APP下载

中药渣能源化的现状与展望*

2023-07-08吕永兴胡双清张元甲赵凤潇刘天跃袁浩然

新能源进展 2023年3期
关键词:药渣气化有机

吕永兴,胡双清,姜 维,熊 伟,张元甲,赵凤潇,刘天跃,袁浩然

中药渣能源化的现状与展望*

吕永兴1,胡双清2,3†,姜 维1,熊 伟1,张元甲2,3,赵凤潇2,3,刘天跃2,3,袁浩然2,3

(1. 华润环保发展有限公司,广东 深圳 518052;2. 中国科学院广州能源研究所,广州 510640;3. 中国科学院可再生能源重点实验室,广州 510640)

我国中草药行业近年来蓬勃发展,中药渣也随之大量产生。中药渣中富含纤维素,是宝贵的可循环利用的有机固废资源。针对中药渣开发新型技术和完善现有处置工艺,将其转化成高值绿色能源产物,可为中医药相关企业带来可观的经济效益。系统论述了包括生物转化技术、热化学转化技术等处置中药渣主流技术优缺点及研究进展;提供了一套更为系统化处置中药渣的方法,并对其工程案例及成果进行了详细介绍。最后,对中药渣能源化处置的前景进行了展望,以期实现中药渣的高效清洁利用,为中医药产业链绿色发展提供新样板,为推动中医药及相关领域的环保产业发展起到示范引领作用。

中药渣;能源化;气化

0 引 言

中医药作为中华民族的瑰宝,是新时代重要传统产业之一。传统中草药在预防疾病、缓解症状和改善健康方面的应用由来已久,其在缓解癌症、肝病、动脉粥样硬化、新型冠状病毒肺炎等许多疑难疾病方面均展示出很大的潜力[1-2]。尤其是随着屠呦呦提取青蒿素获得诺贝尔生理学或医学奖后,中草药在世界上也得到了越来越多的认可[3]。但是,在中药饮片加工和中药煎煮生产过程中,大量中药渣随之产生[4-5]。在中医药行业蓬勃发展的同时,中药渣处理问题也越来越严重。根据统计,中国中药渣的年排放量可高达6 000 万t ~ 7 000万t[6]。

中药渣作为中药生产末端的一种有机固废,主要以植物的根、茎为主,富含有机物及营养成分,具有挥发分高、灰分少和发热值高等特性。中药渣经煎煮、发酵等工艺处理后,同时兼具形态复杂、含水率高等特点。据不完全统计,我国有1 500多家中医药生产企业,每年中药渣排放总量大且集中,初始含水率一般在70%以上,具有粘接度高、筛选难、易变质、难降解、极易腐败、其味异臭等特点[7-10],因此必须及时运出生产厂区,否则将对厂区环境和药品生产造成污染。此外,药渣经雨水冲淋会对周边地下水及土壤造成污染。中药渣排放和处理已成为中医药生产企业最严重的污染源之一[11-12]。因此,将中药渣进行无害化处理变得尤为重要。但目前仍缺乏有效的利用途径,对中药的绿色生产具有严重负面影响。

对中药渣的传统处理方法主要包括焚烧、堆放和填埋处理等。考虑到这些方法所造成的环境污染和资源浪费,开发高效利用中药渣的新方法具有现实意义[13-14]。

目前,已经有研究将中药渣用于饲料及添加剂的制造。解超平[15]将发酵的党参和黄芪药渣作为饲料添加剂用于饲养铁脚麻鸡,成功地增加了其肌肉蛋白含量,进而提高了经济效益。圣平等[16]研究表明在湖羊的日粮中添加中药渣,在不影响肉质的情况下可有效促进湖羊的生长发育。虽然以上研究在一定程度上缓解了中药渣的处置问题,但是由于不同来源的中药渣之间的营养成分可能会有差异,甚至某些中药渣可能含有毒成分,动物食用后可能会对其造成不良影响,因此需要开发更好的中药渣资源化方法。

中药生产过程产生的废弃非药用部位及加工过程形成的下脚料,可以被视为一种典型可再生的有机固废[17-18]。该有机固废与化石燃料不同,其在使用中无二氧化碳的净增加量,可被视作一种碳中和的燃料,可有望部分替代传统化石能源,缓解能源危机。大量研究表明,有机固废可以通过生物转化(如厌氧消化)和热化学转化(如直接燃烧、热解炭化、高温液化和气化热解)转化为能量、能量载体和增值化学品。由此可以看出,中药渣在可再生和可持续的生物能源生产过程中具有巨大应用潜力。对于中药渣能源化利用,采用生物转化技术和热化学转化技术处置已成研究者热衷方向。

