农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术

苏河山

(北京创源基业自动化控制研究所，北京，100037)

农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术

苏河山

(北京创源基业自动化控制研究所，北京，100037)

2011年11月29日国家发改委、农业部、财政部联合发出《关于印发“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》的通知（发改环资［2011］2615 号），这是为贯彻2008年《国务院办公厅关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》（国发办［2008］105号），加快推进和更具体指导我国“十二五”期间实施农作物秸秆综合利用的一份重要文件。

我国是一个农业大国，农作物秸秆产量大、分布广、种类多，是农民生活和农业发展的宝贵资源。但是由于国家经济发展和人民生活方式的转变，秸秆已成为废弃物，农村焚烧秸秆现象严重，带来了一系列的环境问题。 国家为保护环境，加快农业循环经济和农村产业发展，改善农民生活条件，增加农民收入，为我国新农村建设，提出农村农作物综合利用的实施方案，

文件进一步提出要全面落实科学发展观，坚持资源节约和环境保护基本国策，以提高秸秆综合利用率为目标，以创新为动力，以制度创新为保障，……促进秸秆的资源化、商品化利用，培育和利用秸秆，利用综合产业，带动农村经济社会发展。

我所是一家环保材料科学研究所，多年来，贯彻国家科技自主创新政策，走产、学、研结合的道路，为保护生态环境，充分利用农村丰富的各种秸秆资源，成功地研制出 《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》，已实现了工业化、产业化。经国家有关部门组织评议、鉴定和调研，已获得了国家发明专利。现将有关情况简要介绍如下。

我所研发的科技成果是 《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》。包含两个主要内容：一是将农作物秸秆纤维部分和营养颗粒部分的清洁剥离技术（简称《秸秆清洁制浆技术》）；二是生产废水资源性净化技术（简称《生产废水治理技术》）。

从1999年开始，我所研发秸秆机械法制浆。在十余年的研制过程中，涉及面不断扩展，随着农作物秸秆纤维部分和营养颗粒部分的清洁剥离技术和生产废水资源性净化技术的研发成功，实现了秸秆原料的多样化（从单一的稻麦草到棉花秆、蔗渣、豆秆、沙棘、芦苇、竹子等），和产品的多样化（不仅是瓦楞原纸、黄板纸、纱管原纸等包装用纸，还包括一次性餐饮具、工业衬托、秸秆中密度板、轻体建材、秸秆节能自烧砖、生物肥料、蛋白饲料、功能性膳食品等），技术链不断延伸，形成了以清洁制浆技术为核心的农作物秸秆综合利用技术群。

《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》系我所自主创新并拥有自主知识产权的一个技术集成，它的核心是用纯机械方法把农作物秸秆分为纤维和植粉两部分，用纤维代替木材和塑料，用植粉作为营养富集品，链接多种清洁工业制品。

《秸秆清洁制浆技术》的理论依据是：为最大限度地全资源利用秸秆，必须把秸秆的有效成份分离出来，再分门别类作为原料使用。我们的技术就是用纯机械法把秸秆分为纤维和颗粒两部分，纤维部分以秸秆机械浆形式出现，颗粒部分从循环用水中过滤出来。核心技术的实质是不添加任何的化学物质，用纯机械法制造机械浆和营养富集颗粒。

从某种意义上说制浆的过程就是处理木质素和剥离纤维的过程。因为木素是存在于细胞间层间最主要的物质，它使细胞互相黏合而固结。无论是化学制浆还是机械制浆，其主要目的都是破解制浆原料中木质素的黏合力。 化学制浆的原理是添加化学物质使木素溶出，从而破坏了纤维间的固结，同时产生黑液。我们研究了木质素性能和结构的关系，利用木质素的热变性原理 （木质素在高温条件下由脆硬的玻璃态转化为柔软的橡胶态），破坏秸秆纤维间横向固结力，对纤维进行分解。具体做法是采用纯机械加工工艺，将秸秆置于可聚蓄热能的非金属“秸秆分解机”中高速运转搓磨，使物料在瞬间高温状态下撕裂、压溃、帚化、润涨，形态和性态均发生变化，最终使纤维具备了成浆的要求。实际上是保持了木质素的存在，使之分散存在于浆中，这就是机械浆强度好，而且得率高的原因。 制造出特点鲜明的秸秆机械浆，利用这种浆配抄包装用纸、制造模塑产品和板材等。

