生物精煉在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用
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生物質(zhì)是自然界中廣泛存在的、數(shù)量最豐富的有機(jī)原料，是一種可再生資源，從農(nóng)林資源到水生植物，甚至包括一些特定的工農(nóng)業(yè)廢棄物和城市垃圾。生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是消耗量僅次于石油、煤和天然氣等傳統(tǒng)礦物能源的第四大能源，是人類賴以生存的、可再生的綠色能源。生物精煉(biorefinery)可最大化地利用生物質(zhì)資源以滿足人們對生物質(zhì)產(chǎn)品和能源需求的，符合人類可持續(xù)發(fā)展的要求，目前主要包括生物發(fā)酵、提取分離、綠色制漿、熱解、氣化等技術(shù)。人類對生物質(zhì)資源的利用已有幾千年的歷史，但往往效率低下、污染嚴(yán)重，隨著石油化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，生物質(zhì)資源的利用也趨于緩慢。然而，20世紀(jì)70年生中東戰(zhàn)爭引發(fā)的全球性能源短缺，以及人類對石油等資源的無節(jié)制開發(fā)利用所導(dǎo)致的傳統(tǒng)礦物資源的日益枯竭，使人們開始重新重視包括生物質(zhì)能源在內(nèi)的可再生能源的開發(fā)利用研究，同時，由石油化工產(chǎn)業(yè)所帶來的環(huán)境問題也使得我們開發(fā)利用環(huán)境友好的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)有較好的前景［1］。生物精煉技術(shù)可以將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為各種生物質(zhì)燃料、生物質(zhì)材料、生物質(zhì)化學(xué)品和生物質(zhì)能源等，使生物質(zhì)資源和能源得到充分、高效的開發(fā)和利用，同時又不造成對環(huán)境的污染;既滿足人們當(dāng)前對化學(xué)品、材料和能源等各方面的需求，又符合可持續(xù)發(fā)展的要求。圖1是生物質(zhì)精煉產(chǎn)業(yè)所生產(chǎn)的多樣性產(chǎn)品數(shù)量的一種保守估計。如圖2所示，生物精煉技術(shù)可實現(xiàn)生物質(zhì)能源、生物質(zhì)材料、生物質(zhì)化學(xué)品、生物質(zhì)燃料與生物質(zhì)之間的可持續(xù)循環(huán)，是一項高效率、低成本、綠色無污染的技術(shù)［。20世紀(jì)70年代開始，生物質(zhì)資源的開發(fā)利用已成為世界性的熱點問題，其研究主要集中在生物質(zhì)能源、生物質(zhì)化學(xué)品和生物質(zhì)材料的開發(fā)利用方面。許多國家都制定了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃:美國國會于2000年6月通過了《生物質(zhì)研發(fā)法案》，2002年提出了《生物質(zhì)技術(shù)路線圖》，計劃到2020年使生物質(zhì)能源和生物質(zhì)產(chǎn)品較2000年增加20倍，達(dá)到能源總消費量的25%(2050年達(dá)到50%)，每年減少碳排放量1億t和增加農(nóng)民收入200億美元的目標(biāo);歐盟于1997年發(fā)表了白皮書《能源的未來:可再生能源》，2002年發(fā)表了綠皮書《歐盟能源供應(yīng)安全戰(zhàn)略》，計劃到2020年歐盟的生物質(zhì)燃料替代20%的化學(xué)燃料;其他國家，如中國、日本、印度、巴西等國也紛紛投入大量的人力和資金從事生物質(zhì)資源的研究開發(fā)。美國現(xiàn)有100多個生物質(zhì)乙醇工廠，2006年美國燃料乙醇產(chǎn)量已達(dá)約50億加侖;歐盟是全世界目前生物柴油發(fā)展最好的地區(qū)，2005年歐盟生物柴油總產(chǎn)量已達(dá)320萬t。2000年我國開始了燃料乙醇試點工作，目前年生產(chǎn)能力已達(dá)102萬t，現(xiàn)已在東北三省、河南、安徽、河北、山東、江蘇、湖北等省的27個地區(qū)完成乙醇汽油試點工作;中國林科院林化所在北京、安徽蕪湖等地建立了年處理能力達(dá)幾千噸的木材熱解系統(tǒng)。這些都表明了生物精煉具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和戰(zhàn)略意義，是現(xiàn)實可行、環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展之路。盡管如此，目前生物精煉仍主要處于研究和發(fā)展階段，其大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用仍面臨一些困難。
