生物質灰的特性及綜合利用

陳 均 李 思 陳新孝

（西京學院，陜西 西安710123）

近年來，隨著全球能源危機和環境問題的日益突出，以生物質燃燒發電和燃燒產熱的產業正在迅猛發展。國家能源局發布《能源發展戰略行動計劃（2014-2020 年）》，表明能源轉型是今后一段時期工作的重點。生物質能作為一種清潔可再生能源，具有很好的開發利用潛力，也有較好的經濟效益和生態效益。生物質經過燃燒產生熱量或者經過熱化學轉化技術可獲得氣、液和固態的多種能源產物，其殘留物質就是生物質灰。每年在世界各國都會有大量的生物質灰產生。目前對這些生物質灰的處理方式主要是填埋，生物質灰中含Cd、Pb、As、Hg 等有害元素，如若處理不當將會污染環境、破環土壤、占用農田，破環當地的生態環境。據研究表明，生物質灰可用于建筑材料的生產，尤其是用于水泥和混凝土的生產，這為生物質灰的工程應用提供了巨大的潛能。生物質灰在其他方面的應用也很多。對生物質灰的特性及應用狀況進行分析總結，希望為生物質灰大規模綜合利用提供參考。

1 生物質灰的特性

1.1 生物質的來源及其灰分分析

生物質按來源可分為四類：①農業生物質，如稻草、稻殼及各類秸稈等；②森林生物質，如快生林、樹枝及針葉等；③牧業生物質，如牛糞、羊糞及其它畜糞等；④生活垃圾，如餐廚、生活及衛生垃圾等。不同種類的生物質由于組分不同，其燃燒所得的生物質灰成分有較大差別。對于農業生物質和森林生物質而言，在不同的生長環境，其燃燒所得生物質灰的成分和含量也有一定區別。不同的生物質灰成分分析如表1 所示，由表1 可知農業生物質灰和森林生物質灰主要由SiO2、CaO、K2O、P2O5、MgO 等氧化物組成，不同生物質灰成分的含量也有較（轉下頁）大差別。谷殼中SiO2的含量比白楊木中SiO2的含量高出許多，而白楊木中CaO 的含量又比甘蔗渣中的高；麥稈中K2O 的含量相比其他來說最高；甘蔗渣中Al2O3和Fe2O3的含量相比其他而言最高。研究表明，生物質灰中除含有Si、Ca、Na、K、Mg、P 等無機礦物質元素外，同時也含有多種微量元素Cu、Fe、Zn、Mn、Ni、Cr、Al、Ti 和一定量的有害元素Cd、Pb、As、Hg 等。將生物質灰進行成分分析后再利用，減少生物質灰中有害元素的含量，對生物質灰大規模綜合利用及環境保護有重要的意義。

1.2 生物質灰的特點

生物質灰成分分析（%）Component analysis of biomass ash（%）

不同的生物質燃燒所得的生物質灰的形態不同，表面具有形狀各異的不規則粒子，顆粒大小相差較大。例如油菜秸稈灰表面存在的不規則粒子，具體表現為團狀、片狀和塊狀。玉米秸稈灰粒近似球狀，分散性好，棉花桿灰為圓形塊狀。通過對小麥秸稈灰微觀分析發現，小麥秸稈灰顆粒從形態上呈現為絮狀、鏈狀，明顯不同于來自于火電廠粉煤灰的顆粒狀形態，這種形態更利于保溫隔熱。不同的灰化溫度對生物質灰顆粒的形態有重要影響，灰化溫度升高，粒徑減小，其較大程度影響了生物質灰的特性。500℃的油菜秸稈灰顆粒大小均勻而600℃其表現為結渣，含有團聚體。600℃玉米秸稈灰發生熔融而815℃玉米秸稈灰發生結渣。不同的生物質灰除了顆粒形狀、粒徑大小不同之外，在顏色方面也具有差別，但主要以灰色、褐色、黃色為主。因生物質灰中含有重金屬元素，其呈現出堿性，加上其不同的組成，熔點也有較大的不同，堿性氧化物的熔點較低導致了灰化溫度越高生物質灰的熔點越高。

2 生物質灰的綜合利用

張強[1]發現了秸稈灰中富有的纖維素、半纖維素和木質素等可以有效的約束混凝土的裂縫擴張和增強混凝土的抗拉強度。研究表明[2]，稻殼灰較低的導熱系數，使其具有較好的保溫性能提高了混凝土的抗凍性能。稻殼灰混凝土因稻殼纖維良好的吸水特性，能有效的提高自身的抗滲特性。稻殼灰還能提高混凝土中的抗氯離子滲透擴散能力，預防鋼筋銹蝕。因稻殼灰中含有大量的SiO2，具有火山灰的活性以及凝硬性，可以有效的提高混凝土的抗壓性能、抗碳化能力和更好的體積穩定性。陳瑞麟[3]利用廢棄竹絲纖維作為骨料，發現竹絲纖維能有效提高混凝土的塑性變形，增強其延性以及抗彎性能。陳超[4]將小麥秸稈灰加入到混凝土中，發現在初期對混凝土的強度起到了提高，但在后期強度并未起到較大影響，小麥秸稈灰混凝土的最佳摻量宜為5%且不宜超過10%。劉巧玲[5]發現隨著油菜秸稈灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度降低。

目前需要重點研究性能與常用材料相似的再生材料在混凝土中的應用。將生物質灰進行系統分類及對其加入混凝土后的力學性能、反應機理、微觀構造等進行研究，對綠色混凝土的大規模應用有重要指導意義。針對不同的生物質灰測定其自身的微觀結構、適用情況、化學性能等，使其在混凝土中有效發揮其功效。為進一步優化生物質灰混凝土的制作過程，需要相關的外加劑使其與生物質灰中的有害成分相反應，降低在混凝土中產生的“鹽析”現象以及對鋼筋的侵蝕。

3 小結及展望

利用秸稈灰作為摻入料制作的生物質灰混凝土具有突出的材料性能、節能環保、價格低廉等優點。生物質灰是農作物莖葉燃燒之后的產物，其中含有大量的礦物質元素以及一定量的有害元素，它們一定程度上影響了生物質灰與水泥的相容性，也不利于混凝土在后期的強度甚至會對混凝土的耐久性造成較大危害。

生物質能如今已越來越受到重視，其在今后必將成為能源發展的趨勢。因大多數的生物質灰導熱系數低，并且含有少量的有益礦物質元素，利用它們生產出來的混凝土等建筑材料性能良好，今后也必將生產出更多的綠色環保的保溫材料。生物質灰不僅在建筑材料方面有突出的功效，其還能應用于農林作物、催化劑等其他領域。大力推廣開發生物質灰這一應用，既可以降低它對環境的污染，又能減少對資源的浪費。這一發展領域滿足了生態可持續的要求，具有里程碑的意義。