低碳经济视角下中药行业药渣催化裂解资源化研究

环境污染与防治 第32卷第6期2010年6月 低碳经济视角下中药行业药渣催化裂解资源化研究* 孟小燕 于宏兵8 王 攀 戎晓坤 (南开大学环境科学与工程学院。南开大学“985工程”循环经济哲学社会科学创新基地 节能与清洁生产研究中心，天津300071) 摘要 发展低碳经济是实现企业节能减排。解决能源安全等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的工作重点。其关键是研发和采用低碳、零碳能源技术。采 用沸石分子筛、介孔分子筛、A120。作为催化剂。研究了中药渣催化裂解资源化技术；通过实验得出，燃油产率最高为34．26％．所得 燃油热值为24．91MJ／kg。在此基础上，以天津某年产3000t废弃中药渣的制药企业为例，估算出该企业采用中药渣催化裂解资 源化技术后．可节约煤炭使用l040．28t，减排二氧化碳4161．12t，减排废弃中药渣2277．9t。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明采用催化裂解资源化技术可以 实现中药渣的生态化利用。将成为中国中药行业发展低碳经济的重要途径。 关键词 中药渣催化裂解 生物质能 节能减排 StudyonpyrolysisandresourceutilizationofherbresidueforChinesemedicineindustryintheperspectiveoflow。carbon economyMENGXiaoyan，yUHongbing，WANGPan，RONGXiaokun．(CollegeofEnvironmentalScience&En— gineering。EnergySamngandCleanProductionResearchCenterof“985Project”inCircularEconomy，Philosophy andSocialSciencesInnovationBaseProject，NankaiUniversity，Tianjin300071) Abstract：Thedevelopmentoflow-carboneconomyhadbecomethefocusoftheworkforenterprisestOrealize energy—savingandemission-reducingandtOsolvesuchissuesasenergysecurity．However，thekeyistOdevelopand uselow-carbon，zero-carbonenergytechnologies．Inthispaper，catalyticpyrolysisofherbresidueintobio-oilwasin— vestigatedusingzeolite，mesoporemolecularsieveandA1203ascatalysts．Theresultsshowedthatthehighestoilyield was34．26％withheatingvalueof24．91MJ／kg．Onthisbasis。takingapharmaceuticalindustryofTianjinwhosean— nualoutputofherbresiduewas3000tonsforexample，1040．28tonsofcoalwouldbesavedand4 161．12tonsof carbondioxideand2277．9tonsofabandoneddregsemissionwouldbereducedwhentheenterpriseusedtheherbres- idueasresource．Theresultalsoverifiedthateco-utilizationofherbresiduecouldbeachievedbyusingtechnologyof catalyticcrackingofbiomassforbio-oil，andthepyrolysistechnologycouldbeanimportantwaytOdeveloplow—carbon economyfortraditionalChinesemedicineindustry． Keywords：herbresidue；catalyticpyrolysis；biomassenergy；energy-savingandenvironmentalprotection 低碳经济是以低能耗、低排放、低污染为基础的 经济模式，它不仅强调低碳发展，同时追求经济效 益，低碳经济的目标是低碳高增长[1]。．