理化性質、提高經濟效益的同時，也具有良好的環境效益。代文才等[7]通過試驗發現，生物質灰渣施用于土壤后，增加了土壤中團聚體的數量，提高了土壤結構穩定性，同時提高了土壤pH值，改善了土壤酸堿度。

生物質灰渣除了能直接作為土壤改良劑外，也可作為原料制備混合肥料，實現更好的土壤改良效果。有試驗表明，與普通肥料相比，混合肥料能夠有效提高土壤營養成分含量，改善土壤肥力，提高農作物坐果率和優質果比例[8]。但由于生物質灰渣種類多，不同來源的生物質灰渣成分含量差異大，因而需對生物質電廠灰渣中的重金屬等污染物需進行預處理，避免形成二次污染，才能進行資源化應用。此外，治理土壤污染的過程中，對于生物質灰渣與肥料的聯合作用機理及效果仍長期效果驗證。目前，生物質灰渣在農業生產中返田的大規模市場化應用仍未實現。

4 生物質灰渣建材資源化再利用

我國作為世界上最大的水泥生產國和消費國，在“雙碳”目標要求下，利用活性固廢代替傳統的硅酸鹽水泥熟料進行建材生產，能夠有效減少建材生產能耗，降低CO2排放，同時實現固廢的回收利用。

粉煤灰具有良好的火山灰特性，是目前應用最為廣泛的水泥摻和料。生物質灰渣中含有CaO、Al2O3、SiO2等，具有火山灰活性，可作為水泥摻混料。CORDEIRO" G C等[9]也通過實驗表明，生物質灰渣替代粉煤灰作為水泥摻混料是可行的。如表3所示，相較于粉煤灰，實驗所使用的生物質灰渣中鎘、汞、硼、砷等重金屬含量明顯更低，且生物質灰渣具有較大的比表面積，通過表面絡合和吸附作用，能夠阻礙灰渣浸出金屬離子和部分非金屬成分，具有一定的重金屬固定能力。但生物質灰渣中游離的MgO堿性礦物，會造成水泥早期假凝、有效水化產物降低，易引起水泥、混凝土的膨脹和開裂，同時生物質灰渣中含有的氯化鈣、磷酸鹽等，對水泥的需水量及穩定性存在一定影響，因此使用生物質電廠灰渣作為原料進行建材化利用時，應先進行脫鹽預處理，避免鈉、鉀鹽等對建材材料的機械性能和耐久性能產生影響。

生物質灰渣的種類和摻混量對水泥、混凝土等建材材料的性能有著重要影響。通過摻混適當比例的生物質灰渣，能夠提高水泥、混凝土材料的機械性能，同時能夠減少碳排量。張雁茹等[10]通過研究得出，低于20%（質量分數）的生物質灰渣作為硅酸鹽水泥替代物形成的復合膠凝材料性能有所提高。趙保峰等[5]使用生物質電廠灰渣代替20%水泥熟料時，可降低水泥生產過程中15%的碳排量及16%的能耗量。CORDEIRO G C等[11]通過實驗研究證明，用20%的生物質灰渣代替水泥可實現工程化應用。但生物質灰渣的大規模應用仍需進一步研究，蔡星[12]研究發現經過研磨細化后的生物質灰渣，反應活性增強，能夠促進水熱反應的有效進行，制得的混凝土試塊結構更加致密，硬度更強。

雖然生物質電廠灰渣建材資源化利用取得了較多的研究成果，但仍存在摻量低、難以規模化應用等問題。研究對象目前只針對單一的生物質灰渣，多固廢之間的聯合應用仍比較缺乏，未來應該重點關注生物質灰渣與粉煤灰、垃圾灰渣、鋼渣等多種固廢之間的相互影響和協同利用。

結論

生物質電廠灰渣顆粒分布不均，底渣表面疏松多孔，飛灰以粉末狀無機物為主，上述研究的灰渣中SiO2和 Al2O3總含量超70%，且含有Fe2O3、CaO、MgO、P2O5等礦物成分，具有火山灰活性，篩分后可在農業和建材行業中實現資源化利用。

生物質電廠灰渣的水溶液呈堿性，pH介于10～12之間，可用于改善土壤酸堿度，提高土壤結構穩定性。同時作為復合肥原料，生物質電廠灰渣生產的復合肥能夠更好地提高土壤肥力，促進農作物生長。

生物質電廠灰渣中的中鎘、汞、硼、砷等重金屬含量相較于粉煤灰更低，且通過表面絡合和吸附作用，能夠阻礙重金屬的浸出，適當比例的摻混生物質電廠灰渣，能夠提高水泥、混凝土的機械性能。

雖然已有大量研究表明生物質灰渣在農林、建材等領域具有較大潛力，但生物質電廠灰渣仍未實現大規模的資源化應用，多固廢聯合處理在未來也應進行更多的研究。

參考文獻

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[11] CORDEIRO G C， DE MORAES REGO FAIRBAIRN R D T F. Use of Ultrafine Rrice Husk Ash With High-carbon Content as Pozzolan in High Performance Concrete[J]. Materialsamp;Structures，2008，42（10）：983-992.

[12]蔡星.生物質灰渣蒸壓加氣混凝土的制備及其性能研究[D].鎮江：江蘇大學，2018.

作者簡介

冷富榮（1991—），女，漢族，山東煙臺人，工程師，碩士，研究方向為生物質熱解氣化的工程化應用、生物質熱解焦油處置、生物質電廠灰渣的資源化利用、木質活性炭制備等。