利用農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙所實(shí)施的先進(jìn)技術(shù)體系的優(yōu)選與評(píng)價(jià)*

陳克復(fù)　田曉俊　王斌　李軍

(華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥制漿造紙新技術(shù)與裝備研發(fā)中心， 廣東 廣州 510640)

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利用農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙所實(shí)施的先進(jìn)技術(shù)體系的優(yōu)選與評(píng)價(jià)*

陳克復(fù)田曉俊?王斌李軍

(華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥制漿造紙新技術(shù)與裝備研發(fā)中心， 廣東 廣州 510640)

摘要：2015年5月，與本領(lǐng)域相關(guān)的中國(guó)工程院8位院士和中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)8位專(zhuān)家聯(lián)合向國(guó)家建議“推廣先進(jìn)技術(shù)模式利用農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙”，得到國(guó)家主管部門(mén)的重視.文中通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)法制漿、農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿的漂白、農(nóng)業(yè)秸稈制漿黑液的處理方式等先進(jìn)技術(shù)體系的論述，從資源及能源消耗、投資及運(yùn)行成本、對(duì)環(huán)境的污染程度、紙漿質(zhì)量及技術(shù)成熟度等來(lái)優(yōu)選和評(píng)價(jià)各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，得出利用農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙可以推廣應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)模式，為上述的建議提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)秸稈；制漿造紙技術(shù)；優(yōu)選；評(píng)價(jià)

1概述

1.1　我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈利用的基本情況

我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈年理論資源量約為8.4億噸，可收集的資源量約為7億噸，其中稻草、麥草和玉米稈的理論資源量約為6.3億噸，可收集的資源量約為5億噸，占秸稈可收集資源量的70%以上[1- 3].秸稈主要分布在遼寧、吉林、黑龍江、山東、江蘇、安徽、江西、四川、河南、河北、湖南、湖北、內(nèi)蒙古13個(gè)糧食主產(chǎn)省(區(qū))，這些省(區(qū))所產(chǎn)生的秸稈約占全國(guó)秸稈可收集資源量的73%以上[1,3].在中央2015年一號(hào)文件《關(guān)于加大改革創(chuàng)新力度加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的若干意見(jiàn)》的鼓舞下，我國(guó)農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)能力將不斷增強(qiáng)，農(nóng)業(yè)秸稈可收集資源量將逐年增加，但隨著農(nóng)民生活水平的提高和生活方式的改變，農(nóng)業(yè)秸稈民用消耗量逐年下降.因此，我國(guó)農(nóng)村的秸稈資源將更加豐富.

大量的秸稈資源既是一筆寶貴的財(cái)富，也給秸稈產(chǎn)區(qū)帶來(lái)如何利用秸稈資源的重大任務(wù).近10年來(lái)，政府和有關(guān)部門(mén)、行業(yè)做了很大努力，經(jīng)過(guò)政府政策引導(dǎo)和資金的扶持，已經(jīng)立項(xiàng)實(shí)施了一批以秸稈還田、秸稈發(fā)電、秸稈沼氣以及秸稈制板等秸稈資源利用的工程項(xiàng)目[2].但從已實(shí)施項(xiàng)目看，由于種種原因，這些項(xiàng)目沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，秸稈利用效果不佳，秸稈焚燒的現(xiàn)象普遍存在，在大量浪費(fèi)秸稈資源的同時(shí)，給大氣環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染[4]，也給交通安全帶來(lái)了巨大壓力.如何高效清潔、經(jīng)濟(jì)環(huán)保地綜合利用秸稈資源，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、減少資源浪費(fèi)和提高農(nóng)民收入意義重大，也引起了全國(guó)人民的關(guān)注和重視.制漿造紙工業(yè)的發(fā)展實(shí)踐證明，我國(guó)完全有能力實(shí)現(xiàn)秸稈清潔制漿造紙，并使秸稈清潔制漿造紙成為大量消耗農(nóng)業(yè)秸稈的最佳途徑.

1.2　農(nóng)業(yè)秸稈為我國(guó)造紙工業(yè)不斷發(fā)展提供豐富的纖維原料

從2012年起，我國(guó)紙和紙板年生產(chǎn)量和消費(fèi)量都已超過(guò)1億噸[5]；但目前我國(guó)人均年消費(fèi)紙和紙板量不到美國(guó)的1/3，因而隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，紙和紙板的需求量還將不斷增加；另一方面，我國(guó)造紙用植物纖維原料短缺，目前1/3的纖維原料要靠進(jìn)口，將來(lái)這種短缺程度會(huì)不斷加大.因此，保證造紙用植物纖維原料的供給是我國(guó)造紙工業(yè)的重大任務(wù)之一，而豐富的農(nóng)業(yè)秸稈正是可充分利用的造紙纖維原料[6- 8].

