ライン川上流域の様々な発電所から採取したバイオマス灰の物理化学的および鉱物学的特性

Physicochemical and mineralogical characterization of biomass ash from different power plants in the Upper Rhine Region.

• Christoph Maschowski
• Peter Kruspan
• Patxi Garra
• Ali Talib Arif
• Gwenaëlle Trouvé
• Reto Gieré

抄録

異なる出力規模と様々な排ガス処理戦略を持つ6つのバイオマス発電所から、ボトムアッシュとフライアッシュのサンプルを収集し、その鉱物学的組成、バルクの主要元素と微量元素の含有量について分析した。さらに、個々の灰粒子の物理化学的微細構造を特徴づけるために、走査型電子顕微鏡を用いて研究を行った。木質ペレット灰の熱的挙動、すなわち燃焼中の分解過程と鉱物の変質を熱重量分析とX線回折によって明らかにした。その結果、電気集塵機から得られた木質チップ飛灰は水溶性塩類を主成分とし、サイクロンから得られた木質チップ飛灰はセノスフィア（中空球状飛灰粒子）を主成分とし、重金属濃度が高いことが明らかになった。また、燃料の種類や混和剤も灰の組成に影響を与えます。ススキ藁のような燃料の中には、ファウリングを防ぐために水酸化カルシウムのような石灰化剤を添加する必要があるものもありますが、これは灰に多く含まれています。さらに、ボイラの大きさも飛灰の組成に影響を与えました。カドミウムの濃度は、一部の飛灰サンプルでは利用が懸念されるレベルまで上昇していましたが、6価クロムの濃度は全ての飛灰サンプルで検出限界を下回っていました。Ni、Pb、Znのような他の汚染元素は、変動はあるが限界値以下であった。この結果は、バイオマス灰の性質上、セメントクリンカの代替材などに利用する前に慎重な分析が必要であることを明確に示しています。

Bottom and fly ash samples from six biomass power plants with different power scales and various flue gas treatment strategies were collected and analyzed in regard to their mineralogical composition, and their bulk major and trace element contents, all of which are of concern for regulations on biomass ash for further utilization. Furthermore, individual ash particles were investigated by scanning electron microscopy to characterize their physicochemical microstructures. Thermal behavior of wood-pellet ash, i.e. decomposition processes and mineral transformations during combustion, was indicated by thermogravimetric analysis and X-ray diffraction. Results reveal extensive variation of physicochemical features across the different ash types: wood-chip fly ash from electrostatic precipitators mainly consisted of water-soluble salts, whereas wood-chip fly ash from cyclones contained predominantly cenospheres (hollow spherical fly ash particles) and higher heavy metal concentrations. In addition, the fuel type and admixture had influences on ash compositions; some fuels like Miscanthus straw require a liming agent such as calcium hydroxide to be admixed to prevent fouling, which is then predominantly found in the ash. Furthermore, boiler size had an influence on fly ash composition. Cadmium concentrations were elevated in some fly ash samples at levels of concern for further utilization, whereas concentrations of troublesome Cr(VI) were below the detection limit for all investigated ash samples. Other contaminating elements such as Ni, Pb and Zn were variable but below limit values. Results clearly show that the nature of biomass ash calls for careful analyses prior to further application as, e.g., cement clinker replacement material.