綠色聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的應(yīng)用研究

藍(lán)艷華譯，陸浩湉校

（廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所)，廣東 廣州 510316）

綠色聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的應(yīng)用研究

藍(lán)艷華譯，陸浩湉校

（廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所)，廣東 廣州 510316）

制糖；綠色聯(lián)產(chǎn)

1 前言

本文分析了利用蔗渣和甘蔗夾雜物聯(lián)產(chǎn)食糖、無(wú)水乙醇及發(fā)電的項(xiàng)目可行性。綠色聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的目標(biāo)是生產(chǎn)無(wú)水乙醇替代甲基叔丁基醚（MTBE）作為辛烷值，以推動(dòng)本國(guó)的汽油生產(chǎn)。通過(guò)研究產(chǎn)業(yè)的解決方案，分析不同替代品的優(yōu)劣。選擇方案如下：一是乙醇（無(wú)水）生產(chǎn)：保證滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的需求量約為35～46萬(wàn)升/年。在第一個(gè)20年的汽油需求增長(zhǎng)1.5%，且有剩余出口。二是食糖（原糖）生產(chǎn)：滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求量約為10000噸/年，剩余的出口。三是電力生產(chǎn)：滿(mǎn)足糖廠和種植園的需求，以及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的部分需求。本項(xiàng)目中最便宜的組合是一臺(tái)燃煤鍋爐和一臺(tái)抽氣式冷凝透平機(jī)，但考慮到非生產(chǎn)季節(jié)和混合燃料的水分，最終的配置建議是一臺(tái)鼓泡流化床鍋爐（BFBB）和一臺(tái)蒸汽抽氣式冷凝透平機(jī)。

甘蔗夾雜物的組成部分由于品種和收獲方式的不同而有很大的不同。根據(jù)對(duì)本項(xiàng)目的種植實(shí)驗(yàn)和農(nóng)業(yè)解決方案的研究，考慮如下：田間的總生物量，75%是收獲前清潔蔗莖，25%是蔗梢加上蔗葉（夾雜物、稻殼），將全部除雜的蔗莖送進(jìn)糖廠。由于土壤的特性和降雨，甘蔗夾雜物的54%送至糖廠，46%留在蔗地。這還可根據(jù)收割者的喜好而有所調(diào)整。清潔甘蔗中夾雜物的分類(lèi)含量表（詳見(jiàn)表1）。

表1 清潔甘蔗中夾雜物的分類(lèi)含量表

對(duì)甘蔗夾雜物的處理有2種可行性方案，一是夾雜物隨甘蔗全部送至糖廠壓榨，二是分離清除部分夾雜物加到蔗渣一起混合。甘蔗產(chǎn)量在第8個(gè)年頭達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，生物量平衡與本地電力需求量可見(jiàn)表2。

在第1種可行性方案中，蔗段壓榨前沒(méi)有去除夾雜物。加工這一生物量，設(shè)計(jì)壓榨能力為7500噸/天。而在第2種可行性方案中，甘蔗壓榨前，使用甘蔗干式清潔系統(tǒng)清除夾雜物。如果使用燃煤鍋爐，混合燃料的組分（蔗渣：夾雜物）比例將為9：1（或許最大比例為8：2）。如果使用流化床鍋爐（FBB），除雜分離率將會(huì)提高，可使壓榨量減少，約為70%，即是6000噸/天，而不是7500噸/天。

表2 甘蔗開(kāi)發(fā)項(xiàng)目和生物量平衡表

根據(jù)夾雜物的除雜分離率，將有不同的生物量分別送至壓榨機(jī)組。對(duì)3種不同的除雜分離率進(jìn)行研究，即是30%、50%和70%。此外，生物量的品質(zhì)還取決于夾雜物的分離。生物量的品質(zhì)是基于收獲時(shí)和夾雜物分離階段的生物量平衡來(lái)評(píng)估，詳見(jiàn)表3和表4。

表3 生物量的品質(zhì)

表4 生物量平衡

用源自SIMFAD軟件包的MOLINOS模型來(lái)模擬研究壓榨階段，以獲得穩(wěn)定的生產(chǎn)。使用轉(zhuǎn)數(shù)為5轉(zhuǎn)/分、66×33英寸的5座壓榨機(jī)，并用最后一道壓榨加對(duì)220%生物纖維含量的浸透水。過(guò)濾階段所需的蔗渣糠（bagacillo）要在生物量平衡中予以考慮。

若是達(dá)到70%的除雜分離率，這被評(píng)估為較好的結(jié)果。據(jù)悉，項(xiàng)目組當(dāng)中有研究人員保證：使用此種新技術(shù)能獲得上述應(yīng)用效果。這些評(píng)估對(duì)應(yīng)3種不同的混合燃料（蔗渣+夾雜物）組分（混合燃料分別含夾雜物10%，20%和30%）。分離組合不同，壓榨機(jī)組內(nèi)生物量的纖維和錘度也不同，計(jì)算出蔗渣的流量和纖維。在本項(xiàng)目中，蔗渣含水量為50%。

