0、導言
甘蔗是一種高光效的植物，是一種含有豐富糖分和纖維分的可持續性生物質資源，甘蔗渣是甘蔗制糖的主要副產品。我國自上世紀80年代初開展制糖生產的節能工作以來，通過合理優化熱能利用方案，余熱利用等多種措施，我國制糖生產的平均煤耗對蔗比已從當初的8%左右下降到目前的5%以下。甘蔗渣除滿足制糖生產的能源需要以外，還有大量剩余，按目前我國年產蔗糖1100萬t測算，全國制糖企業每年可剩余甘蔗渣600～650萬t。因此，甘蔗渣的綜合利用是甘蔗制糖企業發展循環經濟、提高經濟效益、實現糖業可持續發展的重要環節。
1、甘蔗渣的特性及其綜合利用現狀
1.1甘蔗渣的組成與特點
1.1.1甘蔗渣的組分
甘蔗渣組成以纖維素、半纖維素、木質素為主，含有少量的蛋白、淀粉和可溶性糖。甘蔗渣經烘干后的成分見表1。
表一 甘蔗渣成分
|
成分 |
纖維素 |
半纖維素 |
木質素 |
淀粉 |
灰分 |
可溶性糖 |
粗蛋白 |
糠醛酸 |
|
含量（%） |
35.4 |
20.6 |
18.6 |
1.5 |
8.3 |
2.8 |
3.8 |
3.3 |
1.1.2甘蔗渣的主要特點
制糖企業是季節性規模化生產，甘蔗渣具有來源集中、產量大、收集簡單、運輸半徑小，且甘蔗渣成分相對穩定，性質均一等特點，可滿足產業化所需的原料集中性、連續性和均一性要求。
1.2甘蔗渣的綜合利用現狀
由表1可見，甘蔗渣不僅是天然高分子材料、綠色化學品的寶庫，其中還蘊藏著豐富的生物質能，是一種可持續發展的優質生物質原料。國內外制糖生產工作者都在探索甘蔗渣的綜合利用新途徑。
1.2.1國外利用情況
國外甘蔗渣利用途徑主要有：①作為燃料在鍋爐燃燒發電。如毛里求斯、巴西、印度、澳大利亞、泰國、古巴等許多甘蔗糖業國家制糖企業利用蔗渣作燃料發電，以滿足糖廠用能需要，并和電力公司聯網供電，或向附近農莊供應電力，以減少煤等其它資源的消耗，降低電力成本；②制漿造紙。1926年，美國人在美國露易斯安娜州用蔗渣生產紙漿制造紙板，開始了蔗渣替代木材用于造紙行業的進程。經多年發展，目前蔗渣已成為利用最多的農業作物纖維。目前，阿根廷、哥倫比亞、墨西哥、印度、澳大利亞等國利用蔗渣生產新聞紙及各類文化紙，或者用漂白蔗渣漿混合漂白針葉木漿生產高質量的銅版紙等；③生產動物飼料。巴西、美國、澳大利亞等國家的糖廠利用甘蔗渣通過高溫、高壓蒸煮膨化或經發酵處理用作牛、羊、魚、蝦飼料；④生產人造板。甘蔗渣的化學成分與木材相似，是很好的制板原料。早在20世紀60年代，國外盛產甘蔗糖的國家很多已建立起蔗渣碎粒板廠，如美國的Va-eherie廠，阿根廷的Tueuman廠，古巴的CienfuegooJ廠，廣泛用于建筑、貼面、包裝、中高檔家具制造、室內裝修、音響板、活動房屋等。
1.2.2國內利用現狀及存在的問題
