新疆棉區(qū)棉桿資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用模式肥料與紙漿聯(lián)產(chǎn)的清潔生產(chǎn)技術(shù)體系 中科院西部行動項目知識

新疆棉區(qū)棉桿資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用模式-肥料與紙漿聯(lián)產(chǎn)的清潔生產(chǎn)技術(shù)體系中科院西部行動項目

一、立項背景二、任務(wù)與指標(biāo)三、項目實施結(jié)果四、效益分析與應(yīng)用前景五、取得的成果六、人員組成與經(jīng)費開支情況七、存在的問題八、今后工作設(shè)想內(nèi)容一、立項背景1、我國肥料領(lǐng)域的現(xiàn)狀、問題和需求現(xiàn)狀化肥生產(chǎn)和消費大國。無機(jī)化肥為主，有機(jī)肥少。有機(jī)肥生產(chǎn)規(guī)模小。

問題肥料利用率低土壤板結(jié)污染環(huán)境農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降肥料領(lǐng)域的迫切需求

應(yīng)用高新技術(shù)將無機(jī)化肥工業(yè)向有機(jī)化肥工業(yè)推進(jìn)，實施再創(chuàng)新，這是克服化肥弊端，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。有機(jī)復(fù)合肥是肥料發(fā)展

的重要方向

有機(jī)復(fù)合肥的特點兼具有機(jī)肥與化肥的優(yōu)勢NPK養(yǎng)分利用率高改良土質(zhì)改善微生物結(jié)構(gòu)

2.我國造紙行業(yè)的現(xiàn)狀、問題和需求現(xiàn)狀生產(chǎn)和消費大國人均低，發(fā)展空間大。秸稈制漿造紙為主。污染嚴(yán)重。問題

末端治理，治標(biāo)不治本，堿回收成本高，草漿回收率低。強(qiáng)制關(guān)閉，資產(chǎn)沉淀。紙漿大量進(jìn)口，效益差。需求由于環(huán)境污染是制約造紙行業(yè)健康發(fā)展的瓶頸問題，清潔生產(chǎn)技術(shù)成為造紙行業(yè)良性發(fā)展的最為迫切的需求。

用造紙黑液生產(chǎn)有機(jī)復(fù)合肥料，既消除了黑液污染，又為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)質(zhì)的肥料品種，可以解決兩個行業(yè)所面臨的問題，實現(xiàn)雙贏互利。3.對策造紙黑液是大規(guī)模生產(chǎn)生

有機(jī)復(fù)合肥的最佳原料

黑液的組成和特點有機(jī)物含量高。含有大量活性基團(tuán)，具緩釋作用。有機(jī)物分子經(jīng)強(qiáng)堿作用，無需腐熟。數(shù)量巨大，集中。秸稈制漿黑液組成有機(jī)物65%無機(jī)物35%SiO21％木質(zhì)素20%Na堿30％腐殖酸33％有機(jī)酸12%無機(jī)鹽等4％黑液可溶物有機(jī)養(yǎng)分對植物有害無機(jī)養(yǎng)分無機(jī)養(yǎng)分

問題鈉離子對植物有害。鉀堿成本高。木質(zhì)素分離成本高，難以徹底消除污染。

方法鉀堿代替鈉堿蒸煮。熔態(tài)水解法自產(chǎn)鉀堿。全部黑液制肥料。黑液肥料化利用存在的問題和解決方法國外造紙黑液處理技術(shù)——堿回收技術(shù)堿回收爐燃燒堿液黑液濃縮黑液石灰蒸發(fā)苛化灰分

堿回收技術(shù)僅適用于以木材為原料的制漿黑液處理,國外以木漿為主，我國以秸稈制漿為主（森林資源短缺）。因草漿黑液含硅量高，堿回收率低，運行成本高，效益差。

秸稈制漿黑液不宜采用堿回收技術(shù)處理。蒸煮抄造黑液紙制品紙漿鈉堿蒸煮洗滌曝氣法處理達(dá)標(biāo)水排放（污染物）中段廢水漂白秸稈白漿

我國秸稈造紙常規(guī)工藝流程黑液排放造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染新疆：我國最大產(chǎn)棉區(qū),全國產(chǎn)量的33％