混合燃料價(jià)值是燃料的最大值，這隨甘蔗夾雜物的組分而定。燃料最大量是壓榨的蔗渣量加上分離的夾雜物，分別是499348噸、483442噸、481601噸和472684噸。除了滿(mǎn)足當(dāng)?shù)仉娏π枨笸?，還有燃料剩余。

本項(xiàng)目中的2種方案都增加了夾雜物的燃燒：在收獲期前后所有的甘蔗夾雜物都燃燒，只在非榨季期間儲(chǔ)存蔗渣。鼓泡流化床鍋爐（BFBB）是必要的，因?yàn)檎嵩膴A雜物不少于20%。如果使用燃煤鍋爐，我們就能預(yù)測(cè)生物量平衡，以限制混合燃料的夾雜物含量。在這種情況下，甘蔗夾雜物在非榨季期間達(dá)到8000噸～78000噸。在第三種情況下，蔗渣不足以混合。因此，很有必要使用夾雜物含量更高的混合燃料組分，以避免蔗渣不足的情況出現(xiàn)。

燃煤鍋爐能接受含20%的甘蔗夾雜物，而不會(huì)引起相關(guān)問(wèn)題。除蔗渣和夾雜物外，如果有必要，國(guó)內(nèi)還有5萬(wàn)噸充足的稻殼可用作燃料。

另一種替代方案是在壓榨后分離，正如蔗渣糠過(guò)濾，以及混合剩余的蔗渣和夾雜物一樣。蔗渣和夾雜物將儲(chǔ)存在非榨季期間，很可能在混合燃料中夾雜物含量最低。蔗渣儲(chǔ)存通常有2種方法：一是短時(shí)間覆蓋儲(chǔ)存，二是甘蔗收獲后，敞開(kāi)儲(chǔ)存。

CHP廠不僅為種植園和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的運(yùn)營(yíng)提供所需電力，而且還為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供部分電力。預(yù)計(jì)2016年CHP廠能為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸電9 MW，每年將提高6%，最高達(dá)到14 MW。

使用Excel模型預(yù)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程所需的蒸汽，以便獲得所有的物料和能量平衡。無(wú)論是燃煤鍋爐還是流化床鍋爐，初步估計(jì)每噸生物量產(chǎn)蒸汽2.2噸。背壓和抽氣式冷凝透平機(jī)每產(chǎn)生1 kWh蒸汽需6kg生物量。在項(xiàng)目的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，這些數(shù)值將會(huì)有更詳盡準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

對(duì)于鍋爐的選擇需要仔細(xì)考慮如下因素。

一是在榨季期間節(jié)約燃料（蒸汽/燃料比率高），以便可達(dá)到延長(zhǎng)運(yùn)作至非榨季期間。

二是多種燃料燃燒（蔗渣、甘蔗夾雜物、稻殼）。

三是預(yù)計(jì)在非榨季期間燃料水分高。

四是一整年（350天）的可持續(xù)運(yùn)作。

五是資本支出（CAPEX）盡可能低。

六是低消耗率。

項(xiàng)目需要安裝一個(gè)高壓鍋爐（67巴，485℃），以保證每噸混合燃料產(chǎn)生高壓蒸汽。這不僅能在榨季期間節(jié)約燃料，而且能延長(zhǎng)運(yùn)作。還考慮選用2種不同類(lèi)型的鍋爐，即鏈條鍋爐和鼓泡流化床鍋爐。

改進(jìn)爐膛對(duì)蔗渣等纖維素廢料來(lái)說(shuō)是極好的燃料室。它不僅能單獨(dú)作燃料，也能添加其他輔助燃料，如印度在移動(dòng)爐柵鍋爐中添加煤，適當(dāng)注意燃料中所含的水分，設(shè)計(jì)成熱量釋放，燃燒空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，預(yù)熱空氣溫度。印度的經(jīng)驗(yàn)是在移動(dòng)爐柵鍋爐中使用多種燃料，加高壓和高溫循環(huán)，這種方法值得推薦。這類(lèi)型的鍋爐允許夾雜物含量低的混合燃料，因此，對(duì)整個(gè)壓榨，或者是對(duì)除雜分離率低來(lái)說(shuō)，較簡(jiǎn)單方便，但需投入較高的破碎設(shè)備。