1 中药渣能源化处理方法及技术

我国政府高度重视生物质能的利用,在连续的四个“五年计划”中将“生物质能利用技术的研究和应用”确定为重点科技项目。目前,中药渣的能源化处理方法已经取得了多项科研成果,多集中在生物转化技术和热化学转化技术等方面。这些方法不仅能够缓解废弃物污染问题,还可以生产高附加值能源和化学品。

1.1 生物转化技术

生物转化技术是当前中药渣无害化、资源化、能源化处理的一种有效途径。中药渣通常含有丰富的多糖、粗纤维、粗蛋白和维生素以及无机营养素(N、P和K),能够为产酸细菌和产甲烷菌的繁殖提供营养丰富的其他无机营养素,进而成为生产沼气的理想原料,如图1和图2所示。

图2 有机固废厌氧消化转化技术路线[19]

将有机固废进行厌氧发酵生产沼气是当前无害化和资源化的一种有效途径。习彦花等[20]以石家庄某中药企业中药渣为原料进行厌氧消化后发现,两种不同成分中药渣总固体产气潜力分别为0.15 L/g和0.23 L/g,CH4含量为58% ~ 60%,由此可见,中药渣是厌氧消化产沼气的优良原料。习彦花等[21]以人参、赤芍和桂皮等混合中药渣为发酵原料进行厌氧发酵,研究结果表明该中药渣进行厌氧发酵的沼气日产量可达8.38 L。姚利等[22]以混合药渣(山楂、枳实、黄芪、党参、麦冬、枇杷叶和何首乌等)为原料进行厌氧发酵,结果发现药渣产沼气量可达11 940 mL,原料产气率为54.4 L/kg(以干药渣计)。XU等[23]采用金银花渣和午茶渣在自制的厌氧反应器中进行厌氧产沼气的研究。实验结果发现,接种厌氧污泥和两种药渣的最佳质量混合比均为1∶1,经192 h消化后,两种药渣产甲烷量分别为58.32 mL/g和55.91 mL/g。LI等[24]为提高中药渣利用率,实现资源高效利用,在实验中对药渣发酵的苜蓿青贮的细菌群落及厌氧发酵特性进行了研究。研究结果表明,所有的草药残渣均不同程度地改善了厌氧发酵质量,主要表现在pH、NH3-N和丁酸浓度均有所降低。徐俊虎[25]采用金银花等中药渣作为反应底物,接种成熟的厌氧污泥,在平均温度(37±1)℃下发生厌氧反应,成功获得了燃气。此外,当基质与接种物的比例为1∶1时,厌氧反应的产气率最高,产气量最大。以上研究表明,利用厌氧发酵技术从中药渣中生产沼气不仅解决了固废的污染问题,还提供了清洁能源,提高了中药渣附加值。

农林废弃物等有机固废转化产生沼气的方法在中国有着悠久的历史。但是,现存的小规模沼气厂在中药渣处置方面尚未形成集成优势,无法进一步实现产业升级。同时,该技术还存在能源产出率低、投资大、耗时长、运行成本高、经济效益差、竞争力差、下游产品无法有效利用等问题,需要进一步解决。

1.2 热化学转化技术

热化学转化技术是指在加热条件下,利用热化学手段将有机固废转换成燃料物质的方法。热化学转化技术包括直接燃烧技术、热解炭化技术、高温液化技术和热解气化技术。目前,在中药渣工业化转化方面,通过高温液化和热解气化这两种技术已经成功获得了多种高附加值的产物[26]。

1.2.1 直接燃烧技术

直接燃烧技术是通过在锅炉中燃烧有机固废以产生驱动蒸汽轮机的高温高压蒸汽的过程。国外多利用该技术处置含水固体废弃物,进而产生清洁高效的电力[27]。通常,中药渣原料经过粉碎、分选等预处理后输送至给料机,然后送到炉中开始燃烧,燃料的化学能转化为烟气的热能。烟气从炉膛进入水平烟道和后烟道,并在流动过程中终止热交换过程。

张晓虹等[28]、王勤等[29]基于浙江某制药企业药渣开发设计了一种流化床焚烧处理装置,对该制药厂内药渣进行焚烧处理,焚烧产生的热能供给厂区制药生产使用(图3),烟气中的二噁英含量经石灰和活性炭处理后低于排放标准。但存在焚烧炉投资成本高,不利于中药渣充分燃烧,排气中有毒、有害物质无法焚毁,易产生二次污染,设备易结渣等问题[30]。因此目前在国内采用直接燃烧技术处理中药渣的实际工程案例很少。

图3 中药渣焚烧工艺流程[28-29]

有研究表明,有机固废和煤的共燃是更好实现有机固废燃烧利用的手段。毛宏雷等[31]对中药渣拌水煤浆掺烧工艺的可行性进行了论证,结果表明低温燃烧下该工艺不仅能避免热力型氮氧化物的生成和结焦,而且能对二氧化硫的排放进行有效控制。刘翔等[32]研究了甜菜根与烟煤共燃时的燃烧特性,结果表明在烟煤中添加有机固废可提高其燃烧特性,且烟煤着火温度和燃尽温度随着氧气浓度增加而降低,这表明在燃烧过程中甜菜根和烟煤之间存在明显的协同作用。