目前，國內甘蔗渣的主要用途有：①作為鍋爐燃料燃燒發電。甘蔗渣傳統的處理方法主要是作為鍋爐燃料燃燒為制糖生產提供能源。在國內制糖生產中，制糖耗標煤對蔗比下降到5%時，制糖生產消耗的蔗渣量約為總蔗渣量的65%到70%;②制漿造紙。除了作為燃料外，甘蔗渣制漿和造紙是我國甘蔗制糖企業目前份額最大的利用途徑。目前，如云南臨滄9.5萬t蔗渣漿紙項目，廣西農墾糖業集團年產20萬t文化用紙項目，貴糖（集團）股份有限公司蔗渣制漿擴至20萬t項目，來賓東糖集團有公司10萬t制漿造紙項目、廣西東亞糖業集團10萬t制漿造紙項目等，都是將集團內部剩余的甘蔗渣集中起來生產生活用紙，新聞紙等，取得了良好的經濟效益和社會效益：⑨生產人造板。甘蔗渣的化學成分與木材相似，是很好的制板原料。1982年廣州甘蔗糖業研究所陳景形、池風昭等成功開發了利用熱壓技術制造蔗渣碎粒板的生產線，廣東、廣西等省區已有多家糖廠建立了蔗渣碎粒板的生產線。蔗渣板主要應用于家具、建筑模板、包裝箱、音箱等行業.④生產綠色環保餐具等。如在廣西馬山縣雙飛綠色餐具廠以甘蔗渣為原料生產綠色餐具。近幾年，廣州廿蔗糖業研究所黃向陽等與浙江寧波家聯塑料科技有限公司聯合開發的“基于蔗渣和熱塑淀粉制備全生物降解餐具的研究”也已取得良好進展。在生物煉制產業發展背景下，甘蔗渣被用于開發乙醇、生物柴油等可再生燃料，以及制備木糖、木糖醇、糠醛、活性炭等用途是目前熱門的研究課題。
盡管我國甘蔗渣的綜合利用已取得較大進展，但仍然存在一些不足。主要問題是：①我國制糖企業規模偏小而且分布較廣。目前全國有大小規模的糖廠300多家，分布在廣西，云南，廣東，海南，貴州等省、區。甘蔗渣的制漿造紙、生產人造板等利用目前主要集中在廣西、廣東等甘蔗糖廠比較集中、交通便利的地區，而在一些偏遠地方的糖廠由于運輸困難等原因，剩余的甘蔗渣尚未能得到有效合理的利用，甚至要丟棄或填埋處理，不但造成二次浪費，還會對環境造成污染，影響了這部分糖廠節能的積極性；②目前各糖廠普遍存在的一個不合理現象是榨季生產一邊有大量的蔗渣剩余，一邊仍需燒掉大量薪柴。其原因是甘蔗糖廠是季節性生產，在開機生產前和停產時必須將鍋爐緩慢升溫、降溫，以保證鍋爐安全運行。在這2個過程中，燃煤、顆粒狀蔗渣和現有打包機打包出來的蔗渣都不能滿足烘爐過程中持續文火緩慢升、降溫的要求，必須燒薪柴才能滿足生產需要。例如廣東日榨分別為3000t和5000 t的2家糖廠，每個榨季開機烘爐需用木柴分別是500 t和650 t。全國現有規模以上糖廠約300余家，每年開機需用薪柴16～20萬t；這個環節是我國甘蔗糖廠節能降耗和甘蔗渣綜合利用的盲點。不僅嚴重制約了糖廠生產的節能降耗，增加生產成本，而且每年還要砍伐大量的薪柴，對當地生態環境造成嚴重的破壞；③新鮮的甘蔗渣是無規則松散顆粒，密度小，燃燒特性差，不方便運輸、儲存和使用，制約了甘蔗渣作為生物質能源方面的用途。
2、生物質的固化成型技術及發展現狀
2.1生物質固化成型技術
固化成型是生物質的一種物理轉換方式。生物質固化就是將生物質粉碎至一定的粒度，通過加壓、加熱方法，將原來分散、無定形的生物質原料壓縮成形狀規則、密度較大的固體成型顆粒燃料。生物質固化成型后，其密度、耐久性、燃燒特性都有了質的改善，大大提高了燃料的品位，從而提高生物質的利用效率，富通新能源專業生產銷售