1.3　利用農(nóng)業(yè)秸稈清潔制漿造紙具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

在建國(guó)后至20世紀(jì)80年代中期，農(nóng)業(yè)秸稈曾經(jīng)是我國(guó)制漿造紙工業(yè)的主要原料，最高占造紙用原料的65%以上，為我國(guó)造紙工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)民的增收作出過(guò)重要貢獻(xiàn).但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)落后，農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙嚴(yán)重污染環(huán)境，在多年“農(nóng)業(yè)秸稈制漿等于污染”的社會(huì)輿論壓力下，我國(guó)逐漸關(guān)閉了一大批以農(nóng)業(yè)秸稈為原料的制漿造紙企業(yè)，使得秸稈清潔制漿造紙技術(shù)也得不到發(fā)展和重視.

目前用于制漿造紙的秸稈只有1 200萬(wàn)噸，只占全國(guó)秸稈可收集資源量的1.7%，占我國(guó)造紙?jiān)峡偭康?.8%[3]，可見(jiàn)利用秸稈清潔制漿造紙具有很大的發(fā)展空間.事實(shí)上，隨著現(xiàn)代制漿造紙技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)已研發(fā)出成功利用農(nóng)業(yè)秸稈清潔制漿造紙的多項(xiàng)技術(shù)體系，并已實(shí)現(xiàn)了工程化，如果從這些先進(jìn)技術(shù)體系中再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)選和集成，最終建立最佳的新技術(shù)體系應(yīng)用于農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙，利用農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的污染問(wèn)題就將基本解決.正常情況下，利用秸稈清潔制漿，每生產(chǎn)1 噸紙漿要消耗3~4 噸農(nóng)業(yè)秸稈，如果我國(guó)紙和紙板年總產(chǎn)量的1/3產(chǎn)量能利用秸稈生產(chǎn)，那每年將消耗1億多噸秸稈，在大量消耗農(nóng)業(yè)秸稈、減輕環(huán)境污染、提高農(nóng)民收入的同時(shí)，還能減輕造紙業(yè)對(duì)國(guó)外市場(chǎng)的依賴(lài)，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[9].

1.4　先進(jìn)技術(shù)體系的優(yōu)選方法

近30年來(lái)，我國(guó)一直在總結(jié)過(guò)去秸稈生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，分析并解決了秸稈制漿過(guò)程中造成的污染問(wèn)題，不斷進(jìn)行秸稈制漿工藝、技術(shù)及設(shè)備的改革，對(duì)每一操作單元，研究出多項(xiàng)適用于農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的先進(jìn)技術(shù).并通過(guò)逐項(xiàng)優(yōu)化與評(píng)價(jià)，最后建立利用秸稈制漿造紙的具有世界領(lǐng)先水平的清潔生產(chǎn)技術(shù)體系.

文中從以下幾方面對(duì)各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與評(píng)價(jià).

(1)參加優(yōu)化與評(píng)價(jià)的先進(jìn)技術(shù)基本條件：必須以農(nóng)業(yè)秸稈為原料制漿造紙；必須已實(shí)現(xiàn)了工程化，并已正常運(yùn)行；產(chǎn)能符合國(guó)家準(zhǔn)入政策，技術(shù)已通過(guò)主管部門(mén)或第三方的驗(yàn)收或鑒定.

(2)投資成本、運(yùn)行成本、產(chǎn)品質(zhì)量、化學(xué)品用量等的評(píng)價(jià).

(3)資源和能源消耗指標(biāo)的評(píng)價(jià)，包括用水量、裝機(jī)容量、蒸汽消耗及紙漿得率的評(píng)價(jià).

(4)對(duì)環(huán)境污染程度的評(píng)價(jià)，包括黑液產(chǎn)生量、黑液提取率、廢水產(chǎn)生量、污染物產(chǎn)生量、對(duì)大氣的影響程度及固體廢物的綜合利用程度等的評(píng)價(jià).

(5)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)，特別是行業(yè)專(zhuān)家的評(píng)價(jià)和企業(yè)的評(píng)價(jià).

2適用農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)法制漿先進(jìn)技術(shù)體系的優(yōu)選與評(píng)價(jià)

目前適用于農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)法制漿的先進(jìn)技術(shù)有：橫管式連續(xù)蒸煮制漿技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)“橫管連蒸”)、熱置換間歇蒸煮制漿技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)“熱置換蒸煮”)、熱置換立式連續(xù)蒸煮加疏解制漿技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)“立式連蒸+疏解”).還有其他制漿技術(shù)，但目前在行業(yè)中有影響力的是上述3項(xiàng).

2.1　橫管連蒸

橫管連蒸[10- 14]屬于高溫快煮的蒸煮設(shè)備，當(dāng)原料進(jìn)入密閉的蒸煮設(shè)備后，即被直接蒸汽迅速加熱到蒸煮溫度(160~175 ℃)，蒸煮周期短，根據(jù)原料品種、浸漬條件、成漿質(zhì)量的要求不同，蒸煮時(shí)間可調(diào)節(jié)，一般不超過(guò)1 h.

