積極利用非木材纖維資源
——解決造紙工業原料短缺問題

劉 文 王 浩 李 政 杜 齊 賈程瑛萬 瑩 鄭 晗 謝 姣

（1.中國制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；2.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南昆明，650231；3.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102；4.中國制漿造紙研究院衢州分院，浙江衢州，324000；5.龍游縣特種紙科技創新管理服務中心，浙江衢州，324400）

我國造紙工業長期依賴進口商品木漿和廢紙，從表1[1]的數據可以看出，進口漿消耗量呈逐年增加趨勢，與2010年相比，2019年增加了116%，廢紙進口量在2012 年達到峰值后保持相對穩定，近兩年由于限制廢紙政策的出臺，進口量大幅下降。與此同時，國產非木材纖維紙漿產量卻在逐年下降，到2019 年降為588萬t，約為2010年的1/2左右，其中減量最多的是稻麥草漿，減少了近500 萬t。為應對限制廢紙進口這一重大變化，包裝紙企業積極采取各種措施，包括到國外建干、濕法解離廢紙漿廠、包裝紙廠等，但目前從總體形勢來看，還難以解決禁止廢紙進口造成的原料短缺和質量下降的問題。面對纖維原料供應的嚴峻形勢，國內大量非木材纖維卻未得到充分利用，積極探索非木材纖維原料的充分利用，對解決我國造紙工業纖維原料嚴重短缺問題，推動造紙行業高質量發展具有重要意義。

1 玉米秸稈

玉米是全球第一大糧食作物，2018 年全球總產量為10.4 億t，占全世界糧食總產量的35%[2]。我國2018 年的玉米產量大約在2.6 億t，東北地區玉米產量約為9000 萬t，占34.6%。按糧稈比1∶1.2 計算，東北地區玉米秸稈產生量為1.08億t[2]。

玉米秸稈主要由葉、外皮和髓芯（穰）組成。葉（葉片和葉鞘）的質量約為40%，纖維含量為30%，葉片機械強度很小。髓芯質量約為15%，纖維含量為20%，髓芯密度很小，蓬松柔軟，吸水性強，機械強度極低。穰和葉含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、半纖維素等，其中穰熟化性好，營養成分高，消化率高[3]，穰顆粒是優質的飼料原料。玉米秸稈外皮質量約為45%，其纖維含量在各部分中最高，約為50%，且機械強度較高[4]。制漿造紙主要是利用玉米秸稈皮的部分，其與幾種非木材纖維原料的化學組分和纖維形態比較分別見表2 和表3[5-9]。從表2 中的數據可以看出，與一般草類纖維原料相比，玉米秸稈皮的木素含量較低，與三倍體毛白楊相近；1%NaOH抽出物的含量是表2 中所列幾種纖維原料中最高的，達到了50.61%，說明其主要化學組分中低分子質量成分較多，不宜采用處理條件較劇烈的化學法制漿，否則會導致制漿得率過低，原料得不到充分利用。巨菌草全稈的化學組分特點是聚戊糖含量較高，是表2中所列非木材纖維原料中最高的，木素含量較低，與三倍體毛白楊和玉米秸稈皮相近。從表3的纖維形態數據可以看出，玉米秸稈皮和巨菌草全稈的長寬比介于其他非木材纖維原料和三倍體毛白楊之間，巨菌草全稈的纖維形態更接近于三倍體毛白楊。

表1 進口紙漿消耗量、廢紙進口量和國產非木材纖維產量Table 1 Imported pulp consumption,imports of waste paper and domestic non-wood fiber output

表2 常用非木材纖維原料的化學組分比較Table 2 The comparison of chemical components of common non-wood fiber %

中國制漿造紙研究院有限公司江驍雅等人[10]通過對玉米秸稈進行預處理，將其葉和穰中的非纖維成分進行分離，將剩余組分進行化學處理，然后進行高濃磨漿，制漿得率約為50%，其成漿性能見表4。從表4 中的結果可以看出，玉米秸稈漿的性能遠高于瓦楞紙原優等品的標準要求；而對比箱紙板原紙合格品標準，除環壓指數超過了標準要求外，耐破指數與耐折度低于標準要求。耐破指數、耐折度主要與漿料自身特性相關，可通過配抄其他纖維實現提升，通過添加針葉木漿，其相關物理性能指標能達到箱紙板原紙的標準要求。因此，預計玉米秸稈漿可以用于配抄箱紙板、紙杯紙、食品卡紙等各類紙板，也可以用來配抄生活用紙等。

表3 常用非木材纖維原料纖維形態比較Table 3 The comparison of fiber morphology of common non-wood fiber

