生物质是少数可以直接转化为燃料的可再生原料之一，其开发和利用潜力巨大。20%～30%的化石燃料可以用生物质替代，且无需任何大投资^[1]。目前，生物质能源（包括热能、电能和燃料）占世界总能源的8%～15%，预计到2050年，这一比例将上升到33%～50%^[2]。在全球对可再生能源需求日益增长的背景下，农林生物质直接燃烧发电技术正逐渐成为能源领域中一个重要的绿色解决方案。生物质电厂通过高效燃烧农林废弃物，如秸秆、稻壳、木屑等，转化为热能，进而产生电能，这一过程产生了体量庞大的生物质灰渣。生物质电厂发电过程产生的生物质灰渣可分为生物质底渣（biomass bottom ash，BBA）和生物质飞灰（biomass fly ash，BFA）。BBA是由生物质燃烧后在锅炉底部产生的残渣，这部分灰烬通常与生物质中的杂质（如沙子和碎石）混合^[3]。BFA则是燃烧过程中漂浮在排气管道中的较细粉煤灰，可通过旋风除尘器收集。这些副产品的资源化对推动生物质电厂的可持续发展至关重要。研究发现，BBA的产量与燃料种类密切相关，木制燃料燃烧后BBA的产量通常占灰渣总质量分数的65%～85%，秸秆燃烧后BBA的产量占灰渣总质量分数的80%～90%^[4]。尽管有研究者^[5]对特定电厂的生物质灰渣理化性质及其应用进行了研究，但未见对不同电厂生物质灰渣理化特性进行系统分析的报道。

生物质灰渣的资源化利用途径主要包括土壤修复、吸附剂制备以及建筑材料应用等^[6]。有研究^[7]表明，生物质灰渣可作为土壤改良剂，以提升农作物产量。同时，生物质灰渣在建材领域展现出应用潜力，如替代部分水泥、硅灰等，用于制备自密实混凝土、蒸压加气混凝土和超高性能混凝土^[8]，并且，利用水泥进行固化还能降低环境风险^[9]。然而，由于燃料来源复杂，生物质电厂灰渣在化学组成和活性方面存在显著差异，限制了其在混凝土中的规模化应用。

本研究通过分析长三角地区不同生物质电厂灰渣的理化特性，为生物质电厂灰渣在建材行业的应用前景进行评估，为BBA和BFA的资源化利用提供理论基础，以促进生物质发电行业的可持续发展。

1 试验材料和方法 1.1 生物质电厂灰渣样品

于2023 年从我国长三角不同地区的10家生物质电厂收集了BBA和BFA样本。这些电厂的燃料大多为秸秆、建筑模板和树枝等。燃烧设备采用循环流化床锅炉或炉排炉。为便于分析，将不同电厂的BBA依次编号为BBA1～BBA10；BFA依次编号为BFA1～BFA10。

图1为生物质发电过程示意图。我国生物质发电主要包括直接燃烧发电、混合燃烧发电和气化发电3种模式。本研究涉及的生物质电厂大多采用炉排炉技术。炉排炉技术是将生物质置于固定或移动的炉排上进行燃烧，并通过振动或移动生物质来控制燃烧时间的技术。该技术相对成熟，固定投资较少、维护简便、可操作性好，已成为国内绝大部分生物质电厂的主流燃烧技术。循环流化床技术能够保持生物质在锅炉内部处于剧烈循环运动及较长停留时间，使大粒径的固相生物质在稳定的流化态下循环进入锅炉燃烧，从而保证较高的燃尽率。然而，生物质灰分低、粒径小，分离和流化过程中存在高温烧结腐蚀的问题^[10]。

1.2 试验方法

通过物理和化学分析方法对生物质灰渣进行表征。参照《水泥化学分析方法》（GB/T 176—2017）测试不同生物质灰渣的烧失量；依据《固体废物腐蚀性测定—玻璃电极法》（GB/T 15555.12—1995）测定pH；使用X射线荧光光谱仪（X-ray fluorescence spectrometer，XRF）测试生物质灰渣的化学成分；将灰渣研磨成粉末后过200目筛，使用X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）测定物相，衍射角为10°～70°，扫描速率为5（°）/min。使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）测试不同生物质灰渣的形貌特征。

