中圖分類號：X705 文獻標志碼：A

文章編號：2096－2983（2025）03-0093-07

Abstract： In order to solve the problem of resource utilization of biomass power plant ash， ashes were collected and analyzed from 10 biomass power plants in the Yangtze River Delta region. The phase composition， chemical characteristics， and micro-morphology of biomass power plant ashes were systematically investigated through various characterization equipment including X-ray difraction， Xray fluorescence spectroscopy， and scanning electron microscope， aiming to explore potential resource utilization pathways. The results indicate that the fuel used in biomass power plants largely affects the chemical composition of the ash. The mass fractions of SiO₂ ， CaO，and Al₂O₃ in the biomass bottom slag are high.Notably， the biomass bottom ash from the 9th biomass power plant shows the highest SiO₂ mass fraction at 67.55% . In contrast， biomass fly ash contains elevated levels of CaO ， Cl^- and K₂O ，with finer particles and fewer pores. The synergistic application of biomass bottom ash and biomass fly ash can optimize the ratio of Ca and Si， providing a novel approach for the utilization of biomass power plant ash residues in building material production.

Keywords： biomass power plant ash； resource utilization; biomass bottom ash； biomass fly ash;physical and chemical properties

生物質是少數可以直接轉化為燃料的可再生原料之一，其開發和利用潛力巨大。 20%～30% 的化石燃料可以用生物質替代，且無需任何大投資[1]。目前，生物質能源（包括熱能、電能和燃料）占世界總能源的 8%～15% ，預計到2050年，這一比例將上升到 33%～50%^[2] 。在全球對可再生能源需求日益增長的背景下，農林生物質直接燃燒發電技術正逐漸成為能源領域中一個重要的綠色解決方案。生物質電廠通過高效燃燒農林廢棄物，如秸稈、稻殼、木屑等，轉化為熱能，進而產生電能，這一過程產生了體量龐大的生物質灰渣。生物質電廠發電過程產生的生物質灰渣可分為生物質底渣（biomassbottomash，BBA）和生物質飛灰（biomassflyash，BFA）。BBA是由生物質燃燒后在鍋爐底部產生的殘渣，這部分灰燼通常與生物質中的雜質（如沙子和碎石）混合[3]。BFA則是燃燒過程中漂浮在排氣管道中的較細粉煤灰，可通過旋風除塵器收集。這些副產品的資源化對推動生物質電廠的可持續發展至關重要。研究發現，BBA的產量與燃料種類密切相關，木制燃料燃燒后BBA的產量通常占灰渣總質量分數的65%～85% ，秸稈燃燒后BBA的產量占灰渣總質量分數的 80%～90%⁰ 。盡管有研究者[5]對特定電廠的生物質灰渣理化性質及其應用進行了研究，但未見對不同電廠生物質灰渣理化特性進行系統分析的報道。

生物質灰渣的資源化利用途徑主要包括土壤修復、吸附劑制備以及建筑材料應用等。有研究[7表明，生物質灰渣可作為土壤改良劑，以提升農作物產量。同時，生物質灰渣在建材領域展現出應用潛力，如替代部分水泥、硅灰等，用于制備自密實混凝土、蒸壓加氣混凝土和超高性能混凝土，并且，利用水泥進行固化還能降低環境風險[]。然而，由于燃料來源復雜，生物質電廠灰渣在化學組成和活性方面存在顯著差異，限制了其在混凝土中的規模

化應用。

本研究通過分析長三角地區不同生物質電廠灰渣的理化特性，為生物質電廠灰渣在建材行業的應用前景進行評估，為BBA和BFA的資源化利用提供理論基礎，以促進生物質發電行業的可持續發展。

試驗材料和方法

1.1 生物質電廠灰渣樣品

于2023年從我國長三角不同地區的10家生物質電廠收集了BBA和BFA樣本。這些電廠的燃料大多為秸稈、建筑模板和樹枝等。燃燒設備采用循環流化床鍋爐或爐排爐。為便于分析，將不同電廠的BBA依次編號為BBA1 ～ BBA10;BFA依次編號為BFA1 ～ BFA10。

圖1為生物質發電過程示意圖。我國生物質發電主要包括直接燃燒發電、混合燃燒發電和氣化發電3種模式。本研究涉及的生物質電廠大多采用爐排爐技術。爐排爐技術是將生物質置于固定或移動的爐排上進行燃燒，并通過振動或移動生物質來控制燃燒時間的技術。該技術相對成熟，固定投資較少、維護簡便、可操作性好，已成為國內絕大部分生物質電廠的主流燃燒技術。循環流化床技術能夠保持生物質在鍋爐內部處于劇烈循環運動及較長停留時間，使大粒徑的固相生物質在穩定的流化態下循環進入鍋爐燃燒，從而保證較高的燃盡率。然而，生物質灰分低、粒徑小，分離和流化過程中存在高溫燒結腐蝕的問題[10]