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機等生物質顆粒燃料成型機械設備，秸稈顆粒機和秸稈壓塊機壓制的甘蔗蔗渣塊狀顆粒燃料如下圖所示：
2.2國內外生物質的固化成型發展現狀
2.2.1國外發展情況
生物質的固化成型技術主要著重于專用燃燒設備的設計和生物質成型物的應用。國外從上世紀40年代就開始了生物質的成型技術研究開發，目前國外（西歐、北美、日本等）生物質致密成型技術已日臻成熟，生物質致密成型顆粒燃料已經商品化，廣泛應用于供熱、取暖和發電領域，同時各國政府為促進生物質致密成型技術的發展提供了政策和資金上的支持（貼息、減稅等），生物質能源近年發展迅速。目前已成功開發的成型技術按成型物形狀分主要有3大類：以日本為代表開發的螺旋擠壓生產棒狀成型物技術；歐洲各國開發的活塞式擠壓制成園柱塊狀成型技術；以及美國開發研究的內壓滾筒顆粒狀成型技術和設備。成型顆粒燃料應用于2個方面：其一，進一步炭化加工制成木炭棒或木炭塊，作為民用燒烤木炭或工業用木炭原料；其次，作為燃料直接燃燒，用于家庭或暖房取暖用燃料。日本、美國、加拿大等國家開發了專用爐灶，在北美有50萬戶以上家庭使用這種專用爐灶作為取暖爐。
2.2.2國內發展情況
我國生物質的固化技術起步于上世紀80年代。通過引進國外先進機型，經消化、吸收和對生物質壓縮成型技術進行科技攻關，研制出各種類型適合我國國情的生物質壓縮成型機，用以生產棒狀、塊狀或顆粒狀生物質成型顆粒燃料，現已有商業化應用。目前，我國生物質的固化成型技術已成功應用于木屑、秸桿鋸末、花生殼、玉米棒等生物質材料的固化成型，而固化成型技術在甘蔗渣的利用方面仍然是空白。
3、甘蔗渣的固化成型
3.1甘蔗渣固化成型工藝
甘蔗經破碎和壓榨提取蔗汁后剩下顆粒狀的甘蔗渣，不需破碎即可進行干燥壓縮成型。甘蔗渣固化成型工藝為：蔗渣→干燥→壓縮成型。
3.1.1蔗渣干燥
新鮮甘蔗渣的水分在48%～50%之間，首先要把甘蔗渣干燥至到12%左右的含水率，才能很好地將甘蔗渣固化成型，否則蔗渣中過多的水分會在加熱擠壓過程中受熱蒸發汽化，汽化所產生的蒸汽因不能及時從成型筒排出，造成生物質成型塊出模開裂，表面粗糙，成型失敗。同時，成型機預熱原料的一部分熱量消耗在多余的水分上，增加壓縮成型的能源消耗。蔗渣的干燥可采用煙道氣干燥+高溫煙氣二級干燥。糖廠鍋爐煙道氣溫度在160～180℃之間，仍具有很大的熱能利用價值。鍋爐煙道氣干燥甘蔗渣的流程為：通過引風機將煙道氣從鍋爐尾部煙道抽出送入干燥器，蔗渣在干燥器內受到熱煙氣產生的吹力而處于懸浮狀態，蔗渣與煙道氣充分地混合，蒸發去大量的水分，從而使蔗渣烘干。干燥后的蔗渣通過旋風分離器進行分離回收，經充分換熱后的煙道氣回到煙道排走。經煙道氣干燥后蔗渣的水分可降到40%以下，蔗渣脫水率達20%左右，約占需干燥水分總量的50%。其余的水分需抽取更高溫度的爐膛煙氣或其它熱源進行干燥。
3.1.2甘蔗渣壓縮成型
蔗渣干燥至合適的水分后即可進行壓縮成型，按壓縮工藝不同，可采用熱壓成型或冷壓成型。
