蔗渣生物質顆粒發展前景分析

張思聰，王　健,2，徐光輝，王　寶,，趙抒娜,，謝凌波

【綜合利用與產業鏈延伸】

蔗渣生物質顆粒發展前景分析

張思聰1，王健1,2，徐光輝3，王寶1,3，趙抒娜1,3，謝凌波2*

(1中糧營養健康研究院有限公司/老年營養食品研究北京市工程實驗室/營養健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209；2中糧屯河崇左糖業有限公司，廣西崇左 532200；3中糧屯河糖業股份有限公司/農業農村部糖料與番茄質量安全控制重點實驗室，新疆昌吉 831100)

介紹了以蔗渣為原料制備生物質顆粒的相關內容，從原料優勢、生產工序、產品利潤及生產問題解決幾個方面進行了討論，分析總結了蔗渣生物質顆粒從生產到應用的一系列問題，并針對熱值和結焦問題提出解決措施，為蔗渣的應用提供了思路。將蔗渣制備成生物質顆粒，不僅能夠有效解決蔗渣過剩問題，緩解環境壓力，增加糖業的經濟效益，同時也可以實現資源區域化協調，對促進當地社會、經濟發展和生態環境的改善具有重大意義。

甘蔗；糖業；蔗渣；生物質顆粒

0 引言

生物質是指利用自然資源，通過光合作用產生的各種有機體，以化學能形式存在于生物質中的太陽能稱為生物質能，生物質能源具有低排放、可循環等特點[1-3]。近年來，自然資源的枯竭及氣候問題日益突出，生物質清潔能源已經發展為繼煤、石油、天然氣后的第4大可再生能源，受到廣泛的關注。燃料是生物質能源最常見的利用形式，然而生物質的低熱值、低密度與不規則外形嚴重限制了其大規模應用[4]。通過擠壓、固化等工藝將不規則的生物質制得結構緊實、外形均一、密度大、熱效率高的顆粒或棒狀燃料，以最簡單、最直接的途徑將生物質能源化利用，能夠極大地拓展生物質的應用領域[5]。

我國是農業和林業資源大國，在生產活動中產生的大量廢料(木屑、秸稈、蔗渣等)是生物質的主要組成部分，豐富的生物質資源與合理的政策保障，能為我國生物質產業的發展奠定良好的基礎。以云南省為例，煙草業、茶業是云南重要的經濟產業。煙草產業對云南省財稅增長、煙農增收起著重要的作用，而茶產業是云南傳統特色優勢產業，2019年云南省茶業產值達到198.17億元[6]。近年來，煙草業、茶業正處于轉型提升的關鍵時期，能源結構亟需進行優化調整，大力發展清潔能源，改善煙草和茶葉加工中以煤炭/薪柴為主的能源結構，將有利于提升產業的社會、生態、經濟效益，實現產業的可持續發展和資源良性循環。蔗渣是制糖工業的主要副產物，其具有性質穩定、熱值與木屑相差不大等特點，是一種優良的生物質原料。作為我國的第2大蔗區，云南地區蔗渣供應量大，每個榨季都會產生大量蔗渣用于鍋爐燃燒。近幾年，隨著制糖企業能耗降低，使得蔗渣大量剩余，而作為蔗渣主要消耗渠道的造紙廠因環保等原因大批關停，加之進口紙漿價格低迷對整個造紙原料行業的沖擊，使得蔗渣銷路日益受限，造成了大量經濟損失與嚴重的環境污染。因此，將制糖業的副產物蔗渣進行高值化加工，制備蔗渣生物質顆粒，不僅能夠有效解決蔗渣過剩問題，緩解環境壓力，增加糖業的經濟效益，同時也可以將蔗渣生物質顆粒，應用于云南當地的經濟支柱煙草行業和傳統特色優勢茶產業，實現資源區域化協調，對促進當地社會、經濟發展和生態環境的改善具有重大意義。

本文從生產工藝、產品標準等方面介紹了蔗渣生物質顆粒應用前景，同時針對蔗渣生物質顆粒在應用中可能存在的熱值和結焦問題，提出解決思路，為蔗渣生物質顆粒的應用提供參考。