表4 玉米秸稈化機漿的物理性能指標Table 4 Properties of chemi-mechanical pulp of the corn straw

2 毛 竹

我國是世界上竹類資源最豐富的國家，栽培面積、蓄積量及年產量占世界1/4，均居世界之冠，其中尤以毛竹為種植面積最多的品種。毛竹主要分布在福建、江西、浙江、湖南、安徽、廣東等地，第五次全國森林普查毛竹主要產地的分布情況見表5。根據第八次全國森林資源清查的結果，全國毛竹林面積443.02 萬公頃，占竹林總面積的73.8%。竹子生產速度快，一年即可成材；竹子的再生能力強，成材竹砍伐后不需人工種植，其根系將生發出新竹。據竹藤中心有關專家介紹，毛竹的畝產量為350～1000 kg，若以每畝年產毛竹350 kg（風干）計算，則全國年產毛竹2310 萬t。如果竹材需求旺盛，激發竹農育竹積極性，每畝產量可提高到1000 kg，則總產量可達6600萬t。

表5 我國主要毛竹產地的毛竹林面積及株數Table 5 The area and number of phyllostachys edulis forests in main producing area in China

毛竹目前主要是用來加工各類竹材制品，包括建材、家具、餐具、工藝美術品等。由于毛竹加工業不景氣，毛竹銷售不暢，80%的成材毛竹沒有得到及時砍伐利用，造成資源的嚴重浪費。毛竹結構致密、蒸煮周期長、制漿成本高，在制漿造紙行業一直未得到有效利用。為了充分利用毛竹這一潛在的優質纖維原料資源，生產出廉價、優質的造紙用漿，應用于高附加值紙種的生產，最大限度提高產品利潤水平，中國制漿造紙研究院衢州分院采用化學機械法制漿工藝對毛竹制漿和紙漿應用技術開展了系統的研究，在用堿量8.0%～10.0%的條件下，紙漿得率69.0%～72.3%。在打漿度46°SR 情況下進行抄紙實驗，紙張主要性能指標為緊度0.41 g/cm3，抗張指數25.2～27.4 N·m/g，撕裂指數6.5 mN·m2/g 左右。用其配抄擦手紙、廚房用紙、紙杯原紙等紙種，紙張性能如表6～表8 所示，其中配抄紙杯原紙的配抄量達60%以上，3 種試驗紙樣均達到了國家標準要求或超過市場同類產品。

表6 毛竹本色紙杯原紙質量指標對比Table 6 Comparison of quality index of paper cup base paper with unbleached phyllostachys edulis pulp

表7 廚房紙巾的性能對比Table 7 Properties comparison of kitchen tissue paper

表8 擦手紙的性能對比Table 8 Properties comparison of wiping off hand paper

3 巨菌草

巨菌草是一種適宜在熱帶、亞熱帶、溫帶生長和人工栽培的高產優質菌草，屬多年生禾本科直立叢生型植物，植株高大，株高最高的達7.08 m，莖粗可達3.5 cm，50 個節，節間長9～15 cm，其形態見圖1，莖稈形態見圖2。巨菌草具有較強的分蘗能力，一株苗可分蘗20～50 株；生長速度快，3 個月可長到3 m左右；抗逆性強、不擇土壤、耐干旱、耐瘠薄，荒坡、山地、堤壩、房前屋后、田邊地角均可種植；產量高，一年可收割6～8 次，畝產鮮草達20～30 t；粗蛋白和糖分含量高，是飼養牛、羊、兔、鵝、魚等畜禽的優質飼料。

巨菌草原產北非，由國家菌草工程技術研究中心林占熺院士于1983 年引進我國，經過20 多年才培育出適合我國氣候土壤環境的草種，并由林占熺以“巨菌草”命名。巨菌草的種植已得到了廣泛的推廣，2020 年5月18日種植在內蒙古烏蘭布和沙漠種植的巨菌草，生長90 天株高234 cm、分蘗57 個、根系長248 cm、根系深102.5 cm，單株地上植株鮮重7.06 kg，根鮮重14.52 kg，根重是莖葉重的2.97 倍。據河南農墾總公司有關人士介紹，在平原縣種植的巨菌草每畝每年產飼草5 t 左右，第1 年莖桿畝產量2 t（水分10%～20%）左右，到第3年后畝產量達到5～10 t。國家菌草工程技術研究中心技術員在內蒙古阿拉善同一地塊種植巨菌草與青貯玉米、蘇丹草、甜高粱作耗水試驗，其水分利用率結果比較見表9。