2生物精煉在傳統(tǒng)制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用
2．1傳統(tǒng)制漿造紙工業(yè)模式所面臨的問題
傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)就是一些以大量生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品，如紙漿、紙板或其他纖維素產(chǎn)品的企業(yè)，它們的主要特點是輸入的原料量和化學(xué)品很多，所消耗的能源巨大。然而，它們唯一的產(chǎn)出物只是纖維素類產(chǎn)品，原料的利用率低，能源的使用效率也較低，同時還產(chǎn)生大量的污染物和廢棄物，如不加以處理，將會對生態(tài)環(huán)境造成巨大的負(fù)面影響。由于優(yōu)良制漿造紙原料的短缺、石油等傳統(tǒng)資源價格的持續(xù)上漲，勞動力成本的上升，以及全球化競爭所帶來的巨大壓力，傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)面臨著前所未有的困難。一些企業(yè)紛紛采取了各種措施，如發(fā)展高得率的制漿造紙技術(shù)、促進(jìn)林紙一體化、國外建造工廠降低生產(chǎn)成本以及開拓新的市場空間來擺脫這種困境，并收到了一定的成效。然而，這些并不能從根本上改變傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)對原料、資源和能源的嚴(yán)重依賴性，也不能徹底改變對生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響。工廠將原木轉(zhuǎn)變成基于纖維素的制漿造紙產(chǎn)品的這種老的商業(yè)模式已不適用。目前，歐洲、北美的一些企業(yè)，如UPM、IP、Georgia－Pa-cific等，都已經(jīng)制定了從傳統(tǒng)制漿造紙廠轉(zhuǎn)型為生物質(zhì)精煉廠的戰(zhàn)略。在未來，幾乎每個北美的制漿造紙廠都將生產(chǎn)生物質(zhì)汽油、生物質(zhì)酒精等高附加值產(chǎn)品。
2．2未來的生物精煉制漿造紙廠
隨著生物精煉技術(shù)的提出和發(fā)展，傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)有機(jī)會利用這項新興技術(shù)轉(zhuǎn)型為集約化的生物精煉廠以生產(chǎn)生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)化學(xué)品，并且能夠繼續(xù)生產(chǎn)出傳統(tǒng)的制漿造紙產(chǎn)品，在減少環(huán)境污染和提高能源使用效率的同時從林業(yè)生物質(zhì)資源中獲得最大收益。它們的主要特點是消耗的能源較少，不需要化石能源，而產(chǎn)出物多，原料資源的價值最大化地被利用，同時污染物和廢棄物的排放量也顯著減少，基本不會對生態(tài)環(huán)境造成較大的負(fù)面影響。是一家典型的現(xiàn)代化生物精煉制漿造紙廠的模式［4］。一些公司，如Potlach和AlabamaRiver將首先利用生物質(zhì)氣化技術(shù)來發(fā)熱發(fā)電并最終生產(chǎn)出液體運輸燃料和化學(xué)品，這也將取代工廠對天然氣和化石燃料的需求。接下來，工廠會將氣化技術(shù)用于制漿黒液的處理上。其它一些公司也正積極地將已倒閉的工廠轉(zhuǎn)型為現(xiàn)代化的生物精煉制漿造紙廠，如Georgia－Pacific公司將把在緬因州的工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€基于纖維素的生物質(zhì)燃料廠。在制漿造紙領(lǐng)域中應(yīng)用生物質(zhì)精煉，可以將傳統(tǒng)的化學(xué)漿廠變成集約化的生物質(zhì)精煉廠，除了生產(chǎn)漿料，還可以生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，如乙醇、碳纖維、聚合物、煤油和生物柴油等，這些產(chǎn)品都來自于半纖維素和木質(zhì)素，而不是來自于纖維素。這些生物質(zhì)原料主要包括禾本原料、木質(zhì)原料和農(nóng)林作物，而聚糖和木質(zhì)素又廣泛存在于這類可再生的原料中，這使得現(xiàn)代化的生物精煉廠可以與傳統(tǒng)的石油精煉廠相當(dāng)。在石油工業(yè)中，通過傳統(tǒng)精煉所得到的化學(xué)品的量只占總產(chǎn)出量的5%左右，而其他的都被用于生產(chǎn)運輸燃料和能源。同石油精煉一樣，日用化學(xué)品需求和運輸燃料間的平衡也是生物精煉的一個重要方面，有些觀點認(rèn)為，生物精煉廠不應(yīng)該改變這種比例。市場對生物質(zhì)燃料和能源的巨大需求，將使制漿造紙工業(yè)有潛力成為最主要的生物質(zhì)燃料供應(yīng)商。
