CN109063995A - 一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法。本发明根据生物质组分分离利用工艺过程的物料流向和平衡、源污染物质变性及其质量变化，将工艺过程环境效果评价与物流平衡、流向和源污染物质产生及其量变进行协同联动，使生物质组分分离利用从科学研究、工程设计到工程运行，每一个工艺过程（环节）均可获得环境效果评定，使工艺过程的环境效果和控制从生产终端向每个工艺环节的前段转移，实现源污染物质及其对污染负荷贡献的全工艺过程预测、跟踪与控制，为流程工业创立绿色化评定基础。本评定方法特别适合于制浆造纸和生物质精炼等流程工业的环境效果评定。
Description
技术领域
本发明涉及流程工业领域，具体涉及一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法。
技术背景
目前流程工业的环境效果评定与工艺研究、工程设计、建设和运行完全脱钩。在工艺研究、工程设计、工程建设和工程运行过程中，人们只关注物料的平衡和流向，对工艺过程物料组分的变形(溶出和结构改变)、质量变化及其产生的环境污染效果根本没有给予注意，工艺物料平衡与环境效果平衡完全脱轨，导致工艺过程污染物质的产生及其环境效果未能及时跟踪和给予控制，形成当前流程工业污染控制和治理十分困难的局面。
污染控制从生产终端向源头转移是绿色流程工业的需求。对于制浆造纸和植物生物质精制等典型的流程工业，目前对污染的控制和治理是对生产末端的污染物进行治理，而对污染物的来源、性质及产生环节并不十分关注，因而无法从源头上进行污染控制，导致污染控制的方向不清、效果不明显，污染控制治理成本很高。当前，提高资源利用率、减少各个工艺环节污染物的产生、排放及对环境的污染已成为绿色流程工业的迫切需求，这就要求对流程工业的每一个工艺过程(环节)的污染物质及其对环境污染负荷的贡献进行衡算、跟踪与评价，从而实现在源头上对污染物进行有效控制。
发明内容
本发明的目的在于针对制浆造纸和植物生物质精制等流程工业存在的工艺物料平衡与环境效果平衡脱轨，整个流程的环境效果仅通过流程末端得到体现的缺陷，提供一种生物质组分分离利用工艺过程源污染物质的环境效果评定方法，让每个流程环节的环境效果在工艺研究、工程设计和工程运行中得到体现，使环境效果的评价和控制由末端向前段转移，可以更有效地进行源污染物质控制。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法，包括以下内容：
(1)分析生物质纤维原料卡伯价K与木素含量L之间的关系，获得卡伯价K与木素含量L之间的关系系数a，建立生物质纤维原料卡伯价K与木素含量LP％之间的数学关系LP％＝(a·K)％；
(2)将生物质组分分离利用工艺过程源污染物质类型及其质量变化与物料平衡和流向进行协同联动，计算出进入水处理系统的源污染物质木质素和碳水化合物的质量。包括以下步骤：
1)生物质纤维原料蒸煮及黑液提取工段
建立物料平衡关系式，计算出从蒸煮及黑液提取工段进入水处理系统或漂白系统的液态源污染物质木质素质量L2和碳水化合物质量C2。
M0＝C0+L0＝P1+L2+L3+C2+C3＝L1+L2+L3+C1+C2+C3
L0＝L1+L2+L3＝LP％·P1+L2+(EB％/(1-EB％))·L2＝(a·K)％·(M0·YC％)+(1/(1-EB％))·L2
C0＝C1+C2+C3＝P1-L1+C2+(EB％/(1-EB％))·C2＝M0·YC％-(a·K)％·(M0·YC％)+(1/(1-EB％))·C2根据以上关系式，计算出：
L2＝(L0-(a·K)％·(M0·YC％))·(1-EB％)
C2＝(C0-M0·YC％+(a·K)％·(M0·YC％))·(1-EB％)
2)生物质纤维原料漂白工段
建立物料平衡式，计算出漂白过程中从固相物料进入水处理系统的源污染物质木质素质量L4和碳水化合物质量C4
P1＝P2+L4+C4
L4+C4＝P1·BL％＝(M0·YC％)·BL％
