生物质电厂灰渣成分及利用前景分析

生物质电厂灰渣成分及利用前景分析2008-7-10庄会永a,b徐永进a

李军a

尹锴c李永庚c李凌浩c肖兵a(a国能生物发电有限公司,北京100032;c中国科学院植物研究所生态中心,北京100093)

摘要对于生物质发电厂常用的18种秸秆燃料进行的高温（550℃）模拟燃烧实验表明，秸秆的平均灰分含量为9.33%，秸秆灰分的主要组成为大量不能直接利用的硅酸盐（含量为25.85%）、钙盐（含量为23.34%）以及钾的化合物（含量为17.47%）。而生物质发电厂灰分的钾含量为5.33%（变幅在4.66%～5.93%之间），远远低于高温模拟燃烧秸秆灰分中的平均K2关键词

生物质，

秸秆，

灰分肥料AnalysisoncomprehensivecompositeofstrawsashcomingfrombiomasspowerplantH.Y.Zhuanga,b,Y.J.Xua,J.Lia,K.Yinc,Y.G.Lic,G.M.JiangcaNationalBio-EnergyCO.,LTD,No26B,FinancialStreet,XichengDistrict,Beijing100032,ChinabShandongAcadmeyofScience,No.19,KeyuanRoad,JinancChinaAcademyofScienceInstituteofBotany,Beijing,100093,

Abstract:Afterdoingasimulationburningexperimenton18kindsofstrawresiduewhicharecommonfuelforbiomasspowerplant,theresultshowsthatstrawsashcontentis9.33%generallyanditscompositearemostlycomposedofSilicate(25.85％),Calcium(23.34％),Potassic(17.47%).ButPotassiccontentofactualplantashis5.33%,variesfrom4.66%～5.93%,andfarfromlowerthanthatofsimulationburningexperiment.AnditsPotassiccontentisequaltothatofcommonplantashinruralarea(5%~10%).Silicate(20.93％),Potassic(5.33％),iron(1.62％)mainlymakeupofthecontentoftheplantash.Inadditiontomaincomponents,italsocontainsmanyhelpfulelementstocrops,suchasManganese,Magnesium,Zinc,Calcium,Boronandsoon.Itsheavymetalcontentisalsomuchlowerthancorrespondingnationalenvironmentprotectionlevel.Asaresult,thebiomasspowerplantashonlyhasthevalueofexploitinglowcostfertilizer.Keywords:biomassresources;biomassenergy;strawresidue;ash

秸秆是重要的生物质资源（UNDP，2000)，其热值约为标准煤的50%。农作物秸秆的种类很多，诸如稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、油料作物、棉花和甘蔗等。工业革命以来，大量化石燃料的开采和燃烧引发了能源压力和全球变暖等问题，很多研究学者致力于论证可再生能源的发展潜力(Dessusetal.,1992;Swisher&Wilson,1993;Sayigh,1999;Grossetal.,2003)。我国的各类农作物秸秆资源十分丰富，各类农作物的秸秆年总产量达7亿多吨，其中稻草2.3亿吨、玉米秆2.2亿吨，豆类和秋杂粮作物秸秆1.0亿吨，花生和薯类、甜菜叶等1.0亿吨，具有非常丰富的秸秆资源可供利用（NBSC，2005)。在生物质能转换技术的现状和展望中(张无敌等，2000；陈益华等，2006)，农村的秸秆资源都被放在生物质资源的首位。若将我国每年产生的生物质换算成热值,约合7亿吨的标准煤（孙振钧，2004）。目前，全球范围内生物质燃料占一次能源总量的14%，仅次于石油、煤和天然气，并将成为未来可再生能源的主要组成部分。在亚洲及太平洋地区的发展中国家，薪柴和秸秆仍然是主要的能源，生物质资源的高效清洁利用将成为发展中国家农村地区能源消费的发展趋势（Bhattacharyaetal.,2005;Koopmans,2005;FAO,2006）。生物质资源来源于光合作用，属于可再生资源，而且对其利用不会增加CO2的排放，因此充分开发生物质资源在能源安全、全球碳平衡、农业可持续发展等方面具有重要的意义。我国第一个国家级生物质发电示范项目——国能单县生物质发电有限公司的正式投产运营，标志着我国生物质能发电事业实现了新的突破。该电厂年消耗农林废弃物15万吨～20万吨，发电量约1.6亿千瓦时。从长远来看，大力发展新能源和可再生能源可以逐步改善以煤炭为主的能源结构，尤其是电力供应结构，缓解与能源相关的环境污染问题，使我国能源、经济与环境的发展相互协调，实现可持续发展目标。国家“十一五”发展纲要中明确了生物质发电装机550万千瓦的发展目标，国家发展和改革委员会组织起草的《可再生能源中长期发展规划》提出到2020年生物质发电装机要达到2000万千瓦。然而以农作物秸秆等生物质发电的大面积推广利用势必带来大量的灰渣，从而严重影响环境质量。如何解决堆积如山的灰渣填埋，以及由此带来的占用大量耕地、污染地下水系和扬灰造成空气中悬浮颗粒物含量过高等一系列环境问题，制约着生物质能产业的发展。我国农民有着传统且悠久的草木灰作钾肥还田的历史，加之生物质灰渣本身含有植物生长所需的营养成分。因此，本报告拟对生物质电厂灰渣的出渣率、化学成分组成进行分析，旨在为生物质能电厂灰渣的综合利用，变废为宝，延长生物质发电的产业链。1材料与方法表2几种作物秸秆灰分中的元素成分及含量（%）Table2Theashchemicalelementofseveralkindsofcropsstraw灰渣成分秸杆类型均值标准差范围SiO2小麦57.190.9356.22-58.07

