生物精煉在制漿造紙工業(yè)中的應用
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了生物精煉在制漿造紙工業(yè)中的應用范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
生物質(zhì)是自然界中廣泛存在的、數(shù)量最豐富的有機原料，是一種可再生資源，從農(nóng)林資源到水生植物，甚至包括一些特定的工農(nóng)業(yè)廢棄物和城市垃圾。生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是消耗量僅次于石油、煤和天然氣等傳統(tǒng)礦物能源的第四大能源，是人類賴以生存的、可再生的綠色能源。生物精煉(biorefinery)可最大化地利用生物質(zhì)資源以滿足人們對生物質(zhì)產(chǎn)品和能源需求的，符合人類可持續(xù)發(fā)展的要求，目前主要包括生物發(fā)酵、提取分離、綠色制漿、熱解、氣化等技術(shù)。人類對生物質(zhì)資源的利用已有幾千年的歷史，但往往效率低下、污染嚴重，隨著石油化學工業(yè)的迅速發(fā)展，生物質(zhì)資源的利用也趨于緩慢。然而，20世紀70年生中東戰(zhàn)爭引發(fā)的全球性能源短缺，以及人類對石油等資源的無節(jié)制開發(fā)利用所導致的傳統(tǒng)礦物資源的日益枯竭，使人們開始重新重視包括生物質(zhì)能源在內(nèi)的可再生能源的開發(fā)利用研究，同時，由石油化工產(chǎn)業(yè)所帶來的環(huán)境問題也使得我們開發(fā)利用環(huán)境友好的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)有較好的前景［1］。生物精煉技術(shù)可以將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為各種生物質(zhì)燃料、生物質(zhì)材料、生物質(zhì)化學品和生物質(zhì)能源等，使生物質(zhì)資源和能源得到充分、高效的開發(fā)和利用，同時又不造成對環(huán)境的污染;既滿足人們當前對化學品、材料和能源等各方面的需求，又符合可持續(xù)發(fā)展的要求。圖1是生物質(zhì)精煉產(chǎn)業(yè)所生產(chǎn)的多樣性產(chǎn)品數(shù)量的一種保守估計。如圖2所示，生物精煉技術(shù)可實現(xiàn)生物質(zhì)能源、生物質(zhì)材料、生物質(zhì)化學品、生物質(zhì)燃料與生物質(zhì)之間的可持續(xù)循環(huán)，是一項高效率、低成本、綠色無污染的技術(shù)［。20世紀70年代開始，生物質(zhì)資源的開發(fā)利用已成為世界性的熱點問題，其研究主要集中在生物質(zhì)能源、生物質(zhì)化學品和生物質(zhì)材料的開發(fā)利用方面。許多國家都制定了相應的開發(fā)研究計劃:美國國會于2000年6月通過了《生物質(zhì)研發(fā)法案》，2002年提出了《生物質(zhì)技術(shù)路線圖》，計劃到2020年使生物質(zhì)能源和生物質(zhì)產(chǎn)品較2000年增加20倍，達到能源總消費量的25%(2050年達到50%)，每年減少碳排放量1億t和增加農(nóng)民收入200億美元的目標;歐盟于1997年發(fā)表了白皮書《能源的未來:可再生能源》，2002年發(fā)表了綠皮書《歐盟能源供應安全戰(zhàn)略》，計劃到2020年歐盟的生物質(zhì)燃料替代20%的化學燃料;其他國家，如中國、日本、印度、巴西等國也紛紛投入大量的人力和資金從事生物質(zhì)資源的研究開發(fā)。美國現(xiàn)有100多個生物質(zhì)乙醇工廠，2006年美國燃料乙醇產(chǎn)量已達約50億加侖;歐盟是全世界目前生物柴油發(fā)展最好的地區(qū)，2005年歐盟生物柴油總產(chǎn)量已達320萬t。2000年我國開始了燃料乙醇試點工作，目前年生產(chǎn)能力已達102萬t，現(xiàn)已在東北三省、河南、安徽、河北、山東、江蘇、湖北等省的27個地區(qū)完成乙醇汽油試點工作;中國林科院林化所在北京、安徽蕪湖等地建立了年處理能力達幾千噸的木材熱解系統(tǒng)。這些都表明了生物精煉具有重要的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義，是現(xiàn)實可行、環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展之路。盡管如此，目前生物精煉仍主要處于研究和發(fā)展階段，其大規(guī)模的工業(yè)化應用仍面臨一些困難。