2．3生物精煉在制漿造紙過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀
2．3．1生物精煉在制漿造紙原料上的應(yīng)用通過對制漿造紙纖維原料基因改性可以獲得不同纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量組成、不同纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的短周期速生原料，提高了制漿造紙原料的質(zhì)量，縮短了制漿造紙原料成材的年限，可滿足制漿造紙企業(yè)對優(yōu)質(zhì)原料的長期需求。如果將制漿造紙原料加工到納米級，其原來的細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，纖維組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維素、半纖維素和木素可在加工過程中用機(jī)械方法分離，從而提高制漿得率，改善漿料質(zhì)量，提高制漿造紙工業(yè)對環(huán)境的友好性。
2．3．2生物精煉在制漿過程中的應(yīng)用在化學(xué)制漿前，利用相對溫和的條件抽提出乙酸和部分水溶性半纖維素，可降低制漿過程中有效堿的用量，加快脫木素速率，降低殘渣率，同時也減輕了黒液處理的壓力。實驗室研究表明，該工藝不會對纖維數(shù)量和質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。在制漿前，利用真菌或酶處理除去木片中樹脂，可減少紙機(jī)斷頭、防止紙張強度下降以及工藝設(shè)備堵塞等問題，現(xiàn)已在工業(yè)上獲得應(yīng)用。在制漿前利用真菌或酶對木片進(jìn)行預(yù)處理，既能降低制漿造紙過程中磨漿能耗和化學(xué)藥品用量，還能提高紙漿抄造的強度，減輕對環(huán)境的污染。目前，研究重點主要為生物機(jī)械制漿和生物預(yù)處理化學(xué)制漿。利用微生物、木素水解酶或半纖維素酶處理紙漿，降解碳水化合物和殘余木素，既能提高紙漿可漂性和白度，又可節(jié)省化學(xué)漂劑的用量，提高紙漿性能，并減少環(huán)境污染。廢紙再利用的關(guān)鍵技術(shù)之一是脫墨技術(shù)。相對于傳統(tǒng)脫墨技術(shù)，采用纖維素酶、半纖維素酶或脂肪酶來代替化學(xué)藥品進(jìn)行脫墨處理，可減少脫墨劑的用量，增強脫墨效果，提高白度和漿料強度，同時也可降低廢水對環(huán)境的污染。
2．3．3生物精煉在制漿廢液上的應(yīng)用利用木質(zhì)素沉積技術(shù)既可從制漿廢液中分離回收木質(zhì)素，又可減輕鍋爐回收化學(xué)藥品和能源的負(fù)荷。利用該技術(shù)能否獲得大量木質(zhì)素取決于制漿得率和沉積效率，如果制漿過程中溶出木質(zhì)素少或沉積效率較低，則木質(zhì)素獲得量較少。黑液氣化可替代傳統(tǒng)的湯姆林森回收鍋爐來回收化學(xué)藥品和能源，既可生產(chǎn)電力，又可生產(chǎn)合成氣，提高了黒液的日處理能力和能源的利用效率，減少了設(shè)備投入和占地面積。黒液氣化技術(shù)主要分為壓力氣化和常壓氣化，ChemrecAB和ThermochemRecoveryInternational兩家公司分別擁有這兩項技術(shù)。固體燃料氣化器可以替換傳統(tǒng)的固體燃料鍋爐，將任何可比較經(jīng)濟(jì)地運輸和氣化的材料運到工廠，包括農(nóng)作物廢料、鋸木屑、城市有機(jī)垃圾等，氣化后產(chǎn)生工廠所需的動力。應(yīng)用生物技術(shù)處理制漿工業(yè)廢水，不僅可從制漿造紙廢液中發(fā)酵制取乙醇等高附加值產(chǎn)品，不僅能增加經(jīng)濟(jì)效益，還可使廢水脫色、脫臭、解毒并降低廢水中有機(jī)物BOD(生化需氧量)，甚至COD(化學(xué)需氧量)，解決廢水污染問題效果顯著。近年來，利用高級氧化處理技術(shù)、凈化受污染水體的研究也獲得了顯著進(jìn)展，多以應(yīng)用紫外輻射為主，但往往效率較低，而提高太陽能去污效率的關(guān)鍵技術(shù)之一在于研制、改進(jìn)催化劑，目前在光催化有機(jī)污染物領(lǐng)域被認(rèn)為最有效的催化劑是納米TiO2。
