生物质燃烧灰渣利用概述

生物质燃烧灰渣利用概述

XXX

摘要：在人类面临着能源与环境双重压力的今天，生物质能作为一种清洁、可再生的能源日益受到人们的亲睐，于是生物质发电作为一种清洁的电力生产方式得到了迅速发展。生物质燃烧发电是一种简单直接的方式，我国也已建立了多家生物质直燃、混燃发电厂。生物质电厂运行过程中会产生大量的灰渣，其填埋不仅会占据大面积土地，还给环境带来了巨大的压力，且生物质灰渣中含有较多的K、N、S、P等无机元素，有一定的回收利用价值，因此，研究对生物质灰渣更加合理、高效的利用是十分必要的。本文将对目前生物质灰渣的利用情况做简要概述。

关键词：生物质电厂、灰渣特性、综合利用

1. 前言

随着化石能源的大量开采、利用，能源危机与随之而来的环境污染问题已成为全世界关注的焦点，此两点问题的重要性已不必再多加赘述。在这个全球大背景下，化石能源的清洁高效利用和开发清洁、可再生的新能源也成为了研究的两大热点领域。电力行业是典型的能源行业，传统的火电更是要消耗大量的化石燃料。我国是煤炭大国，火力发电一直以燃煤为主。但是煤炭作为一种不可再生的能源，总会面临资源枯竭的一天。而且煤炭在燃烧过程中会产生SO2、NOx等气态污染物以及粉尘灰渣等固态废弃物，需要在后续过程中进行脱硫、脱硝、除尘等污染物减排处理。因此、用更加清洁的燃料代替煤炭或者研究煤炭的清洁高效利用是十分必要的。

风能、太阳能、水能、地热能、潮汐能和生物质能都是典型的可再生清洁能源，其中生物质能是唯一可再生的碳源，有着很广阔的研究和发展空间。生物质能是指蕴藏在生物质中的能量，能够作为能源使用的生物质资源有很多种，大体可以分为植物和非植物两大类。其中植物类主要包括森林、农作物、草类等陆生植物和水草、藻类等水生植物；而非植物类主要有动物粪便、有机废水、生活垃圾等。我国拥有丰富是生物质资源，据测算，我国理论生物质资源量约为50亿吨/年。如果这些生物质资源得到充分的利用，将大大缓解我国的能源和污染物治理问题。

生物质的利用方式有很多，在电力方面，主要有直燃发电、混燃发电、气化发电、垃圾发电等，在众多的生物质发电方式当中，生物质直燃和混燃发电是发展较为迅速的，这里的生物质指的主要是秸秆类生物质。自从1988年丹麦建成世界上第一座秸秆发电厂以来，秸秆发电技术已成为秸秆资源化利用的主要途径。我国是农业大国，秸秆资源丰富，年产量约为6.6亿吨，其中可作为能源利用的秸秆近2亿吨，至少可代替1亿吨的煤炭，因此秸秆发电具有巨大的发展潜力。秸秆通常含有3%~5%的灰渣，这种灰以锅炉飞灰和炉底灰渣的形式被收集，属于草木灰系列，钾含量较高，同时还含有丰富的营养成分如、磷和钙等，可用作高效农业肥料。但就目前的报道来看，生物质电厂灰渣的利用仍然存在着诸多问题。本文将从现有的生物质燃烧灰渣特性分析和利用研究出发做简要概述。

2. 生物质灰渣特性

对于大多数生物质燃料，除了碳、氢、氧等组成的有机物以外，都含有一定量的无机元素，包括K、Cl、Si、Ca、Mg、Na、P、S等主量元素，以及Fe、Mn、Cu、Zn、Co、Mo、As、Ni、Cr、Pb、Cd、Hg等微量或痕量元素。在生物质燃烧过程中，无机成分经历复杂的物理化学过程后所形成的残留物称为灰。

生物质灰主要来源于两个方面：一是在植物生长过程中吸收的、本身固有的无机成分，主要是植物生长过程中吸收的营养成分等。这部分无机成分相对均匀地分布在燃料中，但其元素组成、含量取决于生物质种类、产地、生长条件等，表现出显著的多样性和多变性的特征。比如，和木材相比，由于秸秆等农业剩余物中无机成分含量较高，其燃烧产生的灰量是很高的，而其中的碱金属、Cl含量较高，因而比木质生物质具有更强的积灰、腐蚀倾向。另一部分则是在收集、运输及加工处理过程中带入的杂质，如砂子、土壤颗粒等，其成分与生物质固有无机成分差别很大，因此燃料的生产过程、加工、预处理也显著影响灰的特性。

