电厂生物质灰渣全组分分选及特性试验研究

刘 伟，王甘翔，贾玉宝，李飞鹏

（上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）

目前，我国每年可利用的农林废弃物高达7 亿多t，折合约3.7 亿t 标准煤［1］。随着生物质能的蓬勃发展，生物质资源得到初步有效利用。生物质发电是目前对生物质能利用最普遍的一种形式。2016 年国家能源局《生物质能发展“十三五”规划》［2］显示，我国生物质电厂装机容量逐年上升，2015 年达到1 030 万kW，但如何处理每年约2 050 万t 的生物质灰渣成为一个亟需解决的问题。为了实现生物质灰渣的资源化利用，国内外学者对生物质灰渣的特性进行了一系列相关研究，探讨将其应用于各领域的可能性。例如，将生物质灰渣应用于建筑（填料填埋路基）、化工（制取硅酸盐产品，比如水玻璃等［3］）、环境治理（作为吸附剂）和农业（制成复合化肥、土壤改良剂）等领域。但在对生物质灰渣进行资源化利用时不同领域使用的生物质灰渣的粒径范围不尽相同。基于此，本文提出一种生物质灰渣粒径分选方式，借助磁力除铁用多层筛网同步筛分机，基于生物质电厂发电作业产生的生物质灰渣原料在不同资源化利用方向的粒径特征，将其分选为1～6 号等6 种不同粒径规格。结合对生物质灰渣的特性研究，对分选出的6 种粒径规格的生物质灰渣应用现状进行综合论述。

1 材料与方法

1.1 分选试验

1.1.1 试验原料

试验所用生物质灰渣样品为宿迁市凯迪绿色能源开发有限公司进行发电作业时，秸秆和树皮等生物质在破碎后混合均匀所形成的生物质燃料，于700～800 ℃条件下在循环流化床锅炉中燃烧所产生的固体废弃物。该生物质灰渣原料粒径不均，约为0.005～30 mm 左右，杂质含量较高，尤其是铁钉、铁屑等杂质较多。该电厂生物质的来源及组成如表1 所示。

表 1 生物质来源及组成Tab. 1 Biomass sources and constituents

1.1.2 分选工艺的选择

通过分选工艺将废物中可回收利用或者不利于后续处理、处置工艺要求的物料分离出来。根据废物的物理和化学性质不同，分选方法主要分为：筛分、重力分选、磁力分选、光电分选、涡电流分选和浮选等。由于生物质电厂灰渣粒径分布广，杂质含量较高，尤其是铁磁性金属杂质，因此规范化的分选方法对生物质灰渣后续应用研究至关重要。根据不同分选方法的适用范围，选择磁选和筛分串联使用，对生物质电厂发电作业产生的灰渣进行分选。

图 1 筛分流程Fig. 1 Screening process

1.1.3 磁选设备的选择

为解决生物质灰渣中铁杂质去除的问题，同时筛分得到不同粒径的生物质灰渣颗粒，实现生物质电厂灰渣高效的分选，选择一种磁力除铁用多层筛网同步筛分机。该筛分机筛分流程如图1所示。筛分机包括进料部、筛分部、收集部。生物质灰渣通过进料、筛分、收集，依次经历除金属、分级、出料而得到去除铁杂质的不同粒径的生物质灰渣。

1.1.4 分选流程

为了更好地分选生物质灰渣，将传送装置设置为传送带，进料传送装置和传送筛网上设置振动器，壳体、箱体内设置滑道。传送筛网设置为5 层，筛网孔径上、下依次为2.5、5、9、16、32 和60 目，间距设置为30 cm。生物质灰渣经由进料口送入进料震动传送带。在进料震动传送带的不断震动过程中，铁类杂质不断被反向运动的磁力传送带吸附去除。去除杂质后的生物质灰渣进入筛分部和收集部后即同步分筛出6 种不同粒径规格的生物质灰渣。

1.2 生物质灰渣性质的测定和分析

密度的测定：将筛分好的6 种不同粒径规格的生物质灰渣依次编号1～6 号，称取质量为m的灰渣，将其放入装有固定体积水的量筒测定体积V，计算得到密度。

相对密度的测定：取100 mL 的烧杯，用天平称量烧杯的质量，将生物质灰渣填满烧杯，压实后测定其质量，计算得到灰渣的相对密度。

pH 的测定：先称量质量为20 g 的生物质灰渣并放入250 mL 锥形瓶，再加入40 mL 的纯水。然后将锥形瓶放入摇床，转速为120 r·min-1，时间为30 min，摇匀后用精密台式酸度计测定灰渣的pH。