玉米44.0411.3223.22-59.6

棉花13.8610.034.9-24.7

油菜5.673.373.28-8.05

树枝树皮8.55.782.1-16.04Al2O3小麦1.530.760.87-2.36

玉米2.651.530.93-5.97

棉花3.071.451.81-4.66

油菜1.340.481-1.68

树枝树皮2.271.240.73-3.76Fe2O3小麦0.970.860.19-1.9

玉米1.140.710.21-2.54

棉花1.30.440.88-1.75

油菜0.640.480.3-0.98

树枝树皮2.2320.26-5.02CaO小麦5.50.165.34-5.66

玉米8.921.995.16-11.12

棉花23.76.0218.35-30.22

油菜28.258.3322.36-34.14

树枝树皮50.354.9745.6-57.28MgO小麦2.860.692.28-3.62

玉米11.113.066.69-16.92

棉花7.933.445.06-11.74

油菜4.531.123.74-5.32

树枝树皮7.493.744.92-12.98TiO2小麦0.130.110.04-0.25

玉米0.140.110-0.39

棉花0.230.130.08-0.33

油菜0.040.060-0.08

树枝树皮0.130.080.05-0.25SO3小麦2.560.512.01-3.02

玉米1.250.390.76-1.78

棉花3.880.793-4.52

油菜10.970.1210.88-11.05

树枝树皮0.770.820.15-1.98P2O5小麦1.430.221.25-1.67

玉米4.561.323.1-7.36

棉花8.612.016.82-10.78

油菜2.631.391.64-3.61

树枝树皮5.152.811-7.13K2O小麦21.095.1717.02-26.91

玉米21.119.1310.94-37.13

棉花25.184.7820.35-29.9

油菜10.711.879.38-12.03

树枝树皮9.252.76.46-12.52Na2O小麦0.560.150.44-0.73

玉米0.660.510.16-1.65

棉花2.681.011.61-3.62

油菜16.034.3912.92-19.13

树枝树皮1.822.580.34-5.69

严格对照城镇垃圾农用控制标准（参见国标GB8172-87），对小麦、玉米和棉花三种主要农作物秸秆灰分中的重金属含量进行测定，结果发现作物秸秆灰分中其中除了小麦中铬的含量达到65ppm，其余作物中的重金属含量均在1ppm以下，汞的含量更是远远低于对应标准。农作物秸秆灰分的重金属含量均未超过城镇垃圾还田的相关国家标准（见表3）。因此，生物质电厂灰渣制成的肥料在施用到土壤环境过程中不存在任何重金属污染的问题，可以放心大胆地加以推广利用。表3主要作物秸秆灰分的重金属含量Table3Theashmetalelementofmaincropsstraw单位（mg/kg）标准小麦玉米棉花总砷（以As计）≤300.560.930.85总汞（以Hg计）≤5---总铬（以Cr计）≤30065--总铅（以Pb计）≤1000.05--总镉（以Cd计）≤30.09--