目前，国内生物质燃烧电厂普遍采用的燃烧方式主要是以炉排炉为代表的层燃燃烧和以循环流化床为代表的流化床燃烧。燃烧技术不同其成灰过程也不一样，从而导致灰的特性有所差异。对于炉排炉来说，燃料在炉排上燃烧后无机成分形成的固体产物大部分留在炉排上，经底部排出，称为炉渣；而少量经气流夹带至炉膛上空的细灰或未燃尽燃料颗粒，随烟气离开锅炉进入后续除尘系统，在烟气流动过程和除尘系统中被收集下来，通常称为飞灰。对于流化床锅炉，经粉碎的燃料在床层上呈流态化燃烧，无机成分形成的固体产物少量经炉底部排出，为炉渣，而大量的以飞灰形式经除尘系统被捕集。由于炉内燃烧条件不同(炉排炉的最高温度约为1000~1200℃，流化床一般低于900℃，两者产生的炉渣和飞灰的在灰分量、化学组成以及表面形态等方面都有所不同。炉排炉产生的炉渣相比飞灰较多，而流化床则以飞灰为主要产物，两种方式下的炉渣和飞灰的特性一般也差异明显。因此生物质灰的特性也因燃烧方式、相同锅炉上不同收集位置而变化。不管采用何种燃烧方式，飞灰中的碱金属、

氯化物、重金属（如，Zn、Cd、Pb、Hg等）和有机有毒物质（PCDD或FPAH）的含量一般比炉渣的高，因此对于炉渣和飞灰应该分别收集并采用不同的处理方法和利用途径。

综上可以总结影响生物质灰特性的因素有以下几点：

（1）生物质燃料的种类（比如，秸秆、稻草等草本燃料、木材或树皮等）、特性，特别是其中的无机成分的含量和特性；

（2）生物质燃料的生产、加工和预处理过程；

（3）燃烧技术（如固定床或流化床燃烧等）；

（4）灰样的收集位（如炉渣或飞灰）。

生物质的燃料特性以及上述多方面的因素决定了生物质灰特性描述和利用特性评价的复杂性，而了解生物质灰的特性是实现其合理综合利用的基础。

生物质燃烧电厂产生的固体废弃物产量巨大，如不加以综合利用，其填埋不仅会占据大面积土地，还给环境带来了巨大的压力。生物质燃烧产生的固体废物，主要为炉渣和飞灰，其中含有大量可利用的成分，比如植物生长必需的营养元素、丰富的矿物质成分等。根据其特性的不同，可以应用于农、林业、建材业以及其他行业。从生物质能可持续利用的角度来看，将生物质燃烧灰直接回收返田还林是最佳的利用方案，但由于灰特性的复杂性，不能排除灰中重金属元素（Zn、Cd、As等）和有机有毒物质（多环芳烃，二噁英等）的影响，如不经过任何处理便直接应用或者填埋处理，都可能对环境造成不利的影响。因此，开展电厂生物质灰特性的研究，探索和开发其可持续利用价值，不仅能够避免资源浪费和缓解环境压力，还会带来良好的经济和社会效益。

2.1灰的熔融特性

生物质灰的熔点偏低，烧结特性强，结渣、积灰和流化床烧结倾向比较明显，这主要取决于生物质燃料及其灰中无机成分的种类和含量，碱性氧化物以及钾的硅酸盐类化合物容易引起结渣现象，而酸性氧化物和方镁石等高温共熔体则会缓冲其结渣程度。另外，灰的烧结、熔融是生物质燃料燃烧过程中无机成分相互作用的结果，它们会影响到生物质灰利用时的一些特性如营养成分的溶出和重金属等有害成分的浸出特性，但目前这方面的研究还很少见。

2.2灰的形态特性

灰的形态特征主要包括灰颗粒的形状、尺寸及其分布、表面形态等，一定程度上能够反映灰颗粒的形成过程和所经历的破碎、烧结和熔融程度，它主要受燃料无机成分特性、炉内燃烧条件以及成灰行为的影响。扫描电子显微镜（SEM）具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点，用来分析物质表面结构能够得到较准确和直观的结果，被广泛用于生物质灰颗粒的形态分析。此外，x射线能谱分析（EDS）能利用各种元素电子发

射的特征能量和特征波长对样品中的元素进行分析，与SEM结合可用于样品表面形貌的观察和元素成分的分析。

不同生物质灰的形态差别很大，有的较细、有的较粗、有的灰粒密实、有的则成蜂窝状，而且灰化温度也会造成颗粒形态的差异，例如玉米棒芯由于高温熔融灰粒变得密实，体现出灰中成分发生了明显的相互作用。秸秆中的颗粒团聚较煤灰显著，表明秸秆灰比煤灰易熔融。，飞灰颗粒大小和形态特征的不同取决于燃烧条件（温度等）等因素，而且大颗粒往往能呈现燃料的原始形态，细飞灰中则可以观察到熔化形成的球形颗粒。