根據(jù)秸稈纖維的特點(diǎn)，我國(guó)通過(guò)自主創(chuàng)新，成功開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、以適應(yīng)秸稈草類(lèi)原料為主的、產(chǎn)能為150 t/d(年產(chǎn)5萬(wàn)噸)或以上的橫管連蒸，并配置濕法備料系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)近幾年的改進(jìn)提升，配置了智能化控制系統(tǒng)，采用最新的可編程控制(PLC)或集散控制器(DCS).其紙漿得率和設(shè)備運(yùn)行效率已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，是目前適用于農(nóng)業(yè)秸稈原料連續(xù)制漿的最好技術(shù)方法之一.目前我國(guó)已有幾十條濕法備料的橫管連蒸生產(chǎn)線在正常運(yùn)行.

橫管連蒸的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1)提高了秸稈纖維原料的備料質(zhì)量.利用先進(jìn)的濕法備料，除塵率可達(dá)到30%，比干濕法備料除塵率高1倍.除塵濾的提高有效地保護(hù)了后續(xù)工段的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了紙漿質(zhì)量.

(2)減少蒸煮的用堿量.比傳統(tǒng)的蒸煮方法每噸漿少用堿約20 kg，減輕了堿回收和環(huán)境污染的負(fù)荷.

(3)蒸煮速度快，耗汽量低.由于蒸煮壓力及溫度選擇準(zhǔn)確，蒸煮效率高，每噸漿的蒸汽耗量可達(dá)到1.3 噸，遠(yuǎn)低于國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)發(fā)布的《制漿造紙工業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》(簡(jiǎn)稱(chēng)“清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)”).

(4)保證成漿質(zhì)量和產(chǎn)量穩(wěn)定，并提高了成紙強(qiáng)度.

2.2　熱置換蒸煮

熱置換蒸煮[15- 19]是節(jié)能減排的立鍋間歇蒸煮制漿技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中通過(guò)蒸煮過(guò)程中藥液的置換作用，回用上鍋的熱能與化學(xué)品，大幅度降低蒸煮能耗和廢氣排放，縮短蒸煮周期，改善紙漿質(zhì)量.

目前已有多種形式的熱置換蒸煮，如快速熱置換加熱蒸煮(RDH)及其改進(jìn)版置換蒸煮系統(tǒng)(DDS)，是目前世界上最先進(jìn)的一種間歇式蒸煮技術(shù).與常規(guī)間歇蒸煮相比，DDS具有蒸煮周期短(180~240 min)、蒸煮消耗少(600~800 公斤蒸汽/噸漿)，用堿量低[13%~14% EA(以Na2O計(jì))]、蒸煮溫度低(保溫溫度160 ℃以下)，不存在臭氣排放(在全封閉狀態(tài)下進(jìn)行)等的節(jié)能減排優(yōu)點(diǎn).

但是DDS目前只應(yīng)用于木材及竹子原料的蒸煮制漿，我國(guó)多年來(lái)一直在研究如何把這一先進(jìn)間歇蒸煮技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)秸稈原料，并通過(guò)創(chuàng)新獲取秸稈原料間歇蒸煮制漿的節(jié)能減排新技術(shù)，取得了很好的科技成果，已成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能3萬(wàn)噸/年的工程能力.

2.3　立式連蒸+疏解

立式(塔式)連續(xù)蒸煮技術(shù)[20- 24]已是現(xiàn)代制漿工業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了間歇式蒸煮設(shè)備的裝鍋、送液、升溫、蒸煮、保溫及放料全過(guò)程在同一時(shí)間內(nèi)的連續(xù)化.并具有如下優(yōu)點(diǎn): 投資及運(yùn)行成本較低；能耗較低，且汽、電消耗均衡；易實(shí)現(xiàn)智能化控制，減少人工成本低；紙漿質(zhì)量均勻性好，并能保持與間歇蒸煮同樣的得率和紙漿強(qiáng)度.

立式連蒸已廣泛應(yīng)用于大型木漿廠.但在幾年前還從未在秸稈纖維原料制漿中應(yīng)用.這主要是由秸稈纖維的特性所導(dǎo)致的，應(yīng)用立式連蒸容易造成黑液黏度高，流動(dòng)性差易造成局部堵塞，纖維容易過(guò)煮而受破壞，紙漿質(zhì)量嚴(yán)重不均衡.

山東泉林紙業(yè)公司通過(guò)多年的實(shí)踐研究，把立式連蒸技術(shù)通過(guò)調(diào)整蒸煮工藝，創(chuàng)造性地應(yīng)用于秸稈制漿工程，確定了最佳的秸稈制漿蒸煮終點(diǎn)與高硬度漿的概念，最大限度保留了半纖維素，大幅度提高了紙漿硬度與得率，從而解決了立式蒸煮應(yīng)用于農(nóng)業(yè)秸稈制漿蒸煮過(guò)程的上述各項(xiàng)問(wèn)題.

泉林紙業(yè)公司又把熱置換技術(shù)應(yīng)用于立式蒸煮過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)蒸煮全過(guò)程的自動(dòng)化控制，形成了農(nóng)業(yè)秸稈熱置換立式連續(xù)蒸煮技術(shù)，成功應(yīng)用于本公司的年產(chǎn)30萬(wàn)噸的麥草漿生產(chǎn).

