PDF《生物质电厂飞灰用作肥料的可行性评价》

第32 卷第7期农业工程学报Vol.

32 No.7

200 2016 年4月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr.

2016 生物质电厂飞灰用作肥料的可行性评价 张振1,韩宗娜

2 ,盛昌栋

1 (1.东南大学能源与环境学院,南京 210096;

2.山东省工程咨询院,济南 250013) 摘要:为了研究炉排燃烧生物质电厂飞灰在农林方面的应用价值和可能产生的环境影响,根据欧盟相关标准分析了

2 种飞灰(A、B)的基础特性(水分、灰分、总有机碳含量、pH 值和电导率) ,并利用电感耦合等离子体光谱仪、质谱仪 分析了飞灰中营养元素和有害元素的含量;

参考中国固体废物浸出毒性浸出方法标准研究了营养元素和有害元素的浸出 特性. 结果表明,

2 种飞灰 pH 值均大于 12, 呈较强的碱性;

并且二者不仅含有较高浓度的有机碳 (A: 18.39%;

B: 7.79%) , 还富含 K、Ca、Mg、P 等营养元素,其他主要有害元素的含量低于欧盟一些国家生物质灰农、林用和中国粉煤灰农用标 准所规定上限值,这使得它们可以作为土壤改良剂或者辅料应用的农林方面.此外,除A飞灰中 Cr 的浸出率为 1.274% 外,其他有害元素的浸出率远小于 1%,因而当它们应用在农林土壤时不至于造成污染. 关键词:生物质;

电厂;

飞灰处理;

综合利用;

特性评价 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.07.028 中图分类号:S21 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2016)-07-0200-06 张振,韩宗娜,盛昌栋. 生物质电厂飞灰用作肥料的可行性评价[J]. 农业工程学报,2016,32(7):200-205. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.07.028 http://www.tcsae.org Zhang Zhen, Han Zongna, Sheng Changdong. Feasibility evaluation of biomass fly ashes from power station using as fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(7): 200-205. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.07.028 http://www.tcsae.org

0 引言生物质是一种丰富、可再生的清洁能源,目前其主 要利用方式仍然是通过直接燃烧生产热能和电能.近年 来, 生物质直燃发电在中国得到了较快发展, 截止到

2007 年底,据不完全统计,中国核准的生物质直燃发电项目 约100 个,装机容量为

220 万kW 以上[1] ,而根据《可再 生能源中长期发展规划》,到2020 年将达

2 400 万kW. 相应地,直燃发电产生的副产品生物质灰的年产量是巨 大且逐年增加的.据测算,一台

25 MW 的机组,一年消 耗农林剩余物约为 2*105 t[2] , 如按灰产率 7%计算, 该机 组每年约产生

14 000 t 灰,因此,灰的处置或综合利用成 为直燃电厂日常运行所需考虑的重要内容.众所周知, 生物质灰的可能利用途径很多,包括农林业、建材、土工、 材料等行业[3-10] . 而从生物质能可持续利用的角度看, 将生物质灰应用于农林土壤则一般认为是最佳途径[11] . 因此,在生物质直燃应用较多的地方(如北欧国家)对 这方面十分重视,进行了大量的研究[12-14] ,并逐渐建立 了相关的标准或规范[15-16] .尽管生物质灰中含有丰富的 植物营养元素(K、Ca、Mg、P),但是其中也可能含有 多种有害元素(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Ni、Zn 等)[17] , 收稿日期:2015-08-30 修订日期:2016-02-19 基金项目:国家国际科技合作专项(2015DFA60410) 作者简介:张振,男(汉) ,山东鱼台人,主要研究方向为生物质能的利 用.南京 东南大学能源与环境学院,210096.Email:[email protected]. 通信作者:盛昌栋,男(汉) ,安徽繁昌人,教授,博士,从事煤粉和生 物质燃烧及其污染防治研究工作. 南京 东南大学能源与环境学院, 210096. Email:[email protected]. 尤其是生物质电厂入炉燃料中含有工业废弃木材时,会 导致生物质灰中 As、 Cd、 Cr、 Pb、 Zn 和Cu 的含量较高[18] . 鉴于这种情况,在生物质灰应用到农林土壤前,对其营 养价值和环境影响特性进行评价是必需的工作. 目前,中国近半以上的直燃电厂采用炉排燃烧方式[19] , 所生成的灰包括底灰和飞灰.底灰主要是燃料燃烧后留 在炉排上的产物,约占灰总量的 60%~90%[20] ,含较多 的营养元素 K、Mg、Ca、P 等,而重金属元素等含量较 低,一般可以直接应用于农林方面.相比起来,飞灰也 含营养元素,但因颗粒细,生物质燃烧过程中挥发出的 有害重金属元素易富集在飞灰中[21] .特别是,中国生物 质直燃电厂为克服燃料供给和防止受热面积灰、腐蚀等 问题,设计燃烧秸秆的锅炉掺烧木质生物质(主要是树 皮、废旧木材等)较普遍.与秸秆相比,树皮、废旧木 材等中重金属含量高,所形成的飞灰中重金属含量一般 也较高,其对环境的潜在影响可能限制其在农林方面的 应用.因此,对飞灰的组成和特性进行必要的分析和评 价是飞灰在农林方面应用的前提.而目前中国对生物质灰 特性的研究还主要集中在燃料、燃烧过程的影响方面[22-23] , 针对农林应用方面特性的研究还很少.本文以