混合燃料含20%夾雜物，2個(gè)燃煤鍋爐（67巴，485℃）每小時(shí)各產(chǎn)生75噸蒸汽。本項(xiàng)目選用一臺(tái)背壓和一臺(tái)冷凝透平機(jī)。由于含有較高的夾雜物，選用一臺(tái)每小時(shí)產(chǎn)生150噸蒸汽的流化床鍋爐。在基本設(shè)計(jì)階段，必須考慮鍋爐的生產(chǎn)能力對(duì)全部工段的能量有效利用。為了使得在榨季和非榨季期間都能運(yùn)作，本項(xiàng)目還將會(huì)使用25 MW蒸汽抽氣式冷凝透平機(jī)。

流化床主要由一套噴嘴連接空氣貯箱組成，其功效是負(fù)責(zé)大量砂的流化，砂床的熱量使得砂床添加燃料氣化和燃燒。流動(dòng)床置于爐底，其大小足以處理大量平均含水量高達(dá)65%的燃料。這種鍋爐的爐內(nèi)產(chǎn)生大量的蒸汽，濕的燃料從砂床快速吸收大量的蒸汽得以干燥，卻又不影響爐內(nèi)的溫度。

該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是要控制好流化床的溫度和流體速度。流化床被設(shè)計(jì)在760℃～875℃之間運(yùn)行，而這一溫度值由不同量的流動(dòng)空氣和再循環(huán)氣控制。在這些條件下幾乎任何燃料都能燃燒。

空氣壓力鼓泡流化床鍋爐使用最常用的生物燃料。鼓泡流化床技術(shù)一般選用熱值較低的燃料。選用BFBB的有如下風(fēng)險(xiǎn)。

一是在糖業(yè)，這種使用蔗渣和夾雜物的混合燃料是新技術(shù)。

二是目前在本行業(yè)中沒(méi)有使用BFBB，要有足夠的時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證推薦。

三是成本較一般鍋爐高。

這項(xiàng)基于使用其他生物燃料的技術(shù)有如下優(yōu)勢(shì)。

一是能接受含較高水分的燃料。

二是能減少SO2和NOX的釋放。

三是具較高效率。

四是有較低的燃燒溫度（通常為750～850℃，1200℃的燃煤鍋爐）。

五是有更實(shí)際的設(shè)計(jì)。

最近，巴西的HPB SIMISA供應(yīng)商，在Babcock&Wilcox的許可下，安裝了3臺(tái)這樣的鍋爐聯(lián)產(chǎn)食糖和酒精。其中的2臺(tái)是產(chǎn)蒸汽150噸/小時(shí)的BFBB，另一臺(tái)是產(chǎn)蒸汽300噸/小時(shí)的BFBB，所有運(yùn)作都在68巴，520℃下。該供應(yīng)商提供的傳統(tǒng)爐柵鍋爐可以燃燒80%蔗渣+20%夾雜物含水量最大為53%的燃料，而在鼓泡流化床鍋爐可以燃燒80%蔗渣+20%夾雜物含水達(dá)65%的燃料，但他們?nèi)圆荒苡糜诤蟊壤龏A雜物和小比例蔗渣。

分析燃料的組分和灰分的特性是為了更好的設(shè)計(jì)鍋爐。在較高溫度時(shí)燃料中的氯氣能引起腐蝕。根據(jù)燃料灰分中氧化鉀和氧化鈣的含量，灰分的熔點(diǎn)降低，因此，要小心注意運(yùn)作溫度的控制，為維護(hù)流化床必須考慮清潔和循環(huán)/置換各種材料。

由于這些原因，鍋爐供應(yīng)商為這個(gè)項(xiàng)目已進(jìn)行一系列對(duì)蔗渣和夾雜物的分析（基本分析和化學(xué)分餾）。在甘蔗夾雜物中氯和鉀的含量最高。當(dāng)燃燒粒子逃離流化床時(shí)，低密度的燃料會(huì)增加鍋爐結(jié)垢。通過(guò)部分堿與硫結(jié)合，可能會(huì)抑制腐蝕化合物的生成，夾雜物的硫含量也低。由于氮含量較低，因此，預(yù)期沒(méi)有特別的NOX排放問(wèn)題。夾雜物中很多灰分的元素是活性的，即是易溶解的，這在溫度接近850℃時(shí)可導(dǎo)致溶化現(xiàn)象生成。由于很多農(nóng)業(yè)燃料，約20%二氧化硅也是有活性的，因而，項(xiàng)目將面臨的挑戰(zhàn)是流化床的凝聚和淀積物生成問(wèn)題。

由于燃料混合的風(fēng)險(xiǎn)不高，能夠在約750℃較低溫度的流化床上運(yùn)行。另一方面，足夠的砂能限制流化床熔化物的生成和積累。有效的煙灰吹氣能解決相關(guān)的低密度燃料問(wèn)題。預(yù)熱器是正確的選擇，此外，使用腐蝕緩和添加劑能減少高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