1.2 試驗方法

通過物理和化學分析方法對生物質灰渣進行表征。參照《水泥化學分析方法》（GB/T176—2017測試不同生物質灰渣的燒失量；依據《固體廢物腐蝕性測定—玻璃電極法》（GB/T15555.12—1995）測定 pH ；使用X射線熒光光譜儀（X-rayfluorescencespectrometer，XRF）測試生物質灰渣的化學成分；將灰渣研磨成粉末后過200目篩，使用X射線衍射儀（X-raydiffractometer，XRD）測定物相，衍射角為 10^°～70^° ，掃描速率為 5（^°）/min 。使用掃描電子顯微鏡（scanningelectron microscope，SEM）測試不同生物質灰渣的形貌特征。

2 試驗結果及分析

2.1 宏觀特性

BBA與BFA呈現顯著形貌差異：BBA呈不規則塊狀，粒徑分布不均，且含有大量未燃盡的C;BFA則為均勻細小的粉末狀。研究發現，爐排爐的生物質灰渣呈黑灰色，而流化床的生物質灰渣多呈黃褐色，這種顏色差異主要源于燃燒溫度的影響。高溫條件下，生物質燃燒充分，有機礦物質更易揮發，生成淺灰色生物質灰渣且產量較低；而低溫條件下，生物質不完全燃燒，導致生物質灰渣顏色偏深，未燃盡的C增多。將10家生物質電廠排序，編號為電廠 1～ 電廠10，其產生的生物質電廠灰渣宏觀特性如表1所示

2.2 化學組成

生物質燃燒后，生物質中的無機礦物質以及重金屬等難揮發性物質會保留在BBA之中。雖然生物質電廠灰渣中含有 ΔZn，Cu，Mn，Cr，Ni 等重金屬，但浸出試驗顯示這些重金屬浸出量均在標準限值以內，而且生物質電廠灰渣中As、Cd、Pb等有毒金屬占比很低[1]

圖2為采用XRF得出的BBA與BFA中主要成分。由圖2可知，不同生物質燃燒后的BBA中主要成分基本相似，主要是由 Si，Al，Fe，Ca，Mg，K 等元素組成，包括 SiO₂ 、CaO、 MgO 、 Al₂O₃ ！ Fe₂O₃ ）Na₂O.P₂O₅.SO₃.Cl^-.K₂O 和 TiO₂ ，但其中各組分的占比存在差異。 SiO₂ 占比高，這一有效成分可以為復合膠凝材料力學性能的提高提供先決條件，為BBA在建材領域的利用奠定堅實的基礎。其中，BBA9中 SiO₂ 占比最高，達到總質量的 67.55% BBA10中 SiO₂ 占比最低，只有總質量的 27.05% 。

一般情況下，大多數秸稈和稻殼類等草本生物質燃燒后BBA中 SiO₂ 質量分數（ 550% 高于木本類生物質中的（ lt;20% ）。BBA10中 SiO₂ 質量分數較低的原因可能是電廠在采樣期間主要使用木制燃料。

由圖2還可以觀察到，大多數BBA與BFA中主要成分為 SiO₂.CaO.MgO 和 Al₂O₃ ，這幾個成分的總質量分數之和基本上均超過了 70% ，其中SiO₂，CaO 和 Al₂O₃ 是被公認為具有火山灰特性的材料[12]，這與 Saez 等[13]的研究結論一致。BBA 中的SiO₂.Al₂O₃.Fe₂O₃ 等活性物質可與水泥水化反應產生的 Ca（OH）₂ 發生火山灰反應，生成水化硅酸鈣和鈣釩石等膠凝物質，提高水泥試塊的強度，改善混凝土的抗腐蝕性[14]。但 MgO 和部分可溶性堿占比的增加會引起復合水泥的水化試塊孔隙率的增加，進而導致強度降低[15]。因此，BBA在建材領域的利用需進行進一步研究。

與BBA不同的是，BFA中含有更多的CaO、C1和 K₂O ，其原因主要是由BFA的特性引起的。BFA主要是煙氣攜帶的燃料顆粒燃燒生成或燃燒中揮發到煙氣中的無機成分凝結或沉積到BFA顆粒上形成的。K、C1是易揮發元素，因此在燃燒時易揮發到煙氣中，在煙氣冷卻過程中形成細小的飛灰顆粒或沉積在細小的BFA顆粒表面，導致其在細小的BFA中占比高。Ca、Mg在木質生物質中占比高但不易揮發；其在小顆粒BFA中占比高可能是因為煙氣攜帶細小的木質燃料顆粒在燃盡過程中大量破碎，形成小粒徑飛灰[7]。

本研究所涉及的BBA的化學組成與文獻[17]中的一致。如圖3所示，在Vassileva等[16根據生物質灰渣化學成分的差異設計了一套分類系統，將生物質灰渣分為S類、C類、CK類和K類，分別代表富Si型BBA、富Ca型BBA、富Ca和K型BBA、富K型BAA。如圖3所示，本研究涉及的BBA1～BBA9均處于上半部分，說明其屬于S類。BBA10主要采用木制燃料，出現在圖3的左下角，說明其屬于C類。圖3表明，雖然生物質的來源廣泛，具有一定的地域性差異，但絕大多數BBA的成分都很相似，這種特性為其資源化利用的推廣提供了有利條件。

