新疆棉区棉杆资源循环经济利用模式 - 肥料与纸浆联产的清洁生产技术体系

1. 中科院西部行动项目 新疆棉区棉杆资源循环经济利用模式-肥料与纸浆联产的清洁生产技术体系 中国科学院过程工程研究所 报告人：张小勇

2. 内 容 一、立项背景 二、任务与指标 三、项目实施结果 四、效益分析与应用前景 五、取得的成果 六、人员组成与经费开支情况 七、存在的问题 八、今后工作设想

3. 一、立项背景

4. 1、我国肥料领域的现状、问题和需求 现 状 • 化肥生产和消费大国。 • 无机化肥为主，有机肥少。 • 有机肥生产规模小。 问题 • 肥料利用率低 • 土壤板结 • 污染环境 • 农产品品质下降

5. 肥料领域的迫切需求 应用高新技术将无机化肥工业向有机化肥工业推进，实施再创新，这是克服化肥弊端，实现农业可持续发展的必然要求。

6. 有机复合肥是肥料发展的重要方向 • 有机复合肥的特点 • 兼具有机肥与化肥的优势 • NPK养分利用率高 • 改良土质 • 改善微生物结构

7. 2. 我国造纸行业的现状、问题和需求 现 状 • 生产和消费大国 • 人均低，发展空间大。 • 秸秆制浆造纸为主。 • 污染严重。 • 问 题 • 末端治理，治标不治本， • 碱回收成本高，草浆回收率低。 • 强制关闭，资产沉淀。 • 纸浆大量进口，效益差。

8. 需 求 由于环境污染是制约造纸行业健康发展的瓶颈问题，清洁 生产技术成为造纸行业良性发展的最为迫切的需求。

9. 3. 对 策 用造纸黑液生产有机复合肥料，既消除了黑液污染，又为农业生产提供了优质的肥料品种，可以解决两个行业所面临的问题，实现双赢互利。

10. 造纸黑液是大规模生产生有机复合肥的最佳原料造纸黑液是大规模生产生有机复合肥的最佳原料 黑液的组成和特点 • 有机物含量高。 • 含有大量活性基团，具缓释作用。 • 有机物分子经强碱作用，无需腐熟 。 • 数量巨大，集中。

11. 秸秆制浆黑液组成 木质素 20% 有机物 65% 腐殖酸 33％ 有机养分 有机酸 12% 黑液 可溶物 对植物有害 Na碱 30％ 无机物 35% SiO2 1％ 无机养分 无机养分 无机盐等 4％

12. 黑液肥料化利用存在的问题和解决方法 • 方 法 • 钾碱代替钠碱蒸煮。 • 熔态水解法自产钾碱。 • 全部黑液制肥料。 问 题 • 钠离子对植物有害。 • 钾碱成本高。 • 木质素分离成本高，难以彻底消除污染。

13. 国外造纸黑液处理技术——碱回收技术 碱回收 炉燃烧 黑液 蒸发 浓缩黑液 蒸煮 灰分 碱液 苛化 石灰 碱回收技术仅适用于以木材为原料的制浆黑液处理, 国外以木浆为主，我国以秸秆制浆为主（森林资源短缺）。因草浆黑液含硅量高，碱回收率低，运行成本高，效益差。 秸秆制浆黑液不宜采用碱回收技术处理。

14. 我国秸秆造纸常规工艺流程 排放 （污染物） 曝气法 处理 达标水 中段废水 黑液 钠碱 蒸煮 秸秆 抄造 纸浆 白浆 纸制品 洗涤 漂白 黑液排放造成了严重的环境污染

15. 4. 新疆棉区的地位和特点 • 新疆：我国最大产棉区,全国产量的33％ 大量棉杆废弃物（400万吨/年） • 特点： 世界最大滴灌区,1000万亩，节水、节肥。 液体肥料需求巨大（随水滴施）