大量使用和 依靠煤和石油(含天然气)的经济是“高碳经济”，它 注定要排放巨量的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化合 物等气体，是不可持续的。“低碳经济”则要改用含 碳量很少甚至不含碳的、并且是可再生的燃料[2门]， 是一种可持续的发展模式。其实质是提高能源利用 效率和创建清洁能源结构，核心是技术创新、 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 创 新和发展观的改变。 近年来，在各国国家领导人、部门负责人与专 家学者的讲话中，多次提及关于“低碳”的话题。这 些话题都是和“气候变暖”、“环境恶化”、“节能降 耗”及“科学技术”等问题紧密联系在一起的。 2008年6月5日是第35个世界环境日，主题即是 “转变传统观念，推行低碳经济”。2009年12月18 日，温家宝总理出席哥本哈根气候变化会议领导人 会议，指出到2020年单位国内生产总值能耗比 2005年降低40％～60％，二氧化碳排放比2005 年下降40％～45％。 发展低碳经济要以碳中和技术以及其他先进的 生产技术为发展 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。然而，目前国内对低碳经济 的研究主要停留在理论、政策等宏观方面，而对具体 行业实现节能减排的碳中和技术的研究相对较少。 而且，已经进行研究的碳中和技术仍处于研发阶段， 离全行业大规模的推广应用还有相当大的距离。笔 第一作者：孟小燕．女，1985年生，硕士研究生．主要从事清浩生产、生物质资源化研究。4通讯作者。 *国家自然科学基金资助项目(No．20806041)；教育部博士点新教师基金资助项目(No．200800551003)。 · 32· 万方数据 孟小燕等低碳经济视角下中药行业药渣催化裂解资源化研究 者将植物类中药渣看作一种生物质，从发展低碳经 济的视角出发，研究了中药渣催化裂解资源化技术。 并以天津某制药企业为例，估算出该企业采用这项 技术产生的经济效益和环境效益，为我国中药行业 优化能源消费结构、实现低碳发展提供技术支持。 1 中药行业进行药渣催化裂解资源化处理的理论 和现实意义 1．1我国中药行业发展现状和药渣处理问题 我国是中药的发源地，也是中药的资源大国。拥 有丰富的中药材资源，其中大部分为植物类药材。 据调查，我国现有中药资源12807种，其中药用植 物11146种，药用动物1581种，药用矿物80种。 仅对320种常用植物类药材统计，总蕴藏量达850 万t左右[4]。目前，我国共有中药企业1636家。占 全国医药行业企业的32％。其中，中成药企业l283 家。医药行业按利润总额排名的前30家企业中，以 中药产业为支柱的企业约占一半。由此可见，在国 内，中药企业已经具备相当的竞争实力L5]。但在国 际背景下，受全球金融危机影响，我国的中药出口自 2008年11月开始出现滑坡后，中成药、中药材等品 种处于负增长状态[6]，我国中药行业的发展状况不 容乐观。 中药中植物类药占87％以上，植物药材中可 被提取的有效成分平均只占5％[7]，目前我国中药 行业每年要消耗植物类药材70万t左右，则每年 产生的植物类药渣高达66．5万t。据统计，仅天津 某制药企业一年就产生3000t的植物类药渣。中 药渣一般含水量较高且含有一定营养成分，极易腐 烂，若不经处理，简单堆放在外面，堆积如山，渐渐 发酵腐烂，不仅占用大量的土地而且对环境造成严 重危害。药渣排放和妥善处理成为中药企业面临 的棘手问题。 面对这些挑战，我国中药行业急需探索一条绿 色可持续的发展道路，植入“低碳经济”的理念，应用 先进的生产技术和碳中和技术，达到经济效益和环 境效益的双赢。 1．2 对药渣进行催化裂解产油处理利于中药企业 节能减排 目前，中药企业主要是通过燃煤提供生产用能。 煤炭燃烧过程中会排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化 合物等气体。