2.3灰的无机元素组成

生物质原料中除了C、H、O等元素外，一般还含有一定量的无机元素，对生物质的热化学转化过程有很大的影响。但不同生物质灰其元素含量不同，秸秆灰中K含量较高，Si、S、Cl也相对较高；木屑灰中Si含量最高，K含量偏低，几乎检测不到Cl。氯的化学性质非常活跃，一般采用间接法测定。在植物体内，Cl以离子形式存在，植物燃烧后大部分Cl与K、Na等阳离子结合成水溶性盐滞留在灰中。木材中的Cl含量很低，而草本生物质燃料、谷类则相对较高。

实验室灰的元素组成特性主要是在特定温度、特定燃料的条件下制灰进而研究其相关特性，跟实际电厂的入炉燃料种类、燃烧条件等有很大的差异，也造成了其成灰行为和灰特性的不同。国内外对于实际电厂生物质燃烧灰的特性研究较少，但是目前的相关研究成果表明，灰的元素组成不仅跟燃料有关，还与燃烧方式及灰样采集位置有关。Obernberger等人和Richard等人通过对炉内不同部位产生的灰进行成分分析发现，90％以上的钙、镁、磷和80~85%的钾及85~95%的钠主要分布在炉渣和旋风分离器飞灰内，50％的碱金属氯化物分布在除尘器捕集到的细飞灰中。

对于生物质燃烧电厂灰的成分测定发现，木本生物质灰中的重金属含量高于草本生物质3~20倍，且重金属元素主要分布在细飞灰中，针对这一特点，众多研究学者往往采用筛分的方法将粗、细飞灰分离开来进行深入研究，而且为了更好的进行灰的利用，各电厂往往设置多级除尘设备以进行分类收集。

3. 生物质灰渣的综合利用

随着生物质燃料的大量使用，电厂产生的灰逐渐增多，给环境带来了很大的压力。生物质电厂灰的处理方式最早是填埋，而且一度成为处理电厂灰的普遍方式，但是随着环保政策的不断改进，对填埋的要求也逐渐提高，而且众多研究学者开始认识到灰中含有大量的可利用成分，可作为一种资源加以综合利用。因此探索和开发电厂灰的高附加值利用成为该领域研究的热点

3.1农、林业方面

理论上生物质灰可持续利用的最佳方案是其在农、林植被或土壤上的应用，直接回收还田还林或作肥料，这不仅可以降低人工肥料的施用，维持土壤的营养平衡或增加土壤营养成分，还能减少矿物质的流失，实现营养元素的再循环和生物质能的真正可持续利用。生物质灰在农林业领域的应用大致可以分为两个方面：

①直接或间接的用于农、林业植被或土壤；

②用于土壤修复，改善土壤的活性。

秸秆等草本生物质燃烧灰中含有大量K，还含有Ca、Mg年HP等植物生长所需要的营养元素，是生产复合肥料的优质材料。和草本生物质或者农业废弃物的燃烧灰相比，树木和树皮燃烧灰中富含Ca而几乎不含N，木灰往往被直接或与氮肥结合用于森林土壤来减缓营养成分的消耗和土壤酸化以及提高K和P的营养活性。由于重金属元素一般含量较高，木灰用于森林或农业土壤的应用时必须考虑重金属的浓度，避免重金属在环境中的富集。从国内外的相关研究现状可以看出，影响生物质燃烧灰利用的因素主要有灰中营养元素和重金属元素的含量和浸出特性、灰的pH等。针对这些因素影响的研究发现木灰的应用主要体现在生产肥料、直接返回森林植被或土壤、改善农业土壤的活性以及吸收灰中的农药残留物等几个方面。不少研究学者发现木灰中重金属元素在短期或长期内都不会对土壤产生危害，但是生物质灰的还田利用会造成重金属的富集仍然是目前较普遍的观点。国外对木质生物质灰的研究较多，但对草本生物质灰的研究很少，国内对这方面的研究更少。一般地，由于生长周期短，草本生物质中重金属含量一般比木质生物质低，但燃烧成灰后这些元素的富集也不能排除其对作为化肥应用的影响。在我国，以秸秆为设计燃料的生物质直燃电厂比较普遍，但是电厂往往还会掺烧部分农产品废弃物或者树皮等燃料，因此灰的利用相对木灰或者单纯的草本生物质灰要复杂得多。另外，从国内外的研究现状可以发现，尽管生物质燃烧灰在农、林业方面的应用已经有了大量的研究，但是大多数国家还没有制定专门的特性研究和质量评价标准。因此加强生物质灰特别是草本生物质灰在农林方面应用的研究仍将是生物质灰特性和应用研究的最重要的内容之一。

