0、導(dǎo)言
甘蔗是一種高光效的植物，是一種含有豐富糖分和纖維分的可持續(xù)性生物質(zhì)資源，甘蔗渣是甘蔗制糖的主要副產(chǎn)品。我國(guó)自上世紀(jì)80年代初開(kāi)展制糖生產(chǎn)的節(jié)能工作以來(lái)，通過(guò)合理優(yōu)化熱能利用方案，余熱利用等多種措施，我國(guó)制糖生產(chǎn)的平均煤耗對(duì)蔗比已從當(dāng)初的8%左右下降到目前的5%以下。甘蔗渣除滿足制糖生產(chǎn)的能源需要以外，還有大量剩余，按目前我國(guó)年產(chǎn)蔗糖1100萬(wàn)t測(cè)算，全國(guó)制糖企業(yè)每年可剩余甘蔗渣600～650萬(wàn)t。因此，甘蔗渣的綜合利用是甘蔗制糖企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)糖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。
1、甘蔗渣的特性及其綜合利用現(xiàn)狀
1.1甘蔗渣的組成與特點(diǎn)
1.1.1甘蔗渣的組分
甘蔗渣組成以纖維素、半纖維素、木質(zhì)素為主，含有少量的蛋白、淀粉和可溶性糖。甘蔗渣經(jīng)烘干后的成分見(jiàn)表1。
表一 甘蔗渣成分
|
成分 |
纖維素 |
半纖維素 |
木質(zhì)素 |
淀粉 |
灰分 |
可溶性糖 |
粗蛋白 |
糠醛酸 |
|
含量（%） |
35.4 |
20.6 |
18.6 |
1.5 |
8.3 |
2.8 |
3.8 |
3.3 |
1.1.2甘蔗渣的主要特點(diǎn)
制糖企業(yè)是季節(jié)性規(guī)模化生產(chǎn)，甘蔗渣具有來(lái)源集中、產(chǎn)量大、收集簡(jiǎn)單、運(yùn)輸半徑小，且甘蔗渣成分相對(duì)穩(wěn)定，性質(zhì)均一等特點(diǎn)，可滿足產(chǎn)業(yè)化所需的原料集中性、連續(xù)性和均一性要求。
1.2甘蔗渣的綜合利用現(xiàn)狀
由表1可見(jiàn)，甘蔗渣不僅是天然高分子材料、綠色化學(xué)品的寶庫(kù)，其中還蘊(yùn)藏著豐富的生物質(zhì)能，是一種可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)原料。國(guó)內(nèi)外制糖生產(chǎn)工作者都在探索甘蔗渣的綜合利用新途徑。
1.2.1國(guó)外利用情況
國(guó)外甘蔗渣利用途徑主要有：①作為燃料在鍋爐燃燒發(fā)電。如毛里求斯、巴西、印度、澳大利亞、泰國(guó)、古巴等許多甘蔗糖業(yè)國(guó)家制糖企業(yè)利用蔗渣作燃料發(fā)電，以滿足糖廠用能需要，并和電力公司聯(lián)網(wǎng)供電，或向附近農(nóng)莊供應(yīng)電力，以減少煤等其它資源的消耗，降低電力成本；②制漿造紙。1926年，美國(guó)人在美國(guó)露易斯安娜州用蔗渣生產(chǎn)紙漿制造紙板，開(kāi)始了蔗渣替代木材用于造紙行業(yè)的進(jìn)程。經(jīng)多年發(fā)展，目前蔗渣已成為利用最多的農(nóng)業(yè)作物纖維。目前，阿根廷、哥倫比亞、墨西哥、印度、澳大利亞等國(guó)利用蔗渣生產(chǎn)新聞紙及各類(lèi)文化紙，或者用漂白蔗渣漿混合漂白針葉木漿生產(chǎn)高質(zhì)量的銅版紙等；③生產(chǎn)動(dòng)物飼料。巴西、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的糖廠利用甘蔗渣通過(guò)高溫、高壓蒸煮膨化或經(jīng)發(fā)酵處理用作牛、羊、魚(yú)、蝦飼料；④生產(chǎn)人造板。甘蔗渣的化學(xué)成分與木材相似，是很好的制板原料。早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外盛產(chǎn)甘蔗糖的國(guó)家很多已建立起蔗渣碎粒板廠，如美國(guó)的Va-eherie廠，阿根廷的Tueuman廠，古巴的CienfuegooJ廠，廣泛用于建筑、貼面、包裝、中高檔家具制造、室內(nèi)裝修、音響板、活動(dòng)房屋等。
