第37卷第4期太陽能學(xué)報Vol. 37. No 4016年4月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAApr,2016文章編號:02540096(2016)040979-06中藥藥渣拌水煤漿混燒工藝研究毛宏雷,韓向新,嚴(yán)君偉,劉建國,姜秀民(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海200240)摘要:以某藥廠實際生產(chǎn)過程中采集的中藥藥渣廢棄物樣品為研究對象,通過實驗分析的方法,結(jié)合自有成熟的水煤漿流化懸浮燃燒技術(shù),分析中藥藥渣拌水煤漿混合燃燒處理工藝的可行性。研究結(jié)果表明:中藥藥渣為高水分、高可燃揮發(fā)分、低熱值、低灰熔點的固體廢棄物。拌水煤漿流化懸浮混合燃燒處理工藝可使中藥藥渣在進(jìn)行無害化處理的同時進(jìn)一步利用其中潛在的能量。低溫燃燒可有效避免結(jié)焦和熱力型NO,產(chǎn)生,可有效控制SO2的排放,具有處理量大、處理中藥藥渣的種類范圍廣、能量合理回收利用等優(yōu)點關(guān)鍵詞:中藥;植物藥;中藥藥渣;水煤漿;流化床鍋爐中圖分類號:TQ546.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言水沖淋后會污染堆放處周圍的環(huán)境。焚燒法是解決大量中藥藥渣最可行的方法。但目前植物中藥生產(chǎn)伴隨著大量中藥藥渣的產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)提取后的固體廢棄物投入轉(zhuǎn)窯焚燒爐直接燃燒計,中國每年產(chǎn)生的含水分植物類中藥藥渣可達(dá)數(shù)存在中藥藥渣燃燒不充分、效率低等問題。為解百萬噸2),這些中藥藥渣含水量較高且含有一些營決以上問題,本文考慮將中藥藥渣作為燃料與水養(yǎng)物質(zhì)4,極易腐敗并引發(fā)蚊蟲滋生,成為多種傳煤漿混合投入流化床鍋爐中進(jìn)行燃燒處理,在對染病的溫床,加之一些中藥藥渣含有有毒重金屬,其進(jìn)行無害化處理的同時進(jìn)一步利用其潛在的如不妥善處理,會對土壤和水源造成極大破壞。能量。在實際生產(chǎn)過程中,我國中成藥生產(chǎn)表現(xiàn)出生產(chǎn)地區(qū)相對集中的特點,如圖1所示,產(chǎn)地主要集1中藥藥渣燃燒特性中在華中和東北地區(qū),這兩個地區(qū)產(chǎn)量合計超過全11工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量測定國總產(chǎn)量的50%。目前中藥藥渣處理的形式主要包括填埋、焚燒、固定區(qū)域堆放等,其中堆放為主要為合理確定中藥藥渣廢棄物燃燒處理裝置的運行參數(shù),首先需了解該廢棄物的一些基本特性形式6。由于中藥藥渣多堆放在田地、山區(qū),受雨包括工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量測定等。本文以某藥廠實際生產(chǎn)過程中采集得到的中藥藥渣廢棄口華中29團(tuán)東北23%物樣品為研究對象,并將其與其他中藥藥渣進(jìn)行□西南18%比較。圓華南13%利用碳?xì)錅y定儀、氮測定蒸餾裝置和硫測定裝華東12%目華北3%置按照GBT476008和GBT242007標(biāo)準(zhǔn)對曰西北2%中藥藥渣樣品進(jìn)行元素分析測定樣品中C、H、N、S圖1中藥生產(chǎn)分布圖的質(zhì)量含量;利用恒溫式氧彈量熱法發(fā)熱量測定裝Fig. 1 The distribution of herb production置按照GBT213-2003標(biāo)準(zhǔn)對樣品的發(fā)熱量進(jìn)行v凵中國煤化工收稿日期:201404-11CNMHG通信作者:韓向新(1974—),男,博士、副教授,主要從事油頁巖、工業(yè)有機(jī)廢棄物綜合利用與流化床燃燒技術(shù)開發(fā)方面的研究。980太陽能學(xué)報37卷測定。根據(jù)收到樣品全水分含量和干燥后樣品的的收到基結(jié)果。按照國標(biāo)測定的工業(yè)分析、元素分測試結(jié)果將上述干燥基測試結(jié)果換算成含全水分析和發(fā)熱量分析結(jié)果參見表1。