生物質(zhì)電廠灰渣的理化特性及在建材領(lǐng)域的應(yīng)用前景

中圖分類號：X705 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)是少數(shù)可以直接轉(zhuǎn)化為燃料的可再生原料之一，其開發(fā)和利用潛力巨大。 20%～30% 的化石燃料可以用生物質(zhì)替代，且無需任何大投資[1]。目前，生物質(zhì)能源（包括熱能、電能和燃料）占世界總能源的 8%～15% ，預(yù)計到2050年，這一比例將上升到 33%～50%^[2] 。在全球?qū)稍偕茉葱枨笕找嬖鲩L的背景下，農(nóng)林生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)正逐漸成為能源領(lǐng)域中一個重要的綠色解決方案。生物質(zhì)電廠通過高效燃燒農(nóng)林廢棄物，如秸稈、稻殼、木屑等，轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而產(chǎn)生電能，這一過程產(chǎn)生了體量龐大的生物質(zhì)灰渣。生物質(zhì)電廠發(fā)電過程產(chǎn)生的生物質(zhì)灰渣可分為生物質(zhì)底渣（biomassbottomash，BBA）和生物質(zhì)飛灰（biomassflyash，BFA）。BBA是由生物質(zhì)燃燒后在鍋爐底部產(chǎn)生的殘渣，這部分灰燼通常與生物質(zhì)中的雜質(zhì)（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(xì)粉煤灰，可通過旋風(fēng)除塵器收集。這些副產(chǎn)品的資源化對推動生物質(zhì)電廠的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，BBA的產(chǎn)量與燃料種類密切相關(guān)，木制燃料燃燒后BBA的產(chǎn)量通常占灰渣總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的65%～85% ，秸稈燃燒后BBA的產(chǎn)量占灰渣總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 80%～90%⁰ 。盡管有研究者[5]對特定電廠的生物質(zhì)灰渣理化性質(zhì)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究，但未見對不同電廠生物質(zhì)灰渣理化特性進(jìn)行系統(tǒng)分析的報道。

生物質(zhì)灰渣的資源化利用途徑主要包括土壤修復(fù)、吸附劑制備以及建筑材料應(yīng)用等。有研究[7表明，生物質(zhì)灰渣可作為土壤改良劑，以提升農(nóng)作物產(chǎn)量。同時，生物質(zhì)灰渣在建材領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)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(jìn)行固化還能降低環(huán)境風(fēng)險[]。然而，由于燃料來源復(fù)雜，生物質(zhì)電廠灰渣在化學(xué)組成和活性方面存在顯著差異，限制了其在混凝土中的規(guī)模

化應(yīng)用。

本研究通過分析長三角地區(qū)不同生物質(zhì)電廠灰渣的理化特性，為生物質(zhì)電廠灰渣在建材行業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行評估，為BBA和BFA的資源化利用提供理論基礎(chǔ)，以促進(jìn)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

試驗材料和方法

1.1 生物質(zhì)電廠灰渣樣品

于2023年從我國長三角不同地區(qū)的10家生物質(zhì)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(shè)備采用循環(huán)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(zhì)發(fā)電過程示意圖。我國生物質(zhì)發(fā)電主要包括直接燃燒發(fā)電、混合燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電3種模式。本研究涉及的生物質(zhì)電廠大多采用爐排爐技術(shù)。爐排爐技術(shù)是將生物質(zhì)置于固定或移動的爐排上進(jìn)行燃燒，并通過振動或移動生物質(zhì)來控制燃燒時間的技術(shù)。該技術(shù)相對成熟，固定投資較少、維護簡便、可操作性好，已成為國內(nèi)絕大部分生物質(zhì)電廠的主流燃燒技術(shù)。循環(huán)流化床技術(shù)能夠保持生物質(zhì)在鍋爐內(nèi)部處于劇烈循環(huán)運動及較長停留時間，使大粒徑的固相生物質(zhì)在穩(wěn)定的流化態(tài)下循環(huán)進(jìn)入鍋爐燃燒，從而保證較高的燃盡率。然而，生物質(zhì)灰分低、粒徑小，分離和流化過程中存在高溫?zé)Y(jié)腐蝕的問題[10]