1.2.2國(guó)內(nèi)利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題
目前，國(guó)內(nèi)甘蔗渣的主要用途有：①作為鍋爐燃料燃燒發(fā)電。甘蔗渣傳統(tǒng)的處理方法主要是作為鍋爐燃料燃燒為制糖生產(chǎn)提供能源。在國(guó)內(nèi)制糖生產(chǎn)中，制糖耗標(biāo)煤對(duì)蔗比下降到5%時(shí)，制糖生產(chǎn)消耗的蔗渣量約為總蔗渣量的65%到70%;②制漿造紙。除了作為燃料外，甘蔗渣制漿和造紙是我國(guó)甘蔗制糖企業(yè)目前份額最大的利用途徑。目前，如云南臨滄9.5萬(wàn)t蔗渣漿紙項(xiàng)目，廣西農(nóng)墾糖業(yè)集團(tuán)年產(chǎn)20萬(wàn)t文化用紙項(xiàng)目，貴糖（集團(tuán)）股份有限公司蔗渣制漿擴(kuò)至20萬(wàn)t項(xiàng)目，來(lái)賓東糖集團(tuán)有公司10萬(wàn)t制漿造紙項(xiàng)目、廣西東亞糖業(yè)集團(tuán)10萬(wàn)t制漿造紙項(xiàng)目等，都是將集團(tuán)內(nèi)部剩余的甘蔗渣集中起來(lái)生產(chǎn)生活用紙，新聞紙等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：⑨生產(chǎn)人造板。甘蔗渣的化學(xué)成分與木材相似，是很好的制板原料。1982年廣州甘蔗糖業(yè)研究所陳景形、池風(fēng)昭等成功開(kāi)發(fā)了利用熱壓技術(shù)制造蔗渣碎粒板的生產(chǎn)線，廣東、廣西等省區(qū)已有多家糖廠建立了蔗渣碎粒板的生產(chǎn)線。蔗渣板主要應(yīng)用于家具、建筑模板、包裝箱、音箱等行業(yè).④生產(chǎn)綠色環(huán)保餐具等。如在廣西馬山縣雙飛綠色餐具廠以甘蔗渣為原料生產(chǎn)綠色餐具。近幾年，廣州廿蔗糖業(yè)研究所黃向陽(yáng)等與浙江寧波家聯(lián)塑料科技有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的“基于蔗渣和熱塑淀粉制備全生物降解餐具的研究”也已取得良好進(jìn)展。在生物煉制產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，甘蔗渣被用于開(kāi)發(fā)乙醇、生物柴油等可再生燃料，以及制備木糖、木糖醇、糠醛、活性炭等用途是目前熱門(mén)的研究課題。
盡管我國(guó)甘蔗渣的綜合利用已取得較大進(jìn)展，但仍然存在一些不足。主要問(wèn)題是：①我國(guó)制糖企業(yè)規(guī)模偏小而且分布較廣。目前全國(guó)有大小規(guī)模的糖廠300多家，分布在廣西，云南，廣東，海南，貴州等省、區(qū)。甘蔗渣的制漿造紙、生產(chǎn)人造板等利用目前主要集中在廣西、廣東等甘蔗糖廠比較集中、交通便利的地區(qū)，而在一些偏遠(yuǎn)地方的糖廠由于運(yùn)輸困難等原因，剩余的甘蔗渣尚未能得到有效合理的利用，甚至要丟棄或填埋處理，不但造成二次浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，影響了這部分糖廠節(jié)能的積極性；②目前各糖廠普遍存在的一個(gè)不合理現(xiàn)象是榨季生產(chǎn)一邊有大量的蔗渣剩余，一邊仍需燒掉大量薪柴。其原因是甘蔗糖廠是季節(jié)性生產(chǎn)，在開(kāi)機(jī)生產(chǎn)前和停產(chǎn)時(shí)必須將鍋爐緩慢升溫、降溫，以保證鍋爐安全運(yùn)行。