2.3 礦物成分

圖4是不同生物質電廠BBA的XRD譜圖。從圖4中可以看出，不同電廠BBA的礦物成分并沒有太大區別，主要為石英、方解石和硬石膏，其中石英的特征峰最為明顯。石英和方解石占比高，表明生物質在高溫下燃燒[18]。圖4中在 2θ 為 25^°～30^° 出現較多石英的特征峰，與圖2中 SiO₂ 的質量分數最高的結論一致。造成這種結果的原因主要有2個：一方面生物質中Si是主要組成元素；另一方面是由于秸稈等生物質中經常混有塵土、砂石等，在燃燒過程中，部分砂石物質殘留在BBA中，因此，XRD譜圖上石英的特征峰最明顯。此外，BBA中還存在硬石膏和方解石的衍射峰。硬石膏可能是CaO與高溫煙氣中的氣態硫氧化物反應形成的，而方解石是煙氣冷卻過程中CaO與燃料中的 CO₂ 反應形成的。

2.4 微觀形貌

圖5為BBA9和BFA9的SEM圖。從圖5可知，BBA9與BFA9的顆粒形狀不規則，BBA9具有發達的孔隙結構，且有一些絮狀物質。這主要是由于電廠9的燃料中含有一定的纖維結構燃料，這些燃料燃燒不充分，形成了不規則的絮狀結構。未燃盡的C呈絮狀結構易吸水，若用于制備水泥會增大水泥漿體的阻力，影響水泥的流變性能。BFA9的顆粒則呈小球形，比BBA9分布地更加均勻，顆粒粒徑較小，孔隙較少，可在一定程度上填補BBA的孔隙，從而提升其在建筑材料領域的協同利用價值。這一研究結果為生物質電廠灰渣的資源化利用提供了新的途徑[19]

3討論

生物質電廠灰渣還可用于替換水泥或砂粒，應用于混凝土制備中，并且通過研磨和焚燒生物質電廠灰渣，還能提高生物質電廠灰渣-混凝土的性能[20]。Tulashie 等[21]使用稻殼灰代替普通硅酸鹽水泥的研究發現，加人水泥總質量分數 22.22% 的稻殼灰可以顯著提高水泥砂漿的抗壓強度。然而，劉勇等[22]使用生物質電廠灰渣制備水泥砂漿時發現，相同摻量下生物質電廠灰渣-水泥混合砂漿在各齡期下強度均小于普通砂槳的，且硬化后的水泥具有更高的孔隙率。蔡星等[19]以生物質電廠灰渣、水泥、粉煤灰、石灰等作原材料，制備了生物質電廠灰渣加氣混凝土砌塊，發現Ca與Si的比為0.86時，砌塊抗壓強度達 2.5MPa ，抗折強度達 1.8MPa 0由此可見，生物質電廠灰渣具備一定活性，可替代部分膠凝材料，但由于其活性較低，往往需要采取一些復雜的改性措施，由此導致其利用率較低。生物質電廠灰渣中的可溶性鉀鹽會促進石膏和鈣礬石等物相生成，從而影響混凝土的流變性能；而在后期水化過程中，隨著鉀離子的溶出以及堿-Si反應的進行，會導致混凝土砌塊結構劣化，從而顯著降低其抗壓強度[23]。因此，當采用生物質電廠灰渣作為水泥或細骨料的替代材料時，必須通過預處理工藝控制其粒徑分布，降低 K₂0?MgO 等堿性氧化物以及氯化物的占比，以最大限度地降低其對混凝土耐久性和力學性能的負面影響

通常來說，BBA中堿金屬元素占比較高，因此呈堿性。生物質電廠灰渣也被用作土壤改良劑代替石灰，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[24]。但由于生物質電廠灰渣種類多，不同來源的生物質電廠灰渣成分差異大，因而需對生物質電廠灰渣中的重金屬等污染物進行預處理，避免形成二次污染，才能進行資源化應用。自前，生物質電廠灰渣在農業生產中返田的大規模市場化應用仍未實現。因此，生物質電廠灰渣在建材領域的應用仍是當下的首選。

4結論

本文通過XRD、XRF、SEM等表征手段對長三角地區10家生物質電廠灰渣的理化特性進行了分析，主要結論如下：

（1）生物質電廠灰渣的理化特性很大程度上受燃料種類、燃燒方式的影響，不同燃燒方式所生成的生物質電廠灰渣具有很大的差異。秸稈類燃料會產出更多的BBA，占生物質電廠灰渣總質量的80%～90% ，加入木制燃料會提高BFA的產量。（2）BBA中，具有活性的 SiO₂ 、CaO和 Al₂O₃ 的質量分數之和超過 70% ，這為BBA在建筑領域的應用提供了良好的先決條件。（3）BBA具有發達的孔隙結構，含有未燃盡的C，BFA顆粒更細小，孔隙較少，且含有更多的CaO，可用于調節Ca與Si的比，有利于在建筑領域的資源化利用。

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（編輯：何代華）