积极利用非木材纤维资源——解决造纸工业原料短缺问题

刘 文 王 浩 李 政 杜 齐 贾程瑛万 莹 郑 晗 谢 姣

（1.中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102；2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明，650231；3.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102；4.中国制浆造纸研究院衢州分院，浙江衢州，324000；5.龙游县特种纸科技创新管理服务中心，浙江衢州，324400）

我国造纸工业长期依赖进口商品木浆和废纸，从表1[1]的数据可以看出，进口浆消耗量呈逐年增加趋势，与2010年相比，2019年增加了116%，废纸进口量在2012 年达到峰值后保持相对稳定，近两年由于限制废纸政策的出台，进口量大幅下降。与此同时，国产非木材纤维纸浆产量却在逐年下降，到2019 年降为588万t，约为2010年的1/2左右，其中减量最多的是稻麦草浆，减少了近500 万t。为应对限制废纸进口这一重大变化，包装纸企业积极采取各种措施，包括到国外建干、湿法解离废纸浆厂、包装纸厂等，但目前从总体形势来看，还难以解决禁止废纸进口造成的原料短缺和质量下降的问题。面对纤维原料供应的严峻形势，国内大量非木材纤维却未得到充分利用，积极探索非木材纤维原料的充分利用，对解决我国造纸工业纤维原料严重短缺问题，推动造纸行业高质量发展具有重要意义。

1 玉米秸秆

玉米是全球第一大粮食作物，2018 年全球总产量为10.4 亿t，占全世界粮食总产量的35%[2]。我国2018 年的玉米产量大约在2.6 亿t，东北地区玉米产量约为9000 万t，占34.6%。按粮秆比1∶1.2 计算，东北地区玉米秸秆产生量为1.08亿t[2]。

玉米秸秆主要由叶、外皮和髓芯（穰）组成。叶（叶片和叶鞘）的质量约为40%，纤维含量为30%，叶片机械强度很小。髓芯质量约为15%，纤维含量为20%，髓芯密度很小，蓬松柔软，吸水性强，机械强度极低。穰和叶含有丰富的粗蛋白、粗脂肪、半纤维素等，其中穰熟化性好，营养成分高，消化率高[3]，穰颗粒是优质的饲料原料。玉米秸秆外皮质量约为45%，其纤维含量在各部分中最高，约为50%，且机械强度较高[4]。制浆造纸主要是利用玉米秸秆皮的部分，其与几种非木材纤维原料的化学组分和纤维形态比较分别见表2 和表3[5-9]。从表2 中的数据可以看出，与一般草类纤维原料相比，玉米秸秆皮的木素含量较低，与三倍体毛白杨相近；1%NaOH抽出物的含量是表2 中所列几种纤维原料中最高的，达到了50.61%，说明其主要化学组分中低分子质量成分较多，不宜采用处理条件较剧烈的化学法制浆，否则会导致制浆得率过低，原料得不到充分利用。巨菌草全秆的化学组分特点是聚戊糖含量较高，是表2中所列非木材纤维原料中最高的，木素含量较低，与三倍体毛白杨和玉米秸秆皮相近。从表3的纤维形态数据可以看出，玉米秸秆皮和巨菌草全秆的长宽比介于其他非木材纤维原料和三倍体毛白杨之间，巨菌草全秆的纤维形态更接近于三倍体毛白杨。

表1 进口纸浆消耗量、废纸进口量和国产非木材纤维产量Table 1 Imported pulp consumption,imports of waste paper and domestic non-wood fiber output

表2 常用非木材纤维原料的化学组分比较Table 2 The comparison of chemical components of common non-wood fiber %

中国制浆造纸研究院有限公司江骁雅等人[10]通过对玉米秸秆进行预处理，将其叶和穰中的非纤维成分进行分离，将剩余组分进行化学处理，然后进行高浓磨浆，制浆得率约为50%，其成浆性能见表4。从表4 中的结果可以看出，玉米秸秆浆的性能远高于瓦楞纸原优等品的标准要求；而对比箱纸板原纸合格品标准，除环压指数超过了标准要求外，耐破指数与耐折度低于标准要求。耐破指数、耐折度主要与浆料自身特性相关，可通过配抄其他纤维实现提升，通过添加针叶木浆，其相关物理性能指标能达到箱纸板原纸的标准要求。因此，预计玉米秸秆浆可以用于配抄箱纸板、纸杯纸、食品卡纸等各类纸板，也可以用来配抄生活用纸等。

表3 常用非木材纤维原料纤维形态比较Table 3 The comparison of fiber morphology of common non-wood fiber