L4＝L1＝LP％·P1＝(a·K)％·(M0·YC％)
根据以上关系式，计算出
C4＝P1·BL％-L4＝(M0·YC％)·BL％-(a·K)％·(M0·YC％)＝(M0·YC％)·(BL％-(a·K)％)
上述各式中，M0、C0、L0、P1、L1、L2、L3、C1、C2、C3、P2分别为生物质纤维原料质量、生物质纤维原料中碳水化合物质量、生物质纤维原料中木素质量、经蒸煮和黑液提取后获得的纸浆质量、纸浆中木素质量、未被提取的木素质量、提取送碱回收木素质量、纸浆中碳水化合物质量、未被提取的碳水化合物质量、提取送碱回收的碳水化合物质量、漂后纸浆质量；
LP％为蒸煮后纸浆木素含量，K为纸浆P1卡伯值，YC％蒸煮得率，EB％黑液提取率，BL％为漂损。
(3)将生物质组分分离利用工艺过程源污染物质类型及其质量变化与水污染负荷指标COD、BOD和AOX进行协同联动，计算出生物质纤维原料蒸煮及黑液提取工段产生的单位质量液态木质素L2对COD、BOD和AOX的贡献值k1C、k1B、k1X，以及单位质量液态碳水化合物C2对COD、BOD的贡献值k2C和k2B；
同样地，计算出生物质纤维原料漂白工段进入水处理系统的单位质量木质素L4对COD、BOD和AOX的贡献值k3C、k3B、k2X及单位质量碳水化合物C4对COD、BOD的贡献值k4C和k4B。
(4)将生物质组分分离利用工艺过程环境效果与源污染物质类型及其量变进行协同联动，建立环境污染效果指标(COD、BOD、AOX)与源污染物质质量(木质素L2、L4质量和碳水化合物C2、C4质量)变化之间的关系：
COD＝k1C·L2+k2C·C2+k3C·L4+k4C·C4
BOD＝k1B·L2+k2B·C2+k3B·L4+k4B·C4
AOX＝k1X·L2+k2X·L4
进一步地，根据步骤(2)计算出蒸煮及黑液提取工段进入水处理系统或漂白系统的液态源污染物质木质素L2质量和碳水化合物C2质量、以及漂白过程从固相物料进入水处理系统的源污染物质木质素L4质量和碳水化合物C4质量，然后通过步骤(4)计算出进入水处理系统的源污染物质产生的环境效果指标COD、BOD和AOX值，从而来评定制浆造纸工艺过程中源污染物质的环境效果。
进一步地，将植物生物质精炼工艺过程的环境效果与源污染物质类型及其量变进行协同联动，建立环境污染效果指标(COD、BOD)与源污染物质质量(木质素L5和碳水化合物C5)变化之间的关系：
COD＝k5C·L5+k6C·C5
BOD＝k5B·L5+k6B·C5
上述各式中，k5C、k5B为生物质精炼工艺过程进入水处理系统的单位质量木质素L5对COD、BOD的贡献值，k6C和k6B为单位质量碳水化合物C5对COD、BOD的贡献值。
进一步地，将生物质组分分离利用工艺过程源污染物质类型及其质量变化与物料平衡和流向进行协同联动，计算出植物生物质精制工艺过程进入水处理系统的源污染物质木质素质量L5和多糖类物质质量C5。关系式如下：
M0＝C0+L0＝PB+L5+C5＝LB+CB+L5+C5
L0＝LB+L5＝L0·YL％+L5
C0＝CB+C5＝C0·YC％+C5
根据以上关系式，可以计算出
L5＝L0·(1-YL％)
C5＝C0·(1-YC％)
YL％、YC％分别为植物生物质精制工艺过程木素LB和碳水化合物CB的得率。
进一步地，计算出生物质精炼工艺过程进入水处理系统的源污染物质木质素L5质量和碳水化合物C5质量，根据单位质量木质素L5对COD、BOD的贡献值k5C、k5B，以及单位质量碳水化合物C5对COD、BOD的贡献值k6C和k6B，计算出进入水处理系统的源污染物质产生的环境效果指标COD、BOD值，从而来评定生物质精炼工艺过程中源污染物质的环境效果。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与效果：
1、本发明的方法使生物质组分分离利用从科学研究、工程设计到工程运行，每一个工艺过程(环节)均可获得环境效果评定，使环境效果的评价和控制由末端向前段转移，可以更有效地进行源污染物质控制。