表1藥渣的工業(yè)分析發(fā)熱量分析和元素分析Table 1 The ultimate analysis, heat analysis and proximate analysis of the herb residue工業(yè)分析%,wt元素分析低位發(fā)熱量名稱M v A FC [C] [H] [O] [N] [S] [H/C] Qn/kJ.kg收到基6740196411511.4414571.844.200.430.051.52361560空氣干燥基180591734694.3543.8955512651.280.141.521670540丹參中藥藥渣空氣干燥基3.6274211.0221.1543.3158444.151.780.281.62兩面針中藥藥渣空氣干燥基’71198242691152042254703834050161.33注:1.通過差減法得到;2.原子比。據(jù)上述實驗結(jié)果,該中藥藥渣含水量很高,約升至1050℃時樣品體積已明顯收縮,但形狀未發(fā)生為70%。中藥藥渣樣品中的揮發(fā)分較一般生物質(zhì)顯著變化;試樣冷卻后,發(fā)現(xiàn)試樣顆粒變硬且不易低且灰分較高,加上其較高的水分含量,使其發(fā)熱破碎。據(jù)此可判斷出藥渣熔點應(yīng)高于1050℃,但不量比一般生物質(zhì)低,該中藥藥渣收到基低位發(fā)熱量會過高,因此燃燒該類藥渣的燃燒溫度應(yīng)盡量控制約為標(biāo)煤的124%。對于空氣干燥基,從實驗結(jié)果在950℃以下,以免產(chǎn)生結(jié)焦。和參考文獻(xiàn)[7,8]中所列的數(shù)據(jù)較易得出,揮發(fā)分所占比例較高,為主要可燃物類型。而從元素分析13流化床燃燒實驗來看,中藥藥渣樣品成分主要由C、H、O這3種元為考察灰渣中重金屬元素對環(huán)境的影響需對中素組成,以C元素含量最高。HC原子比較高,著藥藥渣原樣和燃燒后灰分的重金屬元素含量進(jìn)行火容易,N和S含量較低。測定。流化床燃燒實驗在如圖3所示的小型流化1.2熱顯微鏡實驗床實驗臺系統(tǒng)上進(jìn)行。首先將小塊狀的空氣干燥利用德國 LeitzⅡ-A型熱顯微鏡對制作成標(biāo)準(zhǔn)基中藥藥渣破碎成一定粒徑范圍的樣品;再向小型試樣的樣品進(jìn)行測定。圖2a為熱顯微鏡實驗過程流化床實驗臺加入石英砂床料,采用電加熱法將小中試樣著火點測定監(jiān)視圖,發(fā)現(xiàn)中藥藥渣樣品的著型流化床實驗臺加熱至700℃;最后將藥渣逐漸送入火點約為155℃,說明該中藥藥渣著火點較低,易點燃。圖2b~圖2d為熱顯微鏡實驗過程中試樣灰熔點測定監(jiān)視圖,可知中藥藥渣樣品從950℃開始收縮,a.中藥藥渣著火點測b.850℃灰熔點測定1.空氣壓縮機(jī)2壓力表3.質(zhì)量流量控制器4.流量顯示儀c.950℃灰熔點惻定d.1050℃灰熔點測定5調(diào)壓器中國煤化工袋除塵器圖2中藥藥渣著火與灰熔融特性監(jiān)視圖CNMHFig. 2 The monitoring images of herb residue ignition小哩憂鞏型口示point and ash melting characteristicsFig. 3 Lab-scale circulating fluidized bed system4期毛宏雷等:中藥藥渣拌水煤漿混燒工藝研究981小型流化床實驗臺,并在床內(nèi)燃燒穩(wěn)定后切斷外部免使燃料結(jié)焦,影響床內(nèi)物料的流化狀態(tài)。小流化電源,通過調(diào)節(jié)藥渣給料量使床內(nèi)保持穩(wěn)定燃燒;實床試燒實驗的燃燒狀態(tài)表明:在700℃床溫下,不會驗結(jié)束后,收集底渣和飛灰樣品。實驗結(jié)果顯示,在產(chǎn)生明顯的結(jié)焦現(xiàn)象,流化床運行比較穩(wěn)定。經(jīng)流無外界熱量輸入的條件下,中藥藥渣樣品以一定的化床燃燒后,由于有機(jī)物大量被氧化分解析出,灰給料速率投入爐膛,可在該床溫下穩(wěn)定燃燒分中各種重金屬含量勢必有所增大,其中Ca、K、Na利用iCAP6000 Radial等離子體發(fā)射光譜儀測在底渣和飛灰中的含量均有所增大。與中藥藥渣定中藥藥渣、流化床燃燒底渣和飛灰中的重金屬含相比,Ca在底渣和飛灰中的含量均顯著增大,K、Na量,分析K、Na、Ca、Be、Cd、Cr、Ni、Pb、Sn等9種重更多地富集于飛灰中,而含量較高的元素Cr及Ni金屬元素,結(jié)果如表2所示。