因此,中药渣与煤混合共燃是一种非常有潜力实现中药渣能源化利用的手段。但中药渣与煤混燃,需要进行前期预处理;同时在与煤混燃方面的相关基础性研究还需深化,以解决工程化应用中环境污染大、设备易结渣等问题。

1.2.2 热解炭化技术

热解炭化技术是指成型后的有机固废原料,在无氧或低氧环境下被加热升温引起分子内部分解生成生物炭、生物油和不可冷凝气体产物的过程。目前,水热炭化技术作为一种新型的热解炭化技术已成为研究焦点,该技术相比热解气化而言,其处置物料不受含水率的限制。

部分学者主要开展了使用农林资源、城镇污水、畜禽粪便为原料制备生物炭材料,并取得较多研究成果。MUMME等[33]在玉米秸秆青贮饲料水热炭化的影响研究中发现,较高的反应温度可提高生物炭中碳元素含量,但生物炭的产量会下降,在低于300℃时获得固体生物炭的产率较高。KIM等[34]利用水热法处置污泥研究发现,所获得的生物炭中的主要成分是稳定的二氧化硅晶体,可实现污泥的稳定与无害化。YU等[35]在不同温度下对果壳废弃物进行水热炭化研究,结果发现300℃下水热炭化产物产率为31%及热值为26 MJ/kg,高于600℃下裂解的28%及22 MJ/kg。可以推测低温水热炭化可促进废弃生物质炭化过程。SUN等[36]发现猪粪的水热炭化产物可以吸附极性和非极性有机污染物。250℃水热炭化产物比400℃下产物具有更多官能团,对极性有机污染物吸附能力更强。

近年来,随着对炭化技术研究的深入以及制备生物炭载体,研究者逐渐将中药渣作为研究材料,并展开相应的研究。SHANG等[37]以黄芪药渣为原料制备生物炭载体,并合成一种纳米级零价铁颗粒复合材料,用于吸附污水中的六价铬。研究结果表明,pH为2时,该复合材料对污水中六价铬的吸附容量达到98.71 mg/g;腐殖酸的浓度为50 mg/L时,对污水中六价铬吸附容量达到149.57 mg/g。程扬等[38]采用三桠苦药渣在不同温度下制备生物炭,研究其对水溶液中四环素的去除效果。结果表明,三桠苦药渣在800℃下制备的生物炭对四环素的吸附容量可达45.19 mg/g;在溶液pH为3.0 ~ 9.0的范围内,对四环素均有较好吸附性能。LIAN等[39]采用丹参药渣在不同温度下制备生物炭的研究发现,250℃下制备的生物炭对磺胺甲恶唑的吸附容量(约为1 000 mg/kg)是高温制备生物炭吸附容量的2 ~ 7倍。

以上研究表明,有机固废采用热解炭化技术制备的生物炭发展前景较好,其吸附作用可很好地用于去除水中污染物。但生物炭吸附的污染物可能会由于生物炭的逐渐老化重新回到环境中[40]。因此,对吸附饱和后中药渣生物炭的处理需要进一步研究。如何在炭材料工程上使用该技术真正规模化处理有机固废也需要进一步研究。

1.2.3 高温液化技术

高温液化技术是指将低附加值有机固废溶于适当的溶剂后,在高温、高压的环境下进行一系列反应,将其转化成高附加值液态生物油的过程,如图4所示。在此过程中,生物油的产率和组成受很多因素影响,包括原料种类、原料粒径、反应温度、反应停留时间、固液比、反应气氛、溶剂类型、催化剂种类等。通过调节以上参数,可以实现对产物以及反应路径的调控。

图4 有机固废高温液化过程

蒋立科等[41]通过在快速加热中药渣的过程中降低氧含量,制备了液体生物油,提高了中药渣附加值。在反应过程中,对气体中的高分子化合物在完全分解前进行中温浓缩,能有效减少气体产物的形成,进而提高最终液相产物(木醋酸和木焦油)的产量。此外,该研究工作组对这些液体产物还进行了深加工,将其成功转化成为乙酸、丙酸、丁酸、甲醇以及杂酚等,为高温液化技术生产高附加值产品提供了新思路。ZHANG等[42]采用微波诱导法以ZSM-5分子筛作为催化剂催化中药渣快速热解制备生物燃料,通过改变反应气氛探索其对热解产物收率和生物油化学成分的影响规律。实验中发现CO的存在会降低总液体产物产率,增加产水量,进而直接关系到烃类物质的相对含量。WEI等[43]分别用柠檬酸表面活性剂和柠檬酸固体催化剂催化柚子皮在低温(200℃)下的水热液化反应,发现柠檬酸表面活性剂能促进柚子皮转化为生物油,进而提高产物的产率和热值。此外,在生物质低温液化应用中,柠檬酸表面活性剂比固体催化剂更为环保。