表4 玉米秸秆化机浆的物理性能指标Table 4 Properties of chemi-mechanical pulp of the corn straw

2 毛 竹

我国是世界上竹类资源最丰富的国家，栽培面积、蓄积量及年产量占世界1/4，均居世界之冠，其中尤以毛竹为种植面积最多的品种。毛竹主要分布在福建、江西、浙江、湖南、安徽、广东等地，第五次全国森林普查毛竹主要产地的分布情况见表5。根据第八次全国森林资源清查的结果，全国毛竹林面积443.02 万公顷，占竹林总面积的73.8%。竹子生产速度快，一年即可成材；竹子的再生能力强，成材竹砍伐后不需人工种植，其根系将生发出新竹。据竹藤中心有关专家介绍，毛竹的亩产量为350～1000 kg，若以每亩年产毛竹350 kg（风干）计算，则全国年产毛竹2310 万t。如果竹材需求旺盛，激发竹农育竹积极性，每亩产量可提高到1000 kg，则总产量可达6600万t。

表5 我国主要毛竹产地的毛竹林面积及株数Table 5 The area and number of phyllostachys edulis forests in main producing area in China

毛竹目前主要是用来加工各类竹材制品，包括建材、家具、餐具、工艺美术品等。由于毛竹加工业不景气，毛竹销售不畅，80%的成材毛竹没有得到及时砍伐利用，造成资源的严重浪费。毛竹结构致密、蒸煮周期长、制浆成本高，在制浆造纸行业一直未得到有效利用。为了充分利用毛竹这一潜在的优质纤维原料资源，生产出廉价、优质的造纸用浆，应用于高附加值纸种的生产，最大限度提高产品利润水平，中国制浆造纸研究院衢州分院采用化学机械法制浆工艺对毛竹制浆和纸浆应用技术开展了系统的研究，在用碱量8.0%～10.0%的条件下，纸浆得率69.0%～72.3%。在打浆度46°SR 情况下进行抄纸实验，纸张主要性能指标为紧度0.41 g/cm3，抗张指数25.2～27.4 N·m/g，撕裂指数6.5 mN·m2/g 左右。用其配抄擦手纸、厨房用纸、纸杯原纸等纸种，纸张性能如表6～表8 所示，其中配抄纸杯原纸的配抄量达60%以上，3 种试验纸样均达到了国家标准要求或超过市场同类产品。

表6 毛竹本色纸杯原纸质量指标对比Table 6 Comparison of quality index of paper cup base paper with unbleached phyllostachys edulis pulp

表7 厨房纸巾的性能对比Table 7 Properties comparison of kitchen tissue paper

表8 擦手纸的性能对比Table 8 Properties comparison of wiping off hand paper

3 巨菌草

巨菌草是一种适宜在热带、亚热带、温带生长和人工栽培的高产优质菌草，属多年生禾本科直立丛生型植物，植株高大，株高最高的达7.08 m，茎粗可达3.5 cm，50 个节，节间长9～15 cm，其形态见图1，茎秆形态见图2。巨菌草具有较强的分蘖能力，一株苗可分蘖20～50 株；生长速度快，3 个月可长到3 m左右；抗逆性强、不择土壤、耐干旱、耐瘠薄，荒坡、山地、堤坝、房前屋后、田边地角均可种植；产量高，一年可收割6～8 次，亩产鲜草达20～30 t；粗蛋白和糖分含量高，是饲养牛、羊、兔、鹅、鱼等畜禽的优质饲料。

巨菌草原产北非，由国家菌草工程技术研究中心林占熺院士于1983 年引进我国，经过20 多年才培育出适合我国气候土壤环境的草种，并由林占熺以“巨菌草”命名。巨菌草的种植已得到了广泛的推广，2020 年5月18日种植在内蒙古乌兰布和沙漠种植的巨菌草，生长90 天株高234 cm、分蘖57 个、根系长248 cm、根系深102.5 cm，单株地上植株鲜重7.06 kg，根鲜重14.52 kg，根重是茎叶重的2.97 倍。据河南农垦总公司有关人士介绍，在平原县种植的巨菌草每亩每年产饲草5 t 左右，第1 年茎杆亩产量2 t（水分10%～20%）左右，到第3年后亩产量达到5～10 t。国家菌草工程技术研究中心技术员在内蒙古阿拉善同一地块种植巨菌草与青贮玉米、苏丹草、甜高粱作耗水试验，其水分利用率结果比较见表9。