在麥草漿生產(chǎn)流程中增加了機(jī)械疏解，使高硬度紙漿纖維簇充分分離，保留了一定量的半纖維，制漿得率達(dá)到55%，比傳統(tǒng)麥草化學(xué)漿制漿得率增加了10個(gè)百分點(diǎn).這一制漿技術(shù)也是目前最適用于農(nóng)業(yè)秸稈制漿的先進(jìn)技術(shù)之一.

2.4　先進(jìn)技術(shù)體系的評(píng)價(jià)分析

根據(jù)先進(jìn)技術(shù)體系的優(yōu)選方法，并對(duì)照我國(guó)制漿造紙行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)上述3項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行逐項(xiàng)對(duì)比分析.

(1)基本條件

3項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)體系都是以農(nóng)業(yè)秸稈為原料，當(dāng)然，也可以用于其他草類(lèi)纖維原料，如蘆葦.除熱置換蒸煮外，橫管連蒸已應(yīng)用于幾十家制漿企業(yè)，產(chǎn)能均在5萬(wàn)噸/年或以上，最大產(chǎn)能10萬(wàn)噸/年[11]；立式連蒸+疏解目前已有多條生產(chǎn)線，在我國(guó)山東泉林紙業(yè)公司成功應(yīng)用多年，單條生產(chǎn)線產(chǎn)能已達(dá)5萬(wàn)噸/年以上[20,25].

把熱置換蒸煮放在對(duì)比分析之列，主要是這一技術(shù)的節(jié)能減排程度高，對(duì)造紙行業(yè)的誘惑力很大，應(yīng)繼續(xù)研發(fā)，突破工程化應(yīng)用這一瓶頸，實(shí)現(xiàn)從中試系統(tǒng)到規(guī)?；a(chǎn)的過(guò)渡.另外，3項(xiàng)技術(shù)體系都已通過(guò)省部級(jí)鑒定.

這里要說(shuō)明的是，下列表1至表3中的數(shù)據(jù)都取自于工廠實(shí)際生產(chǎn)線，其中關(guān)于熱置換蒸煮的數(shù)據(jù)取自于木漿生產(chǎn)線.

(2)投資及運(yùn)行成本的對(duì)比評(píng)價(jià)分析

3項(xiàng)先進(jìn)制漿技術(shù)的投資及運(yùn)行成本如表1所示.

表1　先進(jìn)制漿技術(shù)的投資及運(yùn)行成本1)

1)制漿生產(chǎn)線以年產(chǎn)能5萬(wàn)噸生產(chǎn)線為基準(zhǔn);“/Adt”表示每噸風(fēng)干漿，下同.

從表1中可以看出，如考慮投資及運(yùn)行成本，這3項(xiàng)先進(jìn)制漿技術(shù)處于同樣的水平.

(3)資源與能源消耗指標(biāo)的評(píng)價(jià)分析

資源與能源消耗指標(biāo)如表2所示.

表2先進(jìn)制漿技術(shù)的資源與能源消耗指標(biāo)

Table 2Resource and energy consumption index of advanced pulping technology

制漿技術(shù)取水量/(m3/Adt)用電量(包括備料及提取)/(kW·h/Adt)中壓蒸汽消耗量/(kg/Adt)漂白后紙漿得率/%橫管連蒸28~30550~600180045.0~46.0熱置換蒸煮≤30350~400700~80047.5~48.01)立式連蒸+疏解2356080055.0

1)與傳統(tǒng)蒸煮技術(shù)比提高了2~3個(gè)百分點(diǎn).

從表2中可以看出，立式連蒸+疏解制漿技術(shù)取水量較少，中壓蒸汽消耗量較低；而熱置換蒸煮的用電量及中壓蒸汽用量都較低.

(4)對(duì)環(huán)境影響程度的評(píng)價(jià)分析

先進(jìn)制漿技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響指標(biāo)如表3所示.

表3先進(jìn)制漿技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響指標(biāo)1)

Table 3Environmental impact indicators of advanced pulping technology

制漿技術(shù)黑液產(chǎn)生量/(m3/Adt)黑液提取率/%廢水產(chǎn)生量(包括備料)/(t/Adt)對(duì)大氣污染程度黑液固形物利用程度橫管連蒸7~108520沒(méi)有臭氣排放進(jìn)堿回收系統(tǒng)回收堿及熱能熱置換蒸煮7~98520在全封閉裝態(tài)下進(jìn)行,有臭氣排放收集系統(tǒng)進(jìn)堿回收系統(tǒng)回收堿和熱能立式連蒸+疏解8~99020沒(méi)有臭氣排放制有機(jī)肥料還田循環(huán)利用

1)以生產(chǎn)噸漿為基準(zhǔn).

由表3中可看出，從對(duì)環(huán)境的影響指標(biāo)考慮，3項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)處于同等水平.