2 试验结果及分析 2.1 宏观特性

BBA与BFA呈现显著形貌差异：BBA呈不规则块状，粒径分布不均，且含有大量未燃尽的C；BFA则为均匀细小的粉末状。研究发现，炉排炉的生物质灰渣呈黑灰色，而流化床的生物质灰渣多呈黄褐色，这种颜色差异主要源于燃烧温度的影响。高温条件下，生物质燃烧充分，有机矿物质更易挥发，生成浅灰色生物质灰渣且产量较低；而低温条件下，生物质不完全燃烧，导致生物质灰渣颜色偏深，未燃尽的C增多。将10家生物质电厂排序，编号为电厂1～电厂10，其产生的生物质电厂灰渣宏观特性如表1所示。

2.2 化学组成

生物质燃烧后，生物质中的无机矿物质以及重金属等难挥发性物质会保留在BBA之中。虽然生物质电厂灰渣中含有 Zn、Cu、Mn、Cr、Ni 等重金属，但浸出试验显示这些重金属浸出量均在标准限值以内，而且生物质电厂灰渣中 As、Cd、Pb 等有毒金属占比很低^[11]。

图2为采用XRF得出的BBA与BFA中主要成分。由图2 可知，不同生物质燃烧后的BBA中主要成分基本相似，主要是由 Si、Al、Fe、Ca、Mg、K等元素组成，包括SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、Fe₂O₃、Na₂O、P₂O₅、SO₃、Cl⁻、K₂O 和 TiO₂，但其中各组分的占比存在差异。SiO₂ 占比高，这一有效成分可以为复合胶凝材料力学性能的提高提供先决条件，为BBA在建材领域的利用奠定坚实的基础。其中，BBA9中SiO₂占比最高，达到总质量的67.55%，BBA10中 SiO₂占比最低，只有总质量的27.05%。一般情况下，大多数秸秆和稻壳类等草本生物质燃烧后BBA中SiO₂质量分数（>50%）高于木本类生物质中的（<20%）。BBA10中SiO₂质量分数较低的原因可能是电厂在采样期间主要使用木制燃料。

由图2还可以观察到，大多数BBA与BFA中主要成分为SiO₂、CaO、MgO和Al₂O₃，这几个成分的总质量分数之和基本上均超过了70%，其中SiO₂、CaO和Al₂O₃是被公认为具有火山灰特性的材料^[12]，这与Sáez等^[13]的研究结论一致。BBA中的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等活性物质可与水泥水化反应产生的Ca（OH）₂发生火山灰反应，生成水化硅酸钙和钙钒石等胶凝物质，提高水泥试块的强度，改善混凝土的抗腐蚀性^[14]。但MgO和部分可溶性碱占比的增加会引起复合水泥的水化试块孔隙率的增加，进而导致强度降低^[15]。因此，BBA在建材领域的利用需进行进一步研究。

与BBA不同的是，BFA中含有更多的CaO、Cl⁻和K₂O，其原因主要是由BFA的特性引起的。BFA主要是烟气携带的燃料颗粒燃烧生成或燃烧中挥发到烟气中的无机成分凝结或沉积到BFA颗粒上形成的。K、Cl是易挥发元素，因此在燃烧时易挥发到烟气中，在烟气冷却过程中形成细小的飞灰颗粒或沉积在细小的BFA颗粒表面，导致其在细小的BFA中占比高。Ca、Mg在木质生物质中占比高但不易挥发；其在小颗粒BFA中占比高可能是因为烟气携带细小的木质燃料颗粒在燃尽过程中大量破碎，形成小粒径飞灰^[7]。

本研究所涉及的BBA的化学组成与文献[17]中的一致。如图3所示，在Vassileva等^[16]根据生物质灰渣化学成分的差异设计了一套分类系统，将生物质灰渣分为S类、C类、CK类和K类，分别代表富Si型BBA、富Ca型BBA、富Ca和K型BBA、富K型BAA。如图3所示，本研究涉及的BBA1～BBA9均处于上半部分，说明其属于S类。BBA10 主要采用木制燃料，出现在图3的左下角，说明其属于C类。图3表明，虽然生物质的来源广泛，具有一定的地域性差异，但绝大多数BBA的成分都很相似，这种特性为其资源化利用的推广提供了有利条件。

