陳克復(fù)　田曉俊　王斌　李軍

(華南理工大學 制漿造紙工程國家重點實驗室∥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)秸稈制漿造紙所實施的先進技術(shù)體系的優(yōu)選與評價*

陳克復(fù)田曉俊?王斌李軍

(華南理工大學 制漿造紙工程國家重點實驗室∥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)的中國工程院8位院士和中國輕工業(yè)聯(lián)合會8位專家聯(lián)合向國家建議“推廣先進技術(shù)模式利用農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙”，得到國家主管部門的重視.文中通過對農(nóng)業(yè)秸稈化學法制漿、農(nóng)業(yè)秸稈化學漿的漂白、農(nóng)業(yè)秸稈制漿黑液的處理方式等先進技術(shù)體系的論述，從資源及能源消耗、投資及運行成本、對環(huán)境的污染程度、紙漿質(zhì)量及技術(shù)成熟度等來優(yōu)選和評價各項先進技術(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；評價

1概述

1.1　我國農(nóng)業(yè)秸稈利用的基本情況

我國農(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個糧食主產(chǎn)省(區(qū))，這些省(區(qū))所產(chǎn)生的秸稈約占全國秸稈可收集資源量的73%以上[1,3].在中央2015年一號文件《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》的鼓舞下，我國農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)能力將不斷增強，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富，也給秸稈產(chǎn)區(qū)帶來如何利用秸稈資源的重大任務(wù).近10年來，政府和有關(guān)部門、行業(yè)做了很大努力，經(jīng)過政府政策引導(dǎo)和資金的扶持，已經(jīng)立項實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目[2].但從已實施項目看，由于種種原因，這些項目沒有達到預(yù)期效果，秸稈利用效果不佳，秸稈焚燒的現(xiàn)象普遍存在，在大量浪費秸稈資源的同時，給大氣環(huán)境帶來了嚴重污染[4]，也給交通安全帶來了巨大壓力.如何高效清潔、經(jīng)濟環(huán)保地綜合利用秸稈資源，對促進農(nóng)業(yè)發(fā)展、加強環(huán)境保護、減少資源浪費和提高農(nóng)民收入意義重大，也引起了全國人民的關(guān)注和重視.制漿造紙工業(yè)的發(fā)展實踐證明，我國完全有能力實現(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，我國紙和紙板年生產(chǎn)量和消費量都已超過1億噸[5]；但目前我國人均年消費紙和紙板量不到美國的1/3，因而隨著我國國民經(jīng)濟的發(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，我國造紙用植物纖維原料短缺，目前1/3的纖維原料要靠進口，將來這種短缺程度會不斷加大.因此，保證造紙用植物纖維原料的供給是我國造紙工業(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)濟和社會效益

在建國后至20世紀80年代中期，農(nóng)業(yè)秸稈曾經(jīng)是我國制漿造紙工業(yè)的主要原料，最高占造紙用原料的65%以上，為我國造紙工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)民的增收作出過重要貢獻.但由于當時技術(shù)落后，農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙嚴重污染環(huán)境，在多年“農(nóng)業(yè)秸稈制漿等于污染”的社會輿論壓力下，我國逐漸關(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1 200萬噸，只占全國秸稈可收集資源量的1.7%，占我國造紙原料總量的4.8%[3]，可見利用秸稈清潔制漿造紙具有很大的發(fā)展空間.事實上，隨著現(xiàn)代制漿造紙技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過多年的努力，我國已研發(fā)出成功利用農(nóng)業(yè)秸稈清潔制漿造紙的多項技術(shù)體系，并已實現(xiàn)了工程化，如果從這些先進技術(shù)體系中再經(jīng)過進一步的優(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，還能減輕造紙業(yè)對國外市場的依賴，提高經(jīng)濟和社會效益[9].

