中药药渣拌水煤浆混烧工艺研究

第37卷第4期太阳能学报Vol. 37, No. 42016年4月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAApr.,2016文章编号:02540096(2016)040979-06中药药渣拌水煤浆混烧工艺研究毛宏雷,韩向新,严君伟,刘建国,姜秀民(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)摘要:以某药厂实际生产过程中采集的中药药渣废弃物样品为研究对象,通过实验分析的方法,结合自有成熟的水煤浆流化悬浮燃烧技术,分析中药药渣拌水煤浆混合燃烧处理工艺的可行性。研究结果表明:中药药渣为高水分、高可燃挥发分、低热值、低灰熔点的固体废弃物。拌水煤浆流化悬浮混合燃烧处理工艺可使中药药渣在进行无害化处理的同时进一步利用其中潜在的能量。低温燃烧可有效避免结焦和热力型NO,产生,可有效控制SO2的排放,具有处理量大、处理中药药渣的种类范围广、能量合理回收利用等优点。关键词:中药;植物药;中药药渣;水煤浆;流化床锅炉中图分类号:TQ5462文献标识码:A0引言水冲淋后会污染堆放处周围的环境。焚烧法是解决大量中药药渣最可行的方法。但目前植物中药生产伴随着大量中药药渣的产生。据统提取后的固体废弃物投入转窑焚烧炉直接燃烧计,中国每年产生的含水分植物类中药药渣可达数存在中药药渣燃烧不充分、效率低等问题。为解百万吨2),这些中药药渣含水量较高且含有一些营决以上问题,本文考虑将中药药渣作为燃料与水养物质3,极易腐败并引发蚊虫滋生,成为多种传煤浆混合投入流化床锅炉中进行燃烧处理,在对染病的温床,加之一些中药药渣含有有毒重金属,其进行无害化处理的同时进一步利用其潜在的如不妥善处理,会对土壤和水源造成极大破坏。能量。在实际生产过程中,我国中成药生产表现出生产地区相对集中的特点,如图1所示,产地主要集1中药药渣燃烧特性中在华中和东北地区,这两个地区产量合计超过全11工业分析、元素分析和发热量测定国总产量的50%。目前中药药渣处理的形式主要包括填埋、焚烧、固定区域堆放等,其中堆放为主要为合理确定中药药渣废弃物燃烧处理装置的形式6。由于中药药渣多堆放在田地、山区,受雨行参数,首先需了解该废弃物的一些基本特性包括工业分析、元素分析和发热量测定等。本文以某药厂实际生产过程中采集得到的中药药渣废弃口华中29%团东北239物样品为研究对象,并将其与其他中药药渣进行□西南18%比较。E华南13%利用碳氢测定仪、氮测定蒸馏装置和硫测定装曰华东12%目华北3%置按照GBT476-2008和GB/T2142007标准对西北2%中药药渣样品进行元素分析,测定样品中C、HN、S图1中药生产分布图的质量含量;利用恒温式氧弹量热法发热量测定装Fig. I The distribution of herb production置按照GBT213-2003标准对样品的发热量进行通信作者:韩向新(1974—),男,博士、副教授,主要从事油页岩、工业有机废弃物综合利用与流化床燃烧技术开发方面的研究。hanxiangxin@sjtu.edu.cn980太阳能学报37卷测定。根据收到样品全水分含量和干燥后样品的的收到基结果。按照国标测定的工业分析、元素分测试结果将上述干燥基测试结果换算成含全水分析和发热量分析结果参见表1。表1药渣的工业分析发热量分析和元素分析Table 1 The ultimate analysis, heat analysis and proximate analysis of the herb residue工业分析%元素分析低位发热量名称M V A FC [C] [H] [O] [N] [S] [H/C]2 Q, ne/kJ.kg"收到基674019.6411.5114414.571.844.200.430.051.52361560空气干燥基18059.1734.694.3543.8955512.651.280.141.516705.40丹参中药药渣空气干燥基”36274211.0221.1543.3158444151.780.28162两面针中药药渣空气干燥基”711242691152042254703430501613注:1.通过差减法得到;2.原子比据上述实验结果,该中药药渣含水量很高,约升至1050℃时样品体积已明显收缩,但形状未发生为70%。中药药渣样品中的挥发分较一般生物质显著变化;试样冷却后,发现试样颗粒变硬且不易低且灰分较高,加上其较高的水分含量,使其发热破碎。据此可判断出药渣熔点应高于1050℃,但不量比一般生物质低,该中药药渣收到基低位发热量会过高,因此燃烧该类药渣的燃烧温度应尽量控制约为标煤的124%。