3.2 建材行业

作为建筑材料或者用作加工建筑产品的原料是生物质灰的另一个重要的可持续应用方向，这是因为，作为建筑材料应用虽然不能实现无机元素循环，但将生物质灰用于建筑行业，可部分替代需要应用化石燃料而生产的建筑材料。这方面的应用主要是直接作为建筑材料或作为原料生产建筑材料，用于道路建设、景观建设以及工业过程。生物质灰还可以用于砖料的工业生产，生物质灰高pH、高矿物质含量以及高硬性的特点，适于和城镇污泥等二次原料结合覆盖在垃圾填埋池和矿渣尾矿的表面，能够起到很好的隔绝作用。

3.3 其他领域

除了在农、林业、建材业方面的应用，生物质灰在其他领域的应用也得到了一定的研究成果，比如生物质飞灰含有较高的未燃尽碳可以重新用作燃料，稻壳灰因含有丰富的炭孔结构可以替代价格昂贵的活性炭吸附废水中的汞等。利用生物质灰渣疏松多孔和强大的吸附性能，通过消纳、吸收，净化生活污水也是一种良好的利用方式。

4. 总结与展望

生物质发电产业是一个科技含量高、产业链长、资源转化率高、资金密集、附加值高、社会效益大的高效产业。其中，农作物秸秆从废物变成了生物质发电的原料，实现了第一个环节增值，受益者是种植的农民；秸秆从原料变成了商品，实现了第二个环节增值，受益者是加工企业和围绕加工企业服务的机械、化工、运输业等二三产业；秸秆产生的商品变成了绿色的可再生能源，实现了第三个环节增值，受益者是生物质电厂周边的居民；清洁的电力你呢过有为人们提供了方便的生活条件，实现了第四个环节增值，受益者是人类；第五个增值环节，是本研究的核心所在，即完成生物质灰渣由污染环境的废弃物到绿色商品的转变，实现其价值提升，创造产业链末端经济效益，达到社会、经济、生态三赢的局面。

参考文献

[1] 米铁．生物质灰化学特性的研究[J]．太阳能学报，2004，25(2)．

[2] 肖瑞瑞．不同生物质灰的理化特性[J]．太阳能学报，2011，32(3)：364．369．

[3] 叶贻杰．生物质灰特性及其结渣机理的研究[D]．2007．

[4] 牛艳青．辣椒秆灰熔融特性分析[J]．中国电机工程学报，2010，(1 1)：68—72．

[5] 李桂荣．生物质与煤混合燃烧成灰特性的研究[D]．沈阳：沈阳航空工业学院，2009．

[6] 蒋正武．生物质燃料的燃烧过程及其燃烧灰特性研究[J]．材料导报，2010，24(4)：66．68．

[7] Obernberger I, Brunner T, Bamthaler G. Chemical properties of solid bio-fuels significance and impact[J]. Biomass and Bioenergy, 2006, 30(1 1): 973—982．

[8] 刘建禹, 翟国勋, 陈荣耀．生物质燃料直接燃烧过程特性的分析[J]．东北农业大学学报, 2001, 32(3): 5．

[9] 史丽杰．浅谈生物质发电厂灰渣的综合利用[J]．黑龙江科技信息，2009，(34)：1．

[10] 李俊飞, 王德汉, 项钱彬．生物质气化灰渣的利用[J]．环境卫生工程，2006，14(2)：4．

[11] 谢杰, 陈天虎, 庆承松等．稻壳发电残余物稻壳灰对有机物的吸附作用[J]．农业程学报．2010，26(5)：283—287．

[12] 韩宗娜. 生物质燃烧电厂灰渣特性及其利用的研究[D]. 东南大学, 2012.

[13] Obernbergr I, Biedermann R, Widmann W, et al. Concentrations of inorganic elements in biomass fuels and recovery in the different ash fractions[J]．Biomass and Bioenergy, 1997, (3): 211-224．

[14] 王兢. 生物质灰渣综合利用的方法及系统：中国，103332994 A[P]．2013. 10. 02.

[15] 庄会永, 徐永进等. 生物质电厂灰渣成分及利用前景分析[J]．能源电力，2008，(7)：35-37．

[16] 刘鸣达, 肖质净等. 高温焚烧对秸秆灰渣养分含量的影响[J]．可再生能源，2009，27(3): 46-52．

[17] 朱红, 常志州, 黄红英, 费辉盈, 陈欣. 高温焚烧对秸秆灰渣磷、钾养分变化的影响[J]．植物营养与肥料学报，2007，06：1197-1201．

[18] 廖艳妮．生物质灰渣的农业化学行为研究[D]．西南大学，2013．

[19] 王侃. 生物质灰渣对生活污水处理效果的研究[D]. 西南大学，2014.