1.4　先進技術(shù)體系的優(yōu)選方法

近30年來，我國一直在總結(jié)過去秸稈生產(chǎn)的經(jīng)驗，分析并解決了秸稈制漿過程中造成的污染問題，不斷進行秸稈制漿工藝、技術(shù)及設(shè)備的改革，對每一操作單元，研究出多項適用于農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的先進技術(shù).并通過逐項優(yōu)化與評價，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各項先進技術(shù)進行優(yōu)化與評價.

(1)參加優(yōu)化與評價的先進技術(shù)基本條件：必須以農(nóng)業(yè)秸稈為原料制漿造紙；必須已實現(xiàn)了工程化，并已正常運行；產(chǎn)能符合國家準入政策，技術(shù)已通過主管部門或第三方的驗收或鑒定.

(2)投資成本、運行成本、產(chǎn)品質(zhì)量、化學品用量等的評價.

(3)資源和能源消耗指標的評價，包括用水量、裝機容量、蒸汽消耗及紙漿得率的評價.

(4)對環(huán)境污染程度的評價，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、對大氣的影響程度及固體廢物的綜合利用程度等的評價.

(5)技術(shù)成熟度評價，特別是行業(yè)專家的評價和企業(yè)的評價.

2適用農(nóng)業(yè)秸稈化學法制漿先進技術(shù)體系的優(yōu)選與評價

目前適用于農(nóng)業(yè)秸稈化學法制漿的先進技術(shù)有：橫管式連續(xù)蒸煮制漿技術(shù)(簡稱“橫管連蒸”)、熱置換間歇蒸煮制漿技術(shù)(簡稱“熱置換蒸煮”)、熱置換立式連續(xù)蒸煮加疏解制漿技術(shù)(簡稱“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.

2.1　橫管連蒸

橫管連蒸[10- 14]屬于高溫快煮的蒸煮設(shè)備，當原料進入密閉的蒸煮設(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，蒸煮時間可調(diào)節(jié)，一般不超過1 h.

根據(jù)秸稈纖維的特點，我國通過自主創(chuàng)新，成功開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、以適應(yīng)秸稈草類原料為主的、產(chǎn)能為150 t/d(年產(chǎn)5萬噸)或以上的橫管連蒸，并配置濕法備料系統(tǒng)，經(jīng)過近幾年的改進提升，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)備運行效率已達到國際先進水平，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.目前我國已有幾十條濕法備料的橫管連蒸生產(chǎn)線在正常運行.

橫管連蒸的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下4個方面：

(1)提高了秸稈纖維原料的備料質(zhì)量.利用先進的濕法備料，除塵率可達到30%，比干濕法備料除塵率高1倍.除塵濾的提高有效地保護了后續(xù)工段的正常運轉(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)境污染的負荷.

(3)蒸煮速度快，耗汽量低.由于蒸煮壓力及溫度選擇準確，蒸煮效率高，每噸漿的蒸汽耗量可達到1.3 噸，遠低于國家發(fā)展與改革委員會發(fā)布的《制漿造紙工業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》(簡稱“清潔生產(chǎn)評價指標”).

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

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，其中通過蒸煮過程中藥液的置換作用，回用上鍋的熱能與化學品，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)及其改進版置換蒸煮系統(tǒng)(DDS)，是目前世界上最先進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)]、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)下進行)等的節(jié)能減排優(yōu)點.

但是DDS目前只應(yīng)用于木材及竹子原料的蒸煮制漿，我國多年來一直在研究如何把這一先進間歇蒸煮技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)秸稈原料，并通過創(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，已成功實現(xiàn)了產(chǎn)能3萬噸/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、保溫及放料全過程在同一時間內(nèi)的連續(xù)化.并具有如下優(yōu)點: 投資及運行成本較低；能耗較低，且汽、電消耗均衡；易實現(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，流動性差易造成局部堵塞，纖維容易過煮而受破壞，紙漿質(zhì)量嚴重不均衡.

