生物质电厂灰渣成分及利用前景分析

2008-7-10

庄会永a,b徐永进a军a 锴c永庚c凌浩c肖兵a

(a国能生物发电, 100032; c中国科学院植物研究所生态中心, 100093)

摘要对于生物质发电厂常用的18种秸秆燃料进行的高温（550℃）模拟燃烧实验表明，秸秆的平均灰分含量为9.33%，秸秆灰分的主要组成为大量不能直接利用的硅酸盐（含量为25.85%）、钙盐（含量为23.34%）以及钾的化合物（含量为17.47%）。而生物质发电厂灰分的钾含量为5.33%（变幅在4.66%～5.93%之间），远远低于高温模拟燃烧秸秆灰分中的平均K2O含量为17.47%（变幅在9.25%～25.18%之间），与农村常用草木灰含量（5%～10%左右）的含量相持平。生物质发电厂灰分的主要组成为硅酸盐（含量为20.93%）、钾盐（含量为5.33%）以及铁的化合物（含量为1.62%）。此外，灰分中还含有锰、镁、锌、钙、硼等对作物有益的元素，其重金属含量也远远低于相应的国家环保标准。就分析结果来看，生物质能电厂燃烧后的废弃灰渣，仅能具有开发低端肥料的价值。

关键词生物质，秸秆，灰分肥料

Analysis on comprehensive composite of straws ash coming from biomass power plant

H.Y. Zhuang a, b, Y.J.Xu a,J.Li a,K. Yin c, Y.G. Li c, G.M. Jiang c

a National Bio-Energy CO.,LTD, No 26B, Financial Street, Xicheng District, Beijing 100032, China

b Shandong Acadmey of Science,No. 19, Keyuan Road, Jinan, Shandong Province ,250014, China

c China Academy of Science Institute of Botany, Beijing, 100093, China

Abstract: After doing a simulation burning experiment on 18 kinds of straw residue which are common fuel for biomass power plant, the result shows that straws ash content is 9.33% generally and its composite are mostly composed of Silicate(25.85％), Calcium(23.34％), Potassic(17.47%). But Potassic content of actual plant ash is 5.33%, varies from 4.66%～5.93%, and far from lower than that of simulation burning experiment. And its Potassic content is equal to that of common plant ash in rural area(5%~10%). Silicate(20.93％), Potassic(5.33％) , iron(1.62％) mainly make up of the content of the plant ash. In addition to main components, it also contains many helpful elements to crops, such as Manganese, Magnesium, Zinc, Calcium, Boron and so on. Its heavy metal content is also much lower than

corresponding national environment protection level. As a result, the biomass power plant ash only has the value of exploiting low cost fertilizer.

Key words: biomass resources ; biomass energy ; straw residue ; ash

秸秆是重要的生物质资源（UNDP，2000)，其热值约为标准煤的50%。农作物秸秆的种类很多，诸如稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、油料作物、棉花和甘蔗等。工业革命以来，大量化石燃料的开采和燃烧引发了能源压力和全球变暖等问题，很多研究学者致力于论证可再生能源的发展潜力(Dessus et al., 1992; Swisher & Wilson, 1993; Sayigh, 1999; Gross et al., 2003)。我国的各类农作物秸秆资源十分丰富，各类农作物的秸秆年总产量达7亿多吨，其中稻草2.3亿吨、玉米秆2.2亿吨，豆类和秋杂粮作物秸秆1.0亿吨，花生和薯类、甜菜叶等1.0亿吨，具有非常丰富的秸秆资源可供利用（NBSC，2005)。在生物质能转换技术的现状和展望中(无敌等，2000；益华等，2006)，农村的秸秆资源都被放在生物质资源的首位。若将我国每年产生的生物质换算成热值, 约合7 亿吨的标准煤（振钧，2004）。

目前，全球围生物质燃料占一次能源总量的14%，仅次于石油、煤和天然气，并将成为未来可再生能源的主要组成部分。在亚洲及太平洋地区的发展中国家，薪柴和秸秆仍然是主要的能源，生物质资源的高效清洁利用将成为发展中国家农村地区能源消费的发展趋势（Bhattacharya et al., 2005; Koopmans, 2005; FAO, 2006）。生物质资源来源于光合作用，属于可再生资源，而且对其利用不会增加CO2的排放，因此充分开发生物质资源在能源安全、全球碳平衡、农业可持续发展等方面具有重要的意义。

我国第一个国家级生物质发电示项目——国能单县生物质发电的正式投产运营，标志着我国生物质能发电事业实现了新的突破。该电厂年消耗农林废弃物15万吨～20万吨，发电量约1.6亿千瓦时。从长远来看，大力发展新能源和可再生能源可以逐步改善以煤炭为主的能源结构，尤其是电力供应结构，缓解与能源相关的环境污染问题，使我国能源、经济与环境的发展相互协调，实现可持续发展目标。国家“十一五”发展纲要中明确了生物质发电装机550万千瓦的发展目标，国家发展和改革委员会组织起草的《可再生能源中长期发展规划》提出到2020年生物质发电装机要达到2000万千瓦。