高温液化制生物油虽然可获得油品燃料,作为石油替代品,但是存在氧量高、热值低、十六烷值低、腐蚀性强、成本较高、燃烧性能差等缺点,直接限制了各种原料在大规模工业转化中的应用。

1.2.4 热解气化技术

热解气化是指有机固废与气化剂在高温气化炉中进行一系列反应,最终生成含有CO、H2和少量CH等可燃气体的过程[44]。通常,反应过程涉及干燥、热解、氧化(燃烧)、还原等,如图5所示。相比于其他有机固废,中药渣具有水分变化大、结构松散、易挥发、成分比高以及能量密度低等特点,是很好的热解气化原材料。基于此种技术及成本上的优势,中药渣在热解气化的工程应用领域日益受到重视。

图5 有机固废热解气化过程

目前,催化剂应用在中药渣处置方面也有相应的研究报道,DING等[45]以CaO为催化剂用于中药渣热解气化制备生物质燃气,研究催化剂在热解气化过程中的催化性能变化以及利用热力学模拟技术研究其热解气化机制。结果表明,CaO作为催化剂可促进中药渣热解气化反应、燃气组分小分子化(甲烷化)等反应,能够显著提高催化裂解气的质量。同时热解气化机制研究表明,CaO对CO2的捕获降低了高温甲烷化的热力学限制,促进燃气变换反应,降低气体中CO2和CO的体积含量。对中药渣的气化特性与气化系统的参数间的关系也进行了相应研究,GUAN等[46]以山东某制药公司的中药渣为原料,采用双循环流化床气化系统进行气化实验,研究气化温度、原料含水率、空气当量比和蒸汽与药渣质量比等参数对气化过程的影响。结果表明,随着气化温度的升高,碳转化率、气体热值和气化效率都得到提高。当空气当量比为0.23 ~ 0.26时,气化效率较高;当水蒸气与有机固废质量比为0.4 ~ 0.6时,可燃气体含量、热值、气化效率均达到较高值,气化效果较好。此外,将其他废弃物作为促进剂添加至中药渣中采用热解气化方式协同处置也进行了一定的研究。LI等[47]以富含多种金属氧化物的造纸污泥为添加剂,在固定床系统中进行中药渣的气化热解实验。结果表明,中药渣在热解时受到造纸污泥的催化,其燃气产量增加,而焦油产量下降。在热解温度低于900℃时,造纸污泥有利于H2和CO2的生成,减少CH4的生成;温度为900℃时,由于造纸污泥的催化和无机物的分解,CH4、H2、CO和CO2气体生成都得到了促进。此外,陈志云[48]将含有印染污泥添加入中药渣中进行高温共气化实验。结果表明,这两种废弃物共气化可以产生协同作用。在N2和CO2气氛下,共气化的综合气化性能较印染污泥单一热解分别提高了33.9%和33.2%。董磊等[49]在进行循环流化床气化炉气化热解试验时,分别研究了空气当量比和污泥掺混比等参数对气化产物的影响规律。结果表明,空气当量比是影响共气化的关键因素,其在一定范围内(0.25 ~ 0.45)增大时,会造成物料碳转化率的升高,焦油浓度与气化产物热值的下降。

尽管中药渣热解气化在工程应用中已经取得了一定的成果,但其仍然存在如气化效率不理想和燃气中焦油和灰的含量高等问题。近年来,研究者不断开拓创新,通过优化反应系统和实验条件,已经解决了该类问题。最近,中国科学院广州能源研究所在中药渣气化处置领域首次取得了可喜的成果。

2 中药渣资源化综合利用示范工程介绍

中国科学院广州能源研究所2022年在山东省枣庄市某制药厂建立中医药产业链药渣资源化综合利用示范工程。项目设计年处置中药渣9.6万t。

该示范工程主要针对该药厂产生的中药渣进行能源化资源化综合利用,建设2套3 t/h生物质气化装置,配1台20 t/h生物质燃气蒸汽锅炉与1条滚筒烘干机生产线,以干燥后的中药渣作为原料,利用生物质气化炉热解气化工艺,产出生物质可燃气,一部分用于中药渣烘干供能,其他燃气进入燃气锅炉产生蒸汽,以满足该药厂的供热需求。该项目具体工艺流程如图6所示。