2.2生物质电厂的灰分特征2.2.1生物质电厂灰渣的物理性状由于我们调查的生物质电厂锅炉引进的是丹麦技术，锅炉分为三个出渣系统。其中通过烟囱排放的废气经过专门的除尘收集塔，烟尘收集率达到99.6%，其次是炉渣，炉灰的所占分量最低。三种灰渣中均含有少量未完全燃烧的炭灰。密度平均接近于1g/cm，其吸水性强，显碱性，PH值在13.0左右（见表4）。表4三种灰渣中的基本物理性状Table.4Thephysicspropertiesofthreekindsofash灰渣种类PH值密度（g/cm）比重持水量炉渣12.651.040.990.41炉灰12.630.990.940.54飞灰12.381.040.990.53就颗粒度而言，飞灰与炉灰较细，而炉渣颗粒较大，不利于直接利用。由表5可以看出，飞灰的质量百分比随着颗粒直径的减小成明显的单调上升趋势，而炉渣与炉灰随着颗粒度的增大先增大后减小，且在0.25mm处均达到峰值。炉渣的颗粒直径在4mm以上的占其总质量的10%，但将其加工磨碎后并不影响生物质电厂灰渣的直接利用。表5三种灰渣中的径级分布（%）Table5Thegraindiameterdistributionofthreekindsofstrawash粒径级别>4mm>2mm>0.9mm>0.25mm>0.2mm<0.2mm炉渣(%)9.959.1425.1739.279.666.41炉灰(%)2.554.0313.9939.1417.2122.61飞灰(%)0.060.020.2721.1037.5840.83

2.2.2单县生物质电厂灰渣的化学性状由表6可知，生物质发电厂灰分的硅含量为最高（为20.93%），其次就是钾元素（含量为5.33%）以及铁的化合物（含量为1.62%）。其中锰、镁、锌、钙、硼等对作物有益的元素含量都在50ppm以上。炉灰中的碳含量在三种灰渣中最高，占总量的1.43%，说明由炉灰排出系统排出的灰渣燃烧最不充分。炉渣的全钾含量平均约为6%左右，高于炉灰和飞灰。飞灰的速效钾含量为6870mg/kg，远远高于炉渣（3190mg/kg）和炉灰(2360mg/kg)。这说明颗粒度越小，其溶解性越强。因此，为了增加肥料中速效钾的含量，应当考虑避免选择加工成为颗粒状，以灰粉钾肥的形式推入市场。对生物质发电厂灰渣进行重金属检测后，发现在五种主要的重金属测试中，三种灰渣的汞含量均在0.005mg/kg以下，说明生物质电厂灰渣的汞未检出。生物质发电厂灰渣中五种重金属的本底值远远低于相应的国家环保标准，满足城镇有机垃圾还田的基本环境条件。

2.2.3生物质电厂灰渣的经济特性根据2007年1月对生物质电厂所在县及其周边地区的实地调查结果，当地钾肥(按照K2O计算)的零售价的价格波动范围在4000～5000元/吨。当地常见肥料的包装规格为50公斤每袋，灰渣的密度在1.0左右，也适合50公斤每袋的包装（按照5%的含钾量计算，零售价格在12～15元之间）。根据当地的常规用量，每亩需要100公斤即可补充土壤中钾元素的缺失。农区常用的钾肥品种有硫酸钾、氯化钾等有效含量分别高达44.8%、52.3%(每吨的市场价格在2000元左右)，而电厂灰渣含量钾元素含量仅为5%左右。高纯化肥廉价易得且施用方便，对电厂灰渣钾肥形成了绝对的价格竞争优势，决定了开发生物质电厂灰渣必须从低成本入手。因此，考虑农户的普遍经济承受能力偏低的事实，我们只能选择低端产品的开发利用的方式。表6三种灰渣中的元素成分及平均含量Table6Theaveragechemicalelementofthreekindsofstrawash元素炉灰炉渣飞灰均值全碳（C）1.43%0.56%0.64%0.88%全磷（P）0.87%0.83%0.66%0.79%全硫（S）0.09%0.04%0.27%0.13%全硅（Si）20.03%19.57%23.18%20.93%全钙（Ca）0.21%0.20%0.20%0.20%全镁（Mg）288mg/kg279mg/kg274mg/kg280.33mg/kg全铜（Cu）53.0mg/kg51.8mg/kg44.4mg/kg49.73mg/kg全锌（Zn）184mg/kg118mg/kg197mg/kg166.33mg/kg全锰（Mn）466mg/kg482mg/kg442mg/kg463.33mg/kg全铁（Fe）1.70%1.50%1.67%1.62%全钼（Mo）0.66mg/kg1.06mg/kg0.83mg/kg0.85mg/kg全硼（B）87.5mg/kg55mg/kg23.5mg/kg55.33mg/kg全砷（As）3.22mg/kg2.98mg/kg3.42mg/kg3.21mg/kg全汞（Hg）＜0.005mg/kg＜0.005mg/kg＜0.005mg/kg＜0.005mg/kg全铬（Cr）18.8mg/kg18.3mg/kg18.3mg/kg18.47mg/kg全铅（Pb）2.37mg/kg1.30mg/kg4.88mg/kg2.85mg/kg全镉（Cd）0.31mg/kg0.093mg/kg0.53mg/kg0.31mg/kg全钾（K）5.41%5.93%4.66%5.33%速效钾（K）2360mg/kg3190mg/kg6870mg/kg4140mg/kg