熱壓成型是目前普遍采用的一種生物質致密成型工藝。如表1所示，甘蔗渣除了含有豐富的纖維素外，還含有18.6%的木質素。木質素沒有熔點但有軟化點，當溫度為120～160℃時，木質素中的可溶物即開始溶化，木質素在180℃即會軟化和塑化，這時加以一定壓力使其與纖維素緊密粘連并與相鄰顆粒相互膠結。甘蔗渣的熱壓成型，就是以蔗渣加熱后的木質素為粘結劑，纖維素、半纖維素為“骨架”，在一定的溫度和壓力等工藝條件下把碎散的蔗渣壓制成具有固定幾何形狀的規格型體。適合甘蔗渣熱壓成型的成型機分別有活塞沖壓式成型機和螺旋擠壓式成型機：活塞沖壓式成型機的成型溫度在160～220℃之間，其產品為塊狀；螺旋擠壓式成型機最佳成型溫度為220～220℃，其產品為棒狀。
冷壓成型工藝不需要外部加熱，對原料含水率要求較寬，但是由于原料沒有加熱軟化，成型時所需壓力較加熱成型大。如輥模擠壓式成型機，該成型方式原料最大含水率可達22%左右，成型壓力在20～50 MPa之間。
3.2蔗渣棒品質的控制
蔗渣壓縮成型除了提高其燃料特性外，還需要滿足使用、運輸、儲藏等要求。所以在甘蔗渣成型的各種品質中，除燃燒特性外，蔗渣棒的物理特性是最重要的品質特性，而松弛密度和耐久性是衡量成型塊物理品質特性的2個重要指標。
3.2.1松弛密度
甘蔗渣壓縮成型出模后，由于彈性變形和應力松弛，其密度逐漸減小，一定時間后密度趨于穩定，此時甘蔗渣塊的密度稱為松弛密度。松弛密度是決定蔗渣棒物理性能和燃燒性能的一個重要指標。可以通過以下2種途徑提高蔗渣棒的松弛密度：①通過適宜的壓縮時間控制成型塊在模具內壓縮時的應力松弛和彈性變形，以減少蔗渣棒出模后壓縮密度的減小；②適當提高蔗渣壓縮成型的壓力、溫度，最大限度地降低成型塊內部的空隙率增強結合力。
3.2.2耐久性
耐久性反映了蔗渣棒的粘結性能。耐久性又具體細化為抗變形性、抗跌碎性、抗滾碎性、抗滲水性和抗吸濕性等特性，這些物理特性體現了蔗渣棒的使用性能和運輸、貯藏性能方面的性能指標。蔗渣棒的耐久性主要由其壓縮條件及松弛密度決定，其影響因素包括：蔗渣的粒度、含水率、成型壓力、加熱溫度等。
4、結語
甘蔗生長周期短，一年一造，產量豐富，甘蔗渣含有豐富的纖維分，灰分少，不含S02，是一種清潔、優質、可持續發展的生物質能源。固化成型是甘蔗渣生物質能的一種物理轉換方式，甘蔗渣經干燥、壓縮成型后，其密度、耐久性、燃燒特性都有了質的改善，大大提高了蔗渣的品位，方便運輸和儲存。經固化成型的甘蔗渣可用于以下用途：①代替薪柴用于糖廠鍋爐開、停機養爐，以解決糖廠一方面有大量的蔗渣剩余，另一方面又要燃燒大量薪柴的矛盾；②解決當地居民的用能問題。我國的甘蔗糖廠很多處于邊遠地區，甘蔗種植者都居住在缺電少能的邊遠山區，生活用能都是以薪柴為主。甘蔗渣經固化成型后，運輸和儲存方便，可就地供應給當地的居民和甘蔗種植者，滿足其生活用能和燃料需要以減少薪柴砍伐量，保護當地的生態環境，實現甘蔗種植的可持續發展。③壓縮成型的蔗渣棒還可以進一步炭化加工制成木炭棒或木炭塊，以滿足市場對木炭的需求。
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