劉 偉，王甘翔，賈玉寶，李飛鵬

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

目前，我國(guó)每年可利用的農(nóng)林廢棄物高達(dá)7 億多t，折合約3.7 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤［1］。隨著生物質(zhì)能的蓬勃發(fā)展，生物質(zhì)資源得到初步有效利用。生物質(zhì)發(fā)電是目前對(duì)生物質(zhì)能利用最普遍的一種形式。2016 年國(guó)家能源局《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》［2］顯示，我國(guó)生物質(zhì)電廠裝機(jī)容量逐年上升，2015 年達(dá)到1 030 萬(wàn)kW，但如何處理每年約2 050 萬(wàn)t 的生物質(zhì)灰渣成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)灰渣的資源化利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)灰渣的特性進(jìn)行了一系列相關(guān)研究，探討將其應(yīng)用于各領(lǐng)域的可能性。例如，將生物質(zhì)灰渣應(yīng)用于建筑（填料填埋路基）、化工（制取硅酸鹽產(chǎn)品，比如水玻璃等［3］）、環(huán)境治理（作為吸附劑）和農(nóng)業(yè)（制成復(fù)合化肥、土壤改良劑）等領(lǐng)域。但在對(duì)生物質(zhì)灰渣進(jìn)行資源化利用時(shí)不同領(lǐng)域使用的生物質(zhì)灰渣的粒徑范圍不盡相同?；诖耍疚奶岢鲆环N生物質(zhì)灰渣粒徑分選方式，借助磁力除鐵用多層篩網(wǎng)同步篩分機(jī)，基于生物質(zhì)電廠發(fā)電作業(yè)產(chǎn)生的生物質(zhì)灰渣原料在不同資源化利用方向的粒徑特征，將其分選為1～6 號(hào)等6 種不同粒徑規(guī)格。結(jié)合對(duì)生物質(zhì)灰渣的特性研究，對(duì)分選出的6 種粒徑規(guī)格的生物質(zhì)灰渣應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜合論述。

1 材料與方法

1.1 分選試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用生物質(zhì)灰渣樣品為宿遷市凱迪綠色能源開(kāi)發(fā)有限公司進(jìn)行發(fā)電作業(yè)時(shí)，秸稈和樹(shù)皮等生物質(zhì)在破碎后混合均勻所形成的生物質(zhì)燃料，于700～800 ℃條件下在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒所產(chǎn)生的固體廢棄物。該生物質(zhì)灰渣原料粒徑不均，約為0.005～30 mm 左右，雜質(zhì)含量較高，尤其是鐵釘、鐵屑等雜質(zhì)較多。該電廠生物質(zhì)的來(lái)源及組成如表1 所示。

表 1 生物質(zhì)來(lái)源及組成Tab. 1 Biomass sources and constituents

1.1.2 分選工藝的選擇

通過(guò)分選工藝將廢物中可回收利用或者不利于后續(xù)處理、處置工藝要求的物料分離出來(lái)。根據(jù)廢物的物理和化學(xué)性質(zhì)不同，分選方法主要分為：篩分、重力分選、磁力分選、光電分選、渦電流分選和浮選等。由于生物質(zhì)電廠灰渣粒徑分布廣，雜質(zhì)含量較高，尤其是鐵磁性金屬雜質(zhì)，因此規(guī)范化的分選方法對(duì)生物質(zhì)灰渣后續(xù)應(yīng)用研究至關(guān)重要。根據(jù)不同分選方法的適用范圍，選擇磁選和篩分串聯(lián)使用，對(duì)生物質(zhì)電廠發(fā)電作業(yè)產(chǎn)生的灰渣進(jìn)行分選。

圖 1 篩分流程Fig. 1 Screening process

1.1.3 磁選設(shè)備的選擇

為解決生物質(zhì)灰渣中鐵雜質(zhì)去除的問(wèn)題，同時(shí)篩分得到不同粒徑的生物質(zhì)灰渣顆粒，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)電廠灰渣高效的分選，選擇一種磁力除鐵用多層篩網(wǎng)同步篩分機(jī)。該篩分機(jī)篩分流程如圖1所示。篩分機(jī)包括進(jìn)料部、篩分部、收集部。生物質(zhì)灰渣通過(guò)進(jìn)料、篩分、收集，依次經(jīng)歷除金屬、分級(jí)、出料而得到去除鐵雜質(zhì)的不同粒徑的生物質(zhì)灰渣。

