中药渣协同热解物质流和能量流分析_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

针对我国有机固废处理方式资源化效率低，处理原料较为单一的处置现状，本研究：

面向多源生物质废物协同热解，采用具有完备物性系统的Aspen Plus工业模拟软件，建立了生物质废物热解制炭仿真模型，并验证了其可靠性;

选取典型农林源、工业源废弃物进行有机固废的协同热解，采用物质流能量流耦合分析方法对系统进行全面的资源及环境效应评价，有利于提高有机固废资源化、无害化效率。

作者简介

周爱姣教授

周爱姣，华中科技大学环境科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事水质控制、固废资源化的理论与技术研究，包括水质安全保障、水处理功能材料研发、污水中磷资源回收、有机固废资源化、水处理厂工艺节能降碳优化等方面。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、湖北省自然科学基金、产学研横向项目，以第一/通讯作者在Chemical Engineering Journal、Journal of Cleaner Production、《给水排水》等期刊发表学术论文40余篇，获国家授权发明专利多项，主编书籍《长江经济带大中城市有机固废物质流与能量流》，撰写Membrane Technology and Environmental Applications英文书部分章节，水厂药剂智能投加一体化设备已实现工程转化。任水工业分会排水专家委员会委员、《能源环境保护》期刊编委。

中药渣协同热解物质流和能量流分析

作者

魏楚韵，张金泰，刘国庆，黄子瑞，王柏淳，杨海微，周爱姣*

单位

华中科技大学环境科学与工程学院

基金项目

国家重点研发计划项目(2019YFC1904001)

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摘要

热解是生物质能源化利用的一种主流技术，但针对多源生物质废物，尤其是中药渣类废弃物的协同热解工艺、物质转化规律和能效特征的理论模拟-验证反馈研究仍相对较少。本文采用具有完备物性系统的Aspen Plus工业模拟软件，建立了生物质废物热解制炭仿真模型，并验证其可靠性。将农林源废弃松木热解制炭实际运行工况数据进行了系统模拟，全面解析了协同利用大血藤类中药渣热解过程物质流和能量流，并对转化效率进行了综合评价。研究结果表明，在现有单一废弃物工况下，热解系统的能耗为2580.7MJ/h，能效为53.0%；在温度为500~550℃的范围内内，模拟掺入30%~60%的大血藤中药渣协同热解，可以达到最佳的物料循环利用率和能效水平，系统能耗可降低30%~60%，系统能效可提高3.0%~6.0%。本研究可为中药渣的协同热解提供科学依据。

研究背景

热解技术可用于农林废弃物的能源转化利用，替代化石燃料并减少碳排放。其中，热解炭化是生物质热解重要的利用方式之一。已有研究往往针对单一生物质废物开展不同热解条件下的产物特性、模块动力学规律研究，而面向多源生物质废物协同热解工艺物质转化规律和能效特征等模拟研究较为鲜见。近年来我国出台了一系列加强固体废物综合治理的相关政策措施，并趋向于资源化、规模化、园区化协同处理，通过物质流模拟和分析可有效提升多源固废协同利用的效率，基于物质代谢理论和方法，进行物质流和能量流分析，解析系统能耗及能效并进行优化。

中药渣是中医药生产企业排放的固体废物，且随着中药行业的持续稳定发展，中药渣产生量日益增加，年产量达6000~7000万吨，如何对这类废弃物进行妥善处理和综合利用是中药行业可持续发展面临的突出难题。中药渣一般属于生物质类有机固废，有一定资源化利用价值，可通过热解生产固体（焦炭）。本文以湖北省某地中药产业为例，选取了废弃量较大的大血藤类中药材药渣，拟将其掺入原有的热解炭化系统与农林源废弃松木进行协同处理，以期实现其高附加值资源化利用。

由于热解过程十分复杂，实验室研究难以准确对热解过程进行物料和能量的衡算，不利于指导热解工艺并进行过程优化，但可借助软件进行仿真模拟并优化工艺生产，其中比较成熟的工业模拟软件主要有OpenFOAM（OpenCFD公司）、GMD-Reax（中科院过程工程研究所）和Aspen Plus（AspenTech公司）。其中Aspen Plus是一个工艺流程稳态模拟和优化的大型通用系统，因其具有完善的数据库、动力学模型、热力学模型等优势，在固废处理和资源化领域的过程模拟中被广泛采用，如张藤元对生活垃圾热解气化过程进行了模拟及优化；HUANG等进行了生物质（松木）热解气化的模拟研究，并确定了最佳工艺参数；此外，国外DE ANDRÉ等对污泥流化床气化过程进行建模，模拟了不同气化条件下的气相组分、碳转化率和冷气效率。但研究者对于有机固废热解炭化的研究较少，本文基于实际企业使用废弃松木热解制备生物炭的生产过程，利用Aspen Plus建立热解炭化仿真模型，将工业源的大血藤中药渣适量掺入进行二源废弃物的协同热解，探究不同工艺条件和参数下协同热解的物质转化及能量流动规律，并评估其能效特征，为协同热解制炭工艺优化、提高生物质利用率提供科学依据。

部分图片

图1 生物质热解工艺流程示意图

图2 热解系统能量流动分布图

引文格式

魏楚韵,张金泰,刘国庆,黄子瑞,王柏淳,杨海微,周爱姣.中药渣协同热解物质流和能量流分析[J/OL].能源环境保护:1-12[2023-10-17].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231008.

WEI Chuyun, ZHANG Jintai, LIU Guoqing, HUANG Zirui, WANG Bochun, YANG Haiwei, ZHOU Aijiao.Analysis of material flow and energy flow in collaborative pyrolysis of Chinese medicine residue[J/OL]. Energy Environmental Protection:1-12[2023-10-17].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231008.

　　责任编辑：宫在芹

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