2、本发明的方法可以对流程工业的每一个工艺过程(环节)的污染物质及其对环境污染负荷的贡献进行衡算、跟踪与评价，从而实现在源头上对污染物进行有效控制。
附图说明
图1为生物质原料蒸煮流程环节物料流向与平衡图。
图2为纸浆漂白流程环节物料流向与平衡图。
图3为生物质精炼流程环节物料流向与平衡图。
具体的实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。
实施例1
本实施例中，采用红松为原料生产漂白化学浆。红松的木素含量为30.9％，蒸煮得率YC％为39％，黑液提取率EB％为98％，蒸煮后纸浆卡伯价K为28.6，卡伯价K与木素含量L1的关系系数a为0.067，漂损BL％为3.48％。
根据蒸煮得率和漂损，计算出每吨纸浆产品所需生物质原料质量M0＝2.66×103kg，生物质原料中木素质量L0＝2.66×103kg×30.9％＝0.82×103kg，碳水化合物质量C0＝1.84×103kg。
如图1所示，植物生物质纤维原料经蒸煮获得纸浆与黑液中间产物，经黑液提取，将提取的黑液送碱回收系统，未被提取黑液所含的溶出木质素(L2)和碳水化合物溶出物(C2)进入废水系统或纸浆漂白系统，构成了本工艺环节的主要环境威胁，是用于评定本工艺环节环境效果的源污染物质。蒸煮得率(YC％)和黑液提取率(EB％)决定了进入废水系统的源污染物质的质量，源污染物质的质量决定了本工艺环节的环境效果，即决定本工艺环节的污染负荷指标。
根据图1，建立以下物料平衡关系式：
M0＝C0+L0＝P1+L2+L3+C2+C3＝L1+L2+L3+C1+C2+C3
L0＝L1+L2+L3＝LP％·P1+L2+(EB％/(1-EB％))·L2＝(a·K)％·(M0·YC％)+(1/(1-EB％))·L2
C0＝C1+C2+C3＝P1-L1+C2+(EB％/(1-EB％))·C2＝M0·YC％-(a·K)％·(M0·YC％)+(1/(1-EB％))·C2
根据以上关系式，计算出：
L2＝(L0-(a·K)％·(M0·YC％))·(1-EB％)＝16kg
C2＝(C0-M0·YC％+(a·K)％·(M0·YC％))·(1-EB％)＝16.4kg
如图2所示，经黑液提取后的纸浆进入漂白系统，纸浆中残留固相木质素L4与漂白剂反应降解、溶解在废水中，同时部分固相碳水化合物C4也降解溶解在废水中，构成了本工艺环节的主要环境威胁，是用于评定本工艺环节环境效果的源污染物质。纸浆卡伯价(K)和漂损(BL％)决定了进入废水系统的源污染物质的质量，源污染物质的质量决定了本工艺环节的环境效果，即决定本工艺环节的污染负荷指标。
根据图2，建立以下物料平衡关系式：
P1＝P2+L4+C4
L4+C4＝P1·BL％＝(M0·YC％)·BL％
L4＝L1＝LP％·P1＝(a·K)％·(M0·YC％)＝20kg
根据以上关系式，计算出
C4＝P1·BL％-L4＝(M0·YC％)·BL％-(a·K)％·(M0·YC％)＝(M0·YC％)·(BL％-(a·K)％)＝16.1kg
同时，计算出红松原料蒸煮及黑液提取工段产生的单位液态木质素对COD、BOD和AOX的贡献值k1C＝1.43kg/kg、k1B＝0.27kg/kg、k1X＝0.039kg/kg，单位液态碳水化合物对COD、BOD的贡献值k2C＝1.28kg/kg、k2B＝0.46kg/kg；
同样的，计算出蒸煮后浆料在漂白工段进入水处理系统的单位木质素对COD、BOD和AOX的贡献值k3C＝0.97kg/kg、k3B＝0.16kg/kg、k2X＝0.014kg/kg，单位碳水化合物对COD、BOD的贡献值k4C＝1.13kg/kg和k4B＝0.35kg/kg。
则采用红松为原料生产漂白化学浆工艺过程的环境效果为：
COD＝k1C·L2+k2C·C2+k3C·L4+k4C·C4＝81.65kg
BOD＝k1B·L2+k2B·C2+k3B·L4+k4B·C4＝20.70kg
AOX＝k1X·L2+k2X·L4＝0.9kg。
实施例2
本实施例除下述外同实施例1：蒸煮得率Y％为48％，黑液提取率EB％为90％，蒸煮后纸浆卡伯价K为35.4，漂损BL％为4.5％。则本实施例的源污染物质质量为：