对于空气干燥基,从实验结果在950℃以下,以免产生结焦。和参考文献[7,8]中所列的数据较易得出,挥发分所占比例较高,为主要可燃物类型。而从元素分析1.3流化床燃烧实验来看,中药药渣样品成分主要由C、H、O这3种元为考察灰渣中重金属元素对环境的影响需对中素组成,以C元素含量最高。HC原子比较高,着药药渣原样和燃烧后灰分的重金属元素含量进行火容易,N和S含量较低。测定。流化床燃烧实验在如图3所示的小型流化1.2热显微镜实验床实验台系统上进行。首先将小块状的空气干燥利用德国 Leitz l-A型热显微镜对制作成标准基中药药渣破碎成一定粒径范围的样品;再向小型试样的样品进行测定。图2a为热显微镜实验过程流化床实验台加人石英砂床料采用电加热法将小中试样着火点测定监视图,发现中药药渣样品的着型流化床实验台加热至700℃;最后将药渣逐渐送入火点约为155℃,说明该中药药渣着火点较低,易点燃。图2b~图2d为热显微镜实验过程中试样灰熔点测定监视图,可知中药药渣样品从950℃开始收缩a.中药药渣着火点测定b.850℃灰熔点测定1.空气压缩机2压力表3.质量流量控制器4.流量显示仪c.950℃灰熔点测定d.1050℃灰熔点测定5调压器6.温控仪7.流化床体8.布袋除尘器图2中药药渣着火与灰熔融特性监视图9冷却器10.真空泵11烟囱ig. 2 The monitoring images of herb residue ignition图3小型流化床实验台系统point and ash melting characteristicsFig. 3 Lab-scale circulating fluidized bed system4期毛宏雷等:中药药渣拌水煤浆混烧工艺研究98l小型流化床实验台,并在床内燃烧稳定后切断外部免使燃料结焦,影响床内物料的流化状态。小流化电源,通过调节药渣给料量使床内保持稳定燃烧;实床试烧实验的燃烧状态表明:在700℃床温下,不会验结束后,收集底渣和飞灰样品。实验结果显示,在产生明显的结焦现象,流化床运行比较稳定。经流无外界热量输入的条件下,中药药渣样品以一定的化床燃烧后,由于有机物大量被氧化分解析出,灰给料速率投入炉膛,可在该床温下稳定燃烧。分中各种重金属含量势必有所增大,其中Ca、K、Na利用iCAP6000 Radial等离子体发射光谱仪测在底渣和飞灰中的含量均有所增大。与中药药渣定中药药渣、流化床燃烧底渣和飞灰中的重金属含相比,Ca在底渣和飞灰中的含量均显著增大,K、Na量,分析K、Na、Ca、Be、Cd、Cr、Ni、Pb、Sn等9种重更多地富集于飞灰中,而含量较高的元素Cr及Ni金属元素,结果如表2所示。从测试结果来看,该则更多地富集于底渣中,Be、Cd、Pn、Sn等元素含量中药药渣废弃物中Ca、K、Na、Cr含量较高,其他重相对较少。对比《农用污泥中污染物控制标准》金属元素较少。K、Na元素含量较高使样品的灰熔(GB4284-84),底渣中Cr、Ni的含量超出国家标点较低,流化床燃烧过程中应注意勿使床温过高以准,在排放前需做进一步处理。表2中药药渣样品的重金属含量分析(mg/kg)Table 2 The analysis of heavy metal of the herb residue samples( mg/kg)样品[K][Na[ Be] [Cd] [Cr] [Ni] [Pb] [Sn中药药渣12370259802073.00.0157.013.0底渣165903678.04936.04.02382049010.02648.06412.04696.03.0255.018.0金属回收率%42447.356.642.735.441.534.12中药药渣拌水煤浆流化悬浮燃烧也为中药药渣的焚烧处理提供了新思路。根据热显微镜和金属元素研究结果,中药药渣灰熔点低,处理工艺燃烧装置温度不宜过高。流化床是混烧工艺的-工业焚烧法不仅可有效处理城市污泥、油污种重要技术,且为低温燃烧,利用该技术已能很泥、生物质废物和工业废物等诸多固体废弃物,好地处理各类固体废弃物。结合自有成熟的水煤而且可对处理废弃物过程中所产生的能量加以利浆流化悬浮燃烧技术,本文提出采用中药药渣伴用,因此可考虑釆用该方法处理中药药渣。但目前水煤浆流化悬浮燃烧工艺,工艺流程如图4所示,植物提取后的固体废弃物大多投入转窑焚烧炉直主要包括流化悬浮燃烧装置、卧式分离回输燃尽装接燃烧,其缺点为:1)制药产生的植物药渣结构松置、换热器和尾部烟气净化装置等。散,且可燃挥发分含量高,热解产生的可燃挥发分热交换器在350℃时即可释放约80%挥发时间短,一般锅本煤落烟气处理装置炉难以提供足够空气助燃。