生物质原料在制浆中的应用与优化

一、引言

制浆行业每年消耗木材资源超 3 亿吨，而生物质原料（如秸秆、芦苇、麻类）年可利用量达 8 亿吨以上，其制浆应用可使木材消耗减少 40% ，生产过程水污染负荷降低 30% （COD 排放减少 25% ）。优质生物质浆粕可用于造纸（强度指标达木材浆的 80% ）、纺织纤维（替代 20% 棉浆）等领域，附加值较直接燃烧提升 5-10 倍。传统生物质制浆因预处理技术落后，纤维得率仅 40%-50% （木材制浆达 60%-70% ），且黑液处理难度大（固形物含量超 15% ），导致经济性不足。在 “双碳” 目标推动下，生物质制浆技术的优化对构建循环经济模式、减少化石能源依赖具有重要意义。

二、生物质原料制浆的应用现状与挑战

2.1 现状特征

原料多元化：秸秆（小麦、玉米）制浆占生物质应用的 60% ，竹材、芒草等优质原料占比提升至 30% ，年替代木材量超 1000 万吨，原料供应本地化率达 80% 。

工艺逐步成熟： 70% 的生物质制浆采用碱法蒸煮（烧碱 - 蒽醌法占比50% ），机械预处理（挤压、爆破）应用率达 40% ，纤维分离效率提升至 60% ，较传统工艺提高 20% 。

环保技术进步： 60% 的企业配套黑液资源化装置（碱回收率 ⩾85% ），废水COD 排放降至 300mg/L 以下，固废焚烧发电利用率达 90% ，污染治理水平提升。

2.2 主要挑战

纤维品质缺陷：生物质纤维平均长度 1-2mm （木材纤维 2-3mm ），杂细胞含量超 30% （木材 <10% ），导致成纸强度低（抗张指数降低 20%-30% ），应用受限。

预处理成本高：去除木质素、果胶等杂质需额外消耗化学品（用量较木材制浆高 20%-40% ），预处理环节成本占总生产成本 30% ，经济性竞争力弱。

原料稳定性差：生物质收割季节集中（储存期 <6 个月），含水率波动超20% ，导致蒸煮工艺参数难以稳定控制（合格率仅 75% ），产品质量波动大。

技术标准缺失：不同生物质原料制浆的质量指标差异达 40% ，缺乏统一的行业标准（如纤维长度、白度分级），市场认可度不足 60% 。

三、生物质原料制浆的应用原则

3.1 原料适配原则

分类利用：高纤维含量原料（竹材、麻类）用于高档纸浆（替代率⩾50% ），秸秆类用于包装纸、纸板（替代率 100% ），匹配度提升至 85% ，避免 “优质劣用”。

就近供应：原料运输半径控制在 100 公里内（运输成本 ⩽50 元 / 吨），建立区域性收储中心（储存损失率 <5% ），保障原料新鲜度（含水率 ⩽15% ）。

3.2 高效清洁原则

工艺优化：采用低能耗预处理（如蒸汽爆破能耗较传统蒸煮降低 40% ），化学品循环利用率≥ 90% ，单位浆粕水耗降至 80 吨以下（行业平均 100 吨）。

全组分利用：木质素提取率 ⩾70% （用于生产生物基材料），半纤维素转化为糠醛（转化率 ⩾50% ），原料综合利用率提升至 90% ，附加值增加 30% 。

3.3 质量协同原则

性能平衡：通过纤维改性（如酶处理提升强度 15% ）弥补缺陷，使生物质浆与木材浆混合使用时（比例 3：7）成纸性能达标率 ⩾90% ，满足多数应用需求。

标准化生产：制定原料预处理（如杂质含量 ⩽5% ）、蒸煮终点（木质素含量 ⩽5% ）等关键指标，质量波动控制在 ±5% 以内，提升产品一致性。

四、生物质原料在制浆中的主要应用方式

4.1 化学制浆

碱法蒸煮：采用烧碱 - 蒽醌体系（用碱量 10%-15% ），在 160-180^∘C 下反应 2-4 小时，木质素脱除率 ⩾80% ，纤维得率 50%-60% ，适合竹材、麻类原料。亚硫酸盐法：酸性条件下（ pH2-3 ）蒸煮草本原料，白度可达 70%-80% （ISO），但化学品回收难度大（回收率 ⩽70% ），适用于高白度要求的纸种。

4.2 机械制浆

热磨机械浆：原料经蒸汽预热（ 120-140% ）后高压研磨，纤维损伤率<15% ，得率高达 85%-90% ，能耗较化学制浆降低 50% ，适合秸秆、芦苇等原料。

化学机械浆：轻度化学预处理（用碱量 3%-5% ） + 机械分离，兼顾得率（ 70%-80% ）与强度（抗张指数 15-20N⋅m/g ），生产成本较化学浆低 20% 。

五、生物质原料制浆的优化策略

5.1 预处理技术优化

物理化学联用：挤压预处理（压力 10-15MPa ） + 蒸汽爆破（温度 200-220% ），木质素去除率提升至 85% ，纤维分离能耗降低 30% ，处理时间缩短至传统工艺的 1/3

生物酶辅助：添加木质素酶（用量 0.5%-1% ），在 50-60^∘C 下预处理 4-6 小时，化学品用量减少 25% ，纤维长度保留率提高 15% ，适合低污染要求的工艺。

5.2 工艺参数优化蒸煮条件调控：针对秸秆原料优化液比（1：6-1：8）、保温时间（90-120 分钟），使糠醛生成量减少 40% （降低废水毒性），纤维得率稳定在 55% 以上。

漂白工艺改进：采用氧脱木素（白度提升至 60% ISO） + 过氧化氢漂白（总用氯量 <1% ），废水可生化性（BOD/COD）提升至 0.4 以上，环保性增强。

六、结论

生物质原料在制浆中的应用通过工艺优化与技术创新，可实现木材替代率50% 、碳排放降低 30% ，有效缓解资源与环境压力。当前存在的纤维缺陷、成本过高等问题，可通过预处理技术突破（如生物酶辅助降低化学品消耗 25% ）与标准化生产解决。未来，随着生物精炼技术（全组分利用率 ⩾95% ）与低碳工艺（能耗降低 40% ）的发展，生物质制浆将从 “替代补充” 向 “主力原料” 演进，推动制浆行业形成 “原料循环 - 工艺清洁 - 产品高值” 的可持续模式，为绿色造纸产业提供核心支撑。

参考文献

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