甘蔗渣的特性及综合利用现状.pdf

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1、甘蔗渣的特性及综合利用现状 926 年，美国人在美国露易斯安娜州用蔗渣生产纸浆制造纸板，开始了蔗渣替代木材用于造纸行业的进程。经多年发展，目前蔗渣已成为利用最多的农业作物纤维。目前，阿根廷、哥伦比亚、墨西哥、印度、澳大利亚等国利用蔗渣生产新闻纸及各类文化纸，或者用漂白蔗渣浆混合漂白针叶木浆生产高质量的铜版纸等;?生产动物饲料。巴西、美国、澳大利亚等国家的糖厂利用甘蔗渣通过高温、高压蒸煮膨化或经发酵处理用作牛、羊、鱼、虾饲料2-3;?生产人造板。甘蔗渣的化学成分与木材相似，是很好的制板原料。早在20 世纪 60 年代，国外盛产甘蔗糖的国家很多已建立起蔗渣碎粒板厂，如美国的Va-eherie厂，阿

2、根廷的 Tueuman 厂，古巴的CienfuegooJ厂，广泛用于建筑、贴面、包装、中高档家具制造、室内装修、音响板、活动房屋等5。1 国内利用现状及存在的问题 目前，国内甘蔗渣的主要用途有:?作为锅炉燃料燃烧发电。甘蔗渣传统的处理方法主要是作为锅炉燃料燃烧为制糖生产提供能源。在国内制糖生产中，制糖耗标煤对蔗比下降到5%时，制糖生产消耗的蔗渣量约为总蔗渣量的65%到 70%;?制浆造纸。除了作为燃料外，甘蔗渣制浆和造纸是我国甘蔗制糖企业目前份额最大的利用途径。目前，如云南临沧9.5 万 t 蔗渣浆纸项目，广西农垦糖业集团年产20 万 t文化用纸项目，贵糖(集团)股份有限公司蔗渣制浆扩至20

3、万 t 项目，来宾东糖集团有公司 10 万 t 制浆造纸项目、广西东亚糖业集团10 万 t 制浆造纸项目等5，都是将集团内部剩余的甘蔗渣集中起来生产生活用纸，新闻纸等，取得了良好的经济效益和社会效益;?生产人造板。甘蔗渣的化学成分与木材相似，是很好的制板原料。1982 年广州甘蔗糖业研究所陈景形、池风昭等成功开发了利用热压技术制造蔗渣碎粒板的生产线5，广东、广西等省区已有多家糖厂建立了蔗渣碎粒板的生产线。蔗渣板主要应用于家具、建筑模板、包装箱、音箱等行业6;?生产绿色环保餐具等。如在广西马山县双飞绿色餐具厂以甘蔗渣为原料生产绿色餐具2。近几年，广州甘蔗糖业研究所黄向阳等与浙江宁波家联塑料科技有

4、限公司联合开发的“基于蔗渣和热塑淀粉制备全生物降解餐具的研究”也已取得良好进展。在生物炼制产业发展背景下，甘蔗渣被用于开发乙醇、生物柴油等可再生燃料，以及制备木糖、木糖醇、糠醛、活性炭等用途是目前热门的研究课题2,7-9。尽管我国甘蔗渣的综合利用已取得较大进展，但仍然存在一些不足。主要问题是:?我国制糖企业规模偏小而且分布较广。目前全国有大小规模的糖厂 300 多家，分布在广西，云南，广东，海南，贵州等省、区。甘蔗渣的制浆造纸、生产人造板等利用目前主要集中在广西、广东等甘蔗糖厂比较集中、交通便利的地区，而在一些偏远地方的糖厂由于运输困难等原因，剩余的甘蔗渣尚未能得到有效合理的利用，甚至要丢弃或

5、填埋处理，不但造成二次浪费，还会对环境造成污染，影响了这部分糖厂节能的积极性;?目前各糖厂普遍存在的一个不合理现象是榨季生产一边有大量的蔗渣剩余，一边仍需烧掉大量薪柴。其 原因是甘蔗糖厂是季节性生产，在开机生产前和停产时必须将锅炉缓慢升温、降温，以保证锅炉安全运行。在这 2 个过程中，燃煤、颗粒状蔗渣和现有打包机打包出来的蔗渣都不能满足烘炉过程中持续文火缓慢升、降温的要求，必须烧薪柴才能满足生产需要。例如广东日榨分别为 3000t 和 5000t 的 2 家糖厂，每个榨季开机烘炉需用木柴分别是 500t 和 650t。全国现有规模以上糖厂约 300 余家，每年开机需用薪柴 16,20 万 t;