这种能源消费结构决定了中药行业要 研发和应用低碳、零碳能源技术，使用可再生能源替 代部分化石能源。 生物质能是一种典型的低碳燃料，它有2大基 本特点【8j：一是燃烧时获得单位能量所产生的温室 气体量，只有化石能源的1／8左右；二是如从生物质 能的全生命过程(指从植物的种植到最终被焚烧)来 讲，生物质能的温室气体“投”、“产”平衡，是所谓“碳 中性”的。一般认为由生物质(燃料)产生的二氧化 碳是自然界可循环的，而由化石燃料产生的二氧化 碳才是大气温室气体的增加量。 中药渣是提取植物药材中的痕量生物小分子后 剩余的固形物，其成分是纤维素、半纤维素、木质素、 蛋白质、核酸等，是一种典型的废弃生物质。目前， 对生物质的利用主要有直接燃烧、水解液化、裂解气 化和裂解液化4种主要方法。前3种方法均存在着 能源利用效率低、成本高、副产物多、不易储存等缺 点。裂解液化技术能够将生物质转化为高能量密度 的燃油，产品易存储，裂解设备操作简便，能够使废 弃生物质实现高附加值转化[9。1¨。 改变能源使用结构是实现低碳经济的方式之 一[12|。具体来讲，是指降低对化石能源的依赖，提 高一次能源使用中太阳能、风能、核能、生物质能等 非化石能源的占比，达到减少碳排放的目的。本研 究通过裂解液化技术，将中药渣转化为生物质燃油， 不仅实现了中药渣的生态化处理，而且所得燃油可 替代部分化石燃料用于企业生产供能，从而使中药 企业实现节能减排、低碳发展。 2废弃中药渣催化裂解制取燃油的研究 生物质裂解是在完全无氧或有限供氧条件下进 行的生物质降解反应，利用热能切断生物质大分子 的化学键，使之转变为低分子物质的过程，主要产物 有生物质炭、生物质焦油、生物质醋液和生物质燃 气【l扎14]。由生物质直接裂解得到的燃油存在不稳 定、含氧量高、热值低、腐蚀性强等缺点【l引。燃油的 升级途径主要有加氢裂解和催化裂解等，其中催化 裂解操作条件相对简单，处理成本较低，能够有效脱 除裂解油中的氧，从而提高燃油的品质【16’1川。采用 Al。0。、沸石分子筛ZSM一5、介孑L分子筛SBA一15及 负载金属Sn、Cu、Ni、Al、Mg的介孔分子筛SBA一15 作为催化剂，对中药渣催化裂解制取燃油进行了研 究，考察了裂解温度、催化剂种类、催化剂投加量等 对催化裂解油产率及油品的影响。实验用中药渣取 自天津某制药企业经过提取工艺后剩余的丹参药 渣，经干燥、粉碎处理后待用。 中药渣催化裂解是在实验室自行研制的两段 · 33· 万方数据 环境污染与防治第32卷第6期2010年6月 两相式生物质催化裂解固定床反应器中进行。该 装置分为裂解段(裂解炉)和催化段(催化炉)，在 裂解段中发生固相反应，催化段中发生气相反应， 两段参数可分开控制，可方便地优化操作条件。例 如：裂解温度、压力和催化温度可在2个炉中分别 加以控制，从而可提高反应条件的可控性和催化剂 的选择性。反应过程中以150mL／min的流速通 入氮气确保裂解炉内的无氧环境。裂解段产生的 气体通过催化段中的催化剂层进行催化反应，然后 经过冷凝器，可冷凝气冷凝，得到液态燃油和水，分 别进行收集；不冷凝气用气袋收集；裂解炉产生的 固体残渣用残渣收集器收集。两段两相式中药渣 催化裂解资源化工艺流程如图l所示。 裂解炉 催化炉◆芦区圃弛用能 图1 中药渣催化裂解资源化处理工艺流程 Fig．1Processflowdiagramofcatalyticpyrolysis forresourcezationofherbresidue 实验过程及主要结果如下： (1)探讨了350～550℃内裂解温度对气态产 物(不冷凝气)、液态产物(燃油和水)、固态产物(残 渣)的影响，实验结果得出裂解温度对产物产率影响 很大，其中450℃时燃油产率最高。 到的介孔分子筛SBA一15为催化剂，研究不同催化 剂对中药渣催化裂解产物及燃油品质的影响，并采 用GR3500-SRl数显氧弹热量计测定裂解得到的燃 油的热值。根据不同催化剂种类和不同催化剂投加 量(以催化剂占中药渣的质量分数计)下的实验结 果，计算催化裂解得到的气、液、固态产物的产率，并 对所得燃油进行元素 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和热值的测定。 