3讨论在试验中发现，一些茎秆强烈木质化的作物，其灰分含量偏低。而大多数的草本作物灰分含量反而很高（如甘薯、水稻、小麦等）。据陈波等人（2006）在浙江天童山对于常绿阔叶林内七种优势植物的热值进行研究后表明，4种灌木植物叶的灰分含量在1.19%～3.46%之间，枝的灰分含量在0.82%～3.27%之间，与本试验的棉花、玉米、高粱等作物灰分含量偏低相一致。因此，生物质发电厂的灰渣出渣情况在一定程度上取决于进炉燃料的性质。等重条件下，木质化较多的作物出渣少于草本作物。S.Dwivedi等人(2007)通过对三种不同品种稻拌施不同比例煤电厂飞灰的生长和生化反应试验后发现，当灰渣对土壤的比例超过50%以上的时候会对作物产生影响。但是作为大田肥料施用时，灰渣量远小于土壤比例，而且其生物活性性质不同于煤灰。综合以上大量实验结果以及当地实地调研分析，我们认为电厂灰渣的出路不在于生产高端肥料。选用生产工艺简单，价格成本低廉，施用方便且普遍易于为农民所接受的固态粉剂，才是解决诸如灰渣填埋，以及由此带来的占用耕地、污染地下水系和空气等一系列环境问题的根本途径，完善生态系统的矿质元素循环。人类每年从土地掠走大量植物果实，而储存大量矿质元素的秸秆又多被用作造纸原料、农村烧饭薪柴等等，使得土地中的营养元素长期处于匮缺状态。导致目前我国农田缺钾日益严重，每年急需补充大约1000万吨的标准钾肥以维持土壤的钾素平衡。而国内的钾肥产量不到100万吨，其中的80%依赖进口（王石军，2000）。从生态系统物质循环的角度出发，电厂灰渣作为肥料还田势在必行。因此实现农业废弃物变“废”为“宝”，消除环境污染，改善农村生态环境，对中国全面建设小康社会和实现农业可持续发展具有重大意义（孙永明等，2005）。但由于生物质电厂灰渣的钾含量较低以及产品主要面向低收入人群，奢望其开发能够获得可观利润并不切合实际。因此，根据所掌握的钾肥市场供求信息，我们初步认为将生物质电厂灰渣磨碎、添加部分微肥后，其零售价格约为240～300元/吨。一般农户每亩地每年施钾量为两袋（100公斤），每袋灰钾肥的价格为12～15元，远低于工业化肥的价格，能够满足当地农户的消费需求。根据灰渣化验结果，确立了需要添加的微肥种类及方案（详见表7）。表7灰渣中添加微肥方案及依据Table7Thebasisofadditionmicro-chemicalelementtostrawash有益元素种类土壤缺素临界值（ppm）灰渣中平均含量（ppm）亩施100kg灰渣可达到临界浓度（％）急需补充微肥的种类及数量全锌（Zn）0.15166.3336.96……全锰（Mn）0.5463.3330.89……全铁（Fe）2.5162021.6……全硼（B）0.255.339.22……全钼（Mo）100.850.0028钼酸钠或三氧化钼30-50克/100kg灰渣,添加微肥成本约为0.2元全铜（Cu）0.549.733.32五水硫酸铜20-30克/100kg灰渣,添加微肥成本约为0.2元

设计日生产能力20吨(每小时生产2.5吨)灰钾肥的生产线，即可以满足单县生物质电厂日产灰渣15吨左右的处理能力，其具体工艺流程如下:三种灰渣混合晾晒样品成分分析（钾、有机碳、微量元素）添加微量元素（详见辅料添加方案）混匀搅拌必要时补充钾肥，保证K2O含量不低于6%粉碎称重包装（标明养分含量）按照添加肥料方案及生产流程，对日产20吨的灰钾肥厂进行投资及收益预算，详细项目清单见表8和表9。表8日产20吨（年产5,000吨）灰钾肥总投资估算Table8Thetotalinvestmentevaluationof5000tonsashplant项目估算值（万元）厂房仓库（500平方米）50.00凉嗮场地（4,000平方米）70.00办公设备10.00化验设备10.00粉碎设备4.00搅拌设备4.00包装设备10.00传输及其它设备5.000流动资金15.00总投资178.00注：生产设备和办公设备使用年限设定为10年，厂房使用年限为30年。