從測試結(jié)果來看,該則更多地富集于底渣中,Be、Cd、Pn、Sn等元素含量中藥藥渣廢棄物中Ca、K、Na、Cr含量較高,其他重相對較少。對比《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》金屬元素較少。K、Na元素含量較高使樣品的灰熔(GB428484),底渣中Cr、Ni的含量超出國家標(biāo)點較低,流化床燃燒過程中應(yīng)注意勿使床溫過高以準(zhǔn),在排放前需做進(jìn)一步處理表2中藥藥渣樣品的重金屬含量分析(mgkg)Table 2 The analysis of heavy metal of the herb residue samples(mg/kg)樣品[K] [Na[Bel[Cr][NiJ[Sn中藥藥渣1237.007309090157.013.05.0底渣165903678.04936.02382010.0飛灰2648.0641204696.00.0255018.04.0金屬回收率/%42447.356.635.441.534.12中藥藥渣拌水煤漿流化懸浮燃燒也為中藥藥渣的焚燒處理提供了新思路。根據(jù)熱顯微鏡和金屬元素研究結(jié)果,中藥藥渣灰熔點低,處理工藝燃燒裝置溫度不宜過高。流化床是混燒工藝的工業(yè)焚燒法不僅可有效處理城市污泥、油污種重要技術(shù),且為低溫燃燒,利用該技術(shù)已能很泥、生物質(zhì)廢物和工業(yè)廢物等諸多固體廢棄物”,好地處理各類固體廢棄物。結(jié)合自有成熟的水煤而且可對處理廢棄物過程中所產(chǎn)生的能量加以利漿流化懸浮燃燒技術(shù),本文提出采用中藥藥渣伴用,因此可考慮采用該方法處理中藥藥渣。但目前水煤漿流化懸浮燃燒工藝,工藝流程如圖4所示植物提取后的固體廢棄物大多投入轉(zhuǎn)窯焚燒爐直主要包括流化懸浮燃燒裝置、臥式分離回輸燃盡裝接燃燒,其缺點為:1)制藥產(chǎn)生的植物藥渣結(jié)構(gòu)松置、換熱器和尾部煙氣凈化裝置等。散,且可燃揮發(fā)分含量高,熱解產(chǎn)生的可燃揮發(fā)分熱交換器在350時即可釋放約80%,揮發(fā)時間短,一般鍋水媒煙氣處理裝置爐難以提供足夠空氣助燃。當(dāng)采用自然通風(fēng)時,爐膛內(nèi)O2擴(kuò)散速度慢,大量未燃盡的有機(jī)揮發(fā)物隨氣床料令煙氣排出流排出產(chǎn)生黑煙,造成空氣污染;2)由于中藥藥渣密度較小,一部分未經(jīng)充分燃燒的炭粒進(jìn)入煙道,產(chǎn)生飛揚黑絮,進(jìn)一步加重環(huán)境污染問題;3)當(dāng)中圖4中藥藥渣與水煤漿循環(huán)流化床混合焚燒處理工藝路線圖藥藥渣逐漸燃盡時,空氣量過剩,過剩的空氣流會Fig. 4 The routing of the co-firing of herb residue with帶走部分熱量,降低熱效率。coal-water slurry in a circulating fluidized bed根據(jù)前文研究結(jié)果可知,中藥藥渣是一種高水分、低熱值燃料,需高熱值燃料輔助燃燒。近年來,流化懸浮燃燒裝料由石苗砂與石灰石混水煤漿和其他固體廢棄物(如污泥、垃圾、油泥沙和合而成,根據(jù)月中國煤化工來確定石英其他生物質(zhì)混燒)的方法被公認(rèn)為是一種無公害經(jīng)砂與石灰石的CNMH的量之比為濟(jì)的廢棄物處理和能源回收利用的有效方法,該法2-4。通過物料輸送裝置,將所制床料送入流化懸太陽能學(xué)報37卷浮燃燒裝置。啟動時,用外熱源加熱床料,通過調(diào)結(jié)合自有成熟的水煤漿流化懸浮燃燒技術(shù),本節(jié)送風(fēng)量使床料處于流化狀態(tài),當(dāng)床料溫度升至文提岀了中藥藥渣拌水煤漿流化懸浮燃燒工藝:運600℃以上后,再將中藥藥渣伴水煤漿從燃燒室頂行溫度800~950℃,可有效避免爐內(nèi)結(jié)焦、結(jié)渣現(xiàn)象部或側(cè)墻逐漸給入,進(jìn)行流化懸浮燃燒,流化床運和熱力型NO的產(chǎn)生;石英砂與石灰石混合而成的行溫度最終達(dá)到800-950℃。因藥渣含水量的不床料在鍋爐運行溫度下生成的CaO可與SO2反應(yīng),同,其熱值波動較大,為保證藥渣的正常燃燒和鍋大幅降低SO2的排放;在燃燒室上方布置臥式分離爐的穩(wěn)定運行,需調(diào)整藥渣-水煤漿混合質(zhì)量比例,回輸燃盡裝置,保證燃料在矮小燃燒裝置內(nèi)循環(huán)燃使低位熱值不低于10000kkg6。