实验结果表明，负载金属的介孔分子筛 SBA一15的催化效果优于介孔分子筛SBA一15；在负 载金属的5种介孑L分子筛SBA一15中，负载Al的介 孔分子筛SBA一15(A1-SBA一15)催化效果最好。因 此，对添加A1203、沸石分子筛ZSM一5、Al—SBA一15 和不添加催化剂这4种情况下催化裂解产油效果 进行比较，具体实验数据如表1所示。从表1可以 看出，在这4种情况下，Al。0。催化效果最好。用 Al：0。作催化剂，投加量为10％时，燃油产率最高， 为34．26％，其热值为24．91MJ／kg，高于不添加 催化剂和添加其他催化剂时的热值。采用气相色 谱／质谱(GC／MS)对以Al。O，为催化剂时得到的燃 油进行分析，结果表明脂肪族化合物含量明显提 高，而含氧化合物含量降低，说明Al：O。可脱除氧 元素，从而提高了燃油的热值。综合考虑燃油产率 和热值、元素分析结果，得到燃油品质最高的反应 条件：以Al。()。作为催化剂，裂解温度为450℃， Al：()。投加量为10％。 3药渣资源化处理产生的效益估算 (2)采用Al。O。、沸石分子筛ZSM一5、介孔分子从上述实验结果可知，当用Alz()s作催化剂、裂 筛SBA一15及负载Sn、Cu、Ni、Al和Mg5种金属得 解温度为450℃、催化剂投加量为10％时，燃油产 表1 中药渣催化裂解所得液、固、气态产物产率及燃油的元素分析、热值 Tablel Productspercentofliquid，solid，gasafterpyrolysisingofherbresidueand theultimateanalysis，lowheatingvalueoftheoil 指标 产率／％ 元素质量分数／％ 燃油 残渣 不冷凝气 C H N () 热值／(MJ·kg一1) 不添加催化剂 ZSM一5(5％) ZSM一5(10％) ZSM一5(15％) ZSM一5(20％) A卜SBA一15(5％) Al—SBA一15(10％) Al—SBA·15(15％) Al—SBA—15(20％) A1203(5％) A1203(10％) A1203(15％) Alz03(20％) 32．72 28．71 27．10 26．12 25．32 31．01 28．72 27．64 26．96 33．28 34．26 32．68 30．94 26．20 25．81 24．27 23．37 22．25 26．99 30．27 30．35 32．06 25．01 27．17 28．22 29．75 7．04 2．14 33．12 8．38 1．09 31．47 7．78 1．12 31．18 7．81 1．03 30．27 8．0l 1．23 30．06 7．41 1．24 30．14 7．69 1．05 28．90 7．80 0．98 28．44 8．22 1．01 28．27 7．39 1．34 32．67 8．04 0．96 27．90 8．47 1．33 27．37 8．49 1．28 27．11 8．66 4．01 4．36 4．55 4．85 3．44 3．71 3．83 4．34 4．41 4．91 5．37 5．94 ·34· ．．一够∞鸺鸺g：¨∞他弱加n阳蛎M坫¨ 万方数据 孟小燕等低碳经济视角下中药行业药渣催化裂解资源化研究 率最高达34．26％。裂解后得到的燃油热值很高， 可达24．91MJ／kg，可以用来为中药生产的提取、二 效浓缩等工段提供能源，而催化裂解后剩余的残渣 产率为24．07％。这样，大大降低了中药企业产生 的固体废弃物的量，而且得到的燃油替代了部分生 产用煤，降低了对不可再生能源的消耗，减少了二氧 化碳的排放量。 以催化裂解l000kg废弃中药渣为单位计算， 产生的节能减排效益估算如下： (1)减少废弃中药渣排放量：1000kg×(1— 24．07％)=759．3kg； (2)催化裂解后得到燃油的质量：1000kg× 34．26％=342．6kg； (3)燃油燃烧提供的能量：342．6kg×24．91 MJ／kg=8534．166MJ； (4)原煤的热值为20．934MJ／kg，燃油可替代 原煤的质量：8534．166MJ÷20．934MJ／kg= 407．67kg； (5)中药渣比热容为0．00l7MJ／(kg·K)， 催化裂解时升高到450℃，则药渣裂解理论能 耗：1000kgX450K×0．