山東泉林紙業(yè)公司通過多年的實踐研究，把立式連蒸技術(shù)通過調(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)秸稈制漿蒸煮過程的上述各項問題.

泉林紙業(yè)公司又把熱置換技術(shù)應(yīng)用于立式蒸煮過程，并實現(xiàn)蒸煮全過程的自動化控制，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)30萬噸的麥草漿生產(chǎn).

在麥草漿生產(chǎn)流程中增加了機械疏解，使高硬度紙漿纖維簇充分分離，保留了一定量的半纖維，制漿得率達到55%，比傳統(tǒng)麥草化學漿制漿得率增加了10個百分點.這一制漿技術(shù)也是目前最適用于農(nóng)業(yè)秸稈制漿的先進技術(shù)之一.

2.4　先進技術(shù)體系的評價分析

根據(jù)先進技術(shù)體系的優(yōu)選方法，并對照我國制漿造紙行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標，對上述3項先進技術(shù)進行逐項對比分析.

(1)基本條件

3項先進技術(shù)體系都是以農(nóng)業(yè)秸稈為原料，當然，也可以用于其他草類纖維原料，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5萬噸/年或以上，最大產(chǎn)能10萬噸/年[11]；立式連蒸+疏解目前已有多條生產(chǎn)線，在我國山東泉林紙業(yè)公司成功應(yīng)用多年，單條生產(chǎn)線產(chǎn)能已達5萬噸/年以上[20,25].

把熱置換蒸煮放在對比分析之列，主要是這一技術(shù)的節(jié)能減排程度高，對造紙行業(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，實現(xiàn)從中試系統(tǒng)到規(guī)?；a(chǎn)的過渡.另外，3項技術(shù)體系都已通過省部級鑒定.

這里要說明的是，下列表1至表3中的數(shù)據(jù)都取自于工廠實際生產(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)投資及運行成本的對比評價分析

3項先進制漿技術(shù)的投資及運行成本如表1所示.

表1　先進制漿技術(shù)的投資及運行成本1)

1)制漿生產(chǎn)線以年產(chǎn)能5萬噸生產(chǎn)線為基準;“/Adt”表示每噸風干漿，下同.

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

(3)資源與能源消耗指標的評價分析

資源與能源消耗指標如表2所示.

表2先進制漿技術(shù)的資源與能源消耗指標

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個百分點.

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)對環(huán)境影響程度的評價分析

先進制漿技術(shù)對環(huán)境的影響指標如表3所示.

表3先進制漿技術(shù)對環(huán)境的影響指標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)對大氣污染程度黑液固形物利用程度橫管連蒸7~108520沒有臭氣排放進堿回收系統(tǒng)回收堿及熱能熱置換蒸煮7~98520在全封閉裝態(tài)下進行,有臭氣排放收集系統(tǒng)進堿回收系統(tǒng)回收堿和熱能立式連蒸+疏解8~99020沒有臭氣排放制有機肥料還田循環(huán)利用

1)以生產(chǎn)噸漿為基準.

由表3中可看出，從對環(huán)境的影響指標考慮，3項先進技術(shù)處于同等水平.

3適用于農(nóng)業(yè)秸稈化學漿的先進漂白技術(shù)體系的優(yōu)選與評價

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

3.1　中濃無元素氯漂白技術(shù)

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

(1)漂白效率高，二氧化氯加入量對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，如適當提高反應(yīng)溫度時，可縮短漂白時間，從而可節(jié)省蒸汽用量；

(3)可通過調(diào)節(jié)二氧化氯加入量來控制AOX產(chǎn)生量，保證廢水的達標排放.

但二氧化氯漂白存在一定缺點:一是二氧化氯易燃易爆，必須現(xiàn)場制造；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(工程中稱為D段)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)秸稈化學漿，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)，實踐證明已顯示出很好的漂白效果.