《秸秆清洁制浆技术》的核心装备是 秸秆分解机。

《秸秆清洁制浆技术》是纯机械法制浆。但秸秆成浆必须具备形态和性态两方面的变化：即形态的帚化、细纤维化；性态上木素在热力的作用下由硬而脆的玻璃态向偏软的橡胶态转化。传统机械法处理木材的钢磨对于秸秆的加工并不适合，因为坚硬的钢质齿面切断能力强，搓磨能力弱，只能将原本纤维很短的秸秆打得粉碎，而对秸秆纤维的次生壁的紧密外层却无能为力。为了使草浆纤维尽量保持原有纤维长度，又能使其次生壁紧密的外层被压溃、帚化或细纤维化，我们改用撕裂搓磨能力强、适宜处理柔韧性材料的非金属材质的磨盘。同时考虑到机械在高速运转过程中材料强度的承受力，我们针对秸秆的特性，借鉴传统的木材机械制浆设备的工作原理，针对草类纤维原料的特点，自行设计制造出一种具有智能自动化的新型磨浆设备——“秸秆分解机”。

我们根据木质素的热变性理论、针对草类纤维短的特性及磨盘在高速运转时会产生持久的高温（可以达到110℃以上）等因素，为木素变性创造条件，改变传统盘磨的设计思路，对“秸秆分解机”的静、动盘采取了非对称的设计并且在动盘和静盘的齿形和材质方面，改用不同材质的复合型盘磨。

“秸秆分解机”是整个秸秆机械浆生产线的核心部分。“秸秆分解机”的非对称设计是一个创新，更是《秸秆清洁制浆新技术》重要而宝贵的闪光点。这样的设计是独创的，目前在世界上是惟一的。该设计一是大大降低了盘磨对草类纤维的切断能力；二是由于非金属盘磨的不导热性，使磨盘间原料的温度能有效地得到提高，促使木质素由玻璃态转化为橡胶态，可使草类纤维被较小的摩擦力柔性撕裂。该盘磨制浆的电力消耗是传统钢制盘磨的2/3。

按“秸秆分解机”的工艺特性要求，喂料必须充足、物料含水率要稳定（干度80%），且输送要均匀。由于秸秆疏松柔韧，单位重量小、缠绕性大、韧性强、沥水快，不单在喂料时容易堵塞，在出料口和整个生产输送过程中也容易出现阻塞、搭桥现象，因此，照搬传统的木材机械浆流水线很难处理 。充分考虑到秸秆和木片质地的差异，我们在设计中采用以大功率的水力碎草机为核心的湿法备料系统，对秸秆进行充分的搓揉浸泡，使其润涨柔和。为此，我们对“秸秆分解机”配套的撕裂机、水碎机、物料输送等关键设备和工序，均配置有全自动联动（PLC）控制系统，以确保整个生产线运转正常、稳定、节能、省电、效率高。

“生产废水治理系统”是确保不污染生态环境的重要环节。因为 《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》是从源头上杜绝了水污染，在秸秆机械制浆的全过程，因不加任何酸碱等化学品，所以无黑液产生。污水的 COD在 4000ppm左右，SS在 2500～3000ppm，引起COD和SS增高的主因是大量的秸秆悬浮物造成的，我们采用物化法来处理污水，水净化后完全循环使用，生产用水不排放。

根据制浆系统对水质的需要,我们更注重对SS的治理。污水中除COD和SS外，还有大量系统外的物质，比如泥土的微细颗粒和其他杂质，这些物质在水中短时间内不上浮也不下沉，化学絮凝剂对其不起作用，所以使用现在的物化水处理设备（比如凹凸式气浮机）不能达到收集作用，为此我们专门设计了不带过滤网的过滤塔——“恒压式絮凝自过滤塔”。用过滤的方式来收集污水中的悬浮物，效果较好。

