“废渣”变“绿煤”：中药渣+褐煤共水热技术诞生高能量低氮固体生物燃料

搁浅

“废渣”变“绿煤”：中药渣+褐煤共水热技术诞生高能量低氮固体生物燃料（ DOI: 10.1016/j.fuel.2022.123626）



我国每年产生中药渣约3000万吨、抗生素发酵渣逾2000万吨，这些高湿、富氮、含药残的工业生物质以往只能填埋或低值焚烧，既污染环境又浪费资源。中南大学能源学院湛浩团队联合中科院广州能源所、宁夏大学煤炭高效利用国家重点实验室，在《Fuel》发表最新研究：只需把药渣与廉价褐煤“一锅煮”——共水热碳化（Co-HTC），30分钟即可得到高热值（24–25 MJ kg⁻¹）、低氮（<2 wt%）、燃烧火焰稳定且NOx前体物大幅减少的“绿色成型煤”。这项技术为“双碳”背景下高湿含氮生物质的清洁高值化利用提供了可工业化的新路线。
一、为什么选择“药渣+褐煤”？

• 药渣：有机质>80%，但含水率>70%、氮含量2–8%，直接燃烧易结焦、NOx高；
  
• 褐煤（神府SLC）：我国储量约1300亿t，水分高、易自燃，但本身低氮（0.9%）、热值24 MJ kg⁻¹；
  
• 共水热思路：利用褐煤的低氮稀释效应和芳构“骨架”作用，在亚临界水（240°C）下把药渣中的活性氮转化为液相氨/有机酸，同步提升固相碳密度，实现“降氮+升热值”双赢。
  
  

二、实验速览：30 min一锅反应

• 装置：250 mL带搅拌高温高压釜；
  
• 条件：240°C，30 min，固水比1:10；
  
• 配方：药渣（川芎渣CHR或青霉素渣PFR）与褐煤按3:1、1:1、1:3混合；
  
• 结果：固体收率70–85%，能量回收率>80%，氮去除率最高达84%。
  
  

三、核心发现：协同效应让“1+1>2”

• 质量-能量-氮三重指标全面优于理论加和（CV）：
  
  

• 固体收率↑5–10%，能量回收率↑6–12%，氮去除率↑8–22%；
  
• 当药渣:褐煤=3:1时，协同系数最大。
  
  

• 燃料品质跃升：
  
  

• 高热值：CHR/SLC-240达24.4 MJ kg⁻¹，比纯药渣提高38%；
  
• 低氮：1.4–2.0 wt%，低于国家生物质成型燃料一级标准（N≤1.5%）；
  
• 芳碳率：C=C/C–C比例由57%升至75%，燃烧更持久。
  
  

• 结构形貌均一：
  
  

• SEM显示共水热炭呈“互联片状”，无原始纤维或絮状物，颗粒均匀，便于后续压块。
  
  

四、燃烧与热解表现：火焰稳、污染少

• TG-MS：共水热炭热解时NOx前体物（NH₃、HCN）累计释放量较原料下降45–60%，CO₂、H₂O等不可燃气体同步减少；
  
• 燃烧分阶段更合理：
  
  

• 纯药渣：挥发分剧烈燃烧，火焰短、温度波动大；
  
• 共水热炭：挥发分段与焦碳段重叠度低，燃程延长，综合燃烧指数（CCI）提高20%，活化能（Ea）降低，点火温度提前，燃烬温度推后——“易点、耐烧、稳焰”。
  
  

五、机制解析：褐煤扮演“三角色”

• 稀释剂——低氮含量直接拉低系统氮浓度；
  
• 稳定剂——芳核结构抑制美拉德副反应，减少氮再固定；
  
• 催化剂——Fe、Ca等无机组分促进药渣酰胺-N水解为液相NH₄⁺-N，实现定向脱除。
  
  

六、技术经济展望

• 原料成本：褐煤到场价约200元 t⁻¹，药渣多为企业负价（处置费50–100元 t⁻¹）；
  
• 能耗：240°C低温反应，比干化+焚烧节能30%以上；
  
• 产品定位：可替代工业锅炉用煤，或制成无烟烧烤炭，按现行成型燃料市场价约800–1000元 t⁻¹估算，毛利>300元 t⁻¹；
  
• 环保收益：避免药渣填埋渗滤液风险，减少NOx排放约50%，碳足迹较化石煤降低70%。
  
  

七、结语“药渣+褐煤”共水热一举破解高湿含氮生物质“脱水贵、污染高、热值低”三大难题，30分钟反应即可生成媲美优质生物质颗粒的固体生物燃料。随着全国中药、抗生素产能持续扩张，该技术为大宗药渣能源化提供了可复制、可推广的“绿煤”解决方案，也为低阶煤找到了一条低碳化、高附加值的新出路。