1.1.4 分選流程

為了更好地分選生物質(zhì)灰渣，將傳送裝置設(shè)置為傳送帶，進(jìn)料傳送裝置和傳送篩網(wǎng)上設(shè)置振動(dòng)器，殼體、箱體內(nèi)設(shè)置滑道。傳送篩網(wǎng)設(shè)置為5 層，篩網(wǎng)孔徑上、下依次為2.5、5、9、16、32 和60 目，間距設(shè)置為30 cm。生物質(zhì)灰渣經(jīng)由進(jìn)料口送入進(jìn)料震動(dòng)傳送帶。在進(jìn)料震動(dòng)傳送帶的不斷震動(dòng)過(guò)程中，鐵類雜質(zhì)不斷被反向運(yùn)動(dòng)的磁力傳送帶吸附去除。去除雜質(zhì)后的生物質(zhì)灰渣進(jìn)入篩分部和收集部后即同步分篩出6 種不同粒徑規(guī)格的生物質(zhì)灰渣。

1.2 生物質(zhì)灰渣性質(zhì)的測(cè)定和分析

密度的測(cè)定：將篩分好的6 種不同粒徑規(guī)格的生物質(zhì)灰渣依次編號(hào)1～6 號(hào)，稱取質(zhì)量為m的灰渣，將其放入裝有固定體積水的量筒測(cè)定體積V，計(jì)算得到密度。

相對(duì)密度的測(cè)定：取100 mL 的燒杯，用天平稱量燒杯的質(zhì)量，將生物質(zhì)灰渣填滿燒杯，壓實(shí)后測(cè)定其質(zhì)量，計(jì)算得到灰渣的相對(duì)密度。

pH 的測(cè)定：先稱量質(zhì)量為20 g 的生物質(zhì)灰渣并放入250 mL 錐形瓶，再加入40 mL 的純水。然后將錐形瓶放入搖床，轉(zhuǎn)速為120 r·min-1，時(shí)間為30 min，搖勻后用精密臺(tái)式酸度計(jì)測(cè)定灰渣的pH。

粒徑的測(cè)定：利用激光粒度分布儀測(cè)定灰渣的粒徑。

X 射線熒光光譜（XRF）分析：利用從X 射線管產(chǎn)生的入射X 射線（一次X 射線）激發(fā)被測(cè)樣品。受激發(fā)樣品中的每一種元素均會(huì)放射出二次X 射線，并且不同元素所放射出的二次X 射線具有特定的能量特性或波長(zhǎng)特性。探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量二次X 射線的能量和數(shù)量。然后，通過(guò)儀器軟件將探測(cè)系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類和含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑分選

根據(jù)生物質(zhì)灰渣在不同領(lǐng)域進(jìn)行資源化利用時(shí)粒徑R的特征差異，對(duì)生物質(zhì)灰渣進(jìn)行粒徑分選。不同規(guī)格生物質(zhì)灰渣所對(duì)應(yīng)的粒徑范圍如表2 所示。各規(guī)格生物質(zhì)灰渣的產(chǎn)出比如圖2 所示。從表2、圖2 中可以看出，由于1 號(hào)生物質(zhì)灰渣粒徑范圍最廣，所以其產(chǎn)出比最大，為26.30%；6 號(hào)生物質(zhì)灰渣產(chǎn)出比最小，為3.80%，2～5 號(hào)生物質(zhì)灰渣產(chǎn)出比相近，為14.30%～19.70%。

表 2 不同規(guī)格生物質(zhì)灰渣基本性質(zhì)測(cè)定結(jié)果Tab. 2 Analysis of fundamental properties of the biomass ash with different particle sizes

2.2 生物質(zhì)灰渣基本性質(zhì)及XRF 測(cè)定結(jié)果

2.2.1 基本性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

不同規(guī)格生物質(zhì)灰渣基本性質(zhì)測(cè)定結(jié)果如表2 所示。由表中可見(jiàn)，不同規(guī)格生物質(zhì)灰渣雖然粒徑不同，但密度、相對(duì)密度、pH 大致相同。表3為生物質(zhì)灰渣和石英砂基本性質(zhì)對(duì)比。從表中可知，生物質(zhì)灰渣的密度低于石英砂，相對(duì)密度接近石英砂，可推測(cè)灰渣質(zhì)地疏松，顆粒細(xì)小，堆積密度小，可能存在更多的孔隙結(jié)構(gòu)，并具有一定的比表面積和吸附能力。不同之處在于，試驗(yàn)所用生物質(zhì)灰渣均呈堿性，pH 為9 左右，石英砂pH 為6 左右。