3.2　全無氯漂白技術(shù)

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

(1)漂白過程不產(chǎn)生可吸附有機鹵化物AOX；

(2)漂白劑過氧化氫容易制備或購買，物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，屬于對環(huán)境友好的漂白化學品；

(3)投資成本比中濃無元素氯漂白要低；

(4)漂白廢水可回用至前段氧脫木素段，實現(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.中濃全無氯漂白技術(shù)的主要缺點是運行成本隨過氧化氫的價格而波動，相比中濃無元素氯漂白要高；另外壓力過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]是國際公認的對環(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為氧脫木素，設(shè)置于洗篩段之后的稱為氧漂白.中濃氧漂白技術(shù)就是在經(jīng)過中濃氧脫木素段及洗篩后，再進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)點是對環(huán)境友好，可真正實現(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，加上制氧機電耗較大，因而運行成本也不會太低.

3.4　先進漂白技術(shù)體系的評價分析

對上述適用于農(nóng)業(yè)秸稈化學漿漂白的3項技術(shù)體系，仍舊從投資及運行成本、資源和能源消耗指標、對環(huán)境影響程度及技術(shù)成熟度方面進行分析，并與我國制漿造紙行業(yè)清潔生產(chǎn)的評價指標進行對照.

(1)先進漂白技術(shù)的投資成本及運行成本

上述3項先進漂白技術(shù)投資成本及運行成本的對比如表4 所示.

表4先進漂白技術(shù)體系的投資成本及運行成本1)

Table 4The investment and operation cost of advanced bleach technology

漂白技術(shù)投資成本/萬元運行成本/元化學品用量/(元/Adt)紙漿漂白白度增值/(%ISO)D0+Ep+D14200510170≥82O+Q+P03200595320~380≥80O0+O1250031015≤60

1)運行成本中不計人工費、設(shè)備折舊費；數(shù)據(jù)來源于年產(chǎn)5萬噸漂白生產(chǎn)線的工程實際數(shù)據(jù).

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

(2)先進漂白技術(shù)的資源與能源消耗指標

上述3項先進漂白技術(shù)的資源與能源消耗指標如表5所示.

表5先進漂白技術(shù)的資源與能源消耗指標1)

Table 5Resource and energy consumption index of advanced bleaching technology

漂白技術(shù)裝機容量/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)來源于年產(chǎn)5萬噸漂白生產(chǎn)線的工程實際數(shù)據(jù).

從表5可以看出，中濃無元素氯漂白的裝機容量、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)作為秸稈化學漿漂白技術(shù).

(3)先進漂白技術(shù)對環(huán)境的影響指標

先進漂白技術(shù)對環(huán)境的影響指標如表6所示.

表6先進漂白技術(shù)對環(huán)境的影響指標對照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進堿回收不外排(如不進堿回收20)進堿回收不外排(如不進堿回收20)不產(chǎn)生AOX

1)數(shù)據(jù)來源于年產(chǎn)5萬噸漂白生產(chǎn)線的工程實際數(shù)據(jù).

由表6中可以看出，從對環(huán)境的影響程度看，中濃全無氯漂白與中濃氧漂白是最為環(huán)保的，這是考慮一項技術(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)的評價

4.1　對堿回收技術(shù)的評價

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.黑液通過堿回收系統(tǒng)既解決了黑液污染問題，又回收堿和熱能供企業(yè)自用，是循環(huán)經(jīng)濟的體現(xiàn).經(jīng)過多年的研究時間，我國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)本身的特點以及秸稈制漿黑液所具有的含硅量高、黏度大、流動性差等特性，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、運行費用高.堿回收系統(tǒng)的建設(shè)投資接近化學漿生產(chǎn)線投資的一半.如一個年產(chǎn)5萬噸的漿廠，建堿回收車間就需約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)黑液提取率達不到理想值

黑液黏度大，濾水性遠遜于木竹漿黑液，導(dǎo)致黑液提取率低，一般都在90%以下，比木竹漿的差10個百分點.但仍有10%的黑液進入廢水，給后續(xù)的廢水處理及環(huán)境帶來影響.