1 生物質顆粒的生產工藝

目前生物質顆粒的一般生產工藝主要包含如下幾個步驟：

⑴撕解：生物質原料的種類、形態各異，對于木片、秸稈等原料，需要先進行撕解，然后才能進入粉碎環節；

⑵粉碎：為了能夠壓制成型，經過撕解后的原料進入粉碎機進行粉碎，需要將其中的長纖維粉碎為細小顆粒；

⑶干燥：通常采用滾筒干燥機進行干燥，將粉碎的物料輸送到干燥裝置，物料與煙氣充分接觸，水分通常可降至18%以下；

⑷除鐵：由于生物質原料復雜，不可避免會夾帶金屬等雜質，通常在制粒機前設置除鐵裝置以除去物料中夾帶的金屬以最大限度地保護制粒機；

⑸制粒：干燥后的物料經傳送帶送至儲料倉，堆積一定量后送往制粒機進行制粒，細碎原料經高溫軟化、擠壓后制成棒狀顆粒；

⑹冷卻：蔗渣在制粒過程經過機械擠壓成型，產生大量的熱量使成品顆粒溫度升高，需要進行冷卻降溫，避免在儲存過程吸潮和變質；

⑺除塵：在整個物料加工過程中會有較多的揚塵，因此在生產車間會設置多個旋風除塵器；

⑻包裝：顆粒在裝有擋板的傳送帶上進行運輸，細小的未成形碎屑被初步篩分，成型的顆粒棒被送往后續裝置進行冷卻包裝。

2 生物質顆粒的標準要求

對于顆粒產品的質量標準，在行業標準NY/T 1878-2010《生物質固體成型燃料技術條件》中有著相關規定[7]，如表1所示。

由表1可以看出：對于生物質顆粒燃料，其直徑、長度都有著明確的限度，若過長過粗則可能造成生物質燃燒鍋爐進料不暢不均等問題。為了保障燃料有著足夠的熱效率，對顆粒密度、破碎率與發熱量也有著明確的規定，這就要求原料粉碎要盡量徹底，顆粒壓制要盡可能緊實，才能保證產品有著良好的發熱性能。含水率是影響生物質熱值最重要的指標之一，燃料含水率越低，燃燒效率越高，但意味著干燥成本要有所提升，具體干燥指標仍需進行評估后確定，在行業標準中要求顆粒燃料含水率≤13%。此外，灰分也是生物質顆粒燃料品質的重要指標，其含量高低直接影響著生物質鍋爐的結焦問題，規定灰分含量對于抑制鍋爐結焦、降低設備維護成本具有重大意義。

表1　NY/T 1878-2010中生物質固體成型燃料基本性能要求

此外，若在顆粒中添加輔料，相關元素含量需符合NY/T 1878-2010規定。行標中明確指出：生物質成型燃料有關性能若不能滿足表2要求，應在產品包裝書上進行標識，或向用戶說明實際測試值[7]。

表2　NY/T 1878-2010生物質固體成型燃料輔助性能指標要求

3 蔗渣生產生物質顆粒的前景和優勢

目前，生物質顆粒的原料以木材和秸稈為主，蔗渣通常用于造紙和生物質發電，以其為原料生產生物質顆粒的應用相對較少，但總體來看，以蔗渣為原料生產生物質顆粒在原料、工藝和應用方面存在著一定的優勢。

3.1 原料優勢

近年來，隨著制糖工藝水平的提高，廣西和云南地區的蔗渣產量有了進一步的提升，加之造紙、板材業對之需求量少，因此蔗渣作為生物質顆粒原料能保障充足的供應。對于傳統的生物質顆粒原料，如木屑，其存在原料供應分散、收集不易、種類繁多、性質不穩定等問題，需要根據原料性質進行調整實際生產工藝。相較之下，蔗渣由糖廠直接供應，原料供應充足，且性質相對穩定，后續加工生產無需頻繁調整操作參數，生產效率較高。