2 个电厂飞灰 样为对象,对其理化特性和环境影响特性进行系统的分析和 评价,以开发生物质电厂飞灰在农林方面的高附加值利用.

1 灰样特性分析 1.1 飞灰样品 试验用飞灰样取自江苏省

2 家生物质直燃电厂.

2 家 电厂均采用振动炉排燃烧方式燃用秸秆和树皮等的混合 第7期张振等:生物质电厂飞灰用作肥料的可行性评价

201 燃料,飞灰取自布袋除尘器下的灰斗,分别命名为 A 和B.为了研究营养元素和重金属元素在飞灰颗粒中的分 布,还采用

200、

90、50 μm 筛对灰样进行了筛分. 1.2 飞灰理化特性的分析 针对炉排燃烧生物质电厂飞灰在农林方面的应用, 对2种飞灰的相关理化特性进行了系统的分析,内容包括粒径 分布、水分、灰分、总有机碳含量、pH 值、电导率、营养 元素以及重金属元素含量、晶相成分等.利用激光粒度分 析仪测量飞灰粒径的体积分布. 水分是测量在 105℃下将灰 样加热至恒质量的失质量.灰样的总有机碳(total organic carbon,TOC)和灰分含量测量参照欧盟土壤改良剂和生长 基质的有机物含量和灰分测定标准(EN 13039-2000).pH 值和电导率分别根据欧盟生物质灰的 pH 值和导电性测量 标准(EN 13037-2000 和EN 13038-2000)测定.元素组成 的测量则根据欧盟固体生物质燃料主量元素(EN 15290-2006)和微量元素(EN 15297-2006)测定标准,将 灰样在 H2O2-HNO3-HF 混合液中消解后,分别采用 Perkin-Elmer 生产的 OPTIMA2000DV 电感耦合等离子体发 射光谱仪(ICP-OES)和Aglient 生产的 7700X 电感耦合等 离子体质谱仪 (ICP-MS) 测营养元素和重金属元素的含量. 此外,还采用 Bruker 公司生产的 D8ADVANCE 型X-射线 仪分析飞灰中的主要晶体相成分. 1.3 飞灰浸出特性的分析 为了解灰中营养元素的肥效和有害重金属元素对环 境的可能影响,参照中国标准《固体废物浸出毒性浸出 方法:水平振荡法》 (HJ557-2009),对主要营养元素和 重金属元素的浸出特性进行分析.将灰样和去离子水以 1:10 的比例混合后,置于水平震荡装置上震荡

8 h,再静 置16 h 后,所得混合液经 0.45 μm 微孔滤膜过滤,分别 采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)和ICP-MS 测定浸出液中的营养元素和重金属元素的含量. 此外,采用离子色谱测定溶液中 Cl? 的浓度.

2 结果与讨论 2.1 飞灰的基础特性 A、B 电厂飞灰的粒径分布如图

1 所示.可以看出,

2 种飞灰的粒径分布十分相似,均较细,其中小于

90 μm 的颗粒体积百分比分别为 56.4%和57.8%, 这对飞灰的利 用可能会产生一定影响,如易产生扬尘等. 注:A、B 为两种不同的飞灰. Note:A, B were two different fly ashes. 图1飞灰的粒径分布 Fig.1 Particle size distribution of fly ashes 表1显示,对2种飞灰,随着颗粒粒径的增大,TOC 含量都增加而灰分相应减少,这是由于大颗粒难以燃尽 的结果.而pH 值特别是电导率随粒径增大呈减小趋势. pH 值的高低反应了灰中酸碱离子的浓度,而电导率的值 则能够反映金属离子(如Na+ 、K+ 、Ca2+ 、Mg2+ 等)和相 应阴离子(如Cl? 、SO4 2- 、HCO3 - 等)的浓度,一般灰中 含盐浓度越高则浸出液的电导率值就越高.当生物质燃 烧灰用于农、林植被或土壤时,pH 值和电导率值共同用 于表征灰的活性,pH 值和电导率高则意味着其中的盐溶 解快,可能对植物造成伤害.一般认为,pH 值>

13 的灰 则不能应用,而对 pH 值........