绿色联产项目的应用研究

蓝艳华译，陆浩湉校

（广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所)，广东 广州 510316）

绿色联产项目的应用研究

蓝艳华译，陆浩湉校

（广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所)，广东 广州 510316）

制糖；绿色联产

1 前言

本文分析了利用蔗渣和甘蔗夹杂物联产食糖、无水乙醇及发电的项目可行性。绿色联产项目的目标是生产无水乙醇替代甲基叔丁基醚（MTBE）作为辛烷值，以推动本国的汽油生产。通过研究产业的解决方案，分析不同替代品的优劣。选择方案如下：一是乙醇（无水）生产：保证满足国内的需求量约为35～46万升/年。在第一个20年的汽油需求增长1.5%，且有剩余出口。二是食糖（原糖）生产：满足国内需求量约为10000吨/年，剩余的出口。三是电力生产：满足糖厂和种植园的需求，以及当地电网的部分需求。本项目中最便宜的组合是一台燃煤锅炉和一台抽气式冷凝透平机，但考虑到非生产季节和混合燃料的水分，最终的配置建议是一台鼓泡流化床锅炉（BFBB）和一台蒸汽抽气式冷凝透平机。

甘蔗夹杂物的组成部分由于品种和收获方式的不同而有很大的不同。根据对本项目的种植实验和农业解决方案的研究，考虑如下：田间的总生物量，75%是收获前清洁蔗茎，25%是蔗梢加上蔗叶（夹杂物、稻壳），将全部除杂的蔗茎送进糖厂。由于土壤的特性和降雨，甘蔗夹杂物的54%送至糖厂，46%留在蔗地。这还可根据收割者的喜好而有所调整。清洁甘蔗中夹杂物的分类含量表（详见表1）。

表1 清洁甘蔗中夹杂物的分类含量表

对甘蔗夹杂物的处理有2种可行性方案，一是夹杂物随甘蔗全部送至糖厂压榨，二是分离清除部分夹杂物加到蔗渣一起混合。甘蔗产量在第8个年头达到稳定状态，生物量平衡与本地电力需求量可见表2。

在第1种可行性方案中，蔗段压榨前没有去除夹杂物。加工这一生物量，设计压榨能力为7500吨/天。而在第2种可行性方案中，甘蔗压榨前，使用甘蔗干式清洁系统清除夹杂物。如果使用燃煤锅炉，混合燃料的组分（蔗渣：夹杂物）比例将为9：1（或许最大比例为8：2）。如果使用流化床锅炉（FBB），除杂分离率将会提高，可使压榨量减少，约为70%，即是6000吨/天，而不是7500吨/天。

表2 甘蔗开发项目和生物量平衡表

根据夹杂物的除杂分离率，将有不同的生物量分别送至压榨机组。对3种不同的除杂分离率进行研究，即是30%、50%和70%。此外，生物量的品质还取决于夹杂物的分离。生物量的品质是基于收获时和夹杂物分离阶段的生物量平衡来评估，详见表3和表4。

表3 生物量的品质

表4 生物量平衡

用源自SIMFAD软件包的MOLINOS模型来模拟研究压榨阶段，以获得稳定的生产。使用转数为5转/分、66×33英寸的5座压榨机，并用最后一道压榨加对220%生物纤维含量的浸透水。过滤阶段所需的蔗渣糠（bagacillo）要在生物量平衡中予以考虑。

若是达到70%的除杂分离率，这被评估为较好的结果。据悉，项目组当中有研究人员保证：使用此种新技术能获得上述应用效果。这些评估对应3种不同的混合燃料（蔗渣+夹杂物）组分（混合燃料分别含夹杂物10%，20%和30%）。分离组合不同，压榨机组内生物量的纤维和锤度也不同，计算出蔗渣的流量和纤维。在本项目中，蔗渣含水量为50%。

混合燃料价值是燃料的最大值，这随甘蔗夹杂物的组分而定。燃料最大量是压榨的蔗渣量加上分离的夹杂物，分别是499348吨、483442吨、481601吨和472684吨。除了满足当地电力需求外，还有燃料剩余。

本项目中的2种方案都增加了夹杂物的燃烧：在收获期前后所有的甘蔗夹杂物都燃烧，只在非榨季期间储存蔗渣。鼓泡流化床锅炉（BFBB）是必要的，因为蔗渣的夹杂物不少于20%。如果使用燃煤锅炉，我们就能预测生物量平衡，以限制混合燃料的夹杂物含量。在这种情况下，甘蔗夹杂物在非榨季期间达到8000吨～78000吨。在第三种情况下，蔗渣不足以混合。因此，很有必要使用夹杂物含量更高的混合燃料组分，以避免蔗渣不足的情况出现。

