綠色聯產項目的應用研究

藍艷華譯，陸浩湉校

（廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所)，廣東 廣州 510316）

綠色聯產項目的應用研究

藍艷華譯，陸浩湉校

（廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所)，廣東 廣州 510316）

制糖；綠色聯產

1 前言

本文分析了利用蔗渣和甘蔗夾雜物聯產食糖、無水乙醇及發電的項目可行性。綠色聯產項目的目標是生產無水乙醇替代甲基叔丁基醚（MTBE）作為辛烷值，以推動本國的汽油生產。通過研究產業的解決方案，分析不同替代品的優劣。選擇方案如下：一是乙醇（無水）生產：保證滿足國內的需求量約為35～46萬升/年。在第一個20年的汽油需求增長1.5%，且有剩余出口。二是食糖（原糖）生產：滿足國內需求量約為10000噸/年，剩余的出口。三是電力生產：滿足糖廠和種植園的需求，以及當地電網的部分需求。本項目中最便宜的組合是一臺燃煤鍋爐和一臺抽氣式冷凝透平機，但考慮到非生產季節和混合燃料的水分，最終的配置建議是一臺鼓泡流化床鍋爐（BFBB）和一臺蒸汽抽氣式冷凝透平機。

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。根據對本項目的種植實驗和農業解決方案的研究，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。這還可根據收割者的喜好而有所調整。清潔甘蔗中夾雜物的分類含量表（詳見表1）。

表1 清潔甘蔗中夾雜物的分類含量表

對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。甘蔗產量在第8個年頭達到穩定狀態，生物量平衡與本地電力需求量可見表2。

在第1種可行性方案中，蔗段壓榨前沒有去除夾雜物。加工這一生物量，設計壓榨能力為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 甘蔗開發項目和生物量平衡表

根據夾雜物的除雜分離率，將有不同的生物量分別送至壓榨機組。對3種不同的除雜分離率進行研究，即是30%、50%和70%。此外，生物量的品質還取決于夾雜物的分離。生物量的品質是基于收獲時和夾雜物分離階段的生物量平衡來評估，詳見表3和表4。

表3 生物量的品質

表4 生物量平衡

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

若是達到70%的除雜分離率，這被評估為較好的結果。據悉，項目組當中有研究人員保證：使用此種新技術能獲得上述應用效果。這些評估對應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，壓榨機組內生物量的纖維和錘度也不同，計算出蔗渣的流量和纖維。在本項目中，蔗渣含水量為50%。

混合燃料價值是燃料的最大值，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。除了滿足當地電力需求外，還有燃料剩余。

本項目中的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，只在非榨季期間儲存蔗渣。鼓泡流化床鍋爐（BFBB）是必要的，因為蔗渣的夾雜物不少于20%。如果使用燃煤鍋爐，我們就能預測生物量平衡，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。

燃煤鍋爐能接受含20%的甘蔗夾雜物，而不會引起相關問題。除蔗渣和夾雜物外，如果有必要，國內還有5萬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，正如蔗渣糠過濾，以及混合剩余的蔗渣和夾雜物一樣。蔗渣和夾雜物將儲存在非榨季期間，很可能在混合燃料中夾雜物含量最低。蔗渣儲存通常有2種方法：一是短時間覆蓋儲存，二是甘蔗收獲后，敞開儲存。

CHP廠不僅為種植園和產業發展的運營提供所需電力，而且還為當地電網提供部分電力。預計2016年CHP廠能為當地電網輸電9 MW，每年將提高6%，最高達到14 MW。

使用Excel模型預計生產過程所需的蒸汽，以便獲得所有的物料和能量平衡。無論是燃煤鍋爐還是流化床鍋爐，初步估計每噸生物量產蒸汽2.2噸。背壓和抽氣式冷凝透平機每產生1 kWh蒸汽需6kg生物量。在項目的基礎設計階段，這些數值將會有更詳盡準確的預測。

對于鍋爐的選擇需要仔細考慮如下因素。

一是在榨季期間節約燃料（蒸汽/燃料比率高），以便可達到延長運作至非榨季期間。

二是多種燃料燃燒（蔗渣、甘蔗夾雜物、稻殼）。

三是預計在非榨季期間燃料水分高。

四是一整年（350天）的可持續運作。

五是資本支出（CAPEX）盡可能低。

六是低消耗率。

項目需要安裝一個高壓鍋爐（67巴，485℃），以保證每噸混合燃料產生高壓蒸汽。這不僅能在榨季期間節約燃料，而且能延長運作。還考慮選用2種不同類型的鍋爐，即鏈條鍋爐和鼓泡流化床鍋爐。