大量棉桿廢棄物（400萬噸/年）特點：世界最大滴灌區(qū),1000萬畝，節(jié)水、節(jié)肥。

液體肥料需求巨大（隨水滴施）

4.新疆棉區(qū)的地位和特點焚燒：占60％左右，浪費資源，污染環(huán)境還田：40％左右，切碎后還田無害化處理。棉稈資源沒有得到清潔和高值化利用

目前棉稈利用情況

目前液體肥料情況水＋無機(jī)化肥無機(jī)液肥黑液＋無機(jī)化肥有機(jī)－無機(jī)復(fù)合液肥

項目思路消除污染優(yōu)質(zhì)肥料改良土壤5.研究構(gòu)想

用熔態(tài)水解法自制氫氧化鉀，用氫氧化鉀代替氫氧化鈉進(jìn)行鉀堿制槳，用含鉀黑液制備滴灌液體肥料，利用新疆棉花滴灌種植方式對液體肥料有巨大需求的優(yōu)勢，實現(xiàn)造紙黑液的資源化利用，達(dá)到清潔造紙的目標(biāo)，使棉桿資源得到清潔高值化利用。

棉桿來源于棉花種植業(yè)，所生產(chǎn)的肥料又服務(wù)于棉花種植業(yè)，造紙和肥料生產(chǎn)兩個過程相互依存、相互促進(jìn)，構(gòu)建新疆棉區(qū)棉桿資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用模式，創(chuàng)建新型生態(tài)產(chǎn)業(yè)。

鉀堿制漿黑液紙制品肥料制備固體有機(jī)肥料模式特點原料極豐富，成本低廉。黑液制液肥，加工成本低。滴灌為使用液肥提供平臺。實現(xiàn)固液體廢物零排放。規(guī)模大,創(chuàng)建新型產(chǎn)業(yè)。資源循環(huán)利用，可持續(xù)發(fā)展。棉桿棉花棉花生產(chǎn)底肥液體滴灌肥料滴灌系統(tǒng)廢棄物產(chǎn)品

棉桿資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用模式圖

追肥二、任務(wù)與指標(biāo)總體目標(biāo)

建立氫氧化鉀低成本制備、黑液處理和液體肥料制備等關(guān)鍵技術(shù)，建立中試生產(chǎn)線，進(jìn)行中試研究，提出成套技術(shù)。進(jìn)行黑液滴灌肥料機(jī)理研究，制定黑液肥料使用規(guī)程。1.項目目標(biāo)1.建立氫氧化鉀低成本制備技術(shù)，氫氧化鉀成本在3000元/噸以內(nèi)。2.建立鉀堿制漿工藝，得漿率40%以上，紙漿質(zhì)量達(dá)到國標(biāo)要求。3.提出黑液處理的最佳工藝參數(shù)。4.提出黑液滴灌肥料制備工藝。5.建立示范生產(chǎn)線，規(guī)模為日處理棉稈2.5噸，紙漿1噸，液體肥料8噸，固體有機(jī)復(fù)合肥料2噸?？偖a(chǎn)值達(dá)到455萬元/年，利潤117萬元/年。6.建立工業(yè)規(guī)模的技術(shù)體系，黑液零排放。7.進(jìn)行黑液肥料的試驗，制定肥料使用規(guī)程，應(yīng)用面積不低于100畝。2、主要考核指標(biāo)三、項目實施結(jié)果分成三個課題進(jìn)行實施課題一、熔態(tài)水解法制備氫氧化鉀技術(shù)研究課題二、鉀堿制漿技術(shù)與黑液肥料的制備技術(shù)及中試示范課題三、黑液肥料的田間應(yīng)用與施肥規(guī)程的制定

單位：中科院過程工程研究所負(fù)責(zé)人：楊剛副研究員成員：李佐虎研究員，王云山副研究員，張金平助理研究員課題一、熔態(tài)水解法制備氫氧化鉀技術(shù)研究研究成果1.提出了熔態(tài)水解法制備氫氧化鉀的技術(shù)原理和工藝路線。（2）