2.2.2 XRF 測(cè)定結(jié)果

表4 為XRF 測(cè)定結(jié)果。從表中可知，生物質(zhì)灰渣主要由Si、Al、Ca、Fe、Mg、Na、O 等元素組成，其中，所有規(guī)格生物質(zhì)灰渣中Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為60%～80%；Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～10%，在不同規(guī)格灰渣生物質(zhì)中其含量差異較小；Ca 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.83%～19.38%，2～5 號(hào)生物質(zhì)灰渣的Ca 含量接近，但1、6號(hào)生物質(zhì)灰渣中Ca 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.83%、19.38%，差異明顯。這主要是由于該電廠使用的鍋爐為循環(huán)流化床所致［4］。相關(guān)研究［5］表明，稻殼和稻草中Si 含量很高，會(huì)在燃燒過(guò)程中轉(zhuǎn)化成無(wú)定形的二氧化硅。而生物質(zhì)燃料中常會(huì)摻雜砂石、泥土等雜質(zhì)，泥土的主要成分是高嶺石，其中含有Al。

圖 2 不同規(guī)格生物質(zhì)灰渣產(chǎn)出比Fig. 2 Ash content in the biomass with different particle sizes

表 3 生物質(zhì)灰渣和石英砂基本性質(zhì)對(duì)比Tab. 3 Comparison of the fundamental properties between biomass ash and quartz sands

2.3 生物質(zhì)灰渣的應(yīng)用

從生物質(zhì)灰渣基本性質(zhì)和XRF 測(cè)定結(jié)果可知，1、2 號(hào)生物質(zhì)灰渣粒徑較大，一般應(yīng)用在建筑行業(yè)；而6 號(hào)生物質(zhì)灰渣粒徑小，其中Ca、Fe、P 等的元素含量較高，一般作為生產(chǎn)復(fù)合肥料的原料；從表2、4 中可以看出，3、4、5 號(hào)生物質(zhì)灰渣粒徑適中，且性質(zhì)與石英砂接近。

表 4 XRF 測(cè)定結(jié)果Tab. 4 XRF analysis

2.3.1 1、2 號(hào)生物質(zhì)灰渣的應(yīng)用

1、2 號(hào)生物質(zhì)灰渣（R＞ 2 mm）中碎石等雜質(zhì)成分含量較高，一般應(yīng)用在建筑方面，利用方式包括直接利用和間接利用。直接利用一般是將生物質(zhì)灰渣當(dāng)作填料填埋路基；間接利用則是將生物質(zhì)灰渣作為建筑原料的部分替代物或摻雜物應(yīng)用于建筑材料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。國(guó)外尤其歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)主要研究生物質(zhì)灰渣在建筑行業(yè)的應(yīng)用，如道路回填，用于生產(chǎn)混凝土、水泥等。但是直接利用會(huì)造成生物質(zhì)灰渣中豐富養(yǎng)分的流失與浪費(fèi)。而間接利用不僅可以高效合理地利用生物質(zhì)灰渣中的豐富養(yǎng)分，而且能減少因直接填埋所帶來(lái)的環(huán)境影響［6］。

2.3.2 3、4、5 號(hào)生物質(zhì)灰渣的應(yīng)用

由表2、3、4 中可知，3、4、5 號(hào)生物質(zhì)灰渣（R為0.25～1 mm）由于其粒徑適中，且密度低于石英砂，相對(duì)密度接近石英砂，人們開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向探尋將生物質(zhì)灰渣作為水處理濾料的可能性。田冬等［7］將不同粒徑生物質(zhì)灰渣作為過(guò)濾裝置的填料來(lái)凈化生活污水。研究結(jié)果表明：生物質(zhì)灰渣由于較大顆粒間的小空隙增大了污染物與灰渣基質(zhì)的接觸面積，基質(zhì)表面吸附截留有機(jī)污染物，從而降低污水中的化學(xué)需氧量（COD）；生物質(zhì)灰渣對(duì)氨氮的去除主要依靠顆粒吸附、氨化作用和硝化作用，帶負(fù)電荷的生物質(zhì)灰渣顆粒與帶正電荷的NH4+發(fā)生靜電吸附，從而將NH4+固持在填料內(nèi)部，達(dá)到去除作用。通過(guò)對(duì)比利用生物質(zhì)灰渣和石英砂濾柱處理河道原水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與石英砂相比，生物質(zhì)灰渣對(duì)濁度的降低效果優(yōu)勢(shì)顯著；對(duì)COD、氨氮等的去除率相當(dāng)，但穩(wěn)定性更優(yōu)［8］。

