蔗渣生物质颗粒发展前景分析

2021-03-24张思聪徐光辉赵抒娜谢凌波

甘蔗糖业 2021年1期

张思聪，王　健,2，徐光辉，王　宝,，赵抒娜,，谢凌波

【综合利用与产业链延伸】

蔗渣生物质颗粒发展前景分析

张思聪1，王健1,2，徐光辉3，王宝1,3，赵抒娜1,3，谢凌波2*

(1中粮营养健康研究院有限公司/老年营养食品研究北京市工程实验室/营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京 102209；2中粮屯河崇左糖业有限公司，广西崇左 532200；3中粮屯河糖业股份有限公司/农业农村部糖料与番茄质量安全控制重点实验室，新疆昌吉 831100)

介绍了以蔗渣为原料制备生物质颗粒的相关内容，从原料优势、生产工序、产品利润及生产问题解决几个方面进行了讨论，分析总结了蔗渣生物质颗粒从生产到应用的一系列问题，并针对热值和结焦问题提出解决措施，为蔗渣的应用提供了思路。将蔗渣制备成生物质颗粒，不仅能够有效解决蔗渣过剩问题，缓解环境压力，增加糖业的经济效益，同时也可以实现资源区域化协调，对促进当地社会、经济发展和生态环境的改善具有重大意义。

甘蔗；糖业；蔗渣；生物质颗粒

0 引言

生物质是指利用自然资源，通过光合作用产生的各种有机体，以化学能形式存在于生物质中的太阳能称为生物质能，生物质能源具有低排放、可循环等特点[1-3]。近年来，自然资源的枯竭及气候问题日益突出，生物质清洁能源已经发展为继煤、石油、天然气后的第4大可再生能源，受到广泛的关注。燃料是生物质能源最常见的利用形式，然而生物质的低热值、低密度与不规则外形严重限制了其大规模应用[4]。通过挤压、固化等工艺将不规则的生物质制得结构紧实、外形均一、密度大、热效率高的颗粒或棒状燃料，以最简单、最直接的途径将生物质能源化利用，能够极大地拓展生物质的应用领域[5]。

我国是农业和林业资源大国，在生产活动中产生的大量废料(木屑、秸秆、蔗渣等)是生物质的主要组成部分，丰富的生物质资源与合理的政策保障，能为我国生物质产业的发展奠定良好的基础。以云南省为例，烟草业、茶业是云南重要的经济产业。烟草产业对云南省财税增长、烟农增收起着重要的作用，而茶产业是云南传统特色优势产业，2019年云南省茶业产值达到198.17亿元[6]。近年来，烟草业、茶业正处于转型提升的关键时期，能源结构亟需进行优化调整，大力发展清洁能源，改善烟草和茶叶加工中以煤炭/薪柴为主的能源结构，将有利于提升产业的社会、生态、经济效益，实现产业的可持续发展和资源良性循环。蔗渣是制糖工业的主要副产物，其具有性质稳定、热值与木屑相差不大等特点，是一种优良的生物质原料。作为我国的第2大蔗区，云南地区蔗渣供应量大，每个榨季都会产生大量蔗渣用于锅炉燃烧。近几年，随着制糖企业能耗降低，使得蔗渣大量剩余，而作为蔗渣主要消耗渠道的造纸厂因环保等原因大批关停，加之进口纸浆价格低迷对整个造纸原料行业的冲击，使得蔗渣销路日益受限，造成了大量经济损失与严重的环境污染。因此，将制糖业的副产物蔗渣进行高值化加工，制备蔗渣生物质颗粒，不仅能够有效解决蔗渣过剩问题，缓解环境压力，增加糖业的经济效益，同时也可以将蔗渣生物质颗粒，应用于云南当地的经济支柱烟草行业和传统特色优势茶产业，实现资源区域化协调，对促进当地社会、经济发展和生态环境的改善具有重大意义。

本文从生产工艺、产品标准等方面介绍了蔗渣生物质颗粒应用前景，同时针对蔗渣生物质颗粒在应用中可能存在的热值和结焦问题，提出解决思路，为蔗渣生物质颗粒的应用提供参考。