3適用于農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿的先進(jìn)漂白技術(shù)體系的優(yōu)選與評(píng)價(jià)

目前，正用于農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿的先進(jìn)漂白技術(shù)有無(wú)元素氯漂白技術(shù)(ECF)、全無(wú)氯漂白技術(shù)(TCF)以及多段氧漂白技術(shù).

3.1　中濃無(wú)元素氯漂白技術(shù)

中濃無(wú)元素氯漂白技術(shù)[26- 32]已廣泛應(yīng)用于木材化學(xué)漿的漂白，而應(yīng)用于秸稈化學(xué)漿漂白是近些年才實(shí)施的.工程上常采用中濃二氧化氯(ClO2)漂白技術(shù)組成無(wú)元素氯漂白生產(chǎn)線.由于可吸附有機(jī)鹵化物(AOX)具有人們共知的毒性和對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重的有害影響，AOX的排放就成為農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿傳統(tǒng)方法氯漂白方法的主要污染源.而中濃無(wú)元素氯漂白可使農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿漂白廢水中的 AOX含量降低80%以上，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn).

高溫二氧化氯漂白、氣相二氧化氯漂白、催化二氧化氯漂白等新工藝是這一技術(shù)的新發(fā)展.秸稈化學(xué)漿中濃二氧化氯漂白具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)漂白效率高，二氧化氯加入量對(duì)紙漿白度存在最佳值，加入量小于1%就能獲得較高白度增值；

(2)漂白溫度不需太高，如適當(dāng)提高反應(yīng)溫度時(shí)，可縮短漂白時(shí)間，從而可節(jié)省蒸汽用量；

(3)可通過(guò)調(diào)節(jié)二氧化氯加入量來(lái)控制AOX產(chǎn)生量，保證廢水的達(dá)標(biāo)排放.

但二氧化氯漂白存在一定缺點(diǎn):一是二氧化氯易燃易爆，必須現(xiàn)場(chǎng)制造；二是易腐蝕，反應(yīng)設(shè)備要采用耐酸鋼或碳鋼板內(nèi)襯防酸磚，這些都增加了投資成本.

中濃二氧化氯漂白(工程中稱(chēng)為D段)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿，常按D-E-D(二氧化氯漂白-預(yù)處理-二氧化氯漂白)的漂序組成中濃二氧化氯漂白系統(tǒng)，實(shí)踐證明已顯示出很好的漂白效果.

3.2　全無(wú)氯漂白技術(shù)

中濃全無(wú)氯漂白技術(shù)[33- 37]主要是在應(yīng)用中濃氧漂白技術(shù)的基礎(chǔ)上，再采用過(guò)氧化氫(H2O2)漂白，并組成O-Q-P(氧漂白-預(yù)處理-過(guò)氧化氫漂白)中濃全無(wú)氯漂白系統(tǒng).近幾年，全無(wú)氯漂白技術(shù)由于具有不產(chǎn)生AOX的最大優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，已陸續(xù)應(yīng)用于秸稈化學(xué)漿的漂白，并取得了很好的效果，是目前對(duì)環(huán)境友好的最好漂白技術(shù)之一.中濃全無(wú)氯漂白技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)漂白過(guò)程不產(chǎn)生可吸附有機(jī)鹵化物AOX；

(2)漂白劑過(guò)氧化氫容易制備或購(gòu)買(mǎi)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，屬于對(duì)環(huán)境友好的漂白化學(xué)品；

(3)投資成本比中濃無(wú)元素氯漂白要低；

(4)漂白廢水可回用至前段氧脫木素段，實(shí)現(xiàn)逆流洗滌，大幅減少中段廢水排放.

近期發(fā)展了中濃壓力過(guò)氧化氫漂白，提高了紙漿漂白效果，建立了O-Q-P0的新型漂序，并已成功應(yīng)用于工程.中濃全無(wú)氯漂白技術(shù)的主要缺點(diǎn)是運(yùn)行成本隨過(guò)氧化氫的價(jià)格而波動(dòng)，相比中濃無(wú)元素氯漂白要高；另外壓力過(guò)氧化氫漂白塔也提高了制造成本.

3.3　中濃氧漂白技術(shù)

中濃氧漂白技術(shù)[38- 41]是國(guó)際公認(rèn)的對(duì)環(huán)境最友好的漂白技術(shù)，通常把設(shè)置于紙漿洗篩段之前的稱(chēng)為氧脫木素，設(shè)置于洗篩段之后的稱(chēng)為氧漂白.中濃氧漂白技術(shù)就是在經(jīng)過(guò)中濃氧脫木素段及洗篩后，再進(jìn)行一段中濃氧漂白或多段中濃氧漂白，組成紙漿漂白系統(tǒng)(O-O).

中濃氧漂白技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境友好，可真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn).但由于氧氣屬于溫和漂白劑，漂白后的紙漿白度不會(huì)太高；另外，必須帶壓漂白，壓力反應(yīng)塔的制造成本較高，加上制氧機(jī)電耗較大，因而運(yùn)行成本也不會(huì)太低.