巨菌草的莖桿是優質的制漿造紙原料，中國制漿造紙研究院衢州分院采用硫酸鹽法研究巨菌草的制漿造紙性能，在用堿量13%、硫化度10.5%、液比1∶5、溫度150℃、升溫1.5 h 條件下蒸煮，測得粗漿得率為58.87%，初始打漿度僅為11.5°SR，裂斷長3.5 km，漿料白度達到43.1%。結果表明，巨菌草硫酸鹽漿的各項物理性能指標良好，是優良的制漿造紙原料。魯南等人[18]采用硫酸鹽法制漿，在用堿量13%、硫化度10.5%、液比1∶5、溫度155℃、2.5 h 條件下蒸煮，粗漿得率66.86%，高錳酸鉀值12.1，紙漿裂斷長2.73 km、撕裂指數11.5 mN·m2/g、耐破指數1.85 kPa·m2/g、白度28.7%、不透明度80.3%。上述實驗均表明，巨菌草是優質的制漿造紙原料。

圖1 巨菌草形態Fig.1 Pennisetum giganteum morphology

圖2 巨菌草莖桿形態Fig.2 Pennisetum giganteum stalk morphology

表9 巨菌草與青貯玉米、蘇丹草、甜高粱水分利用率比較Table 9 Comparison of water use efficiency of silage corn,sudan grass,sweet sorghum

4 幾種非木材纖維原料制漿造紙技術經濟可行性分析

東北地區冬季長，玉米秸稈用于還田和發酵飼料難度較大，現在主要是壓縮后用來發電，劉平等人[11]按壓縮燃料進價300～400 元/t 計，以5000 m3/h 氣化量設備為例計算，玉米秸稈總發電成本在0.630～0.686元/kW 之間，工廠生產成本在0.7～0.8 元/度，與一般熱電聯產煤電0.30元/度的成本相比，競爭力較弱。

按風干玉米秸稈收購價280 元/t，得率50%計，制漿成本約為2050元/t左右，該成本未考慮與葉和穰分離后作為飼料、肥料或發酵沼氣產生的效益及政府的優惠政策，相對于國產廢紙2000～2300 元/t 的價格，玉米秸稈漿的成本和質量均具有較強的競爭優勢。毛竹收購價按1100 元/t 計，得率按70%計，制漿成本約為2890元/t左右。在當前的市場形勢下，具有較好的競爭力。

巨菌草種植還處于推廣階段，但其莖桿的畝產量和制漿得率方面均優于現有的纖維原料，包括木材纖維原料，其經濟可行性應該不存在問題。

5 結語

毛竹和玉米秸稈都是我國儲量相當豐富的非木材纖維原料，一直以來未得到制漿造紙行業的青睞，主要是因為用其制造化學漿存在著蒸煮周期長、化學品消耗量大、得率低等問題，導致其生產成本高。面對禁止廢紙進口，本色紙的環境友好優勢得到消費者普遍追捧的新形勢，如果能科學設計其生產和應用的工藝技術路線，毛竹和玉米秸稈用于彌補制漿造紙原料不足，在經濟和技術上是完全可行的，充分發掘這兩種非木材纖維原料資源，未來形成2000萬～3000萬t/a的紙漿生產能力都是有可能的。從目前的實驗結果來看，用其制作本色漿比較適宜，采用這些漿料抄造的本色紙和紙板，可以替代很多現有的高白度生活用紙和包裝紙等產品，可以大幅節省木漿的纖維原料，一部分國內現有的用于生產漂白化機漿的闊葉木纖維原料也可以轉產漂白化學漿，可以大幅減少對進口紙漿的依賴。這里值得一提的是山鷹紙業（吉林）有限公司在吉林省扶余市建設年產100 萬t 紙漿和工業包裝紙項目于2020 年9月26日開工建設，一期工程包括年產10 萬t 玉米秸稈制漿生產線。這一項目的實施，是推動玉米秸稈在制漿造紙行業有效利用的積極探索。另外，2017 年黑龍江銀泉紙業公司采用稻草為主要原料，成功生產出了紙地膜產品，擴大了秸稈漿的應用領域，這也是玉米秸稈漿一個新的應用方向。泰盛制漿和玖龍紙業分別在南平和咸寧開展毛竹制漿造紙項目，對推動毛竹纖維原料有效利用具有很好的示范作用。

巨菌草是優質飼料，同時也是值得制漿造紙行業高度關注的纖維原料資源，建議有關政府部門和協會、學會等行業組織及企業能引起重視，組織相關單位進行深入研究，推動形成種植、養殖、漿、紙相結合的生產經營模式，進一步開拓制漿造紙纖維原料來源。