生物質(zhì)焚燒灰渣資源化技術(shù)分析與應(yīng)用

趙開興 上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司

在“雙碳目標(biāo)”的政策背景下,生物質(zhì)能的清潔高效利用已成為中國低碳能源發(fā)展的重要方向,其中生物質(zhì)直燃發(fā)電是現(xiàn)有生物質(zhì)規(guī)?；米钇毡椤⒆钣行У姆较?，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑，已然成為了“碳中和”的重要發(fā)力點(diǎn)。近年來，我國生物質(zhì)發(fā)電量和累計(jì)裝機(jī)容量逐年遞增。然而，生物質(zhì)焚燒過程會產(chǎn)生大量飛灰和爐渣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國現(xiàn)有生物質(zhì)電廠總發(fā)電量為1326億kWh，年消耗6億～7億t生物質(zhì)燃料，產(chǎn)生近4000萬t生物質(zhì)焚燒灰渣。

1 生物質(zhì)焚燒灰渣理化特性

目前，國內(nèi)生物質(zhì)燃燒電廠普遍采用的燃燒方式主要是以爐排爐為代表的層燃燃燒和以循環(huán)流化床為代表的流化床懸浮燃燒。表1為7家生物質(zhì)電廠焚燒飛灰和爐渣的主要成分分析。振動爐排爐焚燒的生物質(zhì)飛灰呈黑色，表明燃燒不完全，殘?zhí)驾^高；爐排爐爐渣呈形狀不一、疏松多孔的結(jié)構(gòu)，且其粒徑要遠(yuǎn)大于飛灰。循環(huán)流化床飛灰采用懸浮燃燒，其產(chǎn)生的飛灰和爐渣燃燼率均較高，殘?zhí)柯实?。飛灰經(jīng)布袋除塵器收集，顆粒較細(xì)，大部分顆粒粒徑集中在0.25mm以下,而爐渣的顆粒較粗，雜質(zhì)（砂石）較多，粒徑分布廣泛，粒徑多分布于0.25～4mm。

2 生物質(zhì)焚燒灰渣處置現(xiàn)狀

目前生物質(zhì)電廠灰渣的出路：①堆積填埋；②建材（鋪路、摻雜制備免燒磚）；③肥料/土壤改良劑原料；④水處理填料；⑤堆積在廠區(qū)。隨著環(huán)保監(jiān)管力度的增大，灰渣處理已成為生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)普遍存在的亟待解決的難題, 生物質(zhì)焚燒灰渣處置現(xiàn)狀見表2。

表2 生物質(zhì)焚燒灰渣處置現(xiàn)狀

3 生物質(zhì)焚燒灰渣資源化技術(shù)

3.1 建材利用

生物質(zhì)灰渣免燒磚主要有3類產(chǎn)品：①蒸壓灰砂磚；②水泥免燒磚；③加氣混凝土砌塊。蒸壓磚主要是依靠生石灰中的有效CaO和灰渣中SiO2在0.8Mpa以上壓力的飽和蒸汽（174.5℃以上）的條件下起熱合成反應(yīng)，生物質(zhì)灰渣摻量可達(dá)80%以上。水泥免燒磚是用60%～70%的生物質(zhì)灰渣，加7%～10%的水泥，再摻入一定的骨料和外加劑，經(jīng)強(qiáng)化攪拌、擠壓成型、自然養(yǎng)護(hù)而成。加氣混凝土砌塊工藝對原料中SiO2要求較高，需達(dá)到70%～80%。因此，生物質(zhì)灰渣利用的產(chǎn)品主要是蒸壓免燒磚和水泥免燒磚。

本文以安徽省蚌埠市某循環(huán)流化床生物質(zhì)電廠灰渣為原料，引入“篩分+磁選+混料攪拌+消化+二次攪拌+壓制成型+蒸壓養(yǎng)護(hù)+自然養(yǎng)護(hù)”蒸壓免燒磚工藝，探究生物質(zhì)電廠灰渣制備環(huán)保免燒磚的可行性。免燒磚產(chǎn)品原料為爐渣、飛灰、生石灰、廢礦石和建筑垃圾，其混合比例分別為：30%、50%、12%、8%；其中爐渣和飛灰的摻配比例高達(dá)80%。免燒磚產(chǎn)品性能檢測結(jié)果見表3所示，該產(chǎn)品的抗折、抗壓均滿足《蒸壓粉煤灰磚》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的MU15要求。