總反應(yīng)平衡式

（4）

（5）（3）（1）

用五硼酸鉀作為轉(zhuǎn)化介質(zhì)，以KCl和NaCl為原料制取碳酸鉀、碳酸鈉和HCl氣體的新工藝。KCl熔態(tài)水解法的化學(xué)原理如下：圖1熔態(tài)水解聯(lián)產(chǎn)HCl與K2CO3工藝流程圖2．進(jìn)行了小試和擴(kuò)大試驗，確定了最優(yōu)的化學(xué)反應(yīng)參數(shù)（1）小試試驗中，確定了最佳的KCl/KB5O8摩爾配比、蒸汽流量，最大轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到85%。（2）擴(kuò)大試驗中，設(shè)計了管式反應(yīng)爐及相應(yīng)的攪拌裝置和噴射裝置。確定了熔態(tài)水解的反應(yīng)溫度、蒸汽流量。（3）進(jìn)行了反應(yīng)動力學(xué)的研究，提出了動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并通過實驗進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果與模型基本一致。3.進(jìn)行了成本核算

以氯化鉀和氧化鈣為原料，主產(chǎn)品為氫氧化鉀，副產(chǎn)品為碳酸鈣和鹽酸。生產(chǎn)氫氧化鉀成本合計3840元，副產(chǎn)品的收入有1060元，兩者相減，則氫氧化鉀的實際生產(chǎn)成本為：2780元/噸（按照2007年價格核算）。市場價為：4300元/噸（2007年價），自制成本低35%。課題二、鉀堿制漿技術(shù)與黑液肥料制備技術(shù)及

中試示范

完成單位及人員中科院過程工程研究所：莫海濤，張小勇，肖炘，肖傳緒，胡高峰，何璐新疆天宏紙業(yè)股份有限公司：婁衛(wèi)東，劉麗英負(fù)責(zé)人：莫海濤副研究員

研究成果1.進(jìn)行了全棉桿鉀堿制漿工藝研究和最佳工藝參數(shù)的優(yōu)化

確定用鉀堿-亞硫酸銨法蒸煮棉稈制漿的最佳工藝條件為：用堿量30%；亞硫酸銨用量2%；液固比6:1；最高溫度170℃；蒽醌用量0.1%；紙漿得率為44%～46%，卡伯值為19左右。2.建立了反應(yīng)動力學(xué)方程。獲得的動力學(xué)方程是（分三段）：在140℃之前在140℃～160℃：在160℃～170℃：計算出棉桿脫木素的活化能為79.8kJ.mol-1，3.黑液制備多功能液體肥料及其肥料機(jī)理的研究

確定了以尿素，磷酸二銨和氯化鉀為肥料的氮磷鉀原料，硫酸為中和酸，檸檬酸為微量元素的螯合劑，氮磷鉀總養(yǎng)分含量為24%的最佳配方。4.篩選出黑液肥料的添加劑——棉花促根劑配方5.用化學(xué)氧化法從黑液中制取黃腐酸

以過氧化氫酶和濃硝酸為氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)，提高了黑液中黃腐酸的含量，最高黃腐酸得率超過20%。，增加了肥效

堿法造紙黑液木質(zhì)素生物酸析法

5.建立了堿法造紙黑液木質(zhì)素生物酸析法

確定了生物酸析法的操作條件：黑液起始pH值為10固形物含量75g/L左右，靜止厭氧培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度35℃黑液中只需加入一定量的碳源，不需加氮源和磷源。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了5噸的中試，驗證了上述參數(shù)正確性，證明在技術(shù)上是可行的，在工業(yè)上具有一定的應(yīng)用潛力，保持一定的溫度是發(fā)揮效果的重要條件。

6.棉桿鉀堿制漿中試研究

（1）在新疆天宏紙業(yè)股份有限公司建成示范生產(chǎn)線一條，規(guī)模為：日處理棉桿5噸、生產(chǎn)紙漿2噸，滴灌液體肥料16噸。（2）用該紙漿生產(chǎn)的原紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)——瓦楞原紙（GB13023-2008）中一等品的要求。（3）由黑液制備的腐植酸液體肥料符合農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY1106-2006《含腐植酸水溶肥料》的要求（4）提出了棉桿資源清潔高值化利用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用模式。棉稈造紙原料紙漿黑液（木質(zhì)素）新型蒸煮工藝棉花種植棉纖維肥料化制漿（鉀堿-亞銨蒸煮）蒸煮黑液（腐植酸）腐植化反應(yīng)