16. 目前棉秆利用情况 • 焚烧：占60％左右， 浪费资源，污染环境 • 还田：40％左右，切碎后还田 无害化处理。 • 棉秆资源没有得到清洁和高值化利用

17. 目前液体肥料情况 • 水＋无机化肥 无机液肥 项目思路 消除污染 优质肥料 改良土壤 • 黑液＋无机化肥 有机－无机复合液肥

18. 5.研究构想 用熔态水解法自制氢氧化钾，用氢氧化钾代替氢氧化钠进行钾碱制桨，用含钾黑液制备滴灌液体肥料，利用新疆棉花滴灌种植方式对液体肥料有巨大需求的优势，实现造纸黑液的资源化利用，达到清洁造纸的目标，使棉杆资源得到清洁高值化利用。 棉杆来源于棉花种植业，所生产的肥料又服务于棉花种植业，造纸和肥料生产两个过程相互依存、相互促进，构建新疆棉区棉杆资源循环经济利用模式，创建新型生态产业。

19. 棉杆资源循环经济利用模式图 • 模式特点 • 原料极丰富，成本低廉。 • 黑液制液肥，加工成本低。 • 滴灌为使用液肥提供平台。 • 实现固液体废物零排放。 • 规模大, 创建新型产业。 • 资源循环利用，可持续发展。 棉花 纸制品 钾碱 制浆 固体有 机肥料 棉花生产 肥料 制备 棉杆 产 品 黑液 废弃物 滴灌 系统 液体滴 灌肥料 追肥 底肥

20. 二、任务与指标

21. 1.项目目标 总体目标 建立氢氧化钾低成本制备、黑液处理和液体肥料制备等关 键技术，建立中试生产线，进行中试研究，提出成套技术。进行 黑液滴灌肥料机理研究，制定黑液肥料使用规程。

22. 2、主要考核指标 1.建立氢氧化钾低成本制备技术，氢氧化钾成本在3000元/吨以内。 2.建立钾碱制浆工艺，得浆率40%以上，纸浆质量达到国标要求。 3.提出黑液处理的最佳工艺参数。 4.提出黑液滴灌肥料制备工艺。 5.建立示范生产线，规模为日处理棉秆2.5吨，纸浆1吨，液体肥料8 吨，固体有机复合肥料2吨。总产值达到455万元/年，利润117万元/年。 6.建立工业规模的技术体系，黑液零排放。 7.进行黑液肥料的试验，制定肥料使用规程，应用面积不低于100亩。

23. 三、项目实施结果

24. 分成三个课题进行实施 课题一、熔态水解法制备氢氧化钾技术研究 课题二、钾碱制浆技术与黑液肥料的制备技术及中试示范 课题三、黑液肥料的田间应用与施肥规程的制定

25. 课题一、熔态水解法制备氢氧化钾技术研究 单位：中科院过程工程研究所 负责人：杨刚副研究员 成员：李佐虎研究员，王云山副研究员，张金平助理研究员

26. 研究成果 1.提出了熔态水解法制备氢氧化钾的技术原理和工艺路线。 用五硼酸钾作为转化介质，以KCl和NaCl为原料制取碳酸钾、碳酸钠和HCl气体的新工艺。KCl熔态水解法的化学原理如下： （1） （2） （3） 总反应平衡式 （4） （5）

27. 图1 熔态水解联产HCl与K2CO3工艺流程图

28. （1）小试试验中，确定了最佳的KCl / KB5O8 摩尔配比、蒸汽流量，最大转化率可以达到85%。 2．进行了小试和扩大试验，确定了最优的化学反应参数 （2）扩大试验中，设计了管式反应炉及相应的搅拌装置和喷射装置。确定了熔态水解的反应温度、蒸汽流量。 （3）进行了反应动力学的研究，提出了动力学数学模型，并通过实验进行验证，实验结果与模型基本一致。

29. 3.进行了成本核算 以氯化钾和氧化钙为原料，主产品为氢氧化钾，副 产品为碳酸钙和盐酸。生产氢氧化钾成本合计3840元， 副产品的收入有1060元，两者相减，则氢氧化钾的实际 生产成本为：2780元/吨（按照2007年价格核算）。 市场价为：4300元/吨（2007年价），自制成本低35%。

30. 课题二、钾碱制浆技术与黑液肥料制备技术及中试示范课题二、钾碱制浆技术与黑液肥料制备技术及中试示范 完成单位及人员 中科院过程工程研究所： 莫海涛， 张小勇，肖炘，肖传绪，胡高峰，何璐 新疆天宏纸业股份有限公司： 娄卫东，刘丽英 负责人：莫海涛副研究员