“恒压式絮凝自过滤塔”的工作原理是：废水经絮凝处理后沉降，絮凝物在自身重力和塔内水压的共同作用下形成致密的絮凝物过滤层，水流自底部向上反向运动，塔内的过滤层可以起到过滤和吸附的作用，降低废水中的CODcr、SS、泥土的微细颗粒和其他杂质，提高回用出水净化效果。废水在处理过程中添加我所配制的沉淀剂和絮凝剂，添加剂除传统的饮用水沉淀絮凝剂外，辅以一种可用于食品卫生的助滤剂。

由于秸秆机械制浆对于水质的要求COD在1500～2000ppm左右、SS在1000ppm以下，为此，我们把水处理目标值定为COD：2000ppm、SS:800ppm，即COD的去除率为60%左右，SS的去除率为75%～80%左右。1吨污水的处理成本也基本上可以控制在0.8元左右，1吨浆的水处理费用在40至50元。

“生产废水治理系统”的污泥，实际上是秸秆的营养颗粒部分，秸秆在机械撕裂过程中，其成分的比例发生了变化，突出的特点是富集物部分（污泥）的碳氮比提高了 （大约在30左右），有机质含量也在32%以上。所以其利用的范围极为广泛，既可以直接做为有机肥的基料，又可以通过养殖蚯蚓转化为高蛋白质的食品，是一种高附加值的利用。把制浆排出的固体废弃物回收利用，这也是《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》的创新之一。

“恒压自滤式过滤塔”是水处理系统中的核心设备。由于没有化学品的污染，污水治理基本上是采用过滤絮凝，是以滤塔为核心设备组成的污水处理系统。该塔的最大特征是无滤网，避免了滤网需要大量的清水反冲洗的过程。同时，无需大面积的沉淀池，占地面积小，建设投资少，日处理污水8000立方米的污水处理系统，基本可以满足年产5万吨秸秆机械浆的污水处理的需要，建设资金为220～250万元左右。运行费用低，吨水处理费用0.8元左右，该系统也已实现了全自动的智能化控制。

水处理系统污水不外排常引起人们的质疑，有人认为絮凝过滤方法只能去除水中SS，而不能全部将水中的DCS去掉，随着时间增长，周而复始的循环用水中DCS浓度会越来越高，会导致无限富集，以致水变质不能继续使用。为此，对污水处理过程的污染物无限富集的问题，我们曾委托北京化工大学生命科学与技术学院对我们试验基地工艺装置的循环水系统做了一个月的全程跟踪监测 (2005年4月26日至2005年5月25日)。监测了双磨盘后、OCC振筛、纸机白水(微滤前、微滤后)、气浮后的水质，水质监测项目包括pH、电导率(反应水中盐分含量的项目)、离心沉淀物、浊度和CODcr。如果水中的污染物质是不断增加的话，就会形成一个上扬的直线，即便是极其微量的上浮，最终水也会因污染物渐增而变质。但是，为期一个月的水质跟踪检测结果表明，示范生产线在实际运行中，水中污染物变化的数据是在一个恒定的直线范围上下浮动，这说明DCS没有无限富集，而是基本稳定在一定的浓度水平上。表征DCS富集成度的电导率和COD值都在一定数值范围内小幅振荡，也就是说回用水中的DCS值是稳定的，不发生无限富集，不会影响整个生产线的运行。

从理论上说，水循环系统中DCS中的有机成分来源于秸秆机械浆的水的抽提物，DCS浓度提高后，其中低溶解度盐类会析出沉淀，并趋于平衡，因此，这样的水循环系统，可以保证生产用水循环使用，不会导致污染物无限富集。这是我们所谓的“拐点理论”。

水循环使用做到零排放，另一个关键问题是在于絮凝物是否能被利用。絮凝物的成份是来自于秸秆本身的营养富集植粉。由于营养富集植粉在制浆过程中受到机械的剧烈作用，聚合度大为下降，其形态有利于在生物肥料的制作过程中被菌种生物利用而形成高品质的生物肥料。

“生产废水治理系统”是《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》的重要组成部分。它与秸秆机械浆生产线组合，使机械制浆可以做到水的全回用。是变污水处理的达标排放为资源性回用。

我所《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》已研制成功、应用和正在研究的秸秆利用项目内容情况如下表：

?

