生物質(zhì)電廠灰渣資源化應(yīng)用研究

摘要：為解決生物質(zhì)電廠灰渣積存量大、資源化應(yīng)用困難等問題，通過元素分析、XRF分析等方法對某生物質(zhì)電廠灰渣的顆粒分布、成分組成、酸堿度等進(jìn)行了檢測。結(jié)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(zhì)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(chǎn)、水泥熟料制備、混凝土制備方面具有廣闊的前景?？偨Y(jié)生物質(zhì)灰渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建材資源化低碳利用中的方式和方法，可對進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)電廠灰渣大規(guī)模、高摻量資源化應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)電廠灰渣；資源化；低碳利用

引言

生物質(zhì)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(zhì)具有產(chǎn)量大、種類多與分布廣的特點(diǎn)，利用生物質(zhì)原料進(jìn)行發(fā)電，對能源高效利用及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有積極的影響。目前，生物質(zhì)發(fā)電已成為生物質(zhì)能源利用的有效方式，每年全球的生物質(zhì)電廠產(chǎn)生的生物質(zhì)灰渣量約為4.8億t，其中生物質(zhì)底渣占36%，飛灰占64%[1]。我國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量，在2022年時達(dá)到4100 kW，生物質(zhì)電廠灰渣產(chǎn)生率為0.5%～20%，但大部分生物質(zhì)電廠灰渣被作為廢棄物進(jìn)行填埋處理，不僅造成了土地資源的浪費(fèi)，還存在環(huán)境污染的風(fēng)險。目前，國內(nèi)外生物質(zhì)灰渣的資源化利用研究主要集中在農(nóng)林化工、建材等領(lǐng)域，因此本文主要對某生物質(zhì)電廠的灰渣進(jìn)行理化性質(zhì)測試分析，并對生物質(zhì)灰渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)利用、建材資源化中的再利用等方面進(jìn)行了述評，為生物質(zhì)灰渣的資源化應(yīng)用提供參考。

1 材料與分析方法

1.1 材料

本試驗(yàn)所用生物質(zhì)灰渣樣品為某生物質(zhì)直燃電廠燃燒秸稈、廢棄模板等廢棄物所產(chǎn)生的生物質(zhì)底渣和飛灰。

1.2 分析方法

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

生物質(zhì)電廠灰渣水溶液的pH通過臺式酸度計(jì)測定。

2 生物質(zhì)電廠灰渣的理化性質(zhì)

2.1 生物質(zhì)灰渣的理化性質(zhì)分析

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

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

2.2 生物質(zhì)灰渣的成分分析

對生物質(zhì)灰渣中的底渣和飛灰進(jìn)行XRF分析，獲得其元素分布情況，如表2所示。XRF測定結(jié)果表明，生物質(zhì)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(zhì)底渣和飛灰中SiO2含量分別高達(dá)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(zhì)。該結(jié)果與BOSQUE I F S D等[3]的結(jié)論一致，灰渣中的SiO2、 Al2O3、Fe2O3等活性物質(zhì)可與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca（OH）2堿性物質(zhì)發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成硅酸鈣（C-S-H）和水化鋁酸鈣（C-A-H）等膠凝物質(zhì)，增強(qiáng)水泥試塊的強(qiáng)度，提高混凝土的抗腐蝕性[4]。

3 生物質(zhì)灰渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)利用

生物質(zhì)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(yǎng)成分，經(jīng)過處理后，可作為土壤改良劑和肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。同時，由于生物質(zhì)底渣具有疏松多孔、比表面積大的特點(diǎn)，生物質(zhì)飛灰呈粉末狀，因而生物質(zhì)灰渣對土壤的透氣性、含水量、團(tuán)狀結(jié)構(gòu)等具有一定的影響。有研究表明，在土壤中使用生物質(zhì)灰后，土壤空隙結(jié)構(gòu)改變，促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，調(diào)整了土壤氣水比，土壤儲水能力增強(qiáng)[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(huán)境，同時使得營養(yǎng)素吸收最大化，但石灰的大規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)致碳排增加及全球變暖等氣候問題。而生物質(zhì)電廠灰渣的水溶液呈堿性，pH檢測結(jié)果如圖2所示，pH介于10～12之間，因此可利用生物質(zhì)灰渣代替石灰作為土壤改良劑，在調(diào)整土壤理化性質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益的同時，也具有良好的環(huán)境效益。代文才等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)灰渣施用于土壤后，增加了土壤中團(tuán)聚體的數(shù)量，提高了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時提高了土壤pH值，改善了土壤酸堿度。