当采用自然通风时,炉膛内O2扩散速度慢,大量未燃尽的有机挥发物随气床料→烟气排出流排出产生黑烟,造成空气污染;2)由于中药药渣密度较小,一部分未经充分燃烧的炭粒进入烟道,产生飞扬黑絮,进一步加重环境污染问题;3)当中图4中药药渣与水煤浆循环流化床混合焚烧处理工艺路线图药药渣逐渐燃尽时,空气量过剩,过剩的空气流会ig. 4 The routing of the co-firing of herb residue with带走部分热量,降低热效率。coal-water slurry in a circulating fluidized bed根据前文研究结果可知,中药药渣是一种高水分、低热值燃料,需高热值燃料辅助燃烧。近年来流化悬浮燃烧装置床料由石英砂与石灰石混水煤浆和其他固体废弃物(如污泥、垃圾、油泥沙和合而成根据所处理的中药药渣的S含量来确定石英其他生物质混烧)的方法被公认为是一种无公害、经砂与石灰石的比例,保证炉内Ca/S物质的量之比为济的废弃物处理和能源回收利用的有效方法,该法2-4。通过物料输送装置,将所制床料送入流化悬太阳能学报浮燃烧装置。启动时,用外热源加热床料,通过调结合自有成熟的水煤浆流化悬浮燃烧技术,本节送风量使床料处于流化状态,当床料温度升至文提出了中药药渣拌水煤浆流化悬浮燃烧工艺:运600℃以上后,再将中药药渣伴水煤浆从燃烧室顶行温度800~950℃,可有效避免炉内结焦、结渣现象部或侧墙逐渐给入,进行流化悬浮燃烧,流化床运和热力型NO的产生;石英砂与石灰石混合而成的行温度最终达到800~950℃。因药渣含水量的不床料在锅炉运行温度下生成的CaO可与SO2反应,同,其热值波动较大,为保证药渣的正常燃烧和锅大幅降低SO2的排放;在燃烧室上方布置卧式分离炉的稳定运行,需调整药渣水煤浆混合质量比例,回输燃尽装置,保证燃料在矮小燃烧装置内循环燃使低位热值不低于10000丿kg6。石灰石在运行烧,提高燃烧效率;在尾部烟道出口布置烟气净化温度下可锻烧生成CaO,CaO与烟气中的SO2反应装置,进一步脱出烟气中的NO、SO2和重金属元生成CaSO4,大幅降低了SO2的排放。流化床运行素等。温度较低,可避免热力型NO.的产生。在流化悬浮燃烧装置密相区是否设置埋管受[参考文献]热面以及受热面积的大小应依据密相区的能量平1]杨磊,夏禄华,张衷华,等植物提取生产中固形衡来定;在稀相区和尾部烟道设置受热面。中药废弃物生态化利用的现状及发展趋势[J].现代化工,药渣伴水煤浆燃烧所产生的热量,可传给各级受2008,28,(4):00140017热面内的工质,加热后的工质作为生产的热源或1] Yang Lei, Xia Luha, Zhang Zhonghua, et al. Present作为汽轮机的动力源,产生的动能进一步推动发situation and development trend of eco-utilization of电机发电。所采用的流化床锅炉在燃烧装置上部esidue productiplant extraction[J].Modern出口安装有卧式分离回输燃尽装置,可将热烟气Chemical Industry, 2008, 28, (4): 0014--0017带出的混合燃料颗粒团分离、回收,并通过分离器[2]潘化儒.云南省医药行业中药渣作为配合饲料资源的下部设置的回输通道返回燃烧室下部,实现混合调查报告[J.中国民族民间医药杂志,1995,(4):41-4燃料颗粒团的循环燃烧减少机械未完全燃烧热(2) Pan Huaru. Report of the herb residue as compound feed损失。分离器内气流强烈的旋转可促进混合燃料[J]. Chinese Journal of及可燃气体与空气的混合,同时延长了炉内停留Ethnomedicine and Ethnopharmacy, 1995,(4): 41-时间,获得较高的燃烧效率,解决了由工业锅炉燃烧室矮小、燃料在燃烧室内因无足够的燃尽时间[3]刘萍,张海英.试论中药药渣的合理利用[].新疆造成的燃烧效率低的问题。锅炉产生的烟气经热中医药,2002,20(6):4949交换器降温的同时给锅炉燃烧所需空气预热,可[3] Liu Ping, Zhang Haiying. Discussion about the rational提高热能利用效率。烟气从热交换器排出后进入utilization of the herb residue[J ]. Xinjiang Journal of烟气净化装置,进一步脱硫、脱硝和除去烟气中重Traditional Chinese Medicine, 2002, 20(6):49-49金属等有毒、有害物质后排入大气。[4]陈缤,贾天柱中药渣的综合利用[].