轻工生物质过程残渣高值化利用必要性与技术路线分析

第9卷第3期过程工程学报Vol.9No.32009年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2009收稿日期：2008−10−13，修回日期：2009−02−11基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：20606034)作者简介：许光文(1967−)，男，四川省达州市人，博士，研究员，化学专业，E-mail:[e-mail].轻工生物质过程残渣高值化利用必要性与技术路线分析许光文1，纪文峰1,2，刘周恩1,2，万印华1，张小勇1(1.中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100049)摘要：以农产品为原料的轻工业在产品转化过程中产生大量的生物质残渣，如甘蔗渣、酒/醋糟、茶/咖啡渣、中药渣、抗生素/有机酸菌渣等，是一种已被集中的生物质资源.本工作通过分析种类繁多的轻工生物质过程残渣的物化与生物特性，根据组成特性将其分为富含纤维素、蛋白质、木质素3大类，进一步通过提炼共性，从残渣的收集、预处理和转化利用3个环节，提出了基于过程工程思想的轻工生物质过程残渣高值化利用技术路线，以期为发展支撑以农产品为原料的轻工产业、实现洁净生产和原料全量利用，并提高能源效率、控制污染源头和增加企业效益的集成化技术体系提供思路和方法指导.关键词：生物质；过程残渣；高值化；轻工业中图分类号：TK6;TQ35文献标识码：A文章编号：1009−606X(2009)03−0618−071前言以农产品为原料的轻工业是典型的流程工业，在将农产品转化为食品、饮料、医药和纸等民生和工业产品的同时，还产生大量生物质残渣，如甘蔗渣、各类酒/醋糟、茶/咖啡渣、中药渣、抗生素/有机酸菌渣等.在我国每年产生油粕5500万t以上[1]，蔗渣与滤泥近3000万t[2]，酒精糟近2000万t[3]，白酒糟2000万t以上[4]，啤酒糟近1000t[5]，中药渣1300万t以上(其中中成药渣达900万t)[6]，全国造纸企业每年产生2亿多t含10%∼15%固形物的黑液，换算成50%水分的黑液可溶渣达5000万t[7].这些残渣是已经被集中的生物质资源，但它们含水50%∼80%(ω)，易腐烂变质，并呈弱酸碱性或含油，是潜在的水及空气的重要污染源.因此，从废弃物资源再利用和环境保护两方面都迫切要求进行轻工生物质过程残渣的有效转化与利用.轻工生物质过程残渣种类多、数量大、组分差异大，国内尚未形成可支撑行业发展的高效率、高价值利用技术体系.本工作通过分析轻工生产过程产生的生物质过程残渣的总量，物理、生物与化学特性，及其对环境造成的潜在污染，明确了高值化利用轻工生物质过程残渣的意义和可能性.进一步通过分析资源化利用轻工生物质过程残渣的国内外技术现状，阐明了在该方向上的国内外技术发展趋势和国内与国外存在的技术差距，揭示了高值化利用轻工生物质过程残渣的技术现实性和产业上的可操作性.基于这些分析，提出高值化利用轻工生物质过程残渣必须基于残渣物料本身的组成与组分特性，建立相应的技术与工艺，以昀大程度地发挥不同组分特性的残渣的资源价值.基于过程工程理论，昀后提出了包含共性技术、关键技术和成套过程工艺的轻工生物质过程残渣高值化利用技术路线，以期为发展具有行业支撑能力的集成化轻工生物质残渣利用技术提供思路和方法指导.2轻工行业特色2.1伴生大量过程残渣轻工业包括分别以农产品和非农产品为原料的两大类，其中以农产品为原料的工业是轻工业的主体，主要含农副产品加工、食品、饮料、烟草、纺织、皮革、造纸以及中成药制造等行业，其产值占轻工业总产值的70%以上.以农产品为原料的轻工业通过对原料加工获得食品、饮料、医药、纸等轻工产品的同时，还产生大量有机废水、废液与生物质废渣(即生物质过程残渣，Processbiomassresidues).典型的此类轻工行业包括：食品加工的油脂加工与制糖，食品制造的酱醋、调味品、添加剂酿造发酵，饮料制造的酒精、白酒、啤酒生产，制药的中成药加工、抗生素发酵，造纸的制浆和皮革的鞣制等.在我国，每一个行业都有上千家的大型企业，产生包括油粕、蔗渣、醋糟、酱渣、白酒糟、酒精糟、啤酒糟、发酵菌渣、中药渣、造纸边角料、黑液可溶渣在内的种类多样的生物质过程残渣.表1为根据近年来的各种报道汇总的我国主要轻工生物质过程残渣的年产出量，可见每年共达2×108t以上[1−5]，相当于我国生活垃圾的总产生量.这些轻工生物质过程残渣已经被集中，量大，产生第3期许光文等：轻工生物质过程残渣高值化利用必要性与技术路线分析619于特定的轻工生产过程，且富含纤维素、蛋白质或木质素.因此，它们是不同于高度分散秸秆类生物质的特定“生物质资源”，适合在产生现场作为轻工生产的一个环节进行集中和规模化转化利用.表1我国大宗典型轻工生物质过程残渣的年产出量Table1AnnualbiomassresidueamountsfrommajorlightindustrialprocessesinChinaIndustryBiomassprocessresiduesAnnualamount(×106t)FoodprocessingOilcakeBagasse∼40∼30FoodmanufactureLeesofvinegar,soysauce∼20DrinkmanufactureLeesofwine,alcohol,beerGroundsoftea,coffee50∼2Medicine/condimentDebrisofantibiotic/organicacidsGroundsofChineseherbs∼1012PaperproductsSolublegrainsinblackliquors(moisture:50%)∼70CellulosicalcoholLeesofcellulosicalcohol(willbeindustrialized)100Total2002.2重污染、高能耗轻工行业的生产过程产生的有机废水、废液与生物质过程残渣是我国重要的工业污染源之一.2004年中国绿色经济核算的结果表明(图1[8])，在主要的39个工业行业中，造纸的环境污染指数昀高，而污染昀重的10个行业中轻工业占了6个，分别是造纸第1位，食品制造第4位，医药第6位，食品加工第7位，饮料制造第8位和皮革第10位.