燃煤锅炉能接受含20%的甘蔗夹杂物，而不会引起相关问题。除蔗渣和夹杂物外，如果有必要，国内还有5万吨充足的稻壳可用作燃料。

另一种替代方案是在压榨后分离，正如蔗渣糠过滤，以及混合剩余的蔗渣和夹杂物一样。蔗渣和夹杂物将储存在非榨季期间，很可能在混合燃料中夹杂物含量最低。蔗渣储存通常有2种方法：一是短时间覆盖储存，二是甘蔗收获后，敞开储存。

CHP厂不仅为种植园和产业发展的运营提供所需电力，而且还为当地电网提供部分电力。预计2016年CHP厂能为当地电网输电9 MW，每年将提高6%，最高达到14 MW。

使用Excel模型预计生产过程所需的蒸汽，以便获得所有的物料和能量平衡。无论是燃煤锅炉还是流化床锅炉，初步估计每吨生物量产蒸汽2.2吨。背压和抽气式冷凝透平机每产生1 kWh蒸汽需6kg生物量。在项目的基础设计阶段，这些数值将会有更详尽准确的预测。

对于锅炉的选择需要仔细考虑如下因素。

一是在榨季期间节约燃料（蒸汽/燃料比率高），以便可达到延长运作至非榨季期间。

二是多种燃料燃烧（蔗渣、甘蔗夹杂物、稻壳）。

三是预计在非榨季期间燃料水分高。

四是一整年（350天）的可持续运作。

五是资本支出（CAPEX）尽可能低。

六是低消耗率。

项目需要安装一个高压锅炉（67巴，485℃），以保证每吨混合燃料产生高压蒸汽。这不仅能在榨季期间节约燃料，而且能延长运作。还考虑选用2种不同类型的锅炉，即链条锅炉和鼓泡流化床锅炉。

改进炉膛对蔗渣等纤维素废料来说是极好的燃料室。它不仅能单独作燃料，也能添加其他辅助燃料，如印度在移动炉栅锅炉中添加煤，适当注意燃料中所含的水分，设计成热量释放，燃烧空气系统设计，预热空气温度。印度的经验是在移动炉栅锅炉中使用多种燃料，加高压和高温循环，这种方法值得推荐。这类型的锅炉允许夹杂物含量低的混合燃料，因此，对整个压榨，或者是对除杂分离率低来说，较简单方便，但需投入较高的破碎设备。

混合燃料含20%夹杂物，2个燃煤锅炉（67巴，485℃）每小时各产生75吨蒸汽。本项目选用一台背压和一台冷凝透平机。由于含有较高的夹杂物，选用一台每小时产生150吨蒸汽的流化床锅炉。在基本设计阶段，必须考虑锅炉的生产能力对全部工段的能量有效利用。为了使得在榨季和非榨季期间都能运作，本项目还将会使用25 MW蒸汽抽气式冷凝透平机。

流化床主要由一套喷嘴连接空气贮箱组成，其功效是负责大量砂的流化，砂床的热量使得砂床添加燃料气化和燃烧。流动床置于炉底，其大小足以处理大量平均含水量高达65%的燃料。这种锅炉的炉内产生大量的蒸汽，湿的燃料从砂床快速吸收大量的蒸汽得以干燥，却又不影响炉内的温度。

该项技术的关键是要控制好流化床的温度和流体速度。流化床被设计在760℃～875℃之间运行，而这一温度值由不同量的流动空气和再循环气控制。在这些条件下几乎任何燃料都能燃烧。

空气压力鼓泡流化床锅炉使用最常用的生物燃料。鼓泡流化床技术一般选用热值较低的燃料。选用BFBB的有如下风险。

一是在糖业，这种使用蔗渣和夹杂物的混合燃料是新技术。

二是目前在本行业中没有使用BFBB，要有足够的时间进行验证推荐。

三是成本较一般锅炉高。

这项基于使用其他生物燃料的技术有如下优势。

一是能接受含较高水分的燃料。

二是能减少SO2和NOX的释放。

三是具较高效率。

四是有较低的燃烧温度（通常为750～850℃，1200℃的燃煤锅炉）。

五是有更实际的设计。

最近，巴西的HPB SIMISA供应商，在Babcock&Wilcox的许可下，安装了3台这样的锅炉联产食糖和酒精。其中的2台是产蒸汽150吨/小时的BFBB，另一台是产蒸汽300吨/小时的BFBB，所有运作都在68巴，520℃下。该供应商提供的传统炉栅锅炉可以燃烧80%蔗渣+20%夹杂物含水量最大为53%的燃料，而在鼓泡流化床锅炉可以燃烧80%蔗渣+20%夹杂物含水达65%的燃料，但他们仍不能用于含大比例夹杂物和小比例蔗渣。

分析燃料的组分和灰分的特性是为了更好的设计锅炉。在较高温度时燃料中的氯气能引起腐蚀。根据燃料灰分中氧化钾和氧化钙的含量，灰分的熔点降低，因此，要小心注意运作温度的控制，为维护流化床必须考虑清洁和循环/置换各种材料。