2．1傳統(tǒng)制漿造紙工業(yè)模式所面臨的問題
傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)就是一些以大量生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品，如紙漿、紙板或其他纖維素產(chǎn)品的企業(yè)，它們的主要特點是輸入的原料量和化學品很多，所消耗的能源巨大。然而，它們唯一的產(chǎn)出物只是纖維素類產(chǎn)品，原料的利用率低，能源的使用效率也較低，同時還產(chǎn)生大量的污染物和廢棄物，如不加以處理，將會對生態(tài)環(huán)境造成巨大的負面影響。由于優(yōu)良制漿造紙原料的短缺、石油等傳統(tǒng)資源價格的持續(xù)上漲，勞動力成本的上升，以及全球化競爭所帶來的巨大壓力，傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)面臨著前所未有的困難。一些企業(yè)紛紛采取了各種措施，如發(fā)展高得率的制漿造紙技術(shù)、促進林紙一體化、國外建造工廠降低生產(chǎn)成本以及開拓新的市場空間來擺脫這種困境，并收到了一定的成效。然而，這些并不能從根本上改變傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)對原料、資源和能源的嚴重依賴性，也不能徹底改變對生態(tài)環(huán)境造成的負面影響。工廠將原木轉(zhuǎn)變成基于纖維素的制漿造紙產(chǎn)品的這種老的商業(yè)模式已不適用。目前，歐洲、北美的一些企業(yè)，如UPM、IP、Georgia－Pa-cific等，都已經(jīng)制定了從傳統(tǒng)制漿造紙廠轉(zhuǎn)型為生物質(zhì)精煉廠的戰(zhàn)略。在未來，幾乎每個北美的制漿造紙廠都將生產(chǎn)生物質(zhì)汽油、生物質(zhì)酒精等高附加值產(chǎn)品。
2．2未來的生物精煉制漿造紙廠
隨著生物精煉技術(shù)的提出和發(fā)展，傳統(tǒng)制漿造紙企業(yè)有機會利用這項新興技術(shù)轉(zhuǎn)型為集約化的生物精煉廠以生產(chǎn)生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)化學品，并且能夠繼續(xù)生產(chǎn)出傳統(tǒng)的制漿造紙產(chǎn)品，在減少環(huán)境污染和提高能源使用效率的同時從林業(yè)生物質(zhì)資源中獲得最大收益。它們的主要特點是消耗的能源較少，不需要化石能源，而產(chǎn)出物多，原料資源的價值最大化地被利用，同時污染物和廢棄物的排放量也顯著減少，基本不會對生態(tài)環(huán)境造成較大的負面影響。是一家典型的現(xiàn)代化生物精煉制漿造紙廠的模式［4］。一些公司，如Potlach和AlabamaRiver將首先利用生物質(zhì)氣化技術(shù)來發(fā)熱發(fā)電并最終生產(chǎn)出液體運輸燃料和化學品，這也將取代工廠對天然氣和化石燃料的需求。接下來，工廠會將氣化技術(shù)用于制漿黒液的處理上。其它一些公司也正積極地將已倒閉的工廠轉(zhuǎn)型為現(xiàn)代化的生物精煉制漿造紙廠，如Georgia－Pacific公司將把在緬因州的工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€基于纖維素的生物質(zhì)燃料廠。在制漿造紙領域中應用生物質(zhì)精煉，可以將傳統(tǒng)的化學漿廠變成集約化的生物質(zhì)精煉廠，除了生產(chǎn)漿料，還可以生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，如乙醇、碳纖維、聚合物、煤油和生物柴油等，這些產(chǎn)品都來自于半纖維素和木質(zhì)素，而不是來自于纖維素。