这些行业由于环境污染造成的经济损失达700多亿元(基于2004年数据，表2).轻工生产的环境污染主要来自有机废水与废液，但未能处理和转化利用的高含水[50%∼80%(ω)]、易腐烂变质、呈弱酸碱性甚至含油的轻工生物质过程残渣的堆放、分散与抛弃也不可低估.同时，富集的轻工糟液经机械分离后溶于滤液中的可溶性轻工过程残渣(如糖)的浓缩分离过程本身是废水治理过程.它通过浓缩、分离出可溶性残渣，使COD及BOD值高至数万乃至10万以上的滤液转变为COD仅为数百至千的废水.因此，浓缩分离的完全程度直接决定了轻工行业的水污染严重度.综上所述，轻工生物质过程残渣不但是量大、种类多的已被集中的生物质资源，还是重要的环境污染源.从资源利用和环境污染控制两方面均要求对轻工生物质过程残渣进行有效的转化与利用，特别是根据资源特征，充分发挥资源价值的高值化利用.这不但可有效控制污染，还通过利用残渣实现轻工原材料的高效率、乃至全量利用，促使轻工行业降低物耗和能耗，建立洁净、可持续型轻工发展模式.1.Water2.Tobacco3.Furniture4.Print5.Communication6.Electricmachinery7.Educationapplication8.Metalproducts9.Wasteprocessing10.Generalmachinery11.Plastic12.Specificequipment13.Artwork14.Instrumentmanufacture15.Transportationequipment16.Clothes17.Firegasproduction18.Petroleum19.Rubber20.Petrochemical21.Coal22.Nonmetalmanufacture23.Nonferrousmetallurgy24.Ferrousmetallurgy25.Nonmetalmining26.Textile27.Ferrousmining28.Woodprocess29.Othermining30.Leather31.Chemicalengineer32.Drinkproduction33.Foodprocessing34.Medicine35.Chemicalfiber36.Foodmanufacture37.Foodmanufacture38.Nonferrousmining39.Paper图12004年我国39个工业行业GDP和由于环境污染应该扣除的GDP百分数[8]Fig.1PollutionindexanditscorrespondingeconomicpenaltyshowninpercentagepointofGDPdeductionin2004formajor39industriesofChina[8]表22004年重污染轻工行业环境污染GDP扣除率及扣除额Table2GDPreductionrateandamountrepresentingpollutionpenaltyin2004formostseriouslypollutedsixlightindustriesGDPdeductionduetopollutionIndustryGDP(×109￥)Percent(%)Amount(×109￥)Paperproducts12129.836.06Foodmanufacture1087.68.21Medicine966.76.43Foodprocessing2166.012.96Drinkmanufacture875.64.89Leather853.83.32Total713−71.873轻工残渣处理背景技术3.1国内现状国内已开展许多有关轻工生物质过程残渣的转化与利用工作.在表1所示主要残渣中，以大豆粕、菜籽粕、棉籽粕为代表的油粕富含高达40%(ω)的蛋白质，且仅含水10%(ω)左右、粗纤维5.0%∼7.0%(ω)，因此很易成为有效的植物蛋白质资源，应用于饲料、抗菌素原料、鱼粉、宠物饲料等的生产[9].因此，我国的油粕几乎已实现完全利用，而且在部分地区建立了成套生产线，利用大豆粕生产高价值的浓缩蛋白、大豆异黄酮、核酸、低聚糖等产品[10].甘蔗渣是典型的富含纤维素的0100200300400500600393837363534333231302928272625242322212019181716151413121110987654321GDPGDP(×109￥)GDPdeductionduetopollution(%)05101520253035Pollutionindex620过程工程学报第9卷轻工生物质过程残渣，利用其中的纤维素用于纸浆生产具有良好的经济效益[11]，已在国内较广范围内推广，但必然产生黑液二次废液和残渣.甘蔗渣在巴西、美国夏威夷被广泛用作能源，通过燃烧或气化进行发电，实现完全转化.国内也有一些甘蔗渣发电厂，但与纸浆制造相比效益较低[11]，致使其推广应用仍十分有限，而且有待提高燃烧与发电效率，特别是气化发电受焦油问题困扰，国内技术仍未真正成熟.利用甘蔗渣生产乙醇在国内已有示范，但该技术路线仅能利用蔗渣20%左右的能量[12]，需要联合热化学方法处理乙醇发酵残渣，而且蔗渣乙醇技术本身成本高，仍处于研发阶段.利用甘蔗渣的纤维素可生产人造板材等，但仍需技术升级、研究经济可行性和开发板材应用市场[2,12].白酒糟是另一大类轻工生物质过程残渣，含30%∼60%(ω)稻壳.虽然有一些小型厂家当作饲料免费或低价出售给农民，但很难利用其