2．3．4生物精煉在制漿過程中副產(chǎn)品上的應(yīng)用制漿前抽提所得的半纖維素是碳水化合物的混合物，通過酸水解或酶水解可以轉(zhuǎn)化為單糖，再通過生物發(fā)酵可制得乙醇，而乙醇又可生產(chǎn)燃料、聚乙烯等高附加值產(chǎn)品，據(jù)估計從生物質(zhì)碳水化合物中所獲得化學(xué)品和材料的數(shù)量可以相當(dāng)于目前從石油碳?xì)浠衔镏蝎@得的量，多達(dá)30個。制漿過程中的兩種副產(chǎn)品由于具有重要的經(jīng)濟(jì)價值將被回收:從蒸煮器釋放的氣體中可以回收松脂，從制漿黒液可以回收塔羅油。松脂中含有大量的香精油，分離后可以制得香料、聚合物添加劑和溶劑;而塔羅油主要含有皂化脂肪酸和樹脂酸，可以用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油、肥皂和潤滑油等，且從塔羅油通過氫化產(chǎn)生生物質(zhì)柴油要比通過酯化生產(chǎn)生物質(zhì)柴油經(jīng)濟(jì)的多。木質(zhì)素沉積回收的木質(zhì)素可生產(chǎn)酚型物、炭纖維、固體或液體燃料、膠粘劑和土壤改良劑等高附加值產(chǎn)品。黒液氣化得到的合成氣主要為為氫氣、一氧化碳、二氧化碳和其他氣體的混合物，可用來合成大量的化學(xué)品。
3生物精煉在造紙工業(yè)應(yīng)用中所面臨的問題和解決建議
集約化生物精煉是最大化利用生物質(zhì)的一種途徑，可以滿足人們對生物質(zhì)燃料、生物質(zhì)能源以及生物質(zhì)材料的短期需求和長期發(fā)展需要，有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有利于技術(shù)進(jìn)步，也有利于環(huán)境保護(hù)。然而，生物精煉技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用還面臨著不少困難:
(1)人們急需轉(zhuǎn)變固有的思維方式。將現(xiàn)有的制漿造紙廠轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)精煉廠不僅是技術(shù)上的革新，更是思維方式上的革新，要讓那些專注于生產(chǎn)傳統(tǒng)紙和紙板產(chǎn)品的制漿造紙廠接受這種全新的生產(chǎn)模式可能還需要一段時間;
(2)需要先進(jìn)的技術(shù)支持和大量的額外投資。目前，僅有少數(shù)國家和地區(qū)的制漿造紙廠掌握了這些新興的技術(shù)，已成功轉(zhuǎn)型的工廠也不多，而且需要投入大量的資金對現(xiàn)有工廠進(jìn)行改造，這也限制了生物精煉技術(shù)的推廣;
(3)需要相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科和研究的支持，如生物技術(shù)、納米技術(shù)和能源工程等。生物精煉技術(shù)仍處于高速發(fā)展的階段，涉及許多專業(yè)領(lǐng)域，需要學(xué)科交叉以不斷完善［21］。因此，制漿造紙企業(yè)發(fā)展生物精煉首先需要轉(zhuǎn)變固有的思維方式，與時俱進(jìn)，跟上技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革新的步伐，擺脫紙產(chǎn)品是制漿造紙企業(yè)唯一輸出產(chǎn)品的思想束縛，積極發(fā)展多元化產(chǎn)品;其次，要積極開發(fā)吸收先進(jìn)的技術(shù)和投入必要的工藝設(shè)備，可逐步地應(yīng)用生物精煉技術(shù)對原有的制漿造紙廠進(jìn)行改造;再之，現(xiàn)有的制漿造紙專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)充分利用相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)學(xué)科和研究的成果，不斷發(fā)展和完善生物精煉技術(shù);最后，政府部門應(yīng)制定和完善相關(guān)的法律和政策給予傳統(tǒng)制漿造紙廠改造以支持。生物精煉作為高效率、低污染、低能耗的生物質(zhì)利用技術(shù)必將帶給傳統(tǒng)制漿造紙產(chǎn)業(yè)一個巨大的革新，不僅能滿足人們對紙和紙板產(chǎn)品、化學(xué)品以及生物質(zhì)材料的多元化需求，增加企業(yè)效益和市場競爭力，也可能緩解目前緊張的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)。盡管生物精煉大規(guī)模的應(yīng)用還在發(fā)展中，但是其前景將是非常廣闊而美好的。
作者：諶堯 翟華敏 單位：南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室