這些生物質(zhì)原料主要包括禾本原料、木質(zhì)原料和農(nóng)林作物，而聚糖和木質(zhì)素又廣泛存在于這類可再生的原料中，這使得現(xiàn)代化的生物精煉廠可以與傳統(tǒng)的石油精煉廠相當。在石油工業(yè)中，通過傳統(tǒng)精煉所得到的化學品的量只占總產(chǎn)出量的5%左右，而其他的都被用于生產(chǎn)運輸燃料和能源。同石油精煉一樣，日用化學品需求和運輸燃料間的平衡也是生物精煉的一個重要方面，有些觀點認為，生物精煉廠不應該改變這種比例。市場對生物質(zhì)燃料和能源的巨大需求，將使制漿造紙工業(yè)有潛力成為最主要的生物質(zhì)燃料供應商。
2．3生物精煉在制漿造紙過程中的應用現(xiàn)狀
2．3．1生物精煉在制漿造紙原料上的應用通過對制漿造紙纖維原料基因改性可以獲得不同纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量組成、不同纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的短周期速生原料，提高了制漿造紙原料的質(zhì)量，縮短了制漿造紙原料成材的年限，可滿足制漿造紙企業(yè)對優(yōu)質(zhì)原料的長期需求。如果將制漿造紙原料加工到納米級，其原來的細胞結(jié)構(gòu)被破壞，纖維組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維素、半纖維素和木素可在加工過程中用機械方法分離，從而提高制漿得率，改善漿料質(zhì)量，提高制漿造紙工業(yè)對環(huán)境的友好性。
2．3．2生物精煉在制漿過程中的應用在化學制漿前，利用相對溫和的條件抽提出乙酸和部分水溶性半纖維素，可降低制漿過程中有效堿的用量，加快脫木素速率，降低殘渣率，同時也減輕了黒液處理的壓力。實驗室研究表明，該工藝不會對纖維數(shù)量和質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。在制漿前，利用真菌或酶處理除去木片中樹脂，可減少紙機斷頭、防止紙張強度下降以及工藝設備堵塞等問題，現(xiàn)已在工業(yè)上獲得應用。在制漿前利用真菌或酶對木片進行預處理，既能降低制漿造紙過程中磨漿能耗和化學藥品用量，還能提高紙漿抄造的強度，減輕對環(huán)境的污染。目前，研究重點主要為生物機械制漿和生物預處理化學制漿。利用微生物、木素水解酶或半纖維素酶處理紙漿，降解碳水化合物和殘余木素，既能提高紙漿可漂性和白度，又可節(jié)省化學漂劑的用量，提高紙漿性能，并減少環(huán)境污染。廢紙再利用的關鍵技術(shù)之一是脫墨技術(shù)。相對于傳統(tǒng)脫墨技術(shù)，采用纖維素酶、半纖維素酶或脂肪酶來代替化學藥品進行脫墨處理，可減少脫墨劑的用量，增強脫墨效果，提高白度和漿料強度，同時也可降低廢水對環(huán)境的污染。
2．3．3生物精煉在制漿廢液上的應用利用木質(zhì)素沉積技術(shù)既可從制漿廢液中分離回收木質(zhì)素，又可減輕鍋爐回收化學藥品和能源的負荷。利用該技術(shù)能否獲得大量木質(zhì)素取決于制漿得率和沉積效率，如果制漿過程中溶出木質(zhì)素少或沉積效率較低，則木質(zhì)素獲得量較少。黑液氣化可替代傳統(tǒng)的湯姆林森回收鍋爐來回收化學藥品和能源，既可生產(chǎn)電力，又可生產(chǎn)合成氣，提高了黒液的日處理能力和能源的利用效率，減少了設備投入和占地面積。黒液氣化技術(shù)主要分為壓力氣化和常壓氣化，ChemrecAB和ThermochemRecoveryInternational兩家公司分別擁有這兩項技術(shù)。固體燃料氣化器可以替換傳統(tǒng)的固體燃料鍋爐，將任何可比較經(jīng)濟地運輸和氣化的材料運到工廠，包括農(nóng)作物廢料、鋸木屑、城市有機垃圾等，氣化后產(chǎn)生工廠所需的動力。應用生物技術(shù)處理制漿工業(yè)廢水，不僅可從制漿造紙廢液中發(fā)酵制取乙醇等高附加值產(chǎn)品，不僅能增加經(jīng)濟效益，還可使廢水脫色、脫臭、解毒并降低廢水中有機物BOD(生化需氧量)，甚至COD(化學需氧量)，解決廢水污染問題效果顯著。近年來，利用高級氧化處理技術(shù)、凈化受污染水體的研究也獲得了顯著進展，多以應用紫外輻射為主，但往往效率較低，而提高太陽能去污效率的關鍵技術(shù)之一在于研制、改進催化劑，目前在光催化有機污染物領域被認為最有效的催化劑是納米TiO2。