图6 中药渣处置工艺流程

该示范工程是全国首台实现中药渣资源清洁热解气化技术规模化应用项目,目前已落地并成功投产运营。

在项目投产运行期间,两台气化炉分别带烘干炉和生物质燃气锅炉运行,对阳光棚内湿药渣进行全部接收(含水率约55%),实现烘干处理。气化炉全部以烘干药渣为原料(含水率约25%),运行中烟气监测指标全部达标,氮氧化物、硫氧化物、粉尘日均值分别为75 mg/m3、0 mg/m3和1.3 mg/m3;在持续运行过程中,整套系统总体运行基本稳定,单台气化炉药渣处理量达到2.5 t/h以上,燃气热值为5.6 ~ 6.4 MJ/m3,单台气化炉带燃气锅炉平均蒸汽产量为7.88 t/h,最大蒸汽产量最高达11 t/h,蒸汽压力大于0.5 MPa。

本项目中药渣前期脱水和干燥采用全自动的单螺旋变距变径挤压机和全自动太阳能和地热系统,2022年11月投运以来运行良好。以极低的成本实现了将初始中药渣含水率从75%降低至50%左右。干药渣经气化炉热化学转化成可燃气后焚烧产生热烟气,用于烘干来自阳光棚内的湿药渣,整个烘干过程无外部能源供给,脱水和干燥工艺可行性及经济性得到保障。气化炉、烘干炉和燃气锅炉运行稳定后,整套系统参与运行人员约5人,运行人工成本约28元/t。尾部烟气污染物排放浓度通过低氮燃烧、烟气再循环和投入少量的尿素溶液可实现烟气达标排放,尾部烟气处置成本约15元/t。该套气化−焚烧系统综合运行处理成本低于120元/t。该项目正式投运后,预计每年为药厂生产提供蒸汽约9万t,产生经济效益约1 800万元,年节约药渣外运费用约200万元。

该示范工程建设不仅实现了制药厂中药渣全处理以及药厂蒸汽的供应,而且实现了中药渣资源的高效清洁处置利用,为中医药产业链绿色发展提供了新样板,对推动中医药及相关领域的环保产业发展具有示范引领作用。该项目的顺利实施是产学研深度融合促进绿色创新、实践绿色发展的具体体现。

因此,利用热解气化技术处理中药渣,显示出了非常广阔的应用前景。值得注意的是,热解气化技术因其反应速率快、稳定性好、操作性强以及易工业化等优点,近些年已经成为中药渣资源化和能源化利用重要的拓展方向。虽然该类技术在工程应用上已经取得了一定的成绩,但也存在一些如高负荷下烟气排放不达标、焦油处置难以及气化与工业锅炉耦合工艺等问题亟需解决、完善和优化。

3 总结与展望

垃圾污染和能源短缺已成为当今世界两大危机,其中垃圾污染越来越成为世界级的灾难。中药渣等有机固废利用“烘干−稳定高效气化−焚烧”一体化技术处置可以很好地改变目前现状。

热解气化技术的优势是针对小规模处理量,建设投资较低,运行成本低廉。同时气化炉对原料适用范围性广,气化可产生热值4 186 kJ/m3以上生物质燃气,可燃气可以用于工业园区生活和供热使用。热解气化过程中不产生废气和废水,无二次污染,处理彻底,真正做到了垃圾处理“无害化、减量化和资源化”。垃圾热解气化处理技术再加上一些辅助技术,还可以处理医疗废物、城市污泥、冷轧废矿物油等危险废物,并同时做到“无害化、减量化、资源化”。

此外,我国也已经出台了相关政策支持中药渣等有机固废能源化产业的发展。目前,全国已经有很多项目落地生根,并发展到一定的规模。随着产业的发展,一些问题也随之突显。如:(1)回收体系不完善,不同来源的固体废物分类不合理或未做分类处理,不利于降低有机固废能源化处置的成本;(2)产业化技术有待更新,无论是直接燃烧、生物转化还是热化学转化都存在部分工艺和技术短板问题,如焦油的产生、产物组成复杂难以提纯或处置等;(3)制药厂集中产生的中药渣虽具备资源化利用价值,但中药原料多为混合物煎煮,不同中药渣成分和特点也不同,造成中药渣成分复杂,需要加强相关的基础研究,便于中药渣的资源化利用。

针对以上问题,未来需要从两方面进行改进。一方面是完善回收体系,国家应在政策上提供投资支持,完善地方关于中药渣等有机固废回收分类方面的激励政策,助力相关产业发展;另一方面依托高校和科研机构研究成果优化改进关键技术工艺。

[1] 田浩杨, 路明哲, 肖倩. 中药渣综合利用技术及实际工程案例[J]. 节能与环保, 2021(11): 46-47. DOI: 10.3969/j.issn.1009-539X.2021.11.014.

[2] 张威龙, 帖靖玺. 中药渣资源化利用研究进展[J]. 信阳农林学院学报, 2020, 30(3): 80-83. DOI: 10.16593/j. cnki.41-1433/s.2020.03.019.