粒径的测定：利用激光粒度分布仪测定灰渣的粒径。

X 射线荧光光谱（XRF）分析：利用从X 射线管产生的入射X 射线（一次X 射线）激发被测样品。受激发样品中的每一种元素均会放射出二次X 射线，并且不同元素所放射出的二次X 射线具有特定的能量特性或波长特性。探测系统测量二次X 射线的能量和数量。然后，通过仪器软件将探测系统所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类和含量。

2 结果与分析

2.1 粒径分选

根据生物质灰渣在不同领域进行资源化利用时粒径R的特征差异，对生物质灰渣进行粒径分选。不同规格生物质灰渣所对应的粒径范围如表2 所示。各规格生物质灰渣的产出比如图2 所示。从表2、图2 中可以看出，由于1 号生物质灰渣粒径范围最广，所以其产出比最大，为26.30%；6 号生物质灰渣产出比最小，为3.80%，2～5 号生物质灰渣产出比相近，为14.30%～19.70%。

表 2 不同规格生物质灰渣基本性质测定结果Tab. 2 Analysis of fundamental properties of the biomass ash with different particle sizes

2.2 生物质灰渣基本性质及XRF 测定结果

2.2.1 基本性质测定结果

不同规格生物质灰渣基本性质测定结果如表2 所示。由表中可见，不同规格生物质灰渣虽然粒径不同，但密度、相对密度、pH 大致相同。表3为生物质灰渣和石英砂基本性质对比。从表中可知，生物质灰渣的密度低于石英砂，相对密度接近石英砂，可推测灰渣质地疏松，颗粒细小，堆积密度小，可能存在更多的孔隙结构，并具有一定的比表面积和吸附能力。不同之处在于，试验所用生物质灰渣均呈碱性，pH 为9 左右，石英砂pH 为6 左右。

2.2.2 XRF 测定结果

表4 为XRF 测定结果。从表中可知，生物质灰渣主要由Si、Al、Ca、Fe、Mg、Na、O 等元素组成，其中，所有规格生物质灰渣中Si 的质量分数最高，为60%～80%；Al 的质量分数为7%～10%，在不同规格灰渣生物质中其含量差异较小；Ca 的质量分数为0.83%～19.38%，2～5 号生物质灰渣的Ca 含量接近，但1、6号生物质灰渣中Ca 的质量分数分别为0.83%、19.38%，差异明显。这主要是由于该电厂使用的锅炉为循环流化床所致［4］。相关研究［5］表明，稻壳和稻草中Si 含量很高，会在燃烧过程中转化成无定形的二氧化硅。而生物质燃料中常会掺杂砂石、泥土等杂质，泥土的主要成分是高岭石，其中含有Al。

图 2 不同规格生物质灰渣产出比Fig. 2 Ash content in the biomass with different particle sizes

表 3 生物质灰渣和石英砂基本性质对比Tab. 3 Comparison of the fundamental properties between biomass ash and quartz sands

2.3 生物质灰渣的应用

从生物质灰渣基本性质和XRF 测定结果可知，1、2 号生物质灰渣粒径较大，一般应用在建筑行业；而6 号生物质灰渣粒径小，其中Ca、Fe、P 等的元素含量较高，一般作为生产复合肥料的原料；从表2、4 中可以看出，3、4、5 号生物质灰渣粒径适中，且性质与石英砂接近。

表 4 XRF 测定结果Tab. 4 XRF analysis

2.3.1 1、2 号生物质灰渣的应用

1、2 号生物质灰渣（R＞ 2 mm）中碎石等杂质成分含量较高，一般应用在建筑方面，利用方式包括直接利用和间接利用。直接利用一般是将生物质灰渣当作填料填埋路基；间接利用则是将生物质灰渣作为建筑原料的部分替代物或掺杂物应用于建筑材料的生产环节。国外尤其欧美等发达国家和地区主要研究生物质灰渣在建筑行业的应用，如道路回填，用于生产混凝土、水泥等。但是直接利用会造成生物质灰渣中丰富养分的流失与浪费。而间接利用不仅可以高效合理地利用生物质灰渣中的丰富养分，而且能减少因直接填埋所带来的环境影响［6］。