3.2 工藝優勢

在生產工藝方面，蔗渣顆粒相較最常見的木質顆粒有著十分明顯的優勢。木質原料強度較大，在粉碎之前需進行撕解，該工序耗費的能源、人力成本十分巨大；而蔗渣顆粒小，強度低，無需撕解即可粉碎，可以極大地節約加工成本。此外，蔗渣相較木質更為蓬松，在干燥環節可以與煙道氣充分接觸而烘干徹底，干燥成本相對較低。

3.3 應用優勢

廣西和云南是全國糖料蔗核心基地和生產保護區，每年制糖企業都會產生大量的副產物蔗渣。由于蔗渣含水量較高，使得其運輸成本高、運輸距離有限，而受政策和環境等方面的約束，沒有足夠的造紙廠、發電廠消化蔗渣，導致蔗渣大量的過剩。而廣西和云南地區的煙葉和茶葉等產業對能源的需求量較高，將蔗渣進行高值化加工，制備蔗渣生物質顆粒，便于外運或應用于當地特色產業，有望解決蔗渣過剩問題，緩解環境壓力，增加糖業的經濟效益。

4 蔗渣生產生物質顆粒的生產問題及解決措施

以蔗渣為原料制備生物質顆粒雖然有著很多優勢，但也存在一些問題，只有解決這些問題才能使蔗渣生物質顆粒在市場中更具競爭力。

4.1 提升熱值與熱效率

生物質顆粒熱值的高低直接影響產品的議價空間，也是大部分下游客戶最關注的問題，往往會成為其選擇生物質原料的依據。常見生物質顆粒熱值如表3所示：

表3　常見生物質顆粒熱值[8-9]

熱值是多數廠商評定生物質原料的首要指標，通常情況下，木屑顆粒的熱值一般在4000 kcal/kg以上，而秸稈類顆粒的熱值介于3000～4000 kcal/kg之間，蔗渣顆粒的熱值與秸稈顆粒相似，略低于木屑顆粒，提供單位熱量所需顆粒原料的量更大，在同等價格下，多數廠商更傾向于使用木屑顆粒。因此，提高顆粒熱值是提升蔗渣顆粒產品競爭力的重要途徑。在生產中可通過將蔗渣和高熱值的木屑復配來提升顆粒產品的熱值。除此之外，根據實際情況提高干燥強度，使得產品水分含量降低，也可以增強顆粒的燃燒效率。

4.2 生物質鍋爐結焦

鍋爐結焦是制約著蔗渣生物質顆粒發展的最主要問題。蔗渣中帶有的泥沙，包含二氧化硅與某些低熔點金屬元素，在生物質鍋爐工作過程中這些物質分布不均且會熔為流動態，經冷卻后凝固為堅硬的玻璃態，結成“焦塊”，不但需要花費大量成本去清理，還會對爐體造成危害，嚴重制約生物質顆粒的應用。造成結焦的原因主要包含以下幾個方面[10-12]：

⑴灰分含量高：蔗渣中的灰分主要由SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等組成，灰分在高溫下變成熔融狀態后粘結成難以清除的大渣塊。通常情況下，硅酸鹽含量高時，結焦松散；堿金屬含量高時，會引起結焦；當硅酸鹽和堿金屬含量都高時，特別容易形成大塊灰渣；

⑵木質素影響：生物質灰熔點一般為800℃左右，揮發分中易揮發燃燒的半纖維素和纖維素成分揮發燃燒完成后，較難燃燒的木質素成分會伴隨著焦炭一起燃燒，此時灰分因為達到灰熔點而融化，并發生結焦；

⑶燃燒溫度過高：雖然生物質顆粒燃料著火溫度很低，但顆粒燃料鍋爐屬于絕熱爐，爐膛其燃燒溫度可達1100℃，溫度高于生物質顆粒中成分的熔點。

結焦是所有生物質顆粒燃料所面臨的通用難題，由于結焦產生機理復雜，涉及的因素多無法徹底解決，但可以通過采取蔗渣篩分、使用除焦劑、調整鍋爐設計參數等一系列的有效措施來緩解結焦問題。