L2＝79kg，C2＝59kg，L4＝30kg，C4＝27kg
所以，本实施例的环境效果为：
COD＝k1C·L2+k2C·C2+k3C·L4+k4C·C4＝248.10kg
BOD＝k1B·L2+k2B·C2+k3B·L4+k4B·C4＝62.72kg
AOX＝k1X·L2+k2X·L4＝3.51kg。
实施例3
本实施例中，采用红松为原料进行生物质精炼提取木素和碳水化合物，红松的木素含量为30.9％，木素得率YL％为81％，碳水化合物得率YC％为96％。
如图3所示，在植物生物质M0精炼过程中生物质组分分离后，提取木素和碳水化合物进行进一步利用，未被提取的木质素L5和碳水化合物C5进入水处理系统，构成了本工艺环节的主要环境威胁，是用于评定本工艺环节环境效果的源污染物质。木素得率(YL％)和碳水化合物得率(YC％)决定了进入废水系统的源污染物质的质量，源污染物质的质量决定了本工艺环节的环境效果，即决定本工艺环节的污染负荷指标。
根据图3，建立以下物料平衡关系式：
M0＝C0+L0＝PB+L5+C5＝LB+CB+L5+C5
L0＝LB+L5＝L0·YL％+L5
C0＝CB+C5＝C0·YC％+C5
根据以上关系式，可以计算出生物质精炼过程中每吨生物质原料产生的源污染物质质量：
L5＝L0·(1-YL％)＝1000×0.309×(1-81％)＝58.7kg
C5＝C0·(1-YC％)＝1000×0.691×(1-96％)＝27.6kg
同时，计算出红松原料在生物质精炼工艺过程产生的单位液态木质素对COD、BOD的贡献值k5C＝1.35kg/kg、k5B＝0.22kg/kg，单位液态碳水化合物对COD、BOD的贡献值k6C＝1.23kg/kg、k6B＝0.42kg/kg。
则本实施例生物质精炼流程环节环境效果可通过下式进行评定：
COD＝k5C·L5+k6C·C5＝113.20kg
BOD＝k5B·L5+k6B·C5＝24.51kg。
Claims (5)
1.一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法，其特征在于，包括以下内容：
(1)分析生物质纤维原料卡伯价K与木素含量L之间的关系，获得卡伯价K与木素含量L之间的关系系数a，建立生物质纤维原料卡伯价K与木素含量LP％之间的数学关系LP％＝(a·K)％；
(2)将生物质组分分离利用工艺过程源污染物质类型及其质量变化与物料平衡和流向进行协同联动，计算出进入水处理系统的源污染物质木质素和碳水化合物的质量；
1)生物质纤维原料蒸煮及黑液提取工段
建立物料平衡关系式，计算出从蒸煮及黑液提取工段进入水处理系统或漂白系统的液态源污染物质木质素质量L2和碳水化合物质量C2
M0＝C0+L0＝P1+L2+L3+C2+C3＝L1+L2+L3+C1+C2+C3
L0＝L1+L2+L3＝LP％·P1+L2+(EB％/(1-EB％))·L2＝(a·K)％·(M0·YC％)+(1/(1-EB％))·L2
C0＝C1+C2+C3＝P1-L1+C2+(EB％/(1-EB％))·C2＝M0·YC％-(a·K)％·(M0·YC％)+(1/(1-EB％))·C2
根据以上关系式，计算出：
L2＝(L0-(a·K)％·(M0·YC％))·(1-EB％)
C2＝(C0-M0·YC％+(a·K)％·(M0·YC％))·(1-EB％)
2)生物质纤维原料漂白工段
建立物料平衡式，计算出漂白过程中从固相物料进入水处理系统的源污染物质木质素质量L4和碳水化合物质量C4
P1＝P2+L4+C4
L4+C4＝P1·BL％＝(M0·YC％)·BL％
L4＝L1＝LP％·P1＝(a·K)％·(M0·YC％)
根据以上关系式，计算出
C4＝P1·BL％-L4＝(M0·YC％)·BL％-(a·K)％·(M0·YC％)＝(M0·YC％)·(BL％-(a·K)％)