[3] WHITE N J, HIEN T T, NOSTEN F H. A brief history of Qinghaosu[J]. Trends in parasitology, 2015, 31(12): 607-610. DOI: 10.1016/j.pt.2015.10.010.

[4] 谭显东, 王向东, 黄健盛, 等. 中药渣资源化技术研究进展[J]. 中成药, 2010, 32(5): 847-849. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1528.2010.05.044.

[5] XU M M, HUANG Y Q, CHEN R W, et al. Green conversion ofresidues to electrode materials for supercapacitors[J]. Advanced composites and hybrid materials, 2021, 4(4): 1270-1280. DOI: 10.1007/s42114-021-00271-8.

[6] TAO W Y, JIN J J, ZHENG Y P, et al. Current advances of resource utilization of herbal extraction residues in China[J]. Waste and biomass valorization, 2021, 12(11): 5853-5868. DOI: 10.1007/s12649-021-01428-8.

[7] CHEN L, YUAN J, LI T B, et al. A regenerable N-rich hierarchical porous carbon synthesized from waste biomass for H2S removal at room temperature[J]. Science of the total environment, 2021, 768: 144452. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.144452.

[8] ZIMMERMAN J B, ANASTAS P T, ERYTHROPEL H C, et al. Designing for a green chemistry future[J]. Science, 2020, 367(6476): 397-400. DOI: 10.1126/ science.aay3060.

[9] KUMAR R, STREZOV V, WELDEKIDAN H, et al. Lignocellulose biomass pyrolysis for bio-oil production: a review of biomass pre-treatment methods for production of drop-in fuels[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2020, 123: 109763. DOI: 10.1016/j.rser.2020.109763.

[10] LI H, WANG Y Y, ZHOU N, et al. Applications of calcium oxide–based catalysts in biomass pyrolysis/ gasification – a review[J]. Journal of cleaner production, 2021, 291: 125826. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.125826.

[11] SAHA A, BASAK B B. Scope of value addition and utilization of residual biomass from medicinal and aromatic plants[J]. Industrial crops and products, 2020, 145: 111979. DOI: 10.1016/j.indcrop.2019.111979.

[12] 段金廒, 郭盛, 严辉, 等. 药材生产过程副产物的价值发现和资源化利用是中药材产业扶贫的重要途径[J]. 中国中药杂志, 2020, 45(2): 285-289. DOI: 10.19540/j.cnki.cjcmm.20191104.107.

[13] MENG F J, YANG S G, WANG X, et al. Reclamation of Chinese herb residues using probiotics and evaluation of their beneficial effect on pathogen infection[J]. Journal of infection and public health, 2017, 10(6): 749-754. DOI: 10.1016/j.jiph.2016.11.013.

[14] CHANG F, JIA F G, LV R, et al. Changes in structure and function of bacterial and fungal communities in open composting of Chinese herb residues[J]. Canadian journal of microbiology, 2020, 66(3): 194-205. DOI: 10.1139/cjm-2019-0347.

[15] 解超平. 饲料中添加发酵中药渣对铁脚麻鸡肉质性状的改善[J]. 畜禽业, 2019, 30(4): 9-10, 12. DOI: 10.19567/j.cnki.1008-0414.2019.04.004.

[16] 圣平, 何力, 张志红, 等. 饲喂中药渣对湖羊生长性能及肉质的影响[J]. 饲料研究, 2019, 42(1): 1-5.

[17] ZHANG P Q, TAN J Q, WANG W L, et al. Extraction, separation, purification, chemical characterizations, and biological activities of polysaccharides from Chinese herbal medicine: a review[J]. Starch - stärke, 2022, 74(11/12): 2200114. DOI: 10.1002/STAR.202200114.

[18] 彭苏, 崔艺燕, 尹福泉, 等. 中草药废弃物的营养价值、活性物质与生物学功能及在猪生产上的应用研究进展[J]. 中国畜牧杂志, 2023, 59(3): 33-39. DOI: 10.19556/j.0258-7033.20220304-04.

[19] ZEIKUS J G. Microbial populations in digesters[C]// Proceedings of the First International Symposium on Anaerobic Digestion. London: Applied Science Publishers, 1980: 61-89.

[20] 习彦花, 程辉彩, 崔冠慧, 等. 中药药渣沼气资源化利用技术初探[J]. 中成药, 2013, 35(6): 1340-1343. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1528.2013.06.057.

[21] 习彦花, 张丽萍, 崔冠慧, 等. 中药渣不同有机负荷厌氧发酵工艺参数分析[J]. 环境工程学报, 2017, 11(4): 2433-2438. DOI: 10.12030/j.cjee.201602035.

[22] 姚利, 王艳芹, 边文范, 等. 中药药渣预处理厌氧发酵产沼气初步研究[J]. 可再生能源, 2013, 31(11): 89-93. DOI: 10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2013.11.018.