然而以农作物秸秆等生物质发电的大面积推广利用势必带来大量的灰渣，从而严重影响环境质量。如何解决堆积如山的灰渣填埋，以及由此带来的占用大量耕地、污染地下水系和扬灰造成空气中悬浮颗粒物含量过高等一系列环境问题，制约着生物质能产业的发展。我国农民有着传统且悠久的草木灰作钾肥还田的历史，加之生物质灰渣本身含有植物生长所需的营养成分。因此，本报告拟对生物质电厂灰渣的出渣率、化学成分组成进行分析，旨在为生物质能电厂灰渣的综合利用，变废为宝，延长生物质发电的产业链。

1 材料与方法

1.1 实验材料来源

选取生物质发电厂常用的18种作物秸秆燃料进行高温模拟燃烧实验，将植物样品粉碎后在65℃的烘箱中烘干至恒重备用。每份样品2g， 4次重复，测定其灰分含量，并分析化学成分。

在电厂满额功率运转后，连续七天收集三个不同出渣系统的灰渣样品，每份为2kg，共计21份。测定实际电厂灰渣的物理及化学性质。

1.2农作物秸秆灰分及元素含量测定

1.2.1 农作物秸秆的灰分含量测定

样品重量为2g，利用于马福炉在550℃灼烧处理8h至恒重，具体方法参照《陆地生物群落调查观测与分析》（董明，1996）。

1.2.2农作物秸秆灰分的元素含量测定

选取植物体的大量元素包括磷（P）、钾（K），中量元素硫（S）、钙（Ca）、镁（Mg），微量元素铁（Fe）、硅（Si）、铝（Al）、钠（Na）、钛（Ti）以及五种较常见的重金属铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）、砷（As）。具体测试标准方法参见国标（GB/T212、214、476、213、3558、4634、1574、219、GB7887）。

1.3 生物质电厂灰渣的元素含量测定

选取植物体的大量元素包括碳（C）、磷（P）、钾（K），中量元素硫（S）、钙（Ca）、镁（Mg），微量元素铁（Fe）、硅（Si）、锌（Zn）、钼（Mo）、锰（Mn）、硼（B）以及五种较常见的重金属铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）、砷（As）。具体测试标准方法参见国标（GB 7887-87、GB 13082-91、GB 13088-91、GB/T 5009.11-1996、GB/T 5009.12-1996、GB/T 5009.17-1996、GB 7890-87）。

1.4 经济数据收集

在掌握灰渣基本化学成分的基础上，对生物质电厂周边农村进行了实地考察。着重调查当地钾肥生产成本、农户经济承受力及施肥偏好等等，为下一步的开发利用提供第一手的可靠材料。

2 结果与分析

2.1农作物秸秆高温燃烧下的灰分特征

2.1.1 农作物秸秆的灰分含量测定

农作物秸秆模拟燃烧后，其灰分呈现粉末状，颗粒细腻，质轻易被风吹散；颜色因作物种类而不同，多以灰褐色、褐色、灰白色、浅黄色为主，水溶液呈碱性。实验表明，18种农作物秸秆的平均灰分含量为9.33%（3.7%～19.9%），其中甘薯、竹笋、地瓜、水稻、花生、苜蓿、小米的灰分含量均在10%以上，说明这些作物体的矿质元素含量较高（见表1 ），其

单位质量的出渣率较高，这一点需要在电厂废料堆积和综合利用上加以注意。在对试验数据进行比较研究后发现，作物秸秆的灰分含量则大致呈现由草本到木本的下降趋势。

表1.主要农作物秸秆的灰分含量（％）

Table 1 Ash content of main crops straw

2.1.2 农作物秸秆的元素含量测定

由表2可知，农作物秸秆灰分的主要组成除了大量不能直接利用的硅酸盐和氧化钙以外，就是仅次于其成分的钾的化合物（占17.47%）（见表2）。农作物秸秆灰分中的钾元素多以氧化钾、碳酸钾、硫酸钾和氯化钾为主。棉花、甘薯等喜钾作物体钾含量很高，但不同产地的钾含量也存在较大差异。从秸秆及其灰渣综合利用的角度看，虽然棉秆的灰分含量较低，但由于其较高的含钾量，能够弥补其灰分含量较低的缺陷。而树枝树皮的灰分以及钾含量都较低，可能会对所生产肥料的质量造成一定影响。

表2 几种作物秸秆灰分中的元素成分及含量（%）

Table 2 The ash chemical element of several kinds of crops straw

严格对照城镇垃圾农用控制标准（参见国标GB8172-87），对小麦、玉米和棉花三种主要农作物秸秆灰分中的重金属含量进行测定，

结果发现作物秸秆灰分中其中除了小麦中铬的含量达到65ppm，其余作物中的重金属含量均在1ppm以下，汞的含量更是远远低于对应标准。农作物秸秆灰分的重金属含量均未超过城镇垃圾还田的相关国家标准（见表3）。因此，生物质电厂灰渣制成的肥料在施用到土壤环境过程中不存在任何重金属污染的问题，可以放心大胆地加以推广利用。

表3 主要作物秸秆灰分的重金属含量

Table 3 The ash metal element of main crops straw