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1、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,中科院西部行动项目,报告人：张小勇,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,内 容,一、立项背景,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,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。,有机复合肥是肥料发展的重要方向
2、,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,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。,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。,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。,3.对 策,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
3、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。,秸秆制浆黑液组成,有机物65%,无机物35%,SiO2 1,木质素 20%,Na碱 30,腐殖酸 33,有机酸 12%,无机盐等 4,黑液可溶物,有机养分,对植物有害,无机养分,无机养分,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。,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。,黑液肥料化利用存在的问题和解决方法,国外造纸黑液处理技术碱回收技术,碱回收炉燃烧,碱液,黑液,浓缩黑液,石灰,蒸发,苛化,灰分,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
4、，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。,蒸煮,抄造,黑液,纸制品,纸浆,钠碱蒸煮,洗涤,曝气法处理,达标水,排放（污染物）,中段废水,漂白,秸秆,白浆,我国秸秆造纸常规工艺流程,黑液排放造成了严重的环境污染,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）,4.新疆棉区的地位和特点,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,目前棉秆利用情况,目
5、前液体肥料情况,水无机化肥 无机液肥,黑液无机化肥 有机无机复合液肥,项目思路,消除污染优质肥料改良土壤,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。,钾碱制浆,黑液,纸制品,肥料制备,固体有机肥料,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
6、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。,棉杆,棉花,棉花生产,底肥,液体滴灌肥料,滴灌系统,废弃物,产 品,棉杆资源循环经济利用模式图,追肥,二、任务与指标,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。,1.项目目标,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
7、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。,2、主要考核指标,三、项目实施结果,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,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,课题一、熔态水解法制备氢氧化钾技术研究,研究成果,1.提出了熔态水解法制备氢氧化钾的技术
8、原理和工艺路线。,（2）,总反应平衡式,（4）,（5）,（3）,（1）,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：,图1 熔态水解联产HCl与K2CO3工艺流程图,2进行了小试和扩大试验，确定了最优的化学反应参数,（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）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。,3.进行了成
9、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%。,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,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
10、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。,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140160：在160170：计算出棉杆脱木素的活化能为79.8kJ.mol-1，,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2
11、0%。，增加了肥效,碱法造纸黑液木质素生物酸析法,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。,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
12、。（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。,棉 秆,造纸原料,纸 浆,黑 液（木质素）,新型蒸煮工艺,棉花种植,棉纤维,肥料化制浆（钾碱-亚铵蒸煮）,蒸煮,黑液（腐植酸）,腐植化反应,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,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。,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,1.进行了黑液肥料作用机理
13、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。,课题三、黑液肥料的田间应用与施肥规程的制定,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.
14、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。,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,四、效益分析与应用前景,吨棉杆利用效益分析,以1吨棉杆为原料，采用钾碱制浆得率为46%，可以生产纸浆460公斤，液体腐植酸复合肥料3.2吨（N15%,K2O 4%，P2O5 5%，养分含量达到腐植酸液肥行业标准）原料是棉杆、氢氧化钾；产品是纸浆和液体腐植酸复合肥料。原料核算价见表1；加工成本见表2；产品产值见表3；利润分析见表4。,表1 原料成本,表2 加工成本(元/吨),表3 产品产值（元）,表4 利润分析,每吨液体肥料的原料成本为11