4.2.1 蔗渣篩分

結焦的主要成分為二氧化硅與堿土金屬氧化物，推測蔗渣中的灰分是引起結焦的主要原因。一般糖廠壓榨產生的蔗渣中包含長條狀的蔗渣和破碎度較高的成粉末蔗渣，在行業內后者稱為蔗髓，其中含有甘蔗收割帶來的泥沙等無機物雜質，增加燃燒灰分的主要來源。云南省梁河縣某工廠將蔗渣進行烘干，250℃碳化60 min后升溫至550℃持續120 min使之灰化，分別測定篩分前后蔗渣的灰分，實驗數據表明經過篩分后，蔗渣中的灰分由0.86%下降到0.65%。因此，將蔗渣進行篩分，篩去蔗髓，能夠有效降低泥沙含量，并進一步緩解結焦問題的產生。

4.2.2 使用除焦劑

除焦劑是一種可以清理結焦并抑制再結焦的化學試劑，主要由氧化劑、膨化劑、催化劑以及高溫滯留劑等成分組成。將其按一定比例與蔗渣混合制得含有除焦劑的顆粒，在生物質顆粒鍋爐燃燒過程中，除焦劑中的相應成分能夠與蔗渣中的成分進行反應，生成灰熔點較高的無機鹽，不易結塊，或者結焦松散脫落，經鼓風機吹出爐膛，同時抑制二次結焦的發生。相關研究表明高嶺土、云母粉和粉煤灰等物質也可改善燃料燒結特性，緩解受熱面結焦問題[13]。實際生產中應參考原料灰分的含量與成分，結合成本有針對性地選擇除焦劑。

4.2.3 調整鍋爐設計參數

除了燃料的成分與性質，結焦還與鍋爐的性能參數有關。生物質燃料在爐內分布不均，燃燒時會形成局部高溫團塊，單純降低通風壓力難以滿足燃燒所需通風量。應同時調整鍋爐的配風比，控制通入空氣的分配比例，使得局部團塊能與更多空氣接觸從而充分燃燒，有利于緩解因燃燒不充分而結焦的問題[14]。另外進料設計若不合理，也會加劇結焦問題，因此應充分重視生物質鍋爐的設計與參數，根據實際情況進行合理調整。

鍋爐結焦無法徹底解決，總會有一些細碎灰渣凝集在爐膛。因此無論采取何種辦法緩解結焦問題，都要對鍋爐進行定期清理。應在以上幾種措施的輔助下將板結程度不大的灰渣及時清出爐膛，才能真正有效地解決結焦問題。

5 結論

在當今能源危機的大背景下，生物質能作為一種清潔、可再生能源受到廣泛關注，政府也推行了許多政策扶持相關產業的發展，生物質能源的應用已逐漸成為趨勢。生物質經擠壓成型制備的燃料顆粒，不僅外形均一性質穩定，且有著較好的熱效率，是生物質能源應用的最佳途徑之一。廣西、云南等幾大產蔗大省每個榨季會殘余大量蔗渣，采用蔗渣制備顆粒燃料既能有效消化蔗渣，又能制造經濟效益、降低排放，是一種節能增效的有效途徑。蔗渣制備顆粒有著眾多優勢，可在一定程度上節約不少成本，但也存在著低熱值、易結焦等問題。通過有效途徑解決這些問題是提高蔗渣顆粒市場競爭力的首要任務。一旦這些問題得到解決，蔗渣顆粒就會以其獨特優勢在顆粒市場占有一席之地，具有廣闊的發展前景。

[1] 徐昌洪，方家驥. 國內外燃料乙醇生產和應用情況分析[J]. 精細與專用化學品，2007，15(22)：30-35.

[2] 李凡. 新形勢下我國生物質能源發展問題研究[J]. 青年與社會，2013(12)：136-137.

[3] 徐高峰，鄭志鋒，席雪東，等. 云南省生物質能源發展現狀及對策研究[C]//第六屆全國生物質材料科學與技術學術研討會，2015：1-8.