3.4　先進(jìn)漂白技術(shù)體系的評(píng)價(jià)分析

對(duì)上述適用于農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿漂白的3項(xiàng)技術(shù)體系，仍舊從投資及運(yùn)行成本、資源和能源消耗指標(biāo)、對(duì)環(huán)境影響程度及技術(shù)成熟度方面進(jìn)行分析，并與我國(guó)制漿造紙行業(yè)清潔生產(chǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)照.

(1)先進(jìn)漂白技術(shù)的投資成本及運(yùn)行成本

上述3項(xiàng)先進(jìn)漂白技術(shù)投資成本及運(yùn)行成本的對(duì)比如表4 所示.

表4先進(jìn)漂白技術(shù)體系的投資成本及運(yùn)行成本1)

Table 4The investment and operation cost of advanced bleach technology

漂白技術(shù)投資成本/萬(wàn)元運(yùn)行成本/元化學(xué)品用量/(元/Adt)紙漿漂白白度增值/(%ISO)D0+Ep+D14200510170≥82O+Q+P03200595320~380≥80O0+O1250031015≤60

1)運(yùn)行成本中不計(jì)人工費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)；數(shù)據(jù)來(lái)源于年產(chǎn)5萬(wàn)噸漂白生產(chǎn)線的工程實(shí)際數(shù)據(jù).

從表4中可看出，投資成本方面中濃無(wú)元素氯漂白最高，其運(yùn)行成本也不低，但漂后制漿白度最高.投資成本最低的是中濃氧漂白，運(yùn)行成本和化學(xué)品費(fèi)用最低，但紙漿白度在60%ISO以下，基本屬于本色漿.

(2)先進(jìn)漂白技術(shù)的資源與能源消耗指標(biāo)

上述3項(xiàng)先進(jìn)漂白技術(shù)的資源與能源消耗指標(biāo)如表5所示.

表5先進(jìn)漂白技術(shù)的資源與能源消耗指標(biāo)1)

Table 5Resource and energy consumption index of advanced bleaching technology

漂白技術(shù)裝機(jī)容量/kW蒸汽消耗/(kg/Adt)紙漿損耗/%新鮮水用量/(m3/Adt)D0+Ep+D1690700330O+Q+P078012003~530O0+O16401000510

1)數(shù)據(jù)來(lái)源于年產(chǎn)5萬(wàn)噸漂白生產(chǎn)線的工程實(shí)際數(shù)據(jù).

從表5可以看出，中濃無(wú)元素氯漂白的裝機(jī)容量、蒸汽消耗、紙漿損耗等是最低的，如單純從能耗考慮，應(yīng)選擇這一技術(shù)作為秸稈化學(xué)漿漂白技術(shù).

(3)先進(jìn)漂白技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響指標(biāo)

先進(jìn)漂白技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響指標(biāo)如表6所示.

表6先進(jìn)漂白技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響指標(biāo)對(duì)照1)

Table 6Comparison of environmental index for advanced bleaching technology

漂白技術(shù)中段廢水量/(m3/Adt)COD產(chǎn)生量/(kg/Adt)AOX產(chǎn)生量/(kg/Adt)D0+Ep+D15075視ClO2用量而定,一般可控制≤0.6O+Q+P03036不產(chǎn)生AOXO0+O1進(jìn)堿回收不外排(如不進(jìn)堿回收20)進(jìn)堿回收不外排(如不進(jìn)堿回收20)不產(chǎn)生AOX

1)數(shù)據(jù)來(lái)源于年產(chǎn)5萬(wàn)噸漂白生產(chǎn)線的工程實(shí)際數(shù)據(jù).

由表6中可以看出，從對(duì)環(huán)境的影響程度看，中濃全無(wú)氯漂白與中濃氧漂白是最為環(huán)保的，這是考慮一項(xiàng)技術(shù)優(yōu)劣的關(guān)鍵之處.由于氧漂白洗滌水可逆流并直接進(jìn)堿回收系統(tǒng)，因此不外排廢水，表現(xiàn)更為環(huán)保.

4農(nóng)業(yè)秸稈制漿黑液處理技術(shù)的評(píng)價(jià)

4.1　對(duì)堿回收技術(shù)的評(píng)價(jià)

應(yīng)用堿回收技術(shù)[42- 46]處理堿法秸稈制漿黑液，至今應(yīng)是最有效的途徑.黑液通過(guò)堿回收系統(tǒng)既解決了黑液污染問(wèn)題，又回收堿和熱能供企業(yè)自用，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的體現(xiàn).經(jīng)過(guò)多年的研究時(shí)間，我國(guó)用于處理秸稈制漿黑液的堿回收技術(shù)正逐漸走向成熟.

但是由于堿回收技術(shù)本身的特點(diǎn)以及秸稈制漿黑液所具有的含硅量高、黏度大、流動(dòng)性差等特性，使秸稈制漿黑液的堿回收技術(shù)仍存在如下較難克服的問(wèn)題.