[23] XU J H, CHEN X F, MU L L, et al. Mesophilic anaerobic study on Chinese herbs residues of honeysuckle and midday tea[J]. Advanced materials research, 2014, 878: 481-488. DOI: 10.4028/www. scientific.net/AMR.878.481.

[24] LI X M, CHEN F, WANG X K, et al. Innovative utilization of herbal residues: exploring the diversity of mechanisms beneficial to regulate anaerobic fermentation of alfalfa[J]. Bioresource technology, 2022, 360: 127429. DOI: 10.1016/J.BIORTECH.2022.127429.

[25] 徐俊虎. 湖北午时药业股份有限公司中药渣厌氧处理研究[D]. 武汉: 武汉工程大学, 2014. DOI: 10.7666/d.D788442.

[26] SITUMORANG Y A, ZHAO Z K, YOSHIDA A, et al. Small-scale biomass gasification systems for power generation (< 200 kW class): a review[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2020, 117: 109486. DOI: 10.1016/j.rser.2019.109486.

[27] 金山. 生物质直接燃烧发电技术的探索[J]. 电力科技与环保, 2015, 31(1): 50-52. DOI: 10.3969/j.issn.1674- 8069.2015.01.017.

[28] 张晓虹, 王勤. 某制药企业药渣洁净焚烧资源化处置的研究[J]. 杭州化工, 2014, 44(4): 28-30. DOI: 10.13752/j.issn.1007-2217.2014.04.008.

[29] 王勤, 张晓虹. 流化床药渣焚烧系统主要设备设计及运行[J]. 通用机械, 2015(5): 35-37, 86. DOI: 10.3969/j.issn.1671-7139.2015.05.009.

[30] PARSHETTI G K, LIU Z G, JAIN A, et al. Hydrothermal carbonization of sewage sludge for energy production with coal[J]. Fuel, 2013, 111: 201-210. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.04.052.

[31] 毛宏雷, 韩向新, 严君伟, 等. 中药药渣拌水煤浆混烧工艺研究[J]. 太阳能学报, 2016, 37(4): 979-984. oi: 10.3969/j.issn.0254-0096.2016.04.027.

[32] 刘翔, 陈梅倩, 余冬, 等. 草本类生物质与烟煤混烧特性及其影响因素分析[J]. 农业工程学报, 2012, 28(21): 200-207.

[33] MUMME J, ECKERVOGT L, PIELERT J, et al. Hydrothermal carbonization of anaerobically digested maize silage[J]. Bioresource technology, 2011, 102(19): 9255-9260. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.06.099.

[34] KIM K, FUJIE K, FUJISAWA T. Feasibility of recycling residual solid from hydrothermal treatment of excess sludge[J]. Environmental engineering research, 2008, 13(3): 112-118. DOI: 10.4491/eer.2008.13.3.112.

[35] YU G C, YANO S, INOUE H, et al. Pretreatment of rice straw by a hot-compressed water process for enzymatic hydrolysis[J]. Applied biochemistry and biotechnology, 2010, 160(2): 539-551. DOI: 10.1007/s12010-008- 8420-z.

[36] SUN K, RO K, GUO M X, et al. Sorption of bisphenol A, 17 α-ethinyl estradiol and phenanthrene on thermally and hydrothermally produced biochars[J]. Bioresource technology, 2011, 102(10): 5757-5763. DOI: 10.1016/j. biortech.2011.03.038.

[37] SHANG J G, ZONG M Z, YING Y, et al. Removal of chromium (VI) from water using nanoscale zerovalent iron particles supported on herb-residue biochar[J]. Journal of environmental management, 2017, 197: 331-337. DOI: 10.1016/j.jenvman.2017.03.085.

[38] 程扬, 沈启斌, 刘子丹, 等. 两种生物炭的制备及其对水溶液中四环素去除的影响因素[J]. 环境科学, 2019, 40(3): 1328-1336. DOI: 10.13227/j.hjkx.201807076.

[39] LIAN F, SUN B B, SONG Z G, et al. Physicochemical properties of herb-residue biochar and its sorption to ionizable antibiotic sulfamethoxazole[J]. Chemical engineering journal, 2014, 248: 128-134. DOI: 10.1016/j.cej.2014.03.021.

[40] CHANG R H, SOHI S P, JING F Q, et al. A comparative study on biochar properties and Cd adsorption behavior under effects of ageing processes of leaching, acidification and oxidation[J]. Environmental pollution, 2019, 254: 113123. DOI: 10.1016/j.envpol.2019.113123.

[41] 蒋立科, 张宽朝, 叶辉, 等. 中药渣热裂解液化技术的研究[J]. 化学与生物工程, 2009, 26(10): 66-68, 78. DOI: 10.3969/j.issn.1672-5425.2009.10.019.

