农林生物质直燃电厂灰渣资源化技术分析与展望.doc

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1、农林生物质直燃电厂灰渣资源化技术分析与展望摘要：近年来我国农林生物质直燃电厂发展迅速，日益增长的灰渣带来了越来越大的环境压力。生物质电厂灰渣是一类富有价值的可回收资源，亟待有效利用。有必要寻找一种合理的资源化手段整体处理灰渣。本研究综述了我国农林生物质直燃发电的发展现状、生物质灰渣的理化性质及其在基础设施建设、土壤修复改良、元素回收、吸附材料与复合材料制备等领域的应用，进而提出了依据灰渣粒径差异资源化处理电厂灰渣的一体化方案。不同粒径的生物质灰渣经过细分处理，可提高灰渣的资源利用率，有利于农林生物质直燃电厂的可持续发展。1我国生物质电厂发展现状与农林生物质直燃发电技术为应对日益严重的能源危机和

2、环境污染，以生物质为原材料的生物质直燃电厂得以快速发展1-2。与传统的化石燃料发电相比，生物质燃料的利用更加清洁环保。截至2016年底，全球生物质发电总装机容量达到1.10亿kW，其中农林生物质直燃电厂装机容量为9240万kW左右3，约占全球生物质电厂装机总量的84。我国生物质发电产业的迅猛发展与国家政策的扶持密不可分。国家相继出台了生物质能源十二五、十三五专项规划，将生物质能发展作为新能源发展的重中之重；相继颁布了中华人民共和国可再生能源法、可再生能源发电有关管理规定等法律法规，并给予不加煤的农林生物质发电企业电价补贴和增值税即征即退等优惠政策，这在一定程度上解决了农村秸秆无组织燃烧的问题。

3、截至2017年底，我国生物质发电装机容量达到1488万kW，与2016年相比增长22.64。目前，我国每年可用于能源生产的生物质约为6亿t5，以干基生物质平均6.8的灰分产生量来计算6，灰渣年产生量约为4000多万t。我国生物质直燃电厂采用的主要技术包括：吸收西方技术改进的水冷式炉排炉技术和具有自主知识产权的循环流化床技术7。水冷式炉排炉技术是典型的层燃技术，适合燃烧大颗粒、含水量高的非均质生物质，其结构简单，操作方便，建设和维护费用低8。但与流化床相比，炉排炉内燃烧状况不均一，需要较高的过剩空气比率，燃烧效率较低，NOx排放较高8-9。循环流化床技术则是燃烧生物质的理想技术，在世界范围内得到

4、广泛的应用10。它通过粉碎设备使燃料在炉内呈现为流化态，物料在炉内与空气混合均匀，可为高水分、低热值的生物质提供极佳的燃烧条件，整体燃烧效率高，燃烧温度较低，且NOx、SOx等有害气体排放量低，经济效益和环境效益显著。但缺点是对入炉燃料颗粒尺寸要求较高，燃烧时烟气中灰尘负荷高，需要气体净化分离设备，而且存在内部腐蚀问题，床体材料损失率较高，造成运行费用相对较高11。我国拥有自主知识产权的循环流化床技术，成本和污染物排放量能做到更低，并且可有效抑制结渣和腐蚀等问题，更加适宜秸秆等低质量燃料的燃烧12。生物质经燃烧后，大部分物质以气体的形式释放到大气中，部分无机成分和矿物质则以固体颗粒的形式留存下

5、来，形成灰渣。生物质灰渣按照收集方式可分为飞灰和底灰。飞灰颗粒细小，容易随烟气扩散，经过烟气除尘系统得到收集；底灰（包括炉灰和底渣）颗粒形状不一，呈多孔结构，由锅炉底部出渣系统排出13。生物质底灰和飞灰的质量比因燃烧锅炉类型、运行条件、燃料类型等不同而有所差异。通常而言，炉排炉产生的灰渣中底灰占比较大，可达灰渣总量的85左右；而循环流化床的情况相反，飞灰占灰渣总量的80%9014。2农林生物质灰渣特征农林生物质主要分为木质类生物质、草本农业类生物质、水生类生物质、动物类生物质废弃物和工业类生物质等15。我国直燃型农林生物质电厂所使用的生物质燃料主要有秸秆、废旧木材、稻壳、竹子、树皮及其混合物等