(1)投資大

堿回收系統(tǒng)工藝流程復(fù)雜、設(shè)備多、投資大、運(yùn)行費(fèi)用高.堿回收系統(tǒng)的建設(shè)投資接近化學(xué)漿生產(chǎn)線投資的一半.如一個(gè)年產(chǎn)5萬(wàn)噸的漿廠，建堿回收車(chē)間就需約1億元.堿回收系統(tǒng)具有顯著的規(guī)模效益，更適用于大型木竹漿廠.

(2)黑液提取率達(dá)不到理想值

黑液黏度大，濾水性遠(yuǎn)遜于木竹漿黑液，導(dǎo)致黑液提取率低，一般都在90%以下，比木竹漿的差10個(gè)百分點(diǎn).但仍有10%的黑液進(jìn)入廢水，給后續(xù)的廢水處理及環(huán)境帶來(lái)影響.

(3)堿回收率過(guò)低

由于黑液的特性及技術(shù)上的原因，堿回收率一般不超過(guò)80%，比木竹漿差近20個(gè)百分點(diǎn).

(4)能耗大，堿回收成本高

黑液黏度大，提取濃度低、溫度低，導(dǎo)致蒸發(fā)汽耗高；黑液含硅量高，導(dǎo)致蒸發(fā)器等設(shè)備結(jié)垢，影響蒸發(fā)效率，使送入燃燒爐的黑液濃度遠(yuǎn)低于木竹漿的，從而使系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，燃燒系統(tǒng)甚至還需要補(bǔ)充助燃油.上述情況使秸稈制漿黑液的堿回收系統(tǒng)能耗大，堿回收成本高.

因此，行業(yè)內(nèi)也有專(zhuān)家認(rèn)為，用堿回收技術(shù)處理秸稈制漿黑液還不是最好的方法[47].

4.2　秸稈制漿黑液的生物處理法

生物法處理秸稈制漿黑液[48- 49]一直以來(lái)都有一些研究成果，報(bào)道中對(duì)秸稈中性制漿黑液直接利用微生物對(duì)黑液發(fā)酵使其轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥.對(duì)堿性制漿黑液先進(jìn)行堿性中和，經(jīng)養(yǎng)分調(diào)配及pH調(diào)整后再進(jìn)行微生物發(fā)酵或飼料菌蛋白發(fā)酵，提取后的殘?jiān)瞥蓮?fù)合肥；或在堿性中和后以制漿黑液和麥糠為原料，通過(guò)菌種接種、厭氧酸化，兩次堆放腐化制得有機(jī)肥.生物處理法都是把黑液通過(guò)生物技術(shù)制成有機(jī)肥或復(fù)合肥還田，既消除了黑液污染，又實(shí)現(xiàn)了綜合利用廢棄物的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式.但這些技術(shù)由于處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所制成的肥料質(zhì)量和肥效又欠佳，只能適用于小型生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)，不適用于大中型秸稈制漿生產(chǎn)的黑液處理.

4.3　亞銨法高硬度漿制漿黑液的處理技術(shù)

近幾年我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)秸稈制漿獨(dú)創(chuàng)新型亞銨法制漿工藝及其制漿黑液生產(chǎn)有機(jī)肥的集成技術(shù)[50- 52].對(duì)含磺化木素及含鉀硫元素化合物的制漿黑液經(jīng)養(yǎng)分調(diào)整和蒸發(fā)濃縮，生產(chǎn)適應(yīng)不同農(nóng)作物品種的多種高效黃腐酸肥料，黃腐酸含量≥30%，有機(jī)質(zhì)含量≥40%，具有顯著的沃土增產(chǎn)、修復(fù)土壤的效果，真正達(dá)到循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式.

這一黑液處理技術(shù)基于秸稈亞銨法蒸煮工藝，生產(chǎn)高硬度漿(卡伯值24~50).在提高粗漿得率(60%以上)的同時(shí)改善紙漿過(guò)濾特性，增加黑液提取率.黑液經(jīng)蒸發(fā)濃縮，加入活性菌種進(jìn)行生化處理，加入有機(jī)輔料(木質(zhì)素及腐殖酸)和無(wú)機(jī)輔料(N、P、K元素等)，最終獲得黃腐酸肥料.

利用秸稈亞銨法制漿黑液生產(chǎn)黃腐酸肥料，既能解決秸稈制漿黑液治理問(wèn)題，又為農(nóng)業(yè)提供了新型高效有機(jī)肥，為實(shí)現(xiàn)造紙工業(yè)與農(nóng)業(yè)的有機(jī)鏈接和良性循環(huán)創(chuàng)造了條件.

本技術(shù)已成功在山東泉林紙業(yè)公司實(shí)施，值得進(jìn)一步優(yōu)化推廣[9,25].

5農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進(jìn)技術(shù)體系

根據(jù)上面對(duì)農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙各先進(jìn)技術(shù)的對(duì)比分析，便可確定農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進(jìn)技術(shù)體系.