00l7MJ／(kg·K)一 765MJ； (6)按裂解炉效率60％计算，中药渣裂解实际 需要能量：765MJ÷60％一1275MJ； (7)原煤的热值为20．934MJ／kg，中药渣裂解 需要消耗原煤的质量：1275MJ÷20．934MJ／kg= 60．91kg； (8)最终减少煤耗：407．67kg一60．91kg= 346．76kg； (9)已知燃烧1t煤产生4t二氧化碳‘”]，由于 燃油(属于生物质油)是“碳中性”的，则二氧化碳减 排量为：0．34676t×4=1．38704t。 由上面的分析结果可以看出，催化裂解lt的 废弃中药渣，可替代燃煤0．34676t，减少1．38704 t二氧化碳排放。以天津某制药企业为例，企业每 年产生约3000t废弃中药渣，如果将这些中药渣催 化裂解制取燃油，并将制得的燃油替代部分煤炭为 生产提供能量，同比计算，可为企业减少废弃中药渣 排放2277．9t，减少煤耗l040．28t，直接经济效益 78．02万元(按天津5500大卡动力煤750元／t 计)，减排二氧化碳4161．12t。 4结语 通过对废弃中药渣催化裂解产油进行研究， 得到了使所得燃油品质最高的反应条件。并以天 津某年排放3000t中药渣的制药企业为例，估算 出采用此技术后可为企业减排中药渣2277．9t， 节约煤耗1040．28t，减排二氧化碳4161．12t。 在大力提倡低碳经济发展的全球背景下，提高企 业能源使用效率、扩大生物质能源的应用，是我国 中药行业实现节能减排的主要途径。应用中药渣 催化裂解产油等低碳、零碳技术将成为中药行业 发展低碳经济的有效手段。 参考文献： [1]姜妮．环保知识：什么是低碳经济?中国是如何发展的?[J]． 环境污染与防治。2009，31(5)：67—68． [2]UKGovernment．Ourenergyfuture：creatingalowcarbone— conomy[R]．London：UK(Jovernment，2003． [3]张坤民．低碳世界中的中国：地位、挑战与战略[J]．中国人口· 资源与环境，2008。18(3>：1—6． [4]杨晓明，乇丽岩．我国中药的国际竞争力究竟弱在哪里[J]．今 日中国论坛，2009(4)：8688． [5]王冬．张建生．我国中药企业面临的挑战和对策[J]．内蒙占医 药。2008(4)：50． [6]王丽英，邵璐．应对挑战把握机遇开创中药美好未来[J]．中国 现代中药，2009(5)：6-8． [7]杨磊，夏禄华，张衷华．等．植物提取生产中固形废弃物生态化 利用的现状及发展趋势rJ]．现代化工，2008，28(4)；14． [8]程序．生物质能与筒能减排及低碳经济[J]．中国生态农业学 报，2009．19(2)：375—378． [9]MOHAND。PITTMANCU。STEELEP H．Pyrolysisof wood／biomassforbio-oil：acriticalreview[J]．Energy&Fu— els．2006，20(3)：848-889． [10]LUOZhongyang，WANGShurong，LIAOYanfen，eta1．Re— searchonbiomassfastpyrolysisforliquidfuel[J]．Biomass andBioenergy，2004，26(5)：455—462． [11]UZUNBB．SARIOLUN．Rapidandcatalyticpyrolysisof cornstalks[J]．FuelProcessTechn01．，2009，90(5)：705—716． [12]周紫光．低碳经济的两种实现方式[J]．理论参考。2009(12)： 53． [13]刘荣厚，牛卫生．张大雷．生物质热化学转换技术[M]．北京： 化学T业H{版杜，2005：2—10，76—95． [143祖元刚。一种利用中药或植物药提取同体废弃物制造机制炭 的方法：中国，1803981A[P3．2006—07—19． [15]SAMOLADAMC．PAPAFOTICAA．VASALOSA．Cata— lystevaluationforcatalyticbiomasspyrolysis[J]．Energy＆ Fuel．2000。14(6)：116卜1167． [163鲁长波。杨昌炎，林伟刚．等．生物质催化裂解的TG--FTIR 研究[J]．太阳能学报．2007，28(6)：638—643． [17]鲍卫fi．薛晓丽，曹青．