2．3．4生物精煉在制漿過程中副產(chǎn)品上的應用制漿前抽提所得的半纖維素是碳水化合物的混合物，通過酸水解或酶水解可以轉(zhuǎn)化為單糖，再通過生物發(fā)酵可制得乙醇，而乙醇又可生產(chǎn)燃料、聚乙烯等高附加值產(chǎn)品，據(jù)估計從生物質(zhì)碳水化合物中所獲得化學品和材料的數(shù)量可以相當于目前從石油碳氫化合物中獲得的量，多達30個。制漿過程中的兩種副產(chǎn)品由于具有重要的經(jīng)濟價值將被回收:從蒸煮器釋放的氣體中可以回收松脂，從制漿黒液可以回收塔羅油。松脂中含有大量的香精油，分離后可以制得香料、聚合物添加劑和溶劑;而塔羅油主要含有皂化脂肪酸和樹脂酸，可以用于生產(chǎn)生物質(zhì)柴油、肥皂和潤滑油等，且從塔羅油通過氫化產(chǎn)生生物質(zhì)柴油要比通過酯化生產(chǎn)生物質(zhì)柴油經(jīng)濟的多。木質(zhì)素沉積回收的木質(zhì)素可生產(chǎn)酚型物、炭纖維、固體或液體燃料、膠粘劑和土壤改良劑等高附加值產(chǎn)品。黒液氣化得到的合成氣主要為為氫氣、一氧化碳、二氧化碳和其他氣體的混合物，可用來合成大量的化學品。
3生物精煉在造紙工業(yè)應用中所面臨的問題和解決建議
集約化生物精煉是最大化利用生物質(zhì)的一種途徑，可以滿足人們對生物質(zhì)燃料、生物質(zhì)能源以及生物質(zhì)材料的短期需求和長期發(fā)展需要，有利于經(jīng)濟發(fā)展，有利于技術(shù)進步，也有利于環(huán)境保護。然而，生物精煉技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的大規(guī)模應用還面臨著不少困難:
(1)人們急需轉(zhuǎn)變固有的思維方式。將現(xiàn)有的制漿造紙廠轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)精煉廠不僅是技術(shù)上的革新，更是思維方式上的革新，要讓那些專注于生產(chǎn)傳統(tǒng)紙和紙板產(chǎn)品的制漿造紙廠接受這種全新的生產(chǎn)模式可能還需要一段時間;
(2)需要先進的技術(shù)支持和大量的額外投資。目前，僅有少數(shù)國家和地區(qū)的制漿造紙廠掌握了這些新興的技術(shù)，已成功轉(zhuǎn)型的工廠也不多，而且需要投入大量的資金對現(xiàn)有工廠進行改造，這也限制了生物精煉技術(shù)的推廣;
(3)需要相關基礎學科和研究的支持，如生物技術(shù)、納米技術(shù)和能源工程等。生物精煉技術(shù)仍處于高速發(fā)展的階段，涉及許多專業(yè)領域，需要學科交叉以不斷完善［21］。因此，制漿造紙企業(yè)發(fā)展生物精煉首先需要轉(zhuǎn)變固有的思維方式，與時俱進，跟上技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革新的步伐，擺脫紙產(chǎn)品是制漿造紙企業(yè)唯一輸出產(chǎn)品的思想束縛，積極發(fā)展多元化產(chǎn)品;其次，要積極開發(fā)吸收先進的技術(shù)和投入必要的工藝設備，可逐步地應用生物精煉技術(shù)對原有的制漿造紙廠進行改造;再之，現(xiàn)有的制漿造紙專業(yè)技術(shù)人員應充分利用相關領域基礎學科和研究的成果，不斷發(fā)展和完善生物精煉技術(shù);最后，政府部門應制定和完善相關的法律和政策給予傳統(tǒng)制漿造紙廠改造以支持。生物精煉作為高效率、低污染、低能耗的生物質(zhì)利用技術(shù)必將帶給傳統(tǒng)制漿造紙產(chǎn)業(yè)一個巨大的革新，不僅能滿足人們對紙和紙板產(chǎn)品、化學品以及生物質(zhì)材料的多元化需求，增加企業(yè)效益和市場競爭力，也可能緩解目前緊張的能源危機和環(huán)境危機。盡管生物精煉大規(guī)模的應用還在發(fā)展中，但是其前景將是非常廣闊而美好的。
作者：諶堯 翟華敏 單位：南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術(shù)重點實驗室