中成药2005,27(10):120312053结论[4] Chen Bin, Jia Tianzhu. Comprehensive utilization of通过对中药药渣基础燃烧特性研究,结果表herb residue [J]. Chinese Traditional Patent Medicine明:中药药渣是一种水分和挥发分含量较高、固定2005,27(10):1203-1205[5]金红宇,田金改,林瑞超.原子吸收分光光度法测定碳含量较低的生物质燃料,其发热量较低,易点燃,且由于K、Na等碱金属含量较高其灰熔点也较低中药中部分重金属及有害元素的含量].中国药品标准,2005,6(4):14-17中药药渣流化床燃烧实验表明:中药药渣适宜低温[51 Jin Hongyu, Tian Jingan, Lin Ruichao. Determination of燃烧,近一半的Ca、K、Na元素沉积在底渣和飞灰heavy metals and harmful elements in traditional chinese中,但大量Cr、Cd、Pb和Sn等重金属元素将随烟气medicine by atom absorption spectrophotometry[J]排放,因此药渣焚烧处理需考虑尾部烟气的净化,2005,6(4):14-17问题。[6]缪礼鸿,毛义华,朱薇玲.黄姜皂素废渣废水制备有4期毛宏雷等:中药药渣拌水煤浆混烧工艺研究983机肥的研究与应用[J].湖北农业科学,2007,46(2):Hazardous Materials, 2009, 167(1): 817-823218—221.[12]朱建航,胡勤海,陈菊芬,等.污泥水煤浆燃烧和污[6] Miao Lihong, Mao Yihua, Zhu Weiling. Research and染排放特性研究[J].燃料化学学报,2012,40(2)pplication on the utilization of diosgenin solid waste52-256and wastewater by composting[J ]. Hubei Agricultural [12] Zhu Jianhang, Hu Qinhai, Chen Jufen, et alSciences,2007,46(2):218-221[7]王攀,展思辉,于宏兵,等废弃中药渣催化热解property of contaminants [J]. Journal of Fuel Che制取生物油的研究[J].环境污染与防治,2010,5:and Technology, 2012, 40(2): 252-25614-18[13] Tsai Meng-Yuan, Wu Keng-Tung, Huang Chin-Cheng[7] Wang Pan, Zhan Sihui, Yu Hongbing, et al. Study onet al. Co-firing of paper mill sludge and coal in anthe catalytic pyrolysis of herb residue for bio-oil[J].industrial circulating fluidized bed boiler [J].WasteEnvironmental Pollution Control. 2010. 5: 14-18Management,2002,22(4):439442[8]冼萍钟莉莹,王孝英两面针药渣的热解气化利用14] Philippe C, Werther J.Co- combustion of wet sewage特性分析[J].可再生能源,2007,25(1):2628sludge in a coal-fired circulating fluidized-bed combustor[8] Xian Ping, Zhong Liying, Wang Xiaoying. The analyses[JJ. Journal of the Institute of the Energy, 1997,70of residue of anthoxylumnitidum decoction as(485):141-150.gasification feedstock [J. Renewable Energy Resources,[15]王辉,姜秀民,沈玲玲.水煤浆流化-悬浮燃烧技术2007,25(1):26-28及14MW卧式锅炉设计[J].煤炭学报,2008,33[9] Hein K R G, Bemtgen J M. EU clean coal technology-(7):789793Co-combustion of coal and biomass[J]. Fuel Processing [15] Wang Hui, Jiang Xiumin, Shen Lingling. FluidizationTechnology,1998,54(1):159169suspension combustion technology of coal-water slurry[10]姬鹏,韩向新,姜秀民.