生物質(zhì)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(shí)現(xiàn)更好的土壤改良效果。有試驗(yàn)表明，與普通肥料相比，混合肥料能夠有效提高土壤營養(yǎng)成分含量，改善土壤肥力，提高農(nóng)作物坐果率和優(yōu)質(zhì)果比例[8]。但由于生物質(zhì)灰渣種類多，不同來源的生物質(zhì)灰渣成分含量差異大，因而需對生物質(zhì)電廠灰渣中的重金屬等污染物需進(jìn)行預(yù)處理，避免形成二次污染，才能進(jìn)行資源化應(yīng)用。此外，治理土壤污染的過程中，對于生物質(zhì)灰渣與肥料的聯(lián)合作用機(jī)理及效果仍長期效果驗(yàn)證。目前，生物質(zhì)灰渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中返田的大規(guī)模市場化應(yīng)用仍未實(shí)現(xiàn)。

4 生物質(zhì)灰渣建材資源化再利用

我國作為世界上最大的水泥生產(chǎn)國和消費(fèi)國，在“雙碳”目標(biāo)要求下，利用活性固廢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅酸鹽水泥熟料進(jìn)行建材生產(chǎn)，能夠有效減少建材生產(chǎn)能耗，降低CO2排放，同時實(shí)現(xiàn)固廢的回收利用。

粉煤灰具有良好的火山灰特性，是目前應(yīng)用最為廣泛的水泥摻和料。生物質(zhì)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(shí)驗(yàn)表明，生物質(zhì)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(shí)驗(yàn)所使用的生物質(zhì)灰渣中鎘、汞、硼、砷等重金屬含量明顯更低，且生物質(zhì)灰渣具有較大的比表面積，通過表面絡(luò)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(zhì)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(chǎn)物降低，易引起水泥、混凝土的膨脹和開裂，同時生物質(zhì)灰渣中含有的氯化鈣、磷酸鹽等，對水泥的需水量及穩(wěn)定性存在一定影響，因此使用生物質(zhì)電廠灰渣作為原料進(jìn)行建材化利用時，應(yīng)先進(jìn)行脫鹽預(yù)處理，避免鈉、鉀鹽等對建材材料的機(jī)械性能和耐久性能產(chǎn)生影響。

生物質(zhì)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(dāng)比例的生物質(zhì)灰渣，能夠提高水泥、混凝土材料的機(jī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）的生物質(zhì)灰渣作為硅酸鹽水泥替代物形成的復(fù)合膠凝材料性能有所提高。趙保峰等[5]使用生物質(zhì)電廠灰渣代替20%水泥熟料時，可降低水泥生產(chǎn)過程中15%的碳排量及16%的能耗量。CORDEIRO G C等[11]通過實(shí)驗(yàn)研究證明，用20%的生物質(zhì)灰渣代替水泥可實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。但生物質(zhì)灰渣的大規(guī)模應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究，蔡星[12]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過研磨細(xì)化后的生物質(zhì)灰渣，反應(yīng)活性增強(qiáng)，能夠促進(jìn)水熱反應(yīng)的有效進(jìn)行，制得的混凝土試塊結(jié)構(gòu)更加致密，硬度更強(qiáng)。

雖然生物質(zhì)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(guī)?；瘧?yīng)用等問題。研究對象目前只針對單一的生物質(zhì)灰渣，多固廢之間的聯(lián)合應(yīng)用仍比較缺乏，未來應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注生物質(zhì)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(xié)同利用。

結(jié)論

生物質(zhì)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(jī)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(nóng)業(yè)和建材行業(yè)中實(shí)現(xiàn)資源化利用。

生物質(zhì)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時作為復(fù)合肥原料，生物質(zhì)電廠灰渣生產(chǎn)的復(fù)合肥能夠更好地提高土壤肥力，促進(jìn)農(nóng)作物生長。

生物質(zhì)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(luò)合和吸附作用，能夠阻礙重金屬的浸出，適當(dāng)比例的摻混生物質(zhì)電廠灰渣，能夠提高水泥、混凝土的機(jī)械性能。

雖然已有大量研究表明生物質(zhì)灰渣在農(nóng)林、建材等領(lǐng)域具有較大潛力，但生物質(zhì)電廠灰渣仍未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的資源化應(yīng)用，多固廢聯(lián)合處理在未來也應(yīng)進(jìn)行更多的研究。

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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?yàn)樯镔|(zhì)熱解氣化的工程化應(yīng)用、生物質(zhì)熱解焦油處置、生物質(zhì)電廠灰渣的資源化利用、木質(zhì)活性炭制備等。