1 秸秆机械浆制造包装用纸

秸秆机械浆的得率较高（在85%左右），浆纤维的组成成分中，除纤维素和半纤维素外，秸秆的其他成分大部仍都保留，特别是木质素，并没有溶出，而是被撕裂，散布在机械浆纤维的表面，纤维细胞破裂得不彻底（相对于化学草浆），这一切决定了秸秆机械浆的性质。一是松厚度高，这对纸的环压强度有较大的改善；二是纤维间的氢链结合力不够高（纤维细胞破裂不彻底），纸的强度会受到影响；三是木质素在常温下是玻璃态，依附在秸秆表面，使得秸秆浆纤维偏硬，表现在纸的耐折度不够。秸秆机械浆主要的用途是配抄以废纸为主的本色箱板纸、沙管原纸、瓦楞原纸等，实践证明，配抄30%左右的秸秆机械浆，可以有效地提高高强瓦楞纸的环压强度。生产出国家鼓励和市场需求量大的高强瓦楞原纸。我们在山西某纸厂的1760造纸机上抄造的瓦楞原纸（配抄15%～20%），经国家纸张纸浆检测中心测定结果，纸张环压强度高达9.8（标准是不小于3.5）。

2 机械浆一次性餐饮具

我国纸浆模塑餐具行业经过近二十年的发展，目前已初具规模，在经济发达国家，一次性餐具市场已占据了主导地位。

目前我国市场上的纸浆餐具的原料基本是以漂白化学甘蔗浆浆板为主，部分企业以化学本色草浆混配进口本色木浆（20%～30%）。在使用中发现几个较大的问题：一是纸浆餐具的整体挺度不高；二是纸浆餐具的硬度不够，不耐刀叉切割；三是遇热（90℃左右热水）和遇冷时变软。

山东海利源绿色包装材料公司采用我所 《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》的秸秆机械浆，生产的纸浆餐具综合物理性能有了较大的改善，检测证明，各项数据指标都很理想，特别是餐具的整体挺度有很大提高，抗压性、载荷性能和表面的硬度也大大增强，遇热和遇冷时变软的现象也有所缓解。更为重要的是因为机械浆在制造过程中不添加任何化学原料，制品中没有化学残留物，从质地到色泽都保持着原生态状。现已出口外销美国，国外已经认可是“环保餐饮具”。最近中央电视台农业频道“科技苑”和“农广天地”栏目连续播出《小麦秸秆餐具生产技术》向广大观众作宣传介绍。

3 中密度秸秆纤维板

中密度纤维板是将木材或植物纤维经机械分离后，掺入胶黏剂和防水剂等，再经高温、高压成型制成的一种人造板材，这种板材结构比天然木材均匀，边缘牢固，密度和强度适中，有良好的可加工性，不易变形，防腐防虫蛀，成本低。中密度纤维板具有多种用途，如制造中高档家具、室内装修、电视音响壳体、乐器、车船内装修、建筑行业用材等。

目前市面上销售的中密度板均是木质纤维的，秸秆纤维的中密度板还未问世，主要原因是中密度板的木质纤维是用机械法生产的木质机械浆，以前秸秆制浆只有化学法、半化学法工艺，化学浆纤维柔软、得率低，不适合生产中密度板。采用纯机械法生产的秸秆浆挺性好、得率高，符合制造的原材料要求。中密度纤维板是广有市场份额的工艺成熟稳定的老产品，中密度秸秆纤维板仅仅是用秸秆纤维取代木材纤维，工艺并不复杂，但这对于节省木材、保护森林，大量消耗农作物秸秆有重大意义。