2.3.3 6 號(hào)生物質(zhì)灰渣的應(yīng)用

6 號(hào)生物質(zhì)灰渣（R ＜ 0.25 mm）的形態(tài)更接近于傳統(tǒng)的草木灰，且含有較高的Ca、Fe、P 等植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，故將其作為肥料應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面［9］。國(guó)內(nèi)學(xué)者將秸稈灰應(yīng)用于基質(zhì)育苗或作物肥效研究，比較不同秸稈灰渣對(duì)幼苗和作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，結(jié)果表明，秸稈灰渣可提高煙草幼苗品質(zhì)，提高小白菜、油菜、水稻以及空心菜產(chǎn)量或增強(qiáng)生長(zhǎng)質(zhì)量［10］。

由表2、4 中可知，生物質(zhì)灰渣是一種堿性材料，富含Si、Ca、Mg、P 等礦質(zhì)元素，可用于酸性土壤和配置生物質(zhì)灰肥，但不同生物質(zhì)源的生物質(zhì)成分有差異，需分類使用。將生物質(zhì)灰渣作為土壤改良劑進(jìn)行有效利用會(huì)導(dǎo)致土壤pH和大部分主要營(yíng)養(yǎng)元素的含量增加，并且減少Al 和次要元素的可用性［11-13］。黃容等［14-15］分別利用經(jīng)不同方法處理過(guò)的稻殼灰對(duì)廢水中的重金屬元素進(jìn)行吸附試驗(yàn)，結(jié)果表明，稻殼灰對(duì)廢水中的汞和鉛具有良好的吸附作用。以含有大量硅的稻殼灰代替硅土作為原料來(lái)制取水泥，其效果可達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且成本較低［16］。將生物質(zhì)灰與水泥、樹(shù)脂混合均勻后壓膜制成的磚塊，不僅質(zhì)量輕，而且具有防火、防水、隔熱、不易破碎等性能。將生物質(zhì)灰添加到涂料中，因?yàn)榈練せ抑泻屑s38%的干性纖維素，解決了涂料的龜裂現(xiàn)象［17］。

3 結(jié) 論

對(duì)電廠發(fā)電作業(yè)產(chǎn)生的生物質(zhì)灰渣進(jìn)行磁選篩分，分選成1 號(hào)（R ＞ 5 mm）、2 號(hào)（R 為2～5 mm）、3 號(hào)（R 為1～2 mm）、4 號(hào)（R 為0.5～1 mm）、5 號(hào)（R 為0.25～0.5 mm）和6 號(hào)（R ＜ 0.25 mm）等6 種粒徑規(guī)格的生物質(zhì)灰渣。相關(guān)特性研究結(jié)果表明，生物質(zhì)灰渣均呈現(xiàn)出一定的堿性，可以應(yīng)用于酸性土壤以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，改善土壤活性；生物質(zhì)灰渣中含有Si、Al、Ca、Fe、Mg、P 等元素，而Ca、Fe、P 都是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素；生物質(zhì)灰渣的密度低于石英砂，相對(duì)密度接近于石英砂，且質(zhì)地疏松，顆粒細(xì)小，堆積密度小。

1、2 號(hào)生物質(zhì)灰渣粒徑較大，碎石等雜質(zhì)成分含量較高，一般將其當(dāng)作填料填埋路基或作為建筑原料的部分替代物或摻雜物；3、4、5 號(hào)生物質(zhì)灰渣粒徑處于0.25～1 mm 之間，其特性研究結(jié)果以及現(xiàn)有的將其應(yīng)用于水處理方面的相關(guān)研究為將3、4、5 號(hào)生物質(zhì)灰渣作為水處理的一種新型功能性材料提供了依據(jù)；6 號(hào)生物質(zhì)灰渣粒徑小，形態(tài)接近于傳統(tǒng)的草木灰渣，含有較多的Ca、Fe、P 等元素，可將其作為肥料應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面。