(3)堿回收率過低

由于黑液的特性及技術(shù)上的原因，堿回收率一般不超過80%，比木竹漿差近20個百分點.

(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低于木竹漿的，從而使系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，燃燒系統(tǒng)甚至還需要補充助燃油.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)也有專家認為，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]一直以來都有一些研究成果，報道中對秸稈中性制漿黑液直接利用微生物對黑液發(fā)酵使其轉(zhuǎn)化為有機肥.對堿性制漿黑液先進行堿性中和，經(jīng)養(yǎng)分調(diào)配及pH調(diào)整后再進行微生物發(fā)酵或飼料菌蛋白發(fā)酵，提取后的殘渣制成復(fù)合肥；或在堿性中和后以制漿黑液和麥糠為原料，通過菌種接種、厭氧酸化，兩次堆放腐化制得有機肥.生物處理法都是把黑液通過生物技術(shù)制成有機肥或復(fù)合肥還田，既消除了黑液污染，又實現(xiàn)了綜合利用廢棄物的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式.但這些技術(shù)由于處理時間過長，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)

近幾年我國對農(nóng)業(yè)秸稈制漿獨創(chuàng)新型亞銨法制漿工藝及其制漿黑液生產(chǎn)有機肥的集成技術(shù)[50- 52].對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，真正達到循環(huán)經(jīng)濟發(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)的同時改善紙漿過濾特性，增加黑液提取率.黑液經(jīng)蒸發(fā)濃縮，加入活性菌種進行生化處理，加入有機輔料(木質(zhì)素及腐殖酸)和無機輔料(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題，又為農(nóng)業(yè)提供了新型高效有機肥，為實現(xiàn)造紙工業(yè)與農(nóng)業(yè)的有機鏈接和良性循環(huán)創(chuàng)造了條件.

本技術(shù)已成功在山東泉林紙業(yè)公司實施，值得進一步優(yōu)化推廣[9,25].

5農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進技術(shù)體系

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

農(nóng)業(yè)秸稈制漿的最佳先進技術(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.洗滌后粗漿進行打漿疏解，紙漿得率一般在60%以上，是化學法秸稈制漿中得率最高的.可以認為，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技術(shù).

農(nóng)業(yè)秸稈化學漿的最佳先進漂白技術(shù)的選擇方面應(yīng)考慮對環(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)該用全無氯氧氣漂白技術(shù)，即O+Q+P0，這兩種漂白方法完全是對環(huán)境友好的.考慮到漂白成本，更應(yīng)推薦使用O0+O1漂序，當然要通過宣傳，爭取消費者轉(zhuǎn)變消費觀念，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，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟模式，應(yīng)是黑液處理的最佳先進技術(shù).通過上述優(yōu)選，最后得出農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進技術(shù)體系.

由上述優(yōu)選出的先進制漿、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)秸稈收儲在我國也已實施了先進的農(nóng)業(yè)秸稈收儲方法，應(yīng)用先進的收儲裝備.農(nóng)業(yè)秸稈制漿企業(yè)通過先進秸稈收儲方法與裝備，不但收儲了制漿企業(yè)所需要的秸稈原料，也直接帶動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)問題[9].

圖1農(nóng)業(yè)秸稈制漿造紙的最佳先進技術(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：1000- 565X(2015)10- 0140- 07 1000- 565X(2015)10- 0131- 09

作者簡介：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

基金項目：*NSFC-廣東省人民政府聯(lián)合基金資助項目(U1034005)：國家“973”計劃項目(2010CB227103)*國家自然科學基金資助項目(21476091)；廣東省自然科學基金資助項目(2014A030310145)；華南理工大學中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014ZM0071)

收稿日期：2014- 11- 07 2015- 01- 07

中圖分類號：TS 721+.3

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