[42] ZHANG B, ZHANG J. Influence of reaction atmosphere (N2, CO, CO2, and H2) on ZSM-5 catalyzed microwave-induced fast pyrolysis of medicinal herb residue for biofuel production[J]. Energy & fuels, 2017, 31(9): 9627-9632. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.7b02106.

[43] WEI Y Y, FAKUDZE S, YANG S L, et al. Synergistic citric acid-surfactant catalyzed hydrothermal liquefaction of pomelo peel for production of hydrocarbon-rich bio-oil[J]. Science of the total environment, 2023, 857: 159235. DOI: 10.1016/J.SCITOTENV.2022.159235.

[44] GREWAL A, ABBEY L, GUNUPURU L R. Production, prospects and potential application of pyroligneous acid in agriculture[J]. Journal of analytical and applied pyrolysis, 2018, 135: 152-159. DOI: 10.1016/j.jaap. 2018.09.008.

[45] DING W J, ZHANG X D, ZHAO B F, et al. TG-FTIR and thermodynamic analysis of the herb residue pyrolysis with in-situ CO2capture using CaO catalyst[J]. Journal of analytical and applied pyrolysis, 2018, 134: 389-394. DOI: 10.1016/j.jaap.2018.07.005.

[46] GUAN H B, FAN X X, ZHAO B F, et al. An experimental investigation on biogases production from Chinese herb residues based on dual circulating fluidized bed[J]. International journal of hydrogen energy, 2018, 43(28): 12618-12626. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018. 05.141.

[47] LI T T, GUO F Q, LI X L, et al. Characterization of herb residue and high ash-containing paper sludge blends from fixed bed pyrolysis[J]. Waste management, 2018, 76: 544-554. DOI: 10.1016/j.wasman.2018.04.002.

[48] 陈志云. 印染污泥与中药渣类固废协同热处理特性初步研究[D]. 广州: 广东工业大学, 2022. DOI: 10.27029/d.cnki.ggdgu.2022.001240.

[49] 董磊, 常加富, 张兆玲, 等. 中药渣与污泥循环流化床共气化特性试验研究[J]. 环境科学与技术, 2020, 43(8): 137-144. DOI: 10.19672/j.cnki.1003-6504.2020. 08.018.

Current Situation and Prospect of Energy Conversion from Chinese Medicine Residue

LÜ Yong-xing1, HU Shuang-qing2,3, JIANG Wei1, XIONG Wei1, ZHANG Yuan-jia2,3, ZHAO Feng-xiao2,3, LIU Tian-yue2,3, YUAN Hao-ran2,3

(1. China Resources Environmental Protection Development Co. Ltd., Shenzhen 518052, Guangdong, China;2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China)

The Chinese medicine industry has expanded rapidly in recent years, producing a significant amount of Chinese medicine residue. The leftover cellulose from Chinese medicine is a valuable recyclable organic solid waste resource. Developing new technologies and enhancing of current disposal procedures for transforming Chinese medicine residue into high-value green energy products could bring considerable economic benefits to traditional Chinese medicine-related enterprises. Here, the benefits, drawbacks, and research progress for the mainstream technologies for disposing of Chinese medicine residue, including thermochemical and biochemical conversion technology, were thoroughly examined. A more systematic technique for disposing of Chinese medicine residue was also provided, and its engineering cases and outcomes were introduced in detail. In order to achieve effective and clean utilization of Chinese medicine residue, provide a new model for the green development of the Chinese medicine residues industry chain, and promote the development of China medicine and related fields environmental protection industry to play a role of demonstration and guidance, we present the prospect of energy disposal of Chinese medicine residue.

Chinese medicine residue; energy conversion; gasification

2095-560X(2023)03-0264-09

TK06

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.03.009

2022-11-24

2023-03-19

中药渣能源化综合利用技术开发与工程示范项目(华润环保2021合同第0046号)

胡双清,E-mail:husq@ms.giec.ac.cn

吕永兴, 胡双清, 姜维, 等. 中药渣能源化的现状与展望[J]. 新能源进展, 2023, 11(3): 264-272.

LÜ Yong-xing, HU Shuang-qing, JIANG Wei, et al. Current situation and prospect of energy conversion from Chinese medicine residue[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(3): 264-272.

吕永兴(1980-),男,博士,高级工程师,主要从事可燃固废热化学转化研究。

胡双清(1992-),男,硕士,工程师,主要从事可燃固废热化学转化研究。

猜你喜欢

药渣气化有机
有机旱作,倚“特”而立 向“高”而行
小型垃圾热解气化焚烧厂碳排放计算
有些中药渣要挤汁
九十九分就是不及格——有机农业,“机”在何处?
阿拉套大戟药渣化学成分的研究
美洲大蠊药渣制备壳聚糖工艺的优化
如何养一条有机鱼
气化装置在线倒炉及优化改进
粉煤加压气化新局难破
蚯蚓粪在药渣与污泥混合堆肥中的最佳配比