由于这些原因，锅炉供应商为这个项目已进行一系列对蔗渣和夹杂物的分析（基本分析和化学分馏）。在甘蔗夹杂物中氯和钾的含量最高。当燃烧粒子逃离流化床时，低密度的燃料会增加锅炉结垢。通过部分碱与硫结合，可能会抑制腐蚀化合物的生成，夹杂物的硫含量也低。由于氮含量较低，因此，预期没有特别的NOX排放问题。夹杂物中很多灰分的元素是活性的，即是易溶解的，这在温度接近850℃时可导致溶化现象生成。由于很多农业燃料，约20%二氧化硅也是有活性的，因而，项目将面临的挑战是流化床的凝聚和淀积物生成问题。

由于燃料混合的风险不高，能够在约750℃较低温度的流化床上运行。另一方面，足够的砂能限制流化床熔化物的生成和积累。有效的烟灰吹气能解决相关的低密度燃料问题。预热器是正确的选择，此外，使用腐蚀缓和添加剂能减少高温腐蚀的风险。

供应商保证锅炉能在整个榨季期间运行，一年中仅仅是关停10～12天以做维护工作。锅炉能达到25%～100%负荷（MCR）状态运行。过热器一般是设计保证所需温度在70%～100%负荷之间运行。

从较高水平的可靠有效的维护（RAM）分析评估表明：在365天的运行中，保证各种潜在需求的向外输电。增加额外的蒸汽透平发电机，虽能节约成本，但不如增加10/12 MW柴油发电机更有效率。为了减少资本支出，因而，一年350天发电。当地的电力公司负责剩余2个星期里电力波动时的用电。因此，最终的配置建议是一台BFBB和一台蒸汽抽气式冷凝透平机。

最便宜的组合是一台燃煤锅炉和一台抽气式冷凝透平机；但考虑到非生产季节和混合燃料的水分，更佳的是选择方案5，即一台鼓泡流化床锅炉（BFBB）和一台抽气式冷凝透平机，以保证甘蔗夹杂物尽可能燃烧完。

2 结论

由于天气和土壤特性，为了这个项目所作的品种选择，以便获得预期的生物量平衡，达到更多的甘蔗夹杂物。故运送大量的甘蔗夹杂物进厂是要面对的一个挑战，但这也是本项目的一个良机。

虽然，此前其他国家的一些研究表明，通过压榨渗出可有效减少甘蔗夹杂物中碱、硫和氯的含量。但不推荐压榨带夹杂物的甘蔗，它会降低压榨能力影响运作、增加电力和维护，以及影响食糖品质。

本项目的生产应该安装甘蔗夹杂物分离系统，以便降低压榨能力和投资成本。在本案中，考虑到非生产期，燃料含水分较高，以及可能燃烧稻壳的原因，故推荐使用BFBB。

建议使用一台抽气式冷凝透平机，该透平机需要设计成能够面对非榨季期间不同作物的运作条件，主要是为了保证效率和在低压时适当冷却。

为避免或减缓蔗渣的变质，对于储存地的大小和储存措施等问题极需好好的研究。

——本文摘译自2015年第1期《International Sugar Journal》“Cogeneration issues in a Greenfield project”

L-阿拉伯糖

L-阿拉伯糖，又称树胶醛糖、果胶糖;是一种戊醛糖。在自然界中L-阿拉伯糖很少以单糖形式存在，通常与其他单糖结合，以杂多糖的形式存在于胶质、半纤维素、果胶酸、细菌多糖及某些糖苷中，其对热和酸的稳定性高。L-阿拉伯糖，一种新型的低热量甜味剂，广泛存在于水果和粗粮的皮壳中，从有机玉米芯中提取，280吨玉米芯提取500公斤，没有工业化作业保持了物质的天然性。因可以抑制人体肠道内蔗糖酶的活性，从而具有了抑制蔗糖吸收的功效。

此外，L-阿拉伯糖还可以抑制身体脂肪堆积，可用于防治肥胖、高血压、高血脂等疾病。在日本厚生省将L-阿拉伯糖列入“调节血糖的专用特殊保健食品添加剂”;美国医疗协会将L-阿拉伯糖列入“抗肥胖的营养补充剂或非处方药”之后，我国卫生部于2008年正式批准L-阿拉伯糖为新资源食品，确认了其在功能糖领域的重要地位。

L-阿拉伯糖是新型功能型健康糖，主要有五种功能：第一种功能是减肥、调节血糖;第二种功能是降血压；第三种功能是排毒养颜；第四种功能是防止便秘；第五种功能是防治龋齿等。

TS249.9

B

2095-820X（2016）05-05

2016-09-22

蓝艳华，女，副编审，主要从事科技信息情报和编辑出版工作，研究方向是生物工程和糖业。