6、16。所得灰渣的物理性质和化学组成与生物质的来源和种类密切相关，也与季节差异、地域差异和燃烧条件相关15，17。总体而言，生物质灰分占生物质干质量的0.5%2018。燃烧后获得的灰渣主要成分为Si、Ca、Mg、Al、K、P等，还包括多种微量/痕量元素（Fe、Mn、Cu、Co、As、Cr、Pb、Cd等）、少量未燃碳和有机物19-20。2.1燃烧温度对生物质灰渣的影响燃烧温度对生物质灰渣的产生量有较大影响。高温燃烧时，生物质燃烧充分，许多以有机物存在的无机元素更容易挥发，灰渣呈现灰色或浅灰色，产生量较少；低温不完全燃烧时，灰渣颜色偏黑21-22。Thy等19研究了针叶木、水稻秸秆、小麦秸秆5251

7、525燃烧时灰渣中的元素损失，发现当温度低于718时，升高温度对生物质灰渣灼热减量的影响为小麦秸秆针叶木水稻秸秆；而温度高于718时，针叶木的灰分产生量受影响最为显著，其次为小麦秸秆。温度也会影响灰渣的物质组成和存在形式。例如秸秆生物质灰渣中的K从750开始减少，1000时，灰渣中的KCl则完全消失；在700时，灰渣中的SiO2以方石英的形式存在；而1000时，方石英转变为鳞石英22。在700以下时，龙舌兰燃烧产生灰渣的主要成分为CaCO3，而高于700时，其主要成分为CaO，这主要是因为高温下灰渣成分的裂解23。此外，Garzn等24发现生物质灰渣中Na、Cl、K含量随着温度升高呈现降低的趋

8、势，而Mg、Si、P等含量随着温度升高而升高。2.2生物质种类对生物质灰渣成分的影响农林生物质灰渣多呈碱性，碱金属元素含量较高，主要成分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、P2O5、SO3，还含有少量MnO、TiO2、Na2O以及未燃碳和少量有机物25。常见木本类和草本类生物质燃烧后产生的灰渣成分相似（表1），但前者Si、K含量低于后者，而Ca、Mg含量高于后者。木本类植物树皮、树叶等组织燃烧后产生的灰渣与草本类生物质灰渣物质成分含量相近。不同种类生物质燃烧产生的灰渣形态各异，粒径不一，有些颗粒密实，有些质地疏松26。但总体而言，木本类灰渣产率低，而草本类灰渣产率高2

9、7。同一生物质产生的飞灰和底灰物质组成相似，含量略有差异。对某省五个农林生物质直燃电厂的飞灰和底灰成分进行了分析（表2），结果与文献报道28基本一致。即生物质飞灰中Si、S、Na含量较高，而底灰中Ca含量较高。此外，飞灰和底灰的粒径分布也存在一定差异。飞灰经除尘器收集，颗粒较细，大部分颗粒粒径集中在250m以下39-40。飞灰的粒径分布随着颗粒直径增加呈现为单调下降的趋势，而底渣可能含有石块、砂粒等杂质，粒径分布广泛，颗粒较大，底渣的粒径分布随着颗粒直径的增加呈现为先增加后降低，底渣和炉灰均在0.250.9mm粒径范围内分布最多（表3）25。生物质灰渣在元素组成上呈现出一定的相似性，均含有大量

10、Si、Al、Ca以及P、K等营养元素，在粒径分布上也有一定的规律，因此对生物质灰渣的资源化处理可以从元素组成和粒径两方面来综合考虑。3农林生物质灰渣资源化技术生物质电厂灰渣的资源利用方式主要取决于灰渣的理化性质，元素组成、比表面积、未燃成分对其应用有着重要的影响。比如飞灰和底灰都具有高的火山灰活性、持久性且抗磨损，可以应用于水泥混凝土制备中；而底灰表面粗糙且疏松多孔，可用作为滤料、路基或屋面材料等6。目前生物质灰渣的主要处理或利用方式为填埋、用作土壤修复（改良）剂与吸附剂、用于基础建设材料及复合材料制备等。在一些发达国家，比如德国、日本、丹麦等，生物质灰渣的资源化利用率在70%90之间41，而

11、我国的灰渣资源利用率还有待提升。生物质灰渣作为一种工业固体废弃物，在进行资源利用时，需要对其带来的环境风险进行合理评估。3.1灰渣应用中的潜在环境风险生物质燃烧后，生物质中的无机矿物成分以及重金属等难挥发性物质会以固态灰渣的形式保存下来。燃烧不充分时，灰渣中还可能含有一些有毒有害物质。因此，资源化处理生物质灰渣之前，可能需要对生物质灰渣进行适当的处理，对其有毒有害物质含量和浸出毒性进行分析，另外还需要对生物质灰渣资源化产品进行性能评价和安全评估。如果将生物质灰渣应用于生态环境中，还需要进行环境风险的整体评估，确保不会造成二次污染。在具体使用中，应通过对灰渣化学成分、物理性能的分析评价，结合灰渣