15、75元，由表2肥料加工成本每吨为80元，所以每吨液体肥料（养分总含量为24%）生产总成本为1255元。折算每个养分生产成本为52.3元。如按液体肥料的养分含量为15%进行计算，其生产成本为784元。符合考核指标第四项的制备液体肥料成本在800元以内的要求。如将液体腐植酸肥料进行折固计算，总养分含量达到20%时，生产成本为1046元。因此完成考核指标的第4项。,以上表格的计算说明由1000公斤棉杆可以生产纸浆460公斤和腐植酸复合肥料3200公斤，成本为4584元，产值为5996元，利润1412元，利润率为31%。经济效益良好，并实现了黑液零排放。,中试生产线效益核算,中试生产线规模为日处理棉杆
16、5吨，生产纸浆2吨，产值5200元，液体腐植酸复合肥料16吨，产值19200元，合计产值为24400元/天，利润为7564元/天。一年生产时间按200天进行计算，产值可达488万元，利润151万元。因此完成了考核指标的第5项。,应用前景,全疆棉杆400万吨，50%利用，可以生产640万吨液体滴灌有机复合肥料，和80 万吨纸浆，将有80亿元的产值，20亿元的利润，完全可以形成一个新兴产业。黑（石油：产值800亿）、白（棉花：产值500亿）、红（番茄酱：产值60亿继）之后的又一新兴产业（双色产业）。,社会效益,促进区域经济发展提供就业岗位维护边疆稳定。,五、取得的成果,1建立新型技术工艺3个,（1
17、）钾碱制浆-肥料联产清洁生产新工艺（2）熔态水解法制备氢氧化钾新工艺（3）碱法造纸黑液木质素生物酸析法2.建成新型实验装置1套熔态水解法扩大试验装置,黑液腐植酸液体肥料和棉花促根剂。,3.研发新产品2个,4.申请发明专利5项，获得授权2项授权专利（1）一种制备氯气的方法及其系统，专利号：ZL200810119652.1，（2）一种可降解天然有机物包裹缓释肥料及其制备方法和 用途,专利号：ZL200610079035.4。,申请专利,（3）一种秸秆资源的清洁高值化利用的方法，发明专利：2010101061767；（4）一种用造纸黑液制备黄腐酸和肥料的清洁高值化利用方法，发明专利：20101062
18、1733.9；（5）一种以KCl为原料熔态水解制备盐酸和碳酸钾的方法，发明专利：201010565629.2；（6）脱除氧化铝工业产出的赤泥中钠的方法，发明专利：201010121756.3，（7）传统铬渣资源化的方法，发明专利：201010121757.8。,5.发表论文11篇,（1）张小勇，莫海涛，江启沛 秸秆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.化学进展，2007，19（7/8）：1177-1184.（2）Zhang Xiao-Yong，Mo Hai-Tao，Xiao Chuan-xu and Li Zuo-Hu.The mode of cycle economy uti
19、lization in stalkthe technique system of clean production by the co-production of pulp and organic fertilizer.International Biorefinery Conference，New York，USA 2009:36-37（3）Hai-tao Mo，Xiao-yong Zhang，Hong-zhang Cheng.Delignification Mechanism and Kinetics of Pulping with KOH-AQ on Cotton Straw.Proce
20、edings of International Symposium on Bioprocess and Biomolecular Engineering 2009(ISBBE).Shanghai，China.2009:205,（4）Hai-tao Mo，Xiao-yong Zhang，Hong-zhang Cheng.Study on the Depolymerization of Lignin in Black Liquor to Fulvic Acid with Oxidization.Young Asia Biochemical Engineering Conference 2009 S
21、ymposium Proceedings，Xiamen，China，2009:145（5）莫海涛，张小勇，肖传绪，陈洪章.黑液制备的腐植酸液肥和调理剂的棉花田间应用研究.中国农学通报，已接受（6）江启沛，张小勇，莫海涛，李佐虎.稻草碱性亚硫酸钾清洁制浆工艺研究.生物质化学工程，2007，41（3）：610（7）Yong Sun,Jian Wei,Yun-Shan Wang,Gang Yang,Jing-Ping Zhang,Production of activated carbon by K2CO3 activation treatment of cornstalk lignin and i
22、ts performance in removing phenol and subsequent bioregeneration.Environmental Technology.2010,31(1),53-61.,（8）Wang Yun-shan,Zhang Jin-ping,Yang Gang.Solubility and phase diagrams of hydroxyl manganese chloride.Transactions of Nonferrous Metals Society of China.2011,21(5):1136-1140.（9）王云山，杨刚，张金平.固体废
23、弃物铬渣的无害化资源化新工艺研究.湿法冶金，2010，29(2):123-126（10）王云山，杨刚，张金平.氧化铝工业产出赤泥脱钠新工艺.有色金属，2010，62(3):62-65（11）刘克玲，王云山，张金平，杨刚，李智新，陈磊.原子光谱分析的进展及其应用.光谱学与光谱分析，2010，30(7):2248-2252,6.培养人才方面,培养博士生1名，硕士生4名。在职博士研究生生：莫海涛，硕士生：杜庆之，胡高峰，文秋明，何璐,7.参加国际会议5次，扩大了国际影响,（1）2011年6月张小勇、莫海涛参加在比利时布鲁日的召开的 第三届国际生物质炼制会议。（2）2010年张小勇、莫海涛参加在中国台
24、北召开的第16届亚洲青年生化工程师年会，参加研究论文交流（3）2009年10月张小勇参加在美国纽约召开的第二届国际生物质炼制会议，在会上作了主题报告，获得优秀论文奖。（4）2009年11月莫海涛参加在中国厦门召开的第15届亚洲青年生化工程师年会，参加研究论文交流。（5）2009年8月莫海涛参加在中国上海召开的生物过程和分子工程国际研讨会，参加研究论文交流。,8.得到了造纸行业的认可,钾碱制浆-肥料联产技术被列入科技部轻工行业清洁生产技术科技支撑项目子课题，主持单位是中国造纸研究院，该技术得到造纸行业的认可。,项目指标完成情况（1）,项目指标完成情况（2）,五、人员组成与经费开支,科研团队,（按
25、贡献大小排名）,项目经费决算（万元）,经费支出说明,1.材料费和劳务费用较高 因原材料大幅涨价，人员工资增长较快。2.设备费用较低 本着节省开支的原则，合作企业以现有设备组装配套建成示范生产线，没有购买新的大型设备，所以该项开支与预算出入较大。,六、存在的问题,1.示范生产线未连续运行（1）棉杆原料供应环节缺失。（2）液体肥料的储存和运输系统及肥料的使用没有建立起来。2.熔态水解法生产氢氧化钾没有未工业放大试验。经费有限；设备加工等技术问题未能突破。,七、今后工作计划,1.微观层面,深入研究黑液腐植酸肥料分子特性及生理活性规律，为腐植酸肥料的应用提供基础理论支持。分子量分布特性，活性基团的种类，生理活性与结构的关系。,2.宏观层面,进行产业化应用和推广。与新疆天宏纸业股份有限公司联合申请国家工信部的产化项目，建成工业规模的示范生产线（拟投资规模8000万元）,谢 谢！欢 迎 指 教！,