2.3 矿物成分

图4是不同生物质电厂BBA的XRD谱图。从图4中可以看出，不同电厂BBA的矿物成分并没有太大区别，主要为石英、方解石和硬石膏，其中石英的特征峰最为明显。石英和方解石占比高，表明生物质在高温下燃烧^[18]。图4中在2θ为25°～30°出现较多石英的特征峰，与图2中SiO₂的质量分数最高的结论一致。造成这种结果的原因主要有2个：一方面生物质中Si是主要组成元素；另一方面是由于秸秆等生物质中经常混有尘土、砂石等，在燃烧过程中，部分砂石物质残留在BBA中，因此，XRD谱图上石英的特征峰最明显。此外，BBA中还存在硬石膏和方解石的衍射峰。硬石膏可能是CaO 与高温烟气中的气态硫氧化物反应形成的，而方解石是烟气冷却过程中CaO与燃料中的CO₂反应形成的。

2.4 微观形貌

图5为BBA9和BFA9的SEM图。从图5可知，BBA9与BFA9的颗粒形状不规则，BBA9具有发达的孔隙结构，且有一些絮状物质。这主要是由于电厂9的燃料中含有一定的纤维结构燃料，这些燃料燃烧不充分，形成了不规则的絮状结构。未燃尽的C呈絮状结构易吸水，若用于制备水泥会增大水泥浆体的阻力，影响水泥的流变性能。BFA9的颗粒则呈小球形，比BBA9分布地更加均匀，颗粒粒径较小，孔隙较少，可在一定程度上填补BBA的孔隙，从而提升其在建筑材料领域的协同利用价值。这一研究结果为生物质电厂灰渣的资源化利用提供了新的途径^[19]。

3 讨　论

生物质电厂灰渣还可用于替换水泥或砂粒，应用于混凝土制备中，并且通过研磨和焚烧生物质电厂灰渣，还能提高生物质电厂灰渣−混凝土的性能^[20]。Tulashie 等^[21]使用稻壳灰代替普通硅酸盐水泥的研究发现，加入水泥总质量分数22.22% 的稻壳灰可以显著提高水泥砂浆的抗压强度。然而，刘勇等^[22]使用生物质电厂灰渣制备水泥砂浆时发现，相同掺量下生物质电厂灰渣−水泥混合砂浆在各龄期下强度均小于普通砂浆的，且硬化后的水泥具有更高的孔隙率。蔡星等^[19]以生物质电厂灰渣、水泥、粉煤灰、石灰等作原材料，制备了生物质电厂灰渣加气混凝土砌块，发现Ca与Si的比为 0. 86时，砌块抗压强度达 2.5 MPa，抗折强度达 1.8 MPa。由此可见，生物质电厂灰渣具备一定活性，可替代部分胶凝材料，但由于其活性较低，往往需要采取一些复杂的改性措施，由此导致其利用率较低。生物质电厂灰渣中的可溶性钾盐会促进石膏和钙矾石等物相生成，从而影响混凝土的流变性能；而在后期水化过程中，随着钾离子的溶出以及碱–Si反应的进行，会导致混凝土砌块结构劣化，从而显著降低其抗压强度^[23]。因此，当采用生物质电厂灰渣作为水泥或细骨料的替代材料时，必须通过预处理工艺控制其粒径分布，降低 K₂O 、MgO 等碱性氧化物以及氯化物的占比，以最大限度地降低其对混凝土耐久性和力学性能的负面影响。

通常来说，BBA 中碱金属元素占比较高，因此呈碱性。生物质电厂灰渣也被用作土壤改良剂代替石灰，在调整土壤理化性质、提高经济效益的同时，也具有良好的环境效益^[24]。但由于生物质电厂灰渣种类多，不同来源的生物质电厂灰渣成分差异大，因而需对生物质电厂灰渣中的重金属等污染物进行预处理，避免形成二次污染，才能进行资源化应用。目前，生物质电厂灰渣在农业生产中返田的大规模市场化应用仍未实现。因此，生物质电厂灰渣在建材领域的应用仍是当下的首选。

4 结　论

本文通过XRD、XRF、SEM等表征手段对长三角地区10家生物质电厂灰渣的理化特性进行了分析，主要结论如下：

（1）生物质电厂灰渣的理化特性很大程度上受燃料种类、燃烧方式的影响，不同燃烧方式所生成的生物质电厂灰渣具有很大的差异。秸秆类燃料会产出更多的BBA，占生物质电厂灰渣总质量的80%～90%，加入木制燃料会提高BFA的产量。

（2）BBA中，具有活性的SiO₂、CaO和Al₂O₃的质量分数之和超过70%，这为BBA在建筑领域的应用提供了良好的先决条件。

（3）BBA具有发达的孔隙结构，含有未燃尽的C，BFA颗粒更细小，孔隙较少，且含有更多的CaO，可用于调节Ca与Si的比，有利于在建筑领域的资源化利用。