表9

每吨灰钾肥生产成本计算表（单位：元）Table9Thecostevaluationofeachtonashfertilizer项目价格添加微肥原料价格（不含灰渣）4工人工资15水电费80设备折旧7,厂房折旧费用8合计114

4结论我国农作物秸秆每年约7亿吨。一方面，小部分应用于肥料、燃气、肥料、建材、食用菌等领域，而大部分则被焚烧，形成危害；另一方面，有机肥料和天然无机肥的发展却出现了资源紧张的局面，迫切需要农作物秸秆为主要成分的天然草木灰肥作补充，以缓解“地力衰竭”、“土壤板结”的问题。而生物质发电的产业化将调和这两者之间的矛盾，从而有力地促进社会主义新农村建设。生物质发电产业是一个科技含量高、资源转化率高、产业链长、资金密集、附加值高、社会效益大的高效产业。其中，农作物秸秆从废物变成了生物质发电的原料，实现了第一个环节增值，受益者是种植的农民；秸秆从原料变成了商品，实现了第二个环节增值，受益者是加工企业和围绕加工企业服务的机械、化工、运输业等二三产业；秸秆从商品变成了绿色的可再生能源，实现了第三个环节增值，受益者是生物质电厂周边的居民；洁净的电力能源为人类提供了方便的生活条件，实现了秸秆的第四个环节增值，受益者是人类。第五个增值环节，就是本项目的核心所在，完成生物质电厂灰渣由污染环境废料到绿色商品的转变，实现其价值提升，创造产业链末端经济效益。通过实地调研及市场考察，若建立肥料厂将电厂灰渣充分利用，灰渣成本则可以忽略不计，生产每吨灰钾肥的生产成本约为每吨114元左右，低于同等级钾肥市场价格80到100元。按照年产5000吨灰钾肥计算，可以实现年产值100～110万元，实现经济效益40～50万元。这样既可以降低生产成本又可以形成示范效应，从而达到社会、经济、和生态三赢的局面。参考文献：BhattacharyaS.C,SalamP.A.,HuR.Q.,SomashekarHI,RacelisDA,RathnasiriPG,YingyuadR.2005.Anassessmentofthepotentialfornon-plantationbiomassresourcesinselectedAsiancountriesfor2010.BiomassandBioenergy,29:153～166.Chen,B.(陈波),Yang,Y.C.(杨永川),Zhou,Y.(周莹).CaloricValuesofSevenDominantSpeciesinTiantongNationalForestPark,ZhejiangProvince,ChenYH(陈益华),LiZH(李志红),ShenT(沈彤).2006.TheactualityanddevelopmentmeasureinusingbiomassenergyinChina.Researchinagriculturalmechanizes(农机化研究),1:26～30.(inChinese)DessusB,DevinB,PharabodF.1992.Worldpotentialofrenewableenergies.CNRS—PIRSEM,Paris.Dong,M.(董明).1996.Landbio-communityobservationandanalyse.Chinastandardbookconcern.FAO.2006.Bioenergy:AdevelopmentoptionforagricultureandforestryinAsiaandthePacific.In:twenty-eighthFAOregionalconferenceforAsiaandthePacific(APRC).OrganizationoftheUnitedNations,Jakarta.Gross,R.,LeachM,Bauen,A.2003.Progressinrenewableenergy.EnvironmentInternational,29:105～122.Koopmans,A.2005.BiomassenergydemandandsupplyforSouthandSouth-EastAsia—assessingtheresourcebase.BiomassandBioenergy,28,133～150.NationalBureauofStatisticsofChina.2005.ChinaStatisticalYearbook2005.ChinaStatisticsPress,Beijing.(inChinese).S.Dwivedi,R.D.Tripathi,S.Srivastava,S.Mishra,M.K.Shukla,K.K.Tiwari,R.Singh,U.N.Rai.2007.Growthperformanceandbiochemicalresponsesofthreerice(OryzasativaL.)cultivarsgrowninfly-ashamendedsoil.Chemosphere.67:140～