供應(yīng)商保證鍋爐能在整個(gè)榨季期間運(yùn)行，一年中僅僅是關(guān)停10～12天以做維護(hù)工作。鍋爐能達(dá)到25%～100%負(fù)荷（MCR）狀態(tài)運(yùn)行。過(guò)熱器一般是設(shè)計(jì)保證所需溫度在70%～100%負(fù)荷之間運(yùn)行。

從較高水平的可靠有效的維護(hù)（RAM）分析評(píng)估表明：在365天的運(yùn)行中，保證各種潛在需求的向外輸電。增加額外的蒸汽透平發(fā)電機(jī)，雖能節(jié)約成本，但不如增加10/12 MW柴油發(fā)電機(jī)更有效率。為了減少資本支出，因而，一年350天發(fā)電。當(dāng)?shù)氐碾娏矩?fù)責(zé)剩余2個(gè)星期里電力波動(dòng)時(shí)的用電。因此，最終的配置建議是一臺(tái)BFBB和一臺(tái)蒸汽抽氣式冷凝透平機(jī)。

最便宜的組合是一臺(tái)燃煤鍋爐和一臺(tái)抽氣式冷凝透平機(jī)；但考慮到非生產(chǎn)季節(jié)和混合燃料的水分，更佳的是選擇方案5，即一臺(tái)鼓泡流化床鍋爐（BFBB）和一臺(tái)抽氣式冷凝透平機(jī)，以保證甘蔗夾雜物盡可能燃燒完。

2 結(jié)論

由于天氣和土壤特性，為了這個(gè)項(xiàng)目所作的品種選擇，以便獲得預(yù)期的生物量平衡，達(dá)到更多的甘蔗夾雜物。故運(yùn)送大量的甘蔗夾雜物進(jìn)廠是要面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)，但這也是本項(xiàng)目的一個(gè)良機(jī)。

雖然，此前其他國(guó)家的一些研究表明，通過(guò)壓榨滲出可有效減少甘蔗夾雜物中堿、硫和氯的含量。但不推薦壓榨帶夾雜物的甘蔗，它會(huì)降低壓榨能力影響運(yùn)作、增加電力和維護(hù)，以及影響食糖品質(zhì)。

本項(xiàng)目的生產(chǎn)應(yīng)該安裝甘蔗夾雜物分離系統(tǒng)，以便降低壓榨能力和投資成本。在本案中，考慮到非生產(chǎn)期，燃料含水分較高，以及可能燃燒稻殼的原因，故推薦使用BFBB。

建議使用一臺(tái)抽氣式冷凝透平機(jī)，該透平機(jī)需要設(shè)計(jì)成能夠面對(duì)非榨季期間不同作物的運(yùn)作條件，主要是為了保證效率和在低壓時(shí)適當(dāng)冷卻。

為避免或減緩蔗渣的變質(zhì)，對(duì)于儲(chǔ)存地的大小和儲(chǔ)存措施等問(wèn)題極需好好的研究。

——本文摘譯自2015年第1期《International Sugar Journal》“Cogeneration issues in a Greenfield project”

L-阿拉伯糖

L-阿拉伯糖，又稱(chēng)樹(shù)膠醛糖、果膠糖;是一種戊醛糖。在自然界中L-阿拉伯糖很少以單糖形式存在，通常與其他單糖結(jié)合，以雜多糖的形式存在于膠質(zhì)、半纖維素、果膠酸、細(xì)菌多糖及某些糖苷中，其對(duì)熱和酸的穩(wěn)定性高。L-阿拉伯糖，一種新型的低熱量甜味劑，廣泛存在于水果和粗糧的皮殼中，從有機(jī)玉米芯中提取，280噸玉米芯提取500公斤，沒(méi)有工業(yè)化作業(yè)保持了物質(zhì)的天然性。因可以抑制人體腸道內(nèi)蔗糖酶的活性，從而具有了抑制蔗糖吸收的功效。

此外，L-阿拉伯糖還可以抑制身體脂肪堆積，可用于防治肥胖、高血壓、高血脂等疾病。在日本厚生省將L-阿拉伯糖列入“調(diào)節(jié)血糖的專(zhuān)用特殊保健食品添加劑”;美國(guó)醫(yī)療協(xié)會(huì)將L-阿拉伯糖列入“抗肥胖的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑或非處方藥”之后，我國(guó)衛(wèi)生部于2008年正式批準(zhǔn)L-阿拉伯糖為新資源食品，確認(rèn)了其在功能糖領(lǐng)域的重要地位。

L-阿拉伯糖是新型功能型健康糖，主要有五種功能：第一種功能是減肥、調(diào)節(jié)血糖;第二種功能是降血壓；第三種功能是排毒養(yǎng)顏；第四種功能是防止便秘；第五種功能是防治齲齒等。

TS249.9

B

2095-820X（2016）05-05

2016-09-22

藍(lán)艷華，女，副編審，主要從事科技信息情報(bào)和編輯出版工作，研究方向是生物工程和糖業(yè)。