干化污泥燃烧特性的研究and design of a 14 MW horizontal boiler[J]. Journal of[J].热能动力工程,200,24(4):533548China Coal Society, 2008, 33(7): 789--793[10] Ji Peng, Han Xiangxin, Jiang Xiumin. Study of[16]邓家英,周锦华,刘建国,等.油泥砂流化焚烧处理combustion characteristics of dried sewage sludge[J]系统与运行分析[J].洁净煤技术,2009,(4):104Journal of Engineering for Thermal Energy and Power1072009,24(4):533548.[16] Deng Jiaying, Zhou Jinghua, Liu Jianguo, et al.Process[11] Liu Jianguo, Jiang Xiumin, Zhou Lingsheng, et al. Cesystem and operation analysis of oil sand fluidized bedfiring of oil sludge with coal-water slurry in an industrialcombustion[J]. Clean Coal Technology, 2009,(4)internal circulating fluidized bed boiler [J] Journal of104-107太阳能学报37卷PROCESS RESEARCH OF CO-FIRING OF HERBRESIDUE WITH COAL-WATER SLURRYHonglei, Han Xiangxin, Yan Junwei, Liu Jianguo, Jiang XiumingSchool of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)Abstract: Taking herb residue produced by the a pharmaceutical factory as the research object, combining our ownmature process called fluidization-suspension combustion technology of coal-water slurry, the feasibility of the co-firingprocess of herb residue with coal-water slurry in a circulating fluidized bed was analyzed through the experiment methodThe results show that herb residue has high moisture, high flammable volatile, low calorific value, and low ash meltingpoint of solid waste. This technology can take herb residue in the harmless disposal and make use of the potential energyat the same time. Low temperature combustion can avoid effectively coking, reduce the production of thermal NO,, andeffectively control the release of the SO2. The technology has processing capacity, processing a wide range of types ofherb residues and rational energy utilization etc. advantagesKeywords: herb; plant medicine; herb residue; coal-water slurry: fluidized bed boiler