巨菌草的茎杆是优质的制浆造纸原料，中国制浆造纸研究院衢州分院采用硫酸盐法研究巨菌草的制浆造纸性能，在用碱量13%、硫化度10.5%、液比1∶5、温度150℃、升温1.5 h 条件下蒸煮，测得粗浆得率为58.87%，初始打浆度仅为11.5°SR，裂断长3.5 km，浆料白度达到43.1%。结果表明，巨菌草硫酸盐浆的各项物理性能指标良好，是优良的制浆造纸原料。鲁南等人[18]采用硫酸盐法制浆，在用碱量13%、硫化度10.5%、液比1∶5、温度155℃、2.5 h 条件下蒸煮，粗浆得率66.86%，高锰酸钾值12.1，纸浆裂断长2.73 km、撕裂指数11.5 mN·m2/g、耐破指数1.85 kPa·m2/g、白度28.7%、不透明度80.3%。上述实验均表明，巨菌草是优质的制浆造纸原料。

图1 巨菌草形态Fig.1 Pennisetum giganteum morphology

图2 巨菌草茎杆形态Fig.2 Pennisetum giganteum stalk morphology

表9 巨菌草与青贮玉米、苏丹草、甜高粱水分利用率比较Table 9 Comparison of water use efficiency of silage corn,sudan grass,sweet sorghum

4 几种非木材纤维原料制浆造纸技术经济可行性分析

东北地区冬季长，玉米秸秆用于还田和发酵饲料难度较大，现在主要是压缩后用来发电，刘平等人[11]按压缩燃料进价300～400 元/t 计，以5000 m3/h 气化量设备为例计算，玉米秸秆总发电成本在0.630～0.686元/kW 之间，工厂生产成本在0.7～0.8 元/度，与一般热电联产煤电0.30元/度的成本相比，竞争力较弱。

按风干玉米秸秆收购价280 元/t，得率50%计，制浆成本约为2050元/t左右，该成本未考虑与叶和穰分离后作为饲料、肥料或发酵沼气产生的效益及政府的优惠政策，相对于国产废纸2000～2300 元/t 的价格，玉米秸秆浆的成本和质量均具有较强的竞争优势。毛竹收购价按1100 元/t 计，得率按70%计，制浆成本约为2890元/t左右。在当前的市场形势下，具有较好的竞争力。

巨菌草种植还处于推广阶段，但其茎杆的亩产量和制浆得率方面均优于现有的纤维原料，包括木材纤维原料，其经济可行性应该不存在问题。

5 结语

毛竹和玉米秸秆都是我国储量相当丰富的非木材纤维原料，一直以来未得到制浆造纸行业的青睐，主要是因为用其制造化学浆存在着蒸煮周期长、化学品消耗量大、得率低等问题，导致其生产成本高。面对禁止废纸进口，本色纸的环境友好优势得到消费者普遍追捧的新形势，如果能科学设计其生产和应用的工艺技术路线，毛竹和玉米秸秆用于弥补制浆造纸原料不足，在经济和技术上是完全可行的，充分发掘这两种非木材纤维原料资源，未来形成2000万～3000万t/a的纸浆生产能力都是有可能的。从目前的实验结果来看，用其制作本色浆比较适宜，采用这些浆料抄造的本色纸和纸板，可以替代很多现有的高白度生活用纸和包装纸等产品，可以大幅节省木浆的纤维原料，一部分国内现有的用于生产漂白化机浆的阔叶木纤维原料也可以转产漂白化学浆，可以大幅减少对进口纸浆的依赖。这里值得一提的是山鹰纸业（吉林）有限公司在吉林省扶余市建设年产100 万t 纸浆和工业包装纸项目于2020 年9月26日开工建设，一期工程包括年产10 万t 玉米秸秆制浆生产线。这一项目的实施，是推动玉米秸秆在制浆造纸行业有效利用的积极探索。另外，2017 年黑龙江银泉纸业公司采用稻草为主要原料，成功生产出了纸地膜产品，扩大了秸秆浆的应用领域，这也是玉米秸秆浆一个新的应用方向。泰盛制浆和玖龙纸业分别在南平和咸宁开展毛竹制浆造纸项目，对推动毛竹纤维原料有效利用具有很好的示范作用。

巨菌草是优质饲料，同时也是值得制浆造纸行业高度关注的纤维原料资源，建议有关政府部门和协会、学会等行业组织及企业能引起重视，组织相关单位进行深入研究，推动形成种植、养殖、浆、纸相结合的生产经营模式，进一步开拓制浆造纸纤维原料来源。