[4] 陳彥宏，武佩，田雪艷，等. 生物質致密成型燃料制造技術研究現狀[J]. 農機化研究，2010，32(1)：206-211.

[5] 張霞，蔡宗壽，阮建雯. 云南省生物質顆粒燃料發展前景分析[J]. 農機化研究，2013，35(1)：224-227.

[6] 中國茶葉流通協會. 2019年中國茶葉產銷形勢報告[R]. (2020-03-26). https://net.fafu.edu.cn/ccyfy/15/0b/c9282a267531/page.htm

[7] 中華人民共和國農業部. 生物質固體成型燃料技術條件：NY/T1878-2010[S]. 北京：中國農業出版社，2010.

[8] 任敏娜，崔永章，李曉，等. 八種生物質顆粒燃燒特征分析[J]. 山東建筑大學學報，2012，27(3)：298-301.

[9] 朱復東. 林木基與秸稈基生物質顆粒燃燒特性對比研究[J]. 潔凈煤技術，2014，20(4)：83-86.

[10] 王學斌，張利孟，王新民，等. 生物質燃燒設備受熱面結焦的機理研究[J]. 工程熱物理學報，2013，34(11)： 2189-2193.

[11] 袁艷文，林聰，趙立欣，等. 生物質固體成型燃料抗結渣研究進展[J]. 可再生能源，2009，27(5)：48-51.

[12] 王淮東，王曉東，武少菁，等. 生物質成型燃料爐灶結渣特性及影響因素試驗研究[J]. 河南農業大學學報，2008，42(2)：206-209.

[13] 費芳芳，畢武林，陳洪世. 生物質鍋爐添加劑抗結焦性能試驗研究[J]. 機電信息，2019(21)：97，99.

[14] 郭曉娟，鐘少芬. 生物質鍋爐結焦、結灰分析及應對措施[J]. 科技創新與應用，2017(21)：93，95.

Development Prospects of Sugarcane Bagasse Biomass Particles

ZHANG Si-cong1,2, WANG Jian1,2, XU Guang-hui3, WANG Bao1,3, ZHAO Shu-na1,3, XIE Ling-bo2

(1COFCO Nutrition and Health Research Institute Co. Ltd. /Beijing Engineering Laboratory of Geriatric Nutrition & Foods /Beijing Key Laboratory of Nutrition & Health and Food Safety, Beijing 102209;2COFCO Tunhe Chongzuo Sugar Co. Ltd., Chongzuo, Guangxi 532200;3COFCO Tunhe Sugar Co. Ltd. /Key Laboratory of Quality & Safety Control for Sugar Crops and Tomato, Ministry of Agriculture of the PRC, Changji, Xinjiang 831100)

In this paper, the related content of biomass particles prepared from bagasse was introduced, and the advantages of raw materials, production processes, product profits and production problems were discussed. A series of problems from production to application of bagasse biomass particles were analyzed and summarized, solutions for calorific value and agglomerating problems were proposed, which provided ideas for the application of bagasse. The preparation of bagasse into biomass pellets can not only effectively solve the problem of bagasse surplus, relieve environmental pressure, and increase the economic benefits of the sugar industry, but also realize the regional coordination of resources, which is great significance to promote local social and economic development and improve the ecological environment.

Sugarcane; Sugar industry; Bagasse; Biomass particle

TS249.2

1005-9695(2021)01-0091-05

2020-11-18；

2021-01-11

2016年新疆自治區高層次人才引進工程計劃；新疆昌吉自治州協同創新(科技支疆)項目(2019C03)；中國博士后科學基金第61批面上自主“西部地區博士后人才資助計劃”(2017M613312XB)

張思聰(1997-)，男，助理工程師，研究方向：食品科學；E-mail：zhangsicong1@cofco.com

謝凌波(1984-)，男，工程師，研究方向：制糖工藝；E-mail：xielingbo7@cofco.com

張思聰，王健，徐光輝，等. 蔗渣生物質顆粒發展前景分析[J]. 甘蔗糖業，2021，50(1)：91-95.