在這2個(gè)過(guò)程中，燃煤、顆粒狀蔗渣和現(xiàn)有打包機(jī)打包出來(lái)的蔗渣都不能滿足烘爐過(guò)程中持續(xù)文火緩慢升、降溫的要求，必須燒薪柴才能滿足生產(chǎn)需要。例如廣東日榨分別為3000t和5000 t的2家糖廠，每個(gè)榨季開(kāi)機(jī)烘爐需用木柴分別是500 t和650 t。全國(guó)現(xiàn)有規(guī)模以上糖廠約300余家，每年開(kāi)機(jī)需用薪柴16～20萬(wàn)t；這個(gè)環(huán)節(jié)是我國(guó)甘蔗糖廠節(jié)能降耗和甘蔗渣綜合利用的盲點(diǎn)。不僅嚴(yán)重制約了糖廠生產(chǎn)的節(jié)能降耗，增加生產(chǎn)成本，而且每年還要砍伐大量的薪柴，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞；③新鮮的甘蔗渣是無(wú)規(guī)則松散顆粒，密度小，燃燒特性差，不方便運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用，制約了甘蔗渣作為生物質(zhì)能源方面的用途。
2、生物質(zhì)的固化成型技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀
2.1生物質(zhì)固化成型技術(shù)
固化成型是生物質(zhì)的一種物理轉(zhuǎn)換方式。生物質(zhì)固化就是將生物質(zhì)粉碎至一定的粒度，通過(guò)加壓、加熱方法，將原來(lái)分散、無(wú)定形的生物質(zhì)原料壓縮成形狀規(guī)則、密度較大的固體成型顆粒燃料。生物質(zhì)固化成型后，其密度、耐久性、燃燒特性都有了質(zhì)的改善，大大提高了燃料的品位，從而提高生物質(zhì)的利用效率，富通新能源專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)銷(xiāo)售
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備，秸稈顆粒機(jī)和秸稈壓塊機(jī)壓制的甘蔗蔗渣塊狀顆粒燃料如下圖所示：
2.2國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)的固化成型發(fā)展現(xiàn)狀
2.2.1國(guó)外發(fā)展情況
生物質(zhì)的固化成型技術(shù)主要著重于專(zhuān)用燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和生物質(zhì)成型物的應(yīng)用。國(guó)外從上世紀(jì)40年代就開(kāi)始了生物質(zhì)的成型技術(shù)研究開(kāi)發(fā)，目前國(guó)外（西歐、北美、日本等）生物質(zhì)致密成型技術(shù)已日臻成熟，生物質(zhì)致密成型顆粒燃料已經(jīng)商品化，廣泛應(yīng)用于供熱、取暖和發(fā)電領(lǐng)域，同時(shí)各國(guó)政府為促進(jìn)生物質(zhì)致密成型技術(shù)的發(fā)展提供了政策和資金上的支持（貼息、減稅等），生物質(zhì)能源近年發(fā)展迅速。目前已成功開(kāi)發(fā)的成型技術(shù)按成型物形狀分主要有3大類(lèi)：以日本為代表開(kāi)發(fā)的螺旋擠壓生產(chǎn)棒狀成型物技術(shù)；歐洲各國(guó)開(kāi)發(fā)的活塞式擠壓制成園柱塊狀成型技術(shù)；以及美國(guó)開(kāi)發(fā)研究的內(nèi)壓滾筒顆粒狀成型技術(shù)和設(shè)備。成型顆粒燃料應(yīng)用于2個(gè)方面：其一，進(jìn)一步炭化加工制成木炭棒或木炭塊，作為民用燒烤木炭或工業(yè)用木炭原料；其次，作為燃料直接燃燒，用于家庭或暖房取暖用燃料。日本、美國(guó)、加拿大等國(guó)家開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用爐灶，在北美有50萬(wàn)戶(hù)以上家庭使用這種專(zhuān)用爐灶作為取暖爐。