1.2 試驗方法

通過物理和化學(xué)分析方法對生物質(zhì)灰渣進(jìn)行表征。參照《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T176—2017測試不同生物質(zhì)灰渣的燒失量；依據(jù)《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(zhì)灰渣的化學(xué)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(zhì)灰渣的形貌特征。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀特性

BBA與BFA呈現(xiàn)顯著形貌差異：BBA呈不規(guī)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(xì)小的粉末狀。研究發(fā)現(xiàn)，爐排爐的生物質(zhì)灰渣呈黑灰色，而流化床的生物質(zhì)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(zhì)燃燒充分，有機礦物質(zhì)更易揮發(fā)，生成淺灰色生物質(zhì)灰渣且產(chǎn)量較低；而低溫條件下，生物質(zhì)不完全燃燒，導(dǎo)致生物質(zhì)灰渣顏色偏深，未燃盡的C增多。將10家生物質(zhì)電廠排序，編號為電廠 1～ 電廠10，其產(chǎn)生的生物質(zhì)電廠灰渣宏觀特性如表1所示

2.2 化學(xué)組成

生物質(zhì)燃燒后，生物質(zhì)中的無機礦物質(zhì)以及重金屬等難揮發(fā)性物質(zhì)會保留在BBA之中。雖然生物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)，而且生物質(zhì)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(zhì)燃燒后的BBA中主要成分基本相似，主要是由 Si，Al，F(xiàn)e，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(fù)合膠凝材料力學(xué)性能的提高提供先決條件，為BBA在建材領(lǐng)域的利用奠定堅實的基礎(chǔ)。其中，BBA9中 SiO₂ 占比最高，達(dá)到總質(zhì)量的 67.55% BBA10中 SiO₂ 占比最低，只有總質(zhì)量的 27.05% 。

一般情況下，大多數(shù)秸稈和稻殼類等草本生物質(zhì)燃燒后BBA中 SiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)（ 550% 高于木本類生物質(zhì)中的（ lt;20% ）。BBA10中 SiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)BBA與BFA中主要成分為 SiO₂.CaO.MgO 和 Al₂O₃ ，這幾個成分的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和基本上均超過了 70% ，其中SiO₂，CaO 和 Al₂O₃ 是被公認(rèn)為具有火山灰特性的材料[12]，這與 Saez 等[13]的研究結(jié)論一致。BBA 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 發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和鈣釩石等膠凝物質(zhì)，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(fù)合水泥的水化試塊孔隙率的增加，進(jìn)而導(dǎo)致強度降低[15]。因此，BBA在建材領(lǐng)域的利用需進(jìn)行進(jìn)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(fā)到煙氣中的無機成分凝結(jié)或沉積到BFA顆粒上形成的。K、C1是易揮發(fā)元素，因此在燃燒時易揮發(fā)到煙氣中，在煙氣冷卻過程中形成細(xì)小的飛灰顆粒或沉積在細(xì)小的BFA顆粒表面，導(dǎo)致其在細(xì)小的BFA中占比高。Ca、Mg在木質(zhì)生物質(zhì)中占比高但不易揮發(fā)；其在小顆粒BFA中占比高可能是因為煙氣攜帶細(xì)小的木質(zhì)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(xué)組成與文獻(xiàn)[17]中的一致。如圖3所示，在Vassileva等[16根據(jù)生物質(zhì)灰渣化學(xué)成分的差異設(shè)計了一套分類系統(tǒng)，將生物質(zhì)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(xiàn)在圖3的左下角，說明其屬于C類。圖3表明，雖然生物質(zhì)的來源廣泛，具有一定的地域性差異，但絕大多數(shù)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(zhì)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(qū)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(zhì)在高溫下燃燒[18]。圖4中在 2θ 為 25^°～30^° 出現(xiàn)較多石英的特征峰，與圖2中 SiO₂ 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的結(jié)論一致。造成這種結(jié)果的原因主要有2個：一方面生物質(zhì)中Si是主要組成元素；另一方面是由于秸稈等生物質(zhì)中經(jīng)?；煊袎m土、砂石等，在燃燒過程中，部分砂石物質(zhì)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?zé)煔庵械臍鈶B(tài)硫氧化物反應(yīng)形成的，而方解石是煙氣冷卻過程中CaO與燃料中的 CO₂ 反應(yīng)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(guī)則，BBA9具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，且有一些絮狀物質(zhì)。這主要是由于電廠9的燃料中含有一定的纖維結(jié)構(gòu)燃料，這些燃料燃燒不充分，形成了不規(guī)則的絮狀結(jié)構(gòu)。未燃盡的C呈絮狀結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的協(xié)同利用價值。這一研究結(jié)果為生物質(zhì)電廠灰渣的資源化利用提供了新的途徑[19]