農(nóng)業(yè)秸稈制漿的最佳先進(jìn)技術(shù)體系應(yīng)是立式連蒸+疏解，這一技術(shù)采用亞銨法生產(chǎn)高硬度(卡伯值24~50)粗漿后，經(jīng)洗滌提取黑液.由于漿硬度高，有利于洗滌和黑液提取，是目前秸稈制漿黑液提取率最高的，也有利于黑液的處理和制肥還田.洗滌后粗漿進(jìn)行打漿疏解，紙漿得率一般在60%以上，是化學(xué)法秸稈制漿中得率最高的.可以認(rèn)為，立式連蒸+疏解這一制漿技術(shù)是利用秸稈制漿的最佳先進(jìn)技術(shù).

農(nóng)業(yè)秸稈化學(xué)漿的最佳先進(jìn)漂白技術(shù)的選擇方面應(yīng)考慮對(duì)環(huán)境是否友好，絕不能產(chǎn)生有毒、有害物質(zhì)，特別是AOX，這是國(guó)際鑒別紙漿漂白技術(shù)的首要條件.根據(jù)這一要求，如生產(chǎn)低白度紙漿，就應(yīng)采用兩段氧漂白技術(shù).即O0+O1，白度≤60%ISO.如生產(chǎn)高白度紙漿，就應(yīng)該用全無(wú)氯氧氣漂白技術(shù)，即O+Q+P0，這兩種漂白方法完全是對(duì)環(huán)境友好的.考慮到漂白成本，更應(yīng)推薦使用O0+O1漂序，當(dāng)然要通過(guò)宣傳，爭(zhēng)取消費(fèi)者轉(zhuǎn)變消費(fèi)觀念，更多應(yīng)用低白度紙制品.

在選擇立式連蒸+疏解的亞銨法制漿技術(shù)基礎(chǔ)上，利用秸稈制漿黑液生產(chǎn)黃腐酸肥料還田，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，應(yīng)是黑液處理的最佳先進(jìn)技術(shù).通過(guò)上述優(yōu)選，最后得出農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進(jìn)技術(shù)體系.

由上述優(yōu)選出的先進(jìn)制漿、漂白及黑液處理技術(shù)，就集成了農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進(jìn)技術(shù)體系，其流程如圖1所示.流程圖中的農(nóng)業(yè)秸稈收儲(chǔ)在我國(guó)也已實(shí)施了先進(jìn)的農(nóng)業(yè)秸稈收儲(chǔ)方法，應(yīng)用先進(jìn)的收儲(chǔ)裝備.農(nóng)業(yè)秸稈制漿企業(yè)通過(guò)先進(jìn)秸稈收儲(chǔ)方法與裝備，不但收儲(chǔ)了制漿企業(yè)所需要的秸稈原料，也直接帶動(dòng)了秸稈原料豐富地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展與農(nóng)民增收，緩解了農(nóng)業(yè)人口的就業(yè)問(wèn)題[9].

圖1農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進(jìn)技術(shù)體系流程圖

Fig.1The advanced technological flow chart of pulp and papermaking using agricultural straw

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Foundation items: Supported by the Joint Fund of the National Natural Science Foundation of China-Guangdong Province(U1034005) and the National Program on Key Basic Research Project of China(973 Program)(2010CB227103)

Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(21476091)and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2014A030310145)

Optimization and Evaluation of Advanced Technologies Applied to

Pulp and Papermaking Using Agricultural Straw

ChenKe-fuTianXiao-junWangBinLiJun

(State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering∥New Technology and Equipment Research Centre of Pulp and Paper，

South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China)

Abstract:In May 2015，eight academicians of the Chinese Academy of Engineering and eight experts of China National Light Industry Council jointly offered a proposal entitled “Popularizing the Advanced Technological Mode of Pulp and Papermaking Using Agricultural Straw” to the Chinese government，which has attracted the attention of national authorities. This paper first discusses the advanced technology system containing the pulping，bleaching and black liquor treatment of agricultural straw，and then optimizes and evaluates the advanced technologies from the perspectives of resource and energy consumption，investment and running cost，pollution level，pulp quality and technology maturity. Thus，the advanced technological mode，which can be popularized and applied in the pulp and papermaking using agriculture straw,is obtained. This study provides theoretical basis and technological support for the above proposal.

Key words:agricultural straw;pulp and papermaking technology;optimization;evaluation

通信作者：? 雷利榮(1975-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事清潔生產(chǎn)與污染控制研究.E-mail: lrlei@scut.edu.cn

文章編號(hào)：1000- 565X(2015)10- 0140- 07 1000- 565X(2015)10- 0131- 09

作者簡(jiǎn)介：魏小蘭(1963-)，女，博士，副教授，主要從事多孔材料制備及功能研究.E-mail： xlwei@scut.edu.cn 陳賽艷(1983-)，女，博士生，主要從事廢水深度處理工藝研究.E-mail: ssdj1102@163.com

基金項(xiàng)目：*NSFC-廣東省人民政府聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1034005)：國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB227103)*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21476091)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014A030310145)；華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014ZM0071)

收稿日期：2014- 11- 07 2015- 01- 07

中圖分類(lèi)號(hào)：TS 721+.3

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.10.018