2.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況
我國(guó)生物質(zhì)的固化技術(shù)起步于上世紀(jì)80年代。通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)機(jī)型，經(jīng)消化、吸收和對(duì)生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)進(jìn)行科技攻關(guān)，研制出各種類(lèi)型適合我國(guó)國(guó)情的生物質(zhì)壓縮成型機(jī)，用以生產(chǎn)棒狀、塊狀或顆粒狀生物質(zhì)成型顆粒燃料，現(xiàn)已有商業(yè)化應(yīng)用。目前，我國(guó)生物質(zhì)的固化成型技術(shù)已成功應(yīng)用于木屑、秸桿鋸末、花生殼、玉米棒等生物質(zhì)材料的固化成型，而固化成型技術(shù)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甘蔗渣固化成型工藝
甘蔗經(jīng)破碎和壓榨提取蔗汁后剩下顆粒狀的甘蔗渣，不需破碎即可進(jìn)行干燥壓縮成型。甘蔗渣固化成型工藝為：蔗渣→干燥→壓縮成型。
3.1.1蔗渣干燥
新鮮甘蔗渣的水分在48%～50%之間，首先要把甘蔗渣干燥至到12%左右的含水率，才能很好地將甘蔗渣固化成型，否則蔗渣中過(guò)多的水分會(huì)在加熱擠壓過(guò)程中受熱蒸發(fā)汽化，汽化所產(chǎn)生的蒸汽因不能及時(shí)從成型筒排出，造成生物質(zhì)成型塊出模開(kāi)裂，表面粗糙，成型失敗。同時(shí)，成型機(jī)預(yù)熱原料的一部分熱量消耗在多余的水分上，增加壓縮成型的能源消耗。蔗渣的干燥可采用煙道氣干燥+高溫?zé)煔舛?jí)干燥。糖廠鍋爐煙道氣溫度在160～180℃之間，仍具有很大的熱能利用價(jià)值。鍋爐煙道氣干燥甘蔗渣的流程為：通過(guò)引風(fēng)機(jī)將煙道氣從鍋爐尾部煙道抽出送入干燥器，蔗渣在干燥器內(nèi)受到熱煙氣產(chǎn)生的吹力而處于懸浮狀態(tài)，蔗渣與煙道氣充分地混合，蒸發(fā)去大量的水分，從而使蔗渣烘干。干燥后的蔗渣通過(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離回收，經(jīng)充分換熱后的煙道氣回到煙道排走。經(jīng)煙道氣干燥后蔗渣的水分可降到40%以下，蔗渣脫水率達(dá)20%左右，約占需干燥水分總量的50%。其余的水分需抽取更高溫度的爐膛煙氣或其它熱源進(jìn)行干燥。
3.1.2甘蔗渣壓縮成型
蔗渣干燥至合適的水分后即可進(jìn)行壓縮成型，按壓縮工藝不同，可采用熱壓成型或冷壓成型。
熱壓成型是目前普遍采用的一種生物質(zhì)致密成型工藝。如表1所示，甘蔗渣除了含有豐富的纖維素外，還含有18.6%的木質(zhì)素。木質(zhì)素沒(méi)有熔點(diǎn)但有軟化點(diǎn)，當(dāng)溫度為120～160℃時(shí)，木質(zhì)素中的可溶物即開(kāi)始溶化，木質(zhì)素在180℃即會(huì)軟化和塑化，這時(shí)加以一定壓力使其與纖維素緊密粘連并與相鄰顆粒相互膠結(jié)。甘蔗渣的熱壓成型，就是以蔗渣加熱后的木質(zhì)素為粘結(jié)劑，纖維素、半纖維素為“骨架”，在一定的溫度和壓力等工藝條件下把碎散的蔗渣壓制成具有固定幾何形狀的規(guī)格型體。適合甘蔗渣熱壓成型的成型機(jī)分別有活塞沖壓式成型機(jī)和螺旋擠壓式成型機(jī)：活塞沖壓式成型機(jī)的成型溫度在160～220℃之間，其產(chǎn)品為塊狀；螺旋擠壓式成型機(jī)最佳成型溫度為220～220℃，其產(chǎn)品為棒狀。
