生物质焚烧灰渣资源化技术分析与应用

2023-05-13赵开兴上海市机电设计研究院有限公司

节能与环保 2023年4期

赵开兴上海市机电设计研究院有限公司

在“双碳目标”的政策背景下,生物质能的清洁高效利用已成为中国低碳能源发展的重要方向,其中生物质直燃发电是现有生物质规模化利用最普遍、最有效的方向，是实现“双碳”目标的有效途径，已然成为了“碳中和”的重要发力点。近年来，我国生物质发电量和累计装机容量逐年递增。然而，生物质焚烧过程会产生大量飞灰和炉渣。据统计，2020年我国现有生物质电厂总发电量为1326亿kWh，年消耗6亿～7亿t生物质燃料，产生近4000万t生物质焚烧灰渣。

1 生物质焚烧灰渣理化特性

目前，国内生物质燃烧电厂普遍采用的燃烧方式主要是以炉排炉为代表的层燃燃烧和以循环流化床为代表的流化床悬浮燃烧。表1为7家生物质电厂焚烧飞灰和炉渣的主要成分分析。振动炉排炉焚烧的生物质飞灰呈黑色，表明燃烧不完全，残碳较高；炉排炉炉渣呈形状不一、疏松多孔的结构，且其粒径要远大于飞灰。循环流化床飞灰采用悬浮燃烧，其产生的飞灰和炉渣燃烬率均较高，残炭率低。飞灰经布袋除尘器收集，颗粒较细，大部分颗粒粒径集中在0.25mm以下,而炉渣的颗粒较粗，杂质（砂石）较多，粒径分布广泛，粒径多分布于0.25～4mm。

2 生物质焚烧灰渣处置现状

目前生物质电厂灰渣的出路：①堆积填埋；②建材（铺路、掺杂制备免烧砖）；③肥料/土壤改良剂原料；④水处理填料；⑤堆积在厂区。随着环保监管力度的增大，灰渣处理已成为生物质发电行业普遍存在的亟待解决的难题, 生物质焚烧灰渣处置现状见表2。

表2 生物质焚烧灰渣处置现状

3 生物质焚烧灰渣资源化技术

3.1 建材利用

生物质灰渣免烧砖主要有3类产品：①蒸压灰砂砖；②水泥免烧砖；③加气混凝土砌块。蒸压砖主要是依靠生石灰中的有效CaO和灰渣中SiO2在0.8Mpa以上压力的饱和蒸汽（174.5℃以上）的条件下起热合成反应，生物质灰渣掺量可达80%以上。水泥免烧砖是用60%～70%的生物质灰渣，加7%～10%的水泥，再掺入一定的骨料和外加剂，经强化搅拌、挤压成型、自然养护而成。加气混凝土砌块工艺对原料中SiO2要求较高，需达到70%～80%。因此，生物质灰渣利用的产品主要是蒸压免烧砖和水泥免烧砖。

本文以安徽省蚌埠市某循环流化床生物质电厂灰渣为原料，引入“筛分+磁选+混料搅拌+消化+二次搅拌+压制成型+蒸压养护+自然养护”蒸压免烧砖工艺，探究生物质电厂灰渣制备环保免烧砖的可行性。免烧砖产品原料为炉渣、飞灰、生石灰、废矿石和建筑垃圾，其混合比例分别为：30%、50%、12%、8%；其中炉渣和飞灰的掺配比例高达80%。免烧砖产品性能检测结果见表3所示，该产品的抗折、抗压均满足《蒸压粉煤灰砖》标准中规定的MU15要求。

表3 免烧砖强度检测结果

3.2 填料

采用振动炉排焚烧生物质产生的炉渣，呈烧结状，表面疏松多孔，孔隙结构发达，比表面积大，具有较强的吸附性能。另一方面，由于不完全燃烧，生物质灰渣中残留的有机质在一定程度上可以被微生物所利用，使得生物灰渣在作为污水处理的补充碳源方面具有潜在的应用价值。生物质灰渣在环境领域的应用虽然不多,但是近年来，国内高校开始了生物质灰渣填料等方面的研究工作，将其应用于污水处理领域。

本文以安徽省滁州市某生物质振动炉排焚烧炉渣为原料，经“筛分+水洗+改性”工艺制备粒径大于1cm的生物质填料，其产品置于某一体化设备末级过滤净化段进行水处理，委托某环境监测站进行检测，具体检测项目及结果如表4所示。从表4可以看出，生物质灰渣填料对污水中悬浮物去除效果明显，出水悬浮物接近出水一级A标准（10 mg/L）；而对化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等污染物的去除效果不明显。

表4 水样检测结果

3.3 肥料/土壤改良剂

生物质电厂的飞灰由于使用的燃料为秸秆类，因此排出的灰渣为秸秆灰渣属于草木灰系列，其主要成分中钾含量较高,同时还含有磷、钙、镁、等多种元素，是生产肥料/土壤调理剂的优质原材料。生物质灰渣肥料/土壤改良剂，是通过人工添加营养成分，结合灰渣内的营养成分，与其他原料配合后，经造粒、烘干等工艺生产的产品。

但是,利用生物质飞灰制肥料/土壤调理剂对炉灰质量要求严格，不能含有重金属、硫酸钙等,这就要求电厂采用纯生物质秸秆类燃料，不允许掺烧模板等其他燃料,同时要求电厂烟气净化脱酸药剂不能采用氢氧化钙,以防止飞灰中钙盐过多导致土壤板结。因此利用灰渣生产肥料/土壤改良剂规模较小，利用能力非常有限。因此，从工艺成本和产业化应用的角度考虑，有必要针对其产业化应用经济效益、技术应用瓶颈、产业政策做深入分析。