1 生物质颗粒的生产工艺

目前生物质颗粒的一般生产工艺主要包含如下几个步骤：

⑴撕解：生物质原料的种类、形态各异，对于木片、秸秆等原料，需要先进行撕解，然后才能进入粉碎环节；

⑵粉碎：为了能够压制成型，经过撕解后的原料进入粉碎机进行粉碎，需要将其中的长纤维粉碎为细小颗粒；

⑶干燥：通常采用滚筒干燥机进行干燥，将粉碎的物料输送到干燥装置，物料与烟气充分接触，水分通常可降至18%以下；

⑷除铁：由于生物质原料复杂，不可避免会夹带金属等杂质，通常在制粒机前设置除铁装置以除去物料中夹带的金属以最大限度地保护制粒机；

⑸制粒：干燥后的物料经传送带送至储料仓，堆积一定量后送往制粒机进行制粒，细碎原料经高温软化、挤压后制成棒状颗粒；

⑹冷却：蔗渣在制粒过程经过机械挤压成型，产生大量的热量使成品颗粒温度升高，需要进行冷却降温，避免在储存过程吸潮和变质；

⑺除尘：在整个物料加工过程中会有较多的扬尘，因此在生产车间会设置多个旋风除尘器；

⑻包装：颗粒在装有挡板的传送带上进行运输，细小的未成形碎屑被初步筛分，成型的颗粒棒被送往后续装置进行冷却包装。

2 生物质颗粒的标准要求

对于颗粒产品的质量标准，在行业标准NY/T 1878-2010《生物质固体成型燃料技术条件》中有着相关规定[7]，如表1所示。

由表1可以看出：对于生物质颗粒燃料，其直径、长度都有着明确的限度，若过长过粗则可能造成生物质燃烧锅炉进料不畅不均等问题。为了保障燃料有着足够的热效率，对颗粒密度、破碎率与发热量也有着明确的规定，这就要求原料粉碎要尽量彻底，颗粒压制要尽可能紧实，才能保证产品有着良好的发热性能。含水率是影响生物质热值最重要的指标之一，燃料含水率越低，燃烧效率越高，但意味着干燥成本要有所提升，具体干燥指标仍需进行评估后确定，在行业标准中要求颗粒燃料含水率≤13%。此外，灰分也是生物质颗粒燃料品质的重要指标，其含量高低直接影响着生物质锅炉的结焦问题，规定灰分含量对于抑制锅炉结焦、降低设备维护成本具有重大意义。

表1　NY/T 1878-2010中生物质固体成型燃料基本性能要求

此外，若在颗粒中添加辅料，相关元素含量需符合NY/T 1878-2010规定。行标中明确指出：生物质成型燃料有关性能若不能满足表2要求，应在产品包装书上进行标识，或向用户说明实际测试值[7]。

表2　NY/T 1878-2010生物质固体成型燃料辅助性能指标要求

3 蔗渣生产生物质颗粒的前景和优势

目前，生物质颗粒的原料以木材和秸秆为主，蔗渣通常用于造纸和生物质发电，以其为原料生产生物质颗粒的应用相对较少，但总体来看，以蔗渣为原料生产生物质颗粒在原料、工艺和应用方面存在着一定的优势。

3.1 原料优势

近年来，随着制糖工艺水平的提高，广西和云南地区的蔗渣产量有了进一步的提升，加之造纸、板材业对之需求量少，因此蔗渣作为生物质颗粒原料能保障充足的供应。对于传统的生物质颗粒原料，如木屑，其存在原料供应分散、收集不易、种类繁多、性质不稳定等问题，需要根据原料性质进行调整实际生产工艺。相较之下，蔗渣由糖厂直接供应，原料供应充足，且性质相对稳定，后续加工生产无需频繁调整操作参数，生产效率较高。

3.2 工艺优势

在生产工艺方面，蔗渣颗粒相较最常见的木质颗粒有着十分明显的优势。木质原料强度较大，在粉碎之前需进行撕解，该工序耗费的能源、人力成本十分巨大；而蔗渣颗粒小，强度低，无需撕解即可粉碎，可以极大地节约加工成本。此外，蔗渣相较木质更为蓬松，在干燥环节可以与烟道气充分接触而烘干彻底，干燥成本相对较低。

3.3 应用优势

广西和云南是全国糖料蔗核心基地和生产保护区，每年制糖企业都会产生大量的副产物蔗渣。由于蔗渣含水量较高，使得其运输成本高、运输距离有限，而受政策和环境等方面的约束，没有足够的造纸厂、发电厂消化蔗渣，导致蔗渣大量的过剩。而广西和云南地区的烟叶和茶叶等产业对能源的需求量较高，将蔗渣进行高值化加工，制备蔗渣生物质颗粒，便于外运或应用于当地特色产业，有望解决蔗渣过剩问题，缓解环境压力，增加糖业的经济效益。

4 蔗渣生产生物质颗粒的生产问题及解决措施

以蔗渣为原料制备生物质颗粒虽然有着很多优势，但也存在一些问题，只有解决这些问题才能使蔗渣生物质颗粒在市场中更具竞争力。

4.1 提升热值与热效率

生物质颗粒热值的高低直接影响产品的议价空间，也是大部分下游客户最关注的问题，往往会成为其选择生物质原料的依据。常见生物质颗粒热值如表3所示：

表3　常见生物质颗粒热值[8-9]

热值是多数厂商评定生物质原料的首要指标，通常情况下，木屑颗粒的热值一般在4000 kcal/kg以上，而秸秆类颗粒的热值介于3000～4000 kcal/kg之间，蔗渣颗粒的热值与秸秆颗粒相似，略低于木屑颗粒，提供单位热量所需颗粒原料的量更大，在同等价格下，多数厂商更倾向于使用木屑颗粒。因此，提高颗粒热值是提升蔗渣颗粒产品竞争力的重要途径。在生产中可通过将蔗渣和高热值的木屑复配来提升颗粒产品的热值。除此之外，根据实际情况提高干燥强度，使得产品水分含量降低，也可以增强颗粒的燃烧效率。

