生物质灰的特性及综合利用

陈 均 李 思 陈新孝

（西京学院，陕西 西安710123）

近年来，随着全球能源危机和环境问题的日益突出，以生物质燃烧发电和燃烧产热的产业正在迅猛发展。国家能源局发布《能源发展战略行动计划（2014-2020 年）》，表明能源转型是今后一段时期工作的重点。生物质能作为一种清洁可再生能源，具有很好的开发利用潜力，也有较好的经济效益和生态效益。生物质经过燃烧产生热量或者经过热化学转化技术可获得气、液和固态的多种能源产物，其残留物质就是生物质灰。每年在世界各国都会有大量的生物质灰产生。目前对这些生物质灰的处理方式主要是填埋，生物质灰中含Cd、Pb、As、Hg 等有害元素，如若处理不当将会污染环境、破环土壤、占用农田，破环当地的生态环境。据研究表明，生物质灰可用于建筑材料的生产，尤其是用于水泥和混凝土的生产，这为生物质灰的工程应用提供了巨大的潜能。生物质灰在其他方面的应用也很多。对生物质灰的特性及应用状况进行分析总结，希望为生物质灰大规模综合利用提供参考。

1 生物质灰的特性

1.1 生物质的来源及其灰分分析

生物质按来源可分为四类：①农业生物质，如稻草、稻壳及各类秸秆等；②森林生物质，如快生林、树枝及针叶等；③牧业生物质，如牛粪、羊粪及其它畜粪等；④生活垃圾，如餐厨、生活及卫生垃圾等。不同种类的生物质由于组分不同，其燃烧所得的生物质灰成分有较大差别。对于农业生物质和森林生物质而言，在不同的生长环境，其燃烧所得生物质灰的成分和含量也有一定区别。不同的生物质灰成分分析如表1 所示，由表1 可知农业生物质灰和森林生物质灰主要由SiO2、CaO、K2O、P2O5、MgO 等氧化物组成，不同生物质灰成分的含量也有较（转下页）大差别。谷壳中SiO2的含量比白杨木中SiO2的含量高出许多，而白杨木中CaO 的含量又比甘蔗渣中的高；麦秆中K2O 的含量相比其他来说最高；甘蔗渣中Al2O3和Fe2O3的含量相比其他而言最高。研究表明，生物质灰中除含有Si、Ca、Na、K、Mg、P 等无机矿物质元素外，同时也含有多种微量元素Cu、Fe、Zn、Mn、Ni、Cr、Al、Ti 和一定量的有害元素Cd、Pb、As、Hg 等。将生物质灰进行成分分析后再利用，减少生物质灰中有害元素的含量，对生物质灰大规模综合利用及环境保护有重要的意义。

1.2 生物质灰的特点

生物质灰成分分析（%）Component analysis of biomass ash（%）

不同的生物质燃烧所得的生物质灰的形态不同，表面具有形状各异的不规则粒子，颗粒大小相差较大。例如油菜秸秆灰表面存在的不规则粒子，具体表现为团状、片状和块状。玉米秸秆灰粒近似球状，分散性好，棉花杆灰为圆形块状。通过对小麦秸秆灰微观分析发现，小麦秸秆灰颗粒从形态上呈现为絮状、链状，明显不同于来自于火电厂粉煤灰的颗粒状形态，这种形态更利于保温隔热。不同的灰化温度对生物质灰颗粒的形态有重要影响，灰化温度升高，粒径减小，其较大程度影响了生物质灰的特性。500℃的油菜秸秆灰颗粒大小均匀而600℃其表现为结渣，含有团聚体。600℃玉米秸秆灰发生熔融而815℃玉米秸秆灰发生结渣。不同的生物质灰除了颗粒形状、粒径大小不同之外，在颜色方面也具有差别，但主要以灰色、褐色、黄色为主。因生物质灰中含有重金属元素，其呈现出碱性，加上其不同的组成，熔点也有较大的不同，碱性氧化物的熔点较低导致了灰化温度越高生物质灰的熔点越高。

2 生物质灰的综合利用

张强[1]发现了秸秆灰中富有的纤维素、半纤维素和木质素等可以有效的约束混凝土的裂缝扩张和增强混凝土的抗拉强度。研究表明[2]，稻壳灰较低的导热系数，使其具有较好的保温性能提高了混凝土的抗冻性能。稻壳灰混凝土因稻壳纤维良好的吸水特性，能有效的提高自身的抗渗特性。稻壳灰还能提高混凝土中的抗氯离子渗透扩散能力，预防钢筋锈蚀。因稻壳灰中含有大量的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压性能、抗碳化能力和更好的体积稳定性。陈瑞麟[3]利用废弃竹丝纤维作为骨料，发现竹丝纤维能有效提高混凝土的塑性变形，增强其延性以及抗弯性能。陈超[4]将小麦秸秆灰加入到混凝土中，发现在初期对混凝土的强度起到了提高，但在后期强度并未起到较大影响，小麦秸秆灰混凝土的最佳掺量宜为5%且不宜超过10%。刘巧玲[5]发现随着油菜秸秆灰掺量的增加，混凝土的抗压强度降低。

目前需要重点研究性能与常用材料相似的再生材料在混凝土中的应用。将生物质灰进行系统分类及对其加入混凝土后的力学性能、反应机理、微观构造等进行研究，对绿色混凝土的大规模应用有重要指导意义。针对不同的生物质灰测定其自身的微观结构、适用情况、化学性能等，使其在混凝土中有效发挥其功效。为进一步优化生物质灰混凝土的制作过程，需要相关的外加剂使其与生物质灰中的有害成分相反应，降低在混凝土中产生的“盐析”现象以及对钢筋的侵蚀。

3 小结及展望

利用秸秆灰作为掺入料制作的生物质灰混凝土具有突出的材料性能、节能环保、价格低廉等优点。生物质灰是农作物茎叶燃烧之后的产物，其中含有大量的矿物质元素以及一定量的有害元素，它们一定程度上影响了生物质灰与水泥的相容性，也不利于混凝土在后期的强度甚至会对混凝土的耐久性造成较大危害。

生物质能如今已越来越受到重视，其在今后必将成为能源发展的趋势。因大多数的生物质灰导热系数低，并且含有少量的有益矿物质元素，利用它们生产出来的混凝土等建筑材料性能良好，今后也必将生产出更多的绿色环保的保温材料。生物质灰不仅在建筑材料方面有突出的功效，其还能应用于农林作物、催化剂等其他领域。大力推广开发生物质灰这一应用，既可以降低它对环境的污染，又能减少对资源的浪费。这一发展领域满足了生态可持续的要求，具有里程碑的意义。