31. 研究成果 1.进行了全棉杆钾碱制浆工艺研究和最佳工艺参数的优化 确定用钾碱-亚硫酸铵法蒸煮棉秆制浆的最佳工艺条件为： 用碱量30%；亚硫酸铵用量2%；液固比6:1；最高温度 170℃；蒽醌用量 0.1%；纸浆得率为44%～46%，卡伯值为 19左右。

32. 2.建立了反应动力学方程。获得的动力学方程是（分三段）：2.建立了反应动力学方程。获得的动力学方程是（分三段）： 在140℃之前 在140℃～160℃： 在160℃～170℃： 计算出棉杆脱木素的活化能为79.8kJ.mol-1，

33. 碱法造纸黑液木质素生物酸析法 3. 黑液制备多功能液体肥料及其肥料机理的研究 确定了以尿素，磷酸二铵和氯化钾为肥料的氮磷钾原 料，硫酸为中和酸，柠檬酸为微量元素的螯合剂，氮磷 钾总养分含量为24%的最佳配方。 4.筛选出黑液肥料的添加剂——棉花促根剂配方 5.用化学氧化法从黑液中制取黄腐酸 以过氧化氢酶和浓硝酸为氧化剂进行氧化反应，提高 了黑液中黄腐酸的含量，最高黄腐酸得率超过20%。，增 加了肥效

34. 5.建立了碱法造纸黑液木质素生物酸析法 确定了生物酸析法的操作条件：黑液起始pH值为10 固形物含量75 g/L左右，静止厌氧培养，培养温度 35℃ 黑液中只需加入一定量的碳源，不需加氮源和磷源。 在此基础上进行了5吨的中试，验证了上述参数正 确性，证明在技术上是可行的，在工业上具有一定的应 用潜力，保持一定的温度是发挥效果的重要条件。

35. 6 .棉杆钾碱制浆中试研究 （1）在新疆天宏纸业股份有限公司建成示范生产线一条，规模为：日处理棉杆5吨、生产纸浆2吨，滴灌液体肥料16吨。 （2）用该纸浆生产的原纸符合国家标准——瓦楞原纸（GB13023-2008）中一等品的要求。 （3）由黑液制备的腐植酸液体肥料符合农业部行业标准NY1106-2006《含腐植酸水溶肥料》的要求 （4）提出了棉杆资源清洁高值化利用的循环经济利用模式。

36. 棉花种植 棉纤维 棉 秆 • 肥料化制浆 • （钾碱-亚铵蒸煮） 造纸原料 新型蒸煮工艺 蒸煮 纸 浆 黑 液 （木质素） 腐植化反应 黑液 （腐植酸） 复配 液体 腐植酸复合肥 纸浆与腐植酸肥料联产的循环经济模式图

37. 黑液肥料的检测结果 • 由黑液制备的腐植酸液体肥料符合农业部行业标准NY1106-2006《含腐植酸水溶肥料》的要求。

38. 课题三、黑液肥料的田间应用与施肥规程的制定课题三、黑液肥料的田间应用与施肥规程的制定 • 完成单位及人员 • 中科院新疆生态与地理研究所 • 负责人：田长彦研究员

39. 课题三、黑液肥料的田间应用与施肥规程的制定课题三、黑液肥料的田间应用与施肥规程的制定 1.进行了黑液肥料作用机理研究 （1）研究表明黑液肥料棉花根系发育有促进作用，使根系密 度增大，加强了作物对养分的吸收能力，改善棉花的后期早衰。 （2）可明显增加养分在土壤中的移动性，提高肥料利用率。 使氮和磷的利用率分别达到51.9％和37.4％。尤其磷肥利用率比 固体肥料提高了53.3%，解决了常规施肥中磷肥易被固定，肥料 利用率低的问题。

40. 2.进行了棉花作物的肥料增产效果试验 （1）新疆生地所试验基地的小区试验结果表明，腐植酸肥料平均增产幅度为9.46%。 （2）兵团各团场使用单位出示的试验报告表明，平均增产幅度为10.58%。 （3）北京市土肥站试验结果表明，两个地点的增产幅度分别为12.1%和16.7%，统计分析表明在5%水平上差异显著。 大量试验证明，黑液腐植酸肥料具有良好的增产效果。

41. 3.进行了大面积示范推广 黑液腐植酸肥料示范推广一览表