4.2 生物质锅炉结焦

锅炉结焦是制约着蔗渣生物质颗粒发展的最主要问题。蔗渣中带有的泥沙，包含二氧化硅与某些低熔点金属元素，在生物质锅炉工作过程中这些物质分布不均且会熔为流动态，经冷却后凝固为坚硬的玻璃态，结成“焦块”，不但需要花费大量成本去清理，还会对炉体造成危害，严重制约生物质颗粒的应用。造成结焦的原因主要包含以下几个方面[10-12]：

⑴灰分含量高：蔗渣中的灰分主要由SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等组成，灰分在高温下变成熔融状态后粘结成难以清除的大渣块。通常情况下，硅酸盐含量高时，结焦松散；碱金属含量高时，会引起结焦；当硅酸盐和碱金属含量都高时，特别容易形成大块灰渣；

⑵木质素影响：生物质灰熔点一般为800℃左右，挥发分中易挥发燃烧的半纤维素和纤维素成分挥发燃烧完成后，较难燃烧的木质素成分会伴随着焦炭一起燃烧，此时灰分因为达到灰熔点而融化，并发生结焦；

⑶燃烧温度过高：虽然生物质颗粒燃料着火温度很低，但颗粒燃料锅炉属于绝热炉，炉膛其燃烧温度可达1100℃，温度高于生物质颗粒中成分的熔点。

结焦是所有生物质颗粒燃料所面临的通用难题，由于结焦产生机理复杂，涉及的因素多无法彻底解决，但可以通过采取蔗渣筛分、使用除焦剂、调整锅炉设计参数等一系列的有效措施来缓解结焦问题。

4.2.1 蔗渣筛分

结焦的主要成分为二氧化硅与碱土金属氧化物，推测蔗渣中的灰分是引起结焦的主要原因。一般糖厂压榨产生的蔗渣中包含长条状的蔗渣和破碎度较高的成粉末蔗渣，在行业内后者称为蔗髓，其中含有甘蔗收割带来的泥沙等无机物杂质，增加燃烧灰分的主要来源。云南省梁河县某工厂将蔗渣进行烘干，250℃碳化60 min后升温至550℃持续120 min使之灰化，分别测定筛分前后蔗渣的灰分，实验数据表明经过筛分后，蔗渣中的灰分由0.86%下降到0.65%。因此，将蔗渣进行筛分，筛去蔗髓，能够有效降低泥沙含量，并进一步缓解结焦问题的产生。

4.2.2 使用除焦剂

除焦剂是一种可以清理结焦并抑制再结焦的化学试剂，主要由氧化剂、膨化剂、催化剂以及高温滞留剂等成分组成。将其按一定比例与蔗渣混合制得含有除焦剂的颗粒，在生物质颗粒锅炉燃烧过程中，除焦剂中的相应成分能够与蔗渣中的成分进行反应，生成灰熔点较高的无机盐，不易结块，或者结焦松散脱落，经鼓风机吹出炉膛，同时抑制二次结焦的发生。相关研究表明高岭土、云母粉和粉煤灰等物质也可改善燃料烧结特性，缓解受热面结焦问题[13]。实际生产中应参考原料灰分的含量与成分，结合成本有针对性地选择除焦剂。

4.2.3 调整锅炉设计参数

除了燃料的成分与性质，结焦还与锅炉的性能参数有关。生物质燃料在炉内分布不均，燃烧时会形成局部高温团块，单纯降低通风压力难以满足燃烧所需通风量。应同时调整锅炉的配风比，控制通入空气的分配比例，使得局部团块能与更多空气接触从而充分燃烧，有利于缓解因燃烧不充分而结焦的问题[14]。另外进料设计若不合理，也会加剧结焦问题，因此应充分重视生物质锅炉的设计与参数，根据实际情况进行合理调整。

锅炉结焦无法彻底解决，总会有一些细碎灰渣凝集在炉膛。因此无论采取何种办法缓解结焦问题，都要对锅炉进行定期清理。应在以上几种措施的辅助下将板结程度不大的灰渣及时清出炉膛，才能真正有效地解决结焦问题。

5 结论

在当今能源危机的大背景下，生物质能作为一种清洁、可再生能源受到广泛关注，政府也推行了许多政策扶持相关产业的发展，生物质能源的应用已逐渐成为趋势。生物质经挤压成型制备的燃料颗粒，不仅外形均一性质稳定，且有着较好的热效率，是生物质能源应用的最佳途径之一。广西、云南等几大产蔗大省每个榨季会残余大量蔗渣，采用蔗渣制备颗粒燃料既能有效消化蔗渣，又能制造经济效益、降低排放，是一种节能增效的有效途径。蔗渣制备颗粒有着众多优势，可在一定程度上节约不少成本，但也存在着低热值、易结焦等问题。通过有效途径解决这些问题是提高蔗渣颗粒市场竞争力的首要任务。一旦这些问题得到解决，蔗渣颗粒就会以其独特优势在颗粒市场占有一席之地，具有广阔的发展前景。

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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