MCMr41／SBA一15中孔分子筛对生物 质裂解油的催化裂解研究[J]．燃料化学学报，2006．34(6)： 675—679． [18]蓝庆新．低碳经济离我们还有多远[J]．新财经，2009(9)：90— 93． 编辑：陈泽军 (修改稿收到日期：2010—04—06) · 35· 万方数据 低碳经济视角下中药行业药渣催化裂解资源化研究 作者： 孟小燕， 于宏兵， 王攀， 戎晓坤， MENG Xiaoyan， YU Hongbing， WANG Pan， RONG Xiaokun 作者单位： 南开大学环境科学与工程学院,南开大学"985工程"循环经济哲学社会科学创新基地节能与清 洁生产研究中心,天津,300071 刊名： 环境污染与防治 英文刊名： ENVIRONMENTAL POLLUTION AND CONTROL 年，卷(期)： 2010，32(6) 被引用次数： 0次 参考文献(18条) 1.姜妮 环保知识:什么是低碳经济?中国是如何发展的? 2009(5) 2.UK Government Our energy future:creating a low carbon economy 2003 3.张坤民 低碳世界中的中国:地位、挑战与战略 2008(3) 4.杨晓明.王丽岩 我国中药的国际竞争力究竟弱在哪里 2009(4) 5.王冬.张建生 我国中药企业面临的挑战和对策 2008(4) 6.王丽英.邵璐 应对挑战把握机遇开创中药美好未来 2009(5) 7.杨磊.夏禄华.张衷华.祖元刚 植物提取生产中固形废弃物生态化利用的现状及发展趋势 2008(4) 8.程序 生物质能与节能减排及低碳经济 2009(2) 9.MOHAN D.PITTMAN C U.STEELE P H Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil:a critical review 2006(3) 10.LUO Zhongyang.WANG Shurong.LIAO Yanfen Research on biomass fast pyrolysis for liquid fuel 2004(5) 11.UZUN B B.SARIOLU N Rapid and catalytic pyrolysis of corn stalks 2009(5) 12.周紫光 低碳经济的两种实现方式 2009(12) 13.刘荣厚.牛卫生.张大雷 生物质热化学转换技术 2005 14.祖元刚 一种利用中药或植物药提取固体废弃物制造机制炭的方法 2006 15.SAMOLADA M C.PAPAFOTICA A.VASALOS A Catalyst evaluation for catalytic biomass pyrolysis 2000(6) 16.鲁长波.杨昌炎.林伟刚.姚建中.杨学民.宋文立 生物质催化热解的TG-FTIR研究 2007(6) 17.鲍卫仁.薛晓丽.曹青.卢建军.吕永康 MCM-41/SBA-15中孔分子筛对生物质热解油的催化裂解研究 2006(6) 18.蓝庆新 低碳经济离我们还有多远 2009(9) 相似文献(1条) 1.期刊论文 张璐鑫.王攀.于宏兵.ZHANG Lu-xin.WANG Pan.YU Hong-bing 金属掺杂TiO2对中药渣裂解油特性的影 响 -现代农业科技2010,""(9) 以Ni、Fe、Co等3种不同金属掺杂的TiO2介孔材料作催化剂对中药渣进行催化裂解,研究不同催化剂对生物油产率及油品的影响,采用热值分析和气质 联用(GC-MS)分析裂解油的特性,利用N2吸附-脱附对催化剂进行表征.研究表明,Ni/TiO2的催化效果优于Fe/TiO2和Co/TiO2,Ni/TiO2作催化剂时,裂解油中 脂肪烃和烷基苯的种数最多,且其中与汽油或柴油相近的组分占大多数,而芳香族化合物数量明显较少.在Ni/TiO2的催化作用下,大分子中的氧多以H2O分 子的形式脱去,因而生物油中含水率较高,导致其热值降低. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hjwryfz201006008.aspx 授权使用：武汉大学(whdx)，授权号：a46ce3c6-f1e6-4500-b2bb-9e4700f33da8 下载时间：2010年12月9日