6、这个环节是我国甘蔗糖厂节能降耗和甘蔗渣综合利用的盲点。不仅严重制约了糖厂生产的节能降耗，增加生产成本，而且每年还要砍伐大量的薪柴，对当地生态环境造成严重的破坏;?新鲜的甘蔗渣是无规则松散颗粒，密度小，燃烧特性差，不方便运输、储存和使用，制约了甘蔗渣作为生物质能源方面的用途。2 生物质的固化成型技术及发展现状 2.1 生物质固化成型技术 固化成型是生物质的一种物理转换方式。生物质固化就是将生物质粉碎至一定的粒度，通过加压、加热方法，将原来分散、无定形的生物质原料压缩成形状规则、密度较大的固体成型燃料。生物质固化成型后，其密度、耐久性、燃烧特性都有了质的改善，大大提高了燃料的品位，从而提高生物质的

7、利用效率。2.2 国内外生物质的固化成型发展现状 2.2.1 国外发展情况生物质的固化成型技术主要着重于专用燃烧设备的设计和生物质成型物的应用。国外从上世纪 40 年代就开始了生物质的成型技术研究开发，目前国外(西欧、北美、日本等)生物质致密成型技术已日臻成熟，生物质致密成型燃料已经商品化，广泛应用于供热、取暖和发电领域，同时各国政府为促进生物质致密成型技术的发展提供了政策和资金上的支持(贴息、减税等)，生物质能源近年发展迅速。目前已成功开发的成型技术按成型物形状分主要有 3 大类:以日本为代表开发的螺旋挤压生产棒状成型物技术;欧洲各国开发的活塞式挤压制成园柱块状成型技术;以及美国开发研究的内

8、压滚筒颗粒状成型技术和设备。成型燃料应用于 2 个方面:其一，进一步炭化加工制成木炭棒或木炭块，作为民用烧烤木炭或工业用木炭原料;其次，作为燃料直接燃烧，用于家庭或暧房取暧用燃料。日本、美国、加拿大等国家开发了专用炉灶，在北美有 50 万户以上家庭使用这种专用炉灶作为取暧炉10-14。2.2.2 国内发展情况我国生物质的固化技术起步于上世纪 80 年代。通过引进国外先进机型，经消化、吸收和对生物质压缩成型技术进行科技攻关，研制出各种类型适合我国国情的生物质压缩成型机，用以生产棒状、块状或颗粒状生物质成型燃料，现已有商业化应用 10-14。目前，我国生物质的固化成型技术已成功应用于木屑、秸杆锯末

9、、花生壳、玉米棒等生物质材料的固化成型，而固化成型技术在甘蔗渣的利用方面仍然是空白。3 甘蔗渣的固化成型 3.1 甘蔗渣固化成型工艺甘蔗经破碎和压榨提取蔗汁后剩下颗粒状的甘蔗渣，不需破碎即可进行干燥压缩成型。3.1.1 蔗渣干燥新鲜甘蔗渣的水分在 48%,50%之间，首先要把甘蔗渣干燥至到12%左右的含水率，才能很好地将甘蔗渣固化成型，否则蔗渣中过多的水分会在加热挤压过程中受热蒸发汽化，汽化所产生的蒸汽因不能及时从成型筒排出，造成生物质成型块出模开裂，表面粗糙，成型失败。同时，成型机预热原料的一部分热量消耗在多余的水分上，增加压缩成型的能源消耗。蔗渣的干燥可采用烟道气干燥+高温烟气二级干燥。糖

10、厂锅炉烟道气温度在 160,180?之间15，仍具有很大的热能利用价值。锅炉烟道气干燥甘蔗渣的流程为:通过引风机将烟道气从锅炉尾部烟道抽出送入干燥器，蔗渣在干燥器内受到热烟气产生的吹力而处于悬浮状态，蔗渣与烟道气充分地混合，蒸发去大量的水分，从而使蔗渣烘干。干燥后的蔗渣通过旋风分离器进行分离回收，经充分换热后的烟道气回到烟道排走。经烟道气干燥后蔗渣的水分可降到 40%以下8,15-18，蔗渣脱水率达 20,左右，约占需干燥水分总量的 50%。其余的水分需抽取更高温度的炉膛烟气或其它热源进行干燥。3.1.2 甘蔗渣压缩成型蔗渣干燥至合适的水分后即可进行压缩成型，按压缩工艺不同，可采用热压成型或冷