石灰石在運行燒,提高燃燒效率;在尾部煙道出口布置煙氣凈化溫度下可鍛燒生成CaO,Ca0與煙氣中的SO2反應(yīng)裝置,進(jìn)一步脫出煙氣中的NO2、SO2和重金屬元生成CaSO,大幅降低了SO2的排放。流化床運行素等。溫度較低,可避免熱力型NO.的產(chǎn)生。在流化懸浮燃燒裝置密相區(qū)是否設(shè)置埋管受[參考文獻(xiàn)]熱面以及受熱面積的大小應(yīng)依據(jù)密相區(qū)的能量平1楊磊,夏祿華,張衷華,等植物提取生產(chǎn)中固形衡來定;在稀相區(qū)和尾部煙道設(shè)置受熱面。中藥廢棄物生態(tài)化利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代化工藥渣伴水煤漿燃燒所產(chǎn)生的熱量,可傳給各級受2008,28,(4):0014_0017熱面內(nèi)的工質(zhì),加熱后的工質(zhì)作為生產(chǎn)的熱源或] Yang Lei, Xia Luha, Zhang Zhonghua,eta. Present作為汽輪機(jī)的動力源,產(chǎn)生的動能進(jìn)一步推動發(fā)situation and development trend of eco-utilization of電機(jī)發(fā)電。所采用的流化床鍋爐在燃燒裝置上部residue production in plant extraction[J].Modern出口安裝有臥式分離回輸燃盡裝置,可將熱煙氣Chemical Industry, 2008, 28, (4): 0014--0017帶出的混合燃料顆粒團(tuán)分離、回收,并通過分離器2]潘化儒.云南省醫(yī)藥行業(yè)中藥渣作為配合飼料資源的下部設(shè)置的回輸通道返回燃燒室下部,實現(xiàn)混合調(diào)查報告[J.中國民族民間醫(yī)藥雜志,1995,(4)41-4.燃料顆粒團(tuán)的循環(huán)燃燒,減少機(jī)械未完全燃燒熱[2] Pan Huaru. Report of the herb residue as compound feed損失。分離器內(nèi)氣流強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)可促進(jìn)混合燃料resource in Yunnan province [J]. Chinese Journal of及可燃?xì)怏w與空氣的混合,同時延長了爐內(nèi)停留Ethnomedicine and Ethnopharmacy, 1995,(4):41-時間,獲得較高的燃燒效率,解決了由工業(yè)鍋爐燃燒室矮小、燃料在燃燒室內(nèi)因無足夠的燃盡時間[3]劉萍,張海英.試論中藥藥渣的合理利用[J].新疆造成的燃燒效率低的問題。鍋爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)熱中醫(yī)藥,2002,20(6):4949交換器降溫的同時給鍋爐燃燒所需空氣預(yù)熱,可[3] Liu Ping, Zhang Haiying. Discussion about the rational提高熱能利用效率。煙氣從熱交換器排出后進(jìn)入utilization of the herb residue[J]. 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Cosystem 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.中國煤化工CNMHG984太陽能學(xué)報37卷PROCESS RESEARCH OF CO-FIRING OF HERBRESIDUE WITH COAL-WATER SLURRYMao Honglei, Han Xiangxin, Yan Junwei, Liu Jianguo, Jiang Xiuming(School 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 SO 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中國煤化工CNMHG