实施煤电机组耦合生物质发电，是生物质资源能源化利用和规模化消纳的重要途径，是煤电低碳化改造建设行动方案（2024-2027年）的主要抓手，是我国推进“双碳”目标的有力支撑。针对耦合发电技术面临的煤与生物质混烧灰渣资源化利用问题，山东大学核科学与能源动力学院牛胜利教授团队依托“十四五”国家重点研发计划“可再生能源技术”专项项目“煤与生物质耦合发电技术”课题“污染物超低排放协同控制及灰渣资源化利用技术”，通过深入挖掘混烧灰渣与污泥飞灰、赤泥、退役风机叶片、光伏玻璃等大宗工业固废在成分与功能上的互补性，构建了“包裹取代”、“助熔烧结”、“控孔补能发泡”、“低碳耦合制造”等轻质骨料制备体系，实践了“梯级利用”原则的多源异质固废协同制备轻质骨料的解决方案，成果相继发表在Construction and Building Materials（中科院1区top期刊，IF=8.0）和Ceramics International（中科院2区，IF=5.6），山东大学均为论文第一作者及通讯作者单位，牛胜利教授均为论文通讯作者。
进展一：煤与生物质混烧灰渣协同污泥飞灰，奠定多源异质固废基轻质骨料技术基础
团队聚焦发电与污水处理行业两类典型固废：煤与生物质混烧灰渣及污泥干化焚烧飞灰，开展协同制备轻质骨料的基础研究。两类固废在成分上具备互补性：混烧灰渣中富含的SiO2与Al2O3为骨料提供骨架支撑，而污泥干化焚烧飞灰中的Fe2O3可同时发挥助熔与重金属稳定化作用。通过优化配比与烧结工艺，所得轻质骨料符合《轻集料及其试验方法》（GB/T 17431.1-2010）标准。值得关注的是，高温烧结过程实现了Ni元素由10.03 mg/L降至0.31 mg/L的高效固化，验证了“晶相包裹–晶格取代”机制的可行性。这项研究实现了“发电固废–污水固废”跨行业协同利用，为后续复杂固废体系研究奠定了理论与技术基础。成果以“Properties of artificial lightweight aggregates prepared from coal and biomass co-fired fly ashes and sewage sludge fly ash”为题，发表在Ceramics International, 2024, 50(16), 28609-28618，学院2022级硕士研究生耿婕为论文第一作者。
进展二：煤与生物质混烧灰渣协同赤泥，拓展工业固废协同利用边界
在单一行业固废协同研究基础上，团队将研究拓展至跨行业固废的协同处置，针对煤与生物质混烧灰渣与氧化铝工业副产物赤泥的协同利用难题，提出“双源异质固废协同制备轻质骨料”方案。赤泥中的Fe2O3与Na2O助熔组分可使烧结温度降低至1150 ℃，较传统黏土骨料工艺降低80–120 ℃，同时能促进液相形成，改善孔结构分布。制备的轻质骨料在密度、抗压强度及吸水率方面均实现显著提升，且重金属潜在生态风险指数仅为1.34，展现出良好的环保性。成果以“Co-synthesis of lightweight aggregates from coal-biomass co-combustion ash and red mud Optimization, properties, and environmental assessment”为题，发表在Construction and Building Materials, 2025, 492, 143097，学院2024级博士研究生李鑫为论文第一作者。
进展三：生物质底渣与退役风机叶片“变废为宝”，开拓新能源固废高值化方向
在推动工业固废利用的基础上，团队将研究范围进一步延伸至新能源产业废弃物的资源化高值利用，开发了“生物质发电底渣协同新能源固废制备高强度轻质骨料”技术。退役风机叶片中的环氧树脂在高温分解时释放CO、CO2气体，实现无需外加发泡剂的孔结构自发形成，同时提供反应热量。生物质发电底渣中的SiO2和Al2O3则与退役风机叶片中的玻璃纤维成分协同反应，生成钠长石、透辉石等稳定晶相，使轻质骨料的抗压强度显著提高，重金属浸出浓度满足《危险废物鉴别标准》（GB 5085.3-2007）要求。该成果为风电设备退役材料与生物质副产物的协同再利用提供了可推广的绿色路径，实现了固废由“安全处置托底”向“资源化利用增值”的过渡。成果以“Co-synthesis of high-strength sintered ceramsite from biomass bottom ash and retired wind turbine blades”为题，发表在Construction and Building Materials, 2025, 473, 141050，学院2024级博士研究生李鑫为论文第一作者。
进展四：燃煤飞灰-钢渣-黄金尾矿协同，实现多源异质固废利用向功能化体系升级
在双固废协同研究的基础上，团队进一步构建了“多源固废—多相协同—多功能建材”技术体系，探索多源固废资源化的功能化升级路径。以燃煤飞灰、钢渣和黄金尾矿三类大宗固废为主要原料，引入无机膨胀剂碳化硅与有机膨胀剂玉米秸秆，形成“无机控孔+有机补能”的协同发泡机制。三类固废在成分上的耦合作用有效优化了硅铝比与液相生成速率，显著改善了轻质骨料的孔结构均匀性与结构致密性，实现了高效的重金属固化与性能稳定性统一。该技术所制备的轻质骨料兼具轻质、高强度与优良的环境安全性能，意味着团队研究从“单一功能利用”迈向“全要素循环与多功能集成”的新阶段。成果以“Preparation of sintered ceramsite by synergising different types of expansion agents with multiple bulk solid wastes”为题，发表在Construction and Building Materials，2025, 484, 141873，学院2023级硕士研究生孙晓彬为论文第一作者。
进展五：煤与生物质混烧灰渣耦合退役光伏玻璃，引领固废建材低碳化方向
在固废利用体系逐步完善的基础上，团队将研究焦点转向低碳建材开发。针对煤与生物质混烧灰渣与退役光伏玻璃的协同利用问题，构建“固废耦合–低碳制造”轻质骨料技术体系。利用退役光伏玻璃中高含量的SiO2与Na2O调控煤与生物质混烧灰渣的硅铝比，能使液相形成温度降低至1150 ℃，添加2 wt% SiC实现精准发泡。所制备的轻质骨料密度显著降低，结构均匀，满足超低密度建材标准。碳排放模型预测显示，每吨轻质骨料排放544.16 kg CO2，较传统黏土工艺减少33.6%。该成果将固废资源化与低碳制造深度融合，为绿色建筑材料的“功能化+低碳化”发展提供了新范式。成果以“Ultra-lightweight ceramsite prepared from coal-biomass co-combustion ash and retired photovoltaic glass: microstructure and sintering characteristics”为题，发表在Ceramics International，2025, 51(27), 53246-53258，学院2024级博士研究生李鑫为论文第一作者。
上述研究体现了山东大学在煤与生物质混烧灰渣资源化领域的探索与进展，团队构建的多源异质固废协同制备轻质骨粒技术体系，可为“双碳”目标下煤与生物质耦合发电技术的商业化运行提供技术保障。
文/李鑫、牛胜利，审核/韩奎华