4 生物肥料

采用微生物固态发酵技术把秸秆机械浆生产过程中产出的污泥制成了“秸秆植粉生物肥料”，生物肥料是以有机质为基础，然后配以菌剂和无机肥混合而成，它有良好的肥效，既能为农作物提供营养，又能改良土壤，活化土壤中的养分；同时还可对土壤进行“消毒”，即利用生物（主要是微生物）分解和消除土壤中的农药（杀虫剂和杀菌剂）、除莠剂及其它化工品的污染物，同时对土壤起到修复作用。

考虑到秸秆渣滓原料的特点，除营养富集的颗粒部分外还含有纤维素和半纤维素，我们生物肥料制备的原则确定为：采用多种能够利用纤维素和半纤维素的微生物对原料进行固态发酵，然后混合进去目前微生物肥料通用的固氮菌、磷细菌和硅酸盐细菌（钾细菌）。因此，我们研制的生物肥料，既有生物有机肥的特点，又有细菌肥料的优点，这样制成的生物肥料是一种新型微生物复合肥，除有高效的固氮、解磷、解钾活性微生物外，还含有丰富的有机质和微量元素。它既有肥效持久、壮苗抗病、改良土壤、提高产量、改善作物品质等优点，又能克服大量使用化肥、农药带来的环境污染、生态破坏等弊端。

5 包装内衬模塑材料

以前我国工业包装产品的缓冲材料中，采用发泡塑料（聚苯乙烯）制品的比例很大，大量使用于电子产品、家用电器、机电产品的包装上。发泡塑料重量轻、挺性强、柔韧性好，作为缓冲材料其物理性能极为优越，但会造成“白色污染”，给生态环境造成一定影响，纸浆工业包装内衬材料已在逐步取代塑料制品，已开始应用于食品包装，工业、电子产品包装等。从发展趋势看，纸浆模塑的替代之势不容置疑。

《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》在2005年8月通过中国环境保护产业协会组织评审，于2006年列为国家重点环境保护A类实用技术。山东邹平海华纸业公司年产5万吨麦草机械浆及中高档沙管原纸的技改项目，于2009年经山东省科技厅组织专家正式通过科技成果鉴定，和废纸配抄生产的沙管原纸、高强瓦楞原纸等项目已正式实现工业化大生产。该项技术已经获得多项国家发明专利。我所在新技术研发初期即得到中国制浆造纸研究院、北京化工大学等院校的指导和支持，2010年又组建中外合营公司，已正式建成工业化生产线生产一次性餐具供出口。

《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》具有创新性、科学性、实用性和经济性。秸秆机械浆生产线的特点是：可充分利用各种草类纤维原料；确保生态环境，生产用水循环使用不外排；投资小；节能，吨浆耗水量只有3～6吨、吨浆的动力消耗折标煤0.45～0.5吨。在我所研究成功并已得到应用和正在研究利用的项目中，机械浆制造包装纸、秸秆节能自烧砖和一次性餐饮具已能工业化生产；100%机械浆制作的零甲醛的中密度秸秆纤维板已生产出样品板，各项工艺数据已齐全，即可工业化正式生产。生物肥料、工业缓冲材料和蜂窝纸板及制品等项目也均可进入推广应用阶段。

能否充分利用好农作物秸秆，是关系到国家国民经济发展的大事。利用 《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》把农作物秸秆全面利用起来，不仅可充分利用农村秸秆废弃物，有效地杜绝秸秆焚烧现象，还可增加农民的收入，是一件利国利民，支持“三农”的大好事。《农作物秸秆清洁制浆及综合利用新技术》是一个清洁生产，循环经济，有很好经济效益、环境效益和社会效益的科技成果。我们有信心继续努力做好农村秸秆综合利用的科研、应用和推广工作，我们也期待得到国家有关部门的指导、重视与支持。

2012－9－10

环境保护