改進爐膛對蔗渣等纖維素廢料來說是極好的燃料室。它不僅能單獨作燃料，也能添加其他輔助燃料，如印度在移動爐柵鍋爐中添加煤，適當注意燃料中所含的水分，設計成熱量釋放，燃燒空氣系統設計，預熱空氣溫度。印度的經驗是在移動爐柵鍋爐中使用多種燃料，加高壓和高溫循環，這種方法值得推薦。這類型的鍋爐允許夾雜物含量低的混合燃料，因此，對整個壓榨，或者是對除雜分離率低來說，較簡單方便，但需投入較高的破碎設備。

混合燃料含20%夾雜物，2個燃煤鍋爐（67巴，485℃）每小時各產生75噸蒸汽。本項目選用一臺背壓和一臺冷凝透平機。由于含有較高的夾雜物，選用一臺每小時產生150噸蒸汽的流化床鍋爐。在基本設計階段，必須考慮鍋爐的生產能力對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作，本項目還將會使用25 MW蒸汽抽氣式冷凝透平機。

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

該項技術的關鍵是要控制好流化床的溫度和流體速度。流化床被設計在760℃～875℃之間運行，而這一溫度值由不同量的流動空氣和再循環氣控制。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。鼓泡流化床技術一般選用熱值較低的燃料。選用BFBB的有如下風險。

一是在糖業，這種使用蔗渣和夾雜物的混合燃料是新技術。

二是目前在本行業中沒有使用BFBB，要有足夠的時間進行驗證推薦。

三是成本較一般鍋爐高。

這項基于使用其他生物燃料的技術有如下優勢。

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）。

五是有更實際的設計。

最近，巴西的HPB SIMISA供應商，在Babcock&Wilcox的許可下，安裝了3臺這樣的鍋爐聯產食糖和酒精。其中的2臺是產蒸汽150噸/小時的BFBB，另一臺是產蒸汽300噸/小時的BFBB，所有運作都在68巴，520℃下。該供應商提供的傳統爐柵鍋爐可以燃燒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65%的燃料，但他們仍不能用于含大比例夾雜物和小比例蔗渣。

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

由于這些原因，鍋爐供應商為這個項目已進行一系列對蔗渣和夾雜物的分析（基本分析和化學分餾）。在甘蔗夾雜物中氯和鉀的含量最高。當燃燒粒子逃離流化床時，低密度的燃料會增加鍋爐結垢。通過部分堿與硫結合，可能會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，預期沒有特別的NOX排放問題。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℃時可導致溶化現象生成。由于很多農業燃料，約20%二氧化硅也是有活性的，因而，項目將面臨的挑戰是流化床的凝聚和淀積物生成問題。

由于燃料混合的風險不高，能夠在約750℃較低溫度的流化床上運行。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的低密度燃料問題。預熱器是正確的選擇，此外，使用腐蝕緩和添加劑能減少高溫腐蝕的風險。

供應商保證鍋爐能在整個榨季期間運行，一年中僅僅是關停10～12天以做維護工作。鍋爐能達到25%～100%負荷（MCR）狀態運行。過熱器一般是設計保證所需溫度在70%～100%負荷之間運行。

從較高水平的可靠有效的維護（RAM）分析評估表明：在365天的運行中，保證各種潛在需求的向外輸電。增加額外的蒸汽透平發電機，雖能節約成本，但不如增加10/12 MW柴油發電機更有效率。為了減少資本支出，因而，一年350天發電。當地的電力公司負責剩余2個星期里電力波動時的用電。因此，最終的配置建議是一臺BFBB和一臺蒸汽抽氣式冷凝透平機。

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

2 結論

由于天氣和土壤特性，為了這個項目所作的品種選擇，以便獲得預期的生物量平衡，達到更多的甘蔗夾雜物。故運送大量的甘蔗夾雜物進廠是要面對的一個挑戰，但這也是本項目的一個良機。

雖然，此前其他國家的一些研究表明，通過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，它會降低壓榨能力影響運作、增加電力和維護，以及影響食糖品質。

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

建議使用一臺抽氣式冷凝透平機，該透平機需要設計成能夠面對非榨季期間不同作物的運作條件，主要是為了保證效率和在低壓時適當冷卻。

為避免或減緩蔗渣的變質，對于儲存地的大小和儲存措施等問題極需好好的研究。

——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，又稱樹膠醛糖、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，通常與其他單糖結合，以雜多糖的形式存在于膠質、半纖維素、果膠酸、細菌多糖及某些糖苷中，其對熱和酸的穩定性高。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，從有機玉米芯中提取，280噸玉米芯提取500公斤，沒有工業化作業保持了物質的天然性。因可以抑制人體腸道內蔗糖酶的活性，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“調節血糖的專用特殊保健食品添加劑”;美國醫療協會將L-阿拉伯糖列入“抗肥胖的營養補充劑或非處方藥”之后，我國衛生部于2008年正式批準L-阿拉伯糖為新資源食品，確認了其在功能糖領域的重要地位。

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、調節血糖;第二種功能是降血壓；第三種功能是排毒養顏；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

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