2.3.2 3、4、5 号生物质灰渣的应用

由表2、3、4 中可知，3、4、5 号生物质灰渣（R为0.25～1 mm）由于其粒径适中，且密度低于石英砂，相对密度接近石英砂，人们开始将目光转向探寻将生物质灰渣作为水处理滤料的可能性。田冬等［7］将不同粒径生物质灰渣作为过滤装置的填料来净化生活污水。研究结果表明：生物质灰渣由于较大颗粒间的小空隙增大了污染物与灰渣基质的接触面积，基质表面吸附截留有机污染物，从而降低污水中的化学需氧量（COD）；生物质灰渣对氨氮的去除主要依靠颗粒吸附、氨化作用和硝化作用，带负电荷的生物质灰渣颗粒与带正电荷的NH4+发生静电吸附，从而将NH4+固持在填料内部，达到去除作用。通过对比利用生物质灰渣和石英砂滤柱处理河道原水的实验结果发现，与石英砂相比，生物质灰渣对浊度的降低效果优势显著；对COD、氨氮等的去除率相当，但稳定性更优［8］。

2.3.3 6 号生物质灰渣的应用

6 号生物质灰渣（R ＜ 0.25 mm）的形态更接近于传统的草木灰，且含有较高的Ca、Fe、P 等植物生长所必需的营养元素，可促进植物生长，故将其作为肥料应用在农业方面［9］。国内学者将秸秆灰应用于基质育苗或作物肥效研究，比较不同秸秆灰渣对幼苗和作物生长发育的影响，结果表明，秸秆灰渣可提高烟草幼苗品质，提高小白菜、油菜、水稻以及空心菜产量或增强生长质量［10］。

由表2、4 中可知，生物质灰渣是一种碱性材料，富含Si、Ca、Mg、P 等矿质元素，可用于酸性土壤和配置生物质灰肥，但不同生物质源的生物质成分有差异，需分类使用。将生物质灰渣作为土壤改良剂进行有效利用会导致土壤pH和大部分主要营养元素的含量增加，并且减少Al 和次要元素的可用性［11-13］。黄容等［14-15］分别利用经不同方法处理过的稻壳灰对废水中的重金属元素进行吸附试验，结果表明，稻壳灰对废水中的汞和铅具有良好的吸附作用。以含有大量硅的稻壳灰代替硅土作为原料来制取水泥，其效果可达到行业标准，且成本较低［16］。将生物质灰与水泥、树脂混合均匀后压膜制成的砖块，不仅质量轻，而且具有防火、防水、隔热、不易破碎等性能。将生物质灰添加到涂料中，因为稻壳灰中含有约38%的干性纤维素，解决了涂料的龟裂现象［17］。

3 结 论

对电厂发电作业产生的生物质灰渣进行磁选筛分，分选成1 号（R ＞ 5 mm）、2 号（R 为2～5 mm）、3 号（R 为1～2 mm）、4 号（R 为0.5～1 mm）、5 号（R 为0.25～0.5 mm）和6 号（R ＜ 0.25 mm）等6 种粒径规格的生物质灰渣。相关特性研究结果表明，生物质灰渣均呈现出一定的碱性，可以应用于酸性土壤以调节土壤酸碱度，改善土壤活性；生物质灰渣中含有Si、Al、Ca、Fe、Mg、P 等元素，而Ca、Fe、P 都是植物生长所必需的营养元素；生物质灰渣的密度低于石英砂，相对密度接近于石英砂，且质地疏松，颗粒细小，堆积密度小。

1、2 号生物质灰渣粒径较大，碎石等杂质成分含量较高，一般将其当作填料填埋路基或作为建筑原料的部分替代物或掺杂物；3、4、5 号生物质灰渣粒径处于0.25～1 mm 之间，其特性研究结果以及现有的将其应用于水处理方面的相关研究为将3、4、5 号生物质灰渣作为水处理的一种新型功能性材料提供了依据；6 号生物质灰渣粒径小，形态接近于传统的草木灰渣，含有较多的Ca、Fe、P 等元素，可将其作为肥料应用在农业方面。