12、资源化产品的性能和浸出毒性分析，合理地确定灰渣的使用方法和使用剂量，以达到生物质灰渣最佳的资源化效果。Oburger等42对投加生物质灰渣后周边森林土壤的理化性质和浸出水成分进行长达两年的监测，认为适当比例的生物质灰渣应用于森林土壤是可行的，不会对环境造成危害。Cruz等17、张振等40也进行了生物质电厂灰渣的物化特性和元素成分分析，并通过生物质灰渣毒性浸出实验、盆栽实验，验证了生物质灰渣应用于农林土壤的可行性。生物质灰渣在海水和淡水两种条件下的重金属浸出量和生态毒性基本一致43，虽然生物质灰渣中含有Zn、Cu、Mn、Cr、Ni等重金属，但是浸出实验显示这些重金属浸出量均在标准限值以内，而且生

13、物质灰渣中As、Cd、Pb等有毒有害金属含量很低44。投加适量的生物质灰渣，并不会显著增加土壤重金属有效态含量，反而会提升土壤pH，对土壤中重金属起到钝化作用，降低植物可利用态重金属含量45-46。此外，大多数的生物质电厂飞灰和底灰中的苯系物、PAH和PCDD/F等持久性有机污染物低于土壤固体废物回用标准限值47-48。因此，将其应用于农林土壤领域是可行的。3.2灰渣用于土壤改良与修复生物质电厂灰渣多呈碱性，含有K、Si、Ca、Mg等多种营养元素和微量元素，将生物质电厂灰渣应用于土壤，既可以缓解土壤酸化，还可将营养元素引入土壤。通常，灰渣有一定比表面积，孔隙结构较发达，硅含量较高。灰渣表面大量

14、的硅氧键与水作用后，能够提高灰渣的持水性能和土壤团聚体的水稳定性，可以起到调整土壤结构、提高土壤的保水保肥性能、减弱土壤膨胀的效果49-51。此外，生物质灰渣中的有机碳不仅可以实现碳的固定，还能够改善土壤品质40。代文才等52发现，向土壤中投加一定量的生物质灰渣后，土壤团聚体的数量及有机碳含量均得到提升，土壤团聚体的稳定性也得到提高。但Moragues-Saitua等53也指出生物质木灰的加入会减弱土壤的持水能力。此外，灰渣还能够提升土壤pH，降低土壤交换性H+、Al3+含量，并且显著提升土壤中K+、Ca2+、Na+、Mg2+等盐基离子和速效养分含量45,54-56。当然，上述改良效果与灰渣类

15、型、施加量、施用方式和土壤性质密切相关57。通过与其他材料复配施用，可以提升生物质灰渣对土壤的改良效果。但是要达到最佳的复配效果，需要探索最优的复配比例58。目前，复配的材料主要有磷灰石、石灰、化肥和碱渣等。陈龙等55发现，肥料用量低时，随着灰渣施用量的增加，油菜全磷含量先减小后增加；肥料中等用量时，油菜吸收钾的能力得到增强；而在高用量时，生物质灰渣会改变油菜钾与钙镁之间拮抗作用的表现形式，进而影响油菜对钙镁的吸收。生物质灰渣中营养元素的释放和利用，与土壤环境和灰渣种类密切相关。研究发现，酸性条件下，水稻生物质灰渣和玉米生物质灰渣的钾释放量最大，而锯末生物质灰渣和谷壳生物质灰渣在碱性条件下钾的释放量最大59。相比而言，磷的释放量较小，释放速率较慢，不同生物质灰渣中磷的释放速率差异也较小60。通常，生物质灰渣营养元素的释放需要得到合理控制，以避免营养元素对植物的冲击。Zhang等61将生物质灰渣造粒为片状，成功地减缓了灰渣中营养元素的释放速率，实现了营养物质的缓释。生物质灰渣不仅可以改善土壤结构，提升土壤营养元素含量，而且还可用于修复污染土壤。碱性生物质灰渣施入土壤后，可改变土壤的重金属赋存形态，降低重金属的迁移能力，进而降低植物可利用态重金属含量，实现对重金属污染土壤的修复39,62