3討論

生物質(zhì)電廠灰渣還可用于替換水泥或砂粒，應(yīng)用于混凝土制備中，并且通過研磨和焚燒生物質(zhì)電廠灰渣，還能提高生物質(zhì)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(fā)現(xiàn)，加人水泥總質(zhì)量分?jǐn)?shù) 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(zhì)電廠灰渣制備水泥砂漿時發(fā)現(xiàn)，相同摻量下生物質(zhì)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(zhì)電廠灰渣、水泥、粉煤灰、石灰等作原材料，制備了生物質(zhì)電廠灰渣加氣混凝土砌塊，發(fā)現(xiàn)Ca與Si的比為0.86時，砌塊抗壓強度達(dá) 2.5MPa ，抗折強度達(dá) 1.8MPa 0由此可見，生物質(zhì)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(fù)雜的改性措施，由此導(dǎo)致其利用率較低。生物質(zhì)電廠灰渣中的可溶性鉀鹽會促進(jìn)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(yīng)的進(jìn)行，會導(dǎo)致混凝土砌塊結(jié)構(gòu)劣化，從而顯著降低其抗壓強度[23]。因此，當(dāng)采用生物質(zhì)電廠灰渣作為水泥或細(xì)骨料的替代材料時，必須通過預(yù)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(xué)性能的負(fù)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(zhì)電廠灰渣也被用作土壤改良劑代替石灰，在調(diào)整土壤理化性質(zhì)、提高經(jīng)濟效益的同時，也具有良好的環(huán)境效益[24]。但由于生物質(zhì)電廠灰渣種類多，不同來源的生物質(zhì)電廠灰渣成分差異大，因而需對生物質(zhì)電廠灰渣中的重金屬等污染物進(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。自前，生物質(zhì)電廠灰渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中返田的大規(guī)模市場化應(yīng)用仍未實現(xiàn)。因此，生物質(zhì)電廠灰渣在建材領(lǐng)域的應(yīng)用仍是當(dāng)下的首選。

4結(jié)論

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

（1）生物質(zhì)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(zhì)電廠灰渣具有很大的差異。秸稈類燃料會產(chǎn)出更多的BBA，占生物質(zhì)電廠灰渣總質(zhì)量的80%～90% ，加入木制燃料會提高BFA的產(chǎn)量。（2）BBA中，具有活性的 SiO₂ 、CaO和 Al₂O₃ 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和超過 70% ，這為BBA在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的先決條件。（3）BBA具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，含有未燃盡的C，BFA顆粒更細(xì)小，孔隙較少，且含有更多的CaO，可用于調(diào)節(jié)Ca與Si的比，有利于在建筑領(lǐng)域的資源化利用。

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（編輯：何代華）