11、压成型。热压成型是目前普遍采用的一种生物质致密成型工艺。如表 1 所示，甘蔗渣除了含有丰富的纤维素外，还含有 18.6%的木质素。木质素没有熔点但有软化点，当温度为 120,160?时,木质素中的可溶物即开始溶化，木质素在 180?即会软化和塑化，这时加以一定压力使其与纤维素紧密粘连并与相邻颗粒相互胶结。甘蔗渣的热压成型，就是以蔗渣加热后的木质素为粘结剂，纤维素、半纤维素为“骨架”，在一定的温度和压力等工艺条件下把碎散的蔗渣压制成具有固定几何形状的规格型体。适合甘蔗渣热压成型的成型机分别有活塞冲压式成型机和螺旋挤压式成型机:活塞冲压式成型机的成型温度在 160,220?之间，其产品为块状;螺旋

12、挤压式成型机最佳成型温度为 220,220?，其产品为棒状。冷压成型工艺不需要外部加热，对原料含水率要求较宽，但是由于原料没有加热软化，成型时所需压力较加热成型大。如辊模挤压式成型机，该成型方式原料最大含水率可达 22%左右，成型压力在 20,50MPa 之间。3.2 蔗渣棒品质的控制 蔗渣压缩成型除了提高其燃料特性外，还需要满足使用、运输、储藏等要求。所以在甘蔗渣成型的各种品质中，除燃烧特性外，蔗渣棒的物理特性是最重要的品质特性，而松弛密度和耐久性是衡量成型块物理品质特性的 2 个重要指标。3.2.1 松弛密度甘蔗渣压缩成型出模后，由于弹性变形和应力松弛，其密度逐渐减小，一定时间后密度趋于稳

13、定，此时甘蔗渣块的密度称为松弛密度。松弛密度是决定蔗渣棒物理性能和燃烧性能的一个重要指标。可以通过以下 2 种途径提高蔗渣棒的松弛密度:?通过适宜的压缩时间控制成型块在模具内压缩时的应力松弛和弹性变形，以减少蔗渣棒出模后压缩密度的减小;?适当提高蔗渣压缩成型的压力、温度，最大限度地降低成型块内部的空隙率增强结合力。3.2.2 耐久性耐久性反映了蔗渣棒的粘结性能。耐久性又具体细化为抗变形性、抗跌碎性、抗滚碎性、抗渗水性和抗吸湿性等特性，这些物理特性体现了蔗渣棒的使用性能和运输、贮藏性能方面的性能指标。蔗渣棒的耐久性主要由其压缩条件及松弛密度决定，其影响因素包括:蔗渣的粒度、含水率、成型压力、加热

14、温度等。4 结语 甘蔗生长周期短，一年一造，产量丰富。甘蔗渣含有丰富的纤维分，灰分少，不含 SO2，是一种清洁、优质、可持续发展的生物质能源。固化成型是甘蔗渣生物质能的一种物理转换方式，甘蔗渣经干燥、压缩成型后，其密度、耐久性、燃烧特性都有了质的改善，大大提高了蔗渣的品位，方便运输和储存。经固化成型的甘蔗渣可用于以下用途:?代替薪柴用于糖厂锅炉开、停机养炉，以解决糖厂一方面有大量的蔗渣剩余，另一方面又要燃烧大量薪柴的矛盾;?解决当地居民的用能问题。我国的甘蔗糖厂很多处于边远地区，甘蔗种植者都居住在缺电少能的边远山区，生活用能都是以薪柴为主。甘蔗渣经固化成型后，运输和储存方便，可就地供应给当地的居民和甘蔗种植者，满足其生活用能和燃料需要以减少薪柴砍伐量，保护当地的生态环境，实现甘蔗种植的可持续发展。?压缩成型的蔗渣棒还可以进一步炭化加工制成木炭棒或木炭块，以满足市场对木炭的需求。