上述各式中，M0、C0、L0、P1、L1、L2、L3、C1、C2、C3、P2分别为生物质纤维原料质量、生物质纤维原料中碳水化合物质量、生物质纤维原料中木素质量、经蒸煮和黑液提取后获得的纸浆质量、纸浆中木素质量、未被提取的木素质量、提取送碱回收木素质量、纸浆中碳水化合物质量、未被提取的碳水化合物质量、提取送碱回收的碳水化合物质量、漂后纸浆质量；
LP％为蒸煮后纸浆木素含量，K为纸浆P1卡伯值，YC％为蒸煮得率，EB％为黑液提取率，BL％为漂损；
(3)将生物质组分分离利用工艺过程源污染物质类型及其质量变化与水污染负荷指标COD、BOD和AOX进行协同联动，计算出生物质纤维原料蒸煮及黑液提取工段产生的单位质量液态木质素L2对COD、BOD和AOX的贡献值k1C、k1B、k1X，以及单位质量液态碳水化合物C2对COD、BOD的贡献值k2C和k2B；
同样地，计算出生物质纤维原料漂白工段进入水处理系统的单位质量木质素L4对COD、BOD和AOX的贡献值k3C、k3B、k2X及单位质量碳水化合物C4对COD、BOD的贡献值k4C和k4B；
(4)将生物质组分分离利用工艺过程环境效果与源污染物质类型及其量变进行协同联动，建立环境污染效果指标与源污染物质质量变化之间的关系；所述环境污染效果指标为COD、BOD、AOX；所述源污染物质质量为木质素L2、L4质量和碳水化合物C2、C4质量；
COD＝k1C·L2+k2C·C2+k3C·L4+k4C·C4
BOD＝k1B·L2+k2B·C2+k3B·L4+k4B·C4
AOX＝k1X·L2+k2X·L4。
2.根据权利要求1所述的一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法，其特征在于，根据步骤(2)计算出蒸煮及黑液提取工段进入水处理系统或漂白系统的液态源污染物质木质素L2质量和碳水化合物C2质量、以及漂白过程从固相物料进入水处理系统的源污染物质木质素L4质量和碳水化合物C4质量，通过步骤(4)计算出进入水处理系统的源污染物质产生的环境效果指标COD、BOD和AOX值，从而来评定制浆造纸工艺过程中源污染物质的环境效果。
3.根据权利要求1所述的一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法，其特征在于，将植物生物质精炼工艺过程的环境效果与源污染物质类型及其量变进行协同联动，建立环境污染效果指标COD、BOD与源污染物质质量即木质素L5和碳水化合物C5变化之间的关系：
COD＝k5C·L5+k6C·C5
BOD＝k5B·L5+k6B·C5
上述各式中，k5C、k5B为生物质精炼工艺过程进入水处理系统的单位质量木质素L5对COD和BOD的贡献值，k6C和k6B为单位质量碳水化合物C5对COD、BOD的贡献值。
4.根据权利要求3所述的一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法，其特征在于，将生物质组分分离利用工艺过程源污染物质类型及其质量变化与物料平衡和流向进行协同联动，计算出植物生物质精制工艺过程进入水处理系统的源污染物质木质素质量L5和碳水化合物质量C5，关系式如下：
M0＝C0+L0＝PB+L5+C5＝LB+CB+L5+C5
L0＝LB+L5＝L0·YL％+L5
C0＝CB+C5＝C0·YC％+C5
根据以上关系式，可以计算出
L5＝L0·(1-YL％)
C5＝C0·(1-YC％)
YL％、YC％分别为植物生物质精制工艺过程木素LB和碳水化合物CB的得率。
5.根据权利要求4所述的一种生物质组分分离利用工艺过程中源污染物质的环境效果评定方法，其特征在于，根据计算出生物质精炼工艺过程进入水处理系统的源污染物质木质素L5质量和碳水化合物C5质量，根据单位质量木质素L5对COD、BOD的贡献值k5C、k5B，以及单位质量碳水化合物C5对COD、BOD的贡献值k6C和k6B，通过权利要求3计算出进入水处理系统的源污染物质产生的环境效果指标COD、BOD值，从而来评定生物质精炼工艺过程中源污染物质的环境效果。
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