表3 免燒磚強(qiáng)度檢測結(jié)果

3.2 填料

采用振動爐排焚燒生物質(zhì)產(chǎn)生的爐渣，呈燒結(jié)狀，表面疏松多孔，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，具有較強(qiáng)的吸附性能。另一方面，由于不完全燃燒，生物質(zhì)灰渣中殘留的有機(jī)質(zhì)在一定程度上可以被微生物所利用，使得生物灰渣在作為污水處理的補(bǔ)充碳源方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。生物質(zhì)灰渣在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用雖然不多,但是近年來，國內(nèi)高校開始了生物質(zhì)灰渣填料等方面的研究工作，將其應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。

本文以安徽省滁州市某生物質(zhì)振動爐排焚燒爐渣為原料，經(jīng)“篩分+水洗+改性”工藝制備粒徑大于1cm的生物質(zhì)填料，其產(chǎn)品置于某一體化設(shè)備末級過濾凈化段進(jìn)行水處理，委托某環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行檢測，具體檢測項(xiàng)目及結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，生物質(zhì)灰渣填料對污水中懸浮物去除效果明顯，出水懸浮物接近出水一級A標(biāo)準(zhǔn)（10 mg/L）；而對化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷等污染物的去除效果不明顯。

表4 水樣檢測結(jié)果

3.3 肥料/土壤改良劑

生物質(zhì)電廠的飛灰由于使用的燃料為秸稈類，因此排出的灰渣為秸稈灰渣屬于草木灰系列，其主要成分中鉀含量較高,同時(shí)還含有磷、鈣、鎂、等多種元素，是生產(chǎn)肥料/土壤調(diào)理劑的優(yōu)質(zhì)原材料。生物質(zhì)灰渣肥料/土壤改良劑，是通過人工添加營養(yǎng)成分，結(jié)合灰渣內(nèi)的營養(yǎng)成分，與其他原料配合后，經(jīng)造粒、烘干等工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品。

但是,利用生物質(zhì)飛灰制肥料/土壤調(diào)理劑對爐灰質(zhì)量要求嚴(yán)格，不能含有重金屬、硫酸鈣等,這就要求電廠采用純生物質(zhì)秸稈類燃料，不允許摻燒模板等其他燃料,同時(shí)要求電廠煙氣凈化脫酸藥劑不能采用氫氧化鈣,以防止飛灰中鈣鹽過多導(dǎo)致土壤板結(jié)。因此利用灰渣生產(chǎn)肥料/土壤改良劑規(guī)模較小，利用能力非常有限。因此，從工藝成本和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的角度考慮，有必要針對其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)應(yīng)用瓶頸、產(chǎn)業(yè)政策做深入分析。

4 結(jié)論與展望

生物質(zhì)灰渣富含大量Si、Al、Ca以及P、K等營養(yǎng)元素，生物質(zhì)電廠灰渣的資源化利用需根據(jù)其理化性質(zhì)特征（元素組成與粒徑）進(jìn)行綜合考慮。

循環(huán)流化床、振動爐排灰渣均富含火山灰礦物，可根據(jù)其物化特性不同來選擇合適的建材利用資源化產(chǎn)品。蒸壓免燒磚工藝具有免燒結(jié)、低能耗、生產(chǎn)周期短、原料成本低、設(shè)備簡單、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)電廠灰渣高摻量、規(guī)?；玫闹匾较颉?/p>

大顆粒振動爐排焚燒爐渣、循環(huán)流化床焚燒飛灰可分別考慮填料、肥料/土壤改良劑資源化方向。目前該方向的應(yīng)用仍處于起步階段，其推廣利用還存在很多問題，建議對其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)應(yīng)用瓶頸、產(chǎn)業(yè)政策做深入分析。