冷壓成型工藝不需要外部加熱，對(duì)原料含水率要求較寬，但是由于原料沒(méi)有加熱軟化，成型時(shí)所需壓力較加熱成型大。如輥模擠壓式成型機(jī)，該成型方式原料最大含水率可達(dá)22%左右，成型壓力在20～50 MPa之間。
3.2蔗渣棒品質(zhì)的控制
蔗渣壓縮成型除了提高其燃料特性外，還需要滿足使用、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏等要求。所以在甘蔗渣成型的各種品質(zhì)中，除燃燒特性外，蔗渣棒的物理特性是最重要的品質(zhì)特性，而松弛密度和耐久性是衡量成型塊物理品質(zhì)特性的2個(gè)重要指標(biāo)。
3.2.1松弛密度
甘蔗渣壓縮成型出模后，由于彈性變形和應(yīng)力松弛，其密度逐漸減小，一定時(shí)間后密度趨于穩(wěn)定，此時(shí)甘蔗渣塊的密度稱(chēng)為松弛密度。松弛密度是決定蔗渣棒物理性能和燃燒性能的一個(gè)重要指標(biāo)。可以通過(guò)以下2種途徑提高蔗渣棒的松弛密度：①通過(guò)適宜的壓縮時(shí)間控制成型塊在模具內(nèi)壓縮時(shí)的應(yīng)力松弛和彈性變形，以減少蔗渣棒出模后壓縮密度的減小；②適當(dāng)提高蔗渣壓縮成型的壓力、溫度，最大限度地降低成型塊內(nèi)部的空隙率增強(qiáng)結(jié)合力。
3.2.2耐久性
耐久性反映了蔗渣棒的粘結(jié)性能。耐久性又具體細(xì)化為抗變形性、抗跌碎性、抗?jié)L碎性、抗?jié)B水性和抗吸濕性等特性，這些物理特性體現(xiàn)了蔗渣棒的使用性能和運(yùn)輸、貯藏性能方面的性能指標(biāo)。蔗渣棒的耐久性主要由其壓縮條件及松弛密度決定，其影響因素包括：蔗渣的粒度、含水率、成型壓力、加熱溫度等。
4、結(jié)語(yǔ)
甘蔗生長(zhǎng)周期短，一年一造，產(chǎn)量豐富，甘蔗渣含有豐富的纖維分，灰分少，不含S02，是一種清潔、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)發(fā)展的生物質(zhì)能源。固化成型是甘蔗渣生物質(zhì)能的一種物理轉(zhuǎn)換方式，甘蔗渣經(jīng)干燥、壓縮成型后，其密度、耐久性、燃燒特性都有了質(zhì)的改善，大大提高了蔗渣的品位，方便運(yùn)輸和儲(chǔ)存。經(jīng)固化成型的甘蔗渣可用于以下用途：①代替薪柴用于糖廠鍋爐開(kāi)、停機(jī)養(yǎng)爐，以解決糖廠一方面有大量的蔗渣剩余，另一方面又要燃燒大量薪柴的矛盾；②解決當(dāng)?shù)鼐用竦挠媚軉?wèn)題。我國(guó)的甘蔗糖廠很多處于邊遠(yuǎn)地區(qū)，甘蔗種植者都居住在缺電少能的邊遠(yuǎn)山區(qū)，生活用能都是以薪柴為主。甘蔗渣經(jīng)固化成型后，運(yùn)輸和儲(chǔ)存方便，可就地供應(yīng)給當(dāng)?shù)氐木用窈透收岱N植者，滿足其生活用能和燃料需要以減少薪柴砍伐量，保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)甘蔗種植的可持續(xù)發(fā)展。③壓縮成型的蔗渣棒還可以進(jìn)一步炭化加工制成木炭棒或木炭塊，以滿足市場(chǎng)對(duì)木炭的需求。
（轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明：富通新能源甘蔗蔗渣秸稈顆粒機(jī)
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