復(fù)配液體腐植酸復(fù)合肥紙漿與腐植酸肥料聯(lián)產(chǎn)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式圖黑液肥料的檢測結(jié)果由黑液制備的腐植酸液體肥料符合農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY1106-2006《含腐植酸水溶肥料》的要求。課題三、黑液肥料的田間應(yīng)用與施肥規(guī)程的制定

完成單位及人員中科院新疆生態(tài)與地理研究所負(fù)責(zé)人：田長彥研究員1.進(jìn)行了黑液肥料作用機(jī)理研究

（1）研究表明黑液肥料棉花根系發(fā)育有促進(jìn)作用，使根系密度增大，加強(qiáng)了作物對養(yǎng)分的吸收能力，改善棉花的后期早衰。（2）可明顯增加養(yǎng)分在土壤中的移動性，提高肥料利用率。使氮和磷的利用率分別達(dá)到51.9％和37.4％。尤其磷肥利用率比固體肥料提高了53.3%，解決了常規(guī)施肥中磷肥易被固定，肥料利用率低的問題。課題三、黑液肥料的田間應(yīng)用與施肥規(guī)程的制定

2.進(jìn)行了棉花作物的肥料增產(chǎn)效果試驗

（1）新疆生地所試驗基地的小區(qū)試驗結(jié)果表明，腐植酸肥料平均增產(chǎn)幅度為9.46%。（2）兵團(tuán)各團(tuán)場使用單位出示的試驗報告表明，平均增產(chǎn)幅度為10.58%。（3）北京市土肥站試驗結(jié)果表明，兩個地點的增產(chǎn)幅度分別為12.1%和16.7%，統(tǒng)計分析表明在5%水平上差異顯著。大量試驗證明，黑液腐植酸肥料具有良好的增產(chǎn)效果。

3.進(jìn)行了大面積示范推廣

黑液腐植酸肥料示范推廣一覽表

四、效益分析與應(yīng)用前景噸棉桿利用效益分析

以1噸棉桿為原料，采用鉀堿制漿得率為46%，可以生產(chǎn)紙漿460公斤，液體腐植酸復(fù)合肥料3.2噸（N15%,K2O4%，P2O55%，養(yǎng)分含量達(dá)到腐植酸液肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）原料是棉桿、氫氧化鉀；產(chǎn)品是紙漿和液體腐植酸復(fù)合肥料。原料核算價見表1；加工成本見表2；產(chǎn)品產(chǎn)值見表3；利潤分析見表4。表1原料成本

表2加工成本(元/噸)

表3產(chǎn)品產(chǎn)值（元）

表4利潤分析

每噸液體肥料的原料成本為1175元，由表2肥料加工成本每噸為80元，所以每噸液體肥料（養(yǎng)分總含量為24%）生產(chǎn)總成本為1255元。折算每個養(yǎng)分生產(chǎn)成本為52.3元。如按液體肥料的養(yǎng)分含量為15%進(jìn)行計算，其生產(chǎn)成本為784元。符合考核指標(biāo)第四項的制備液體肥料成本在800元以內(nèi)的要求。如將液體腐植酸肥料進(jìn)行折固計算，總養(yǎng)分含量達(dá)到20%時，生產(chǎn)成本為1046元。因此完成考核指標(biāo)的第4項。

以上表格的計算說明由1000公斤棉桿可以生產(chǎn)紙漿460公斤和腐植酸復(fù)合肥料3200公斤，成本為4584元，產(chǎn)值為5996元，利潤1412元，利潤率為31%。經(jīng)濟(jì)效益良好，并實現(xiàn)了黑液零排放。中試生產(chǎn)線效益核算

中試生產(chǎn)線規(guī)模為日處理棉桿5噸，生產(chǎn)紙漿2噸，產(chǎn)值5200元，液體腐植酸復(fù)合肥料16噸，產(chǎn)值19200元，合計產(chǎn)值為24400元/天，利潤為7564元/天。一年生產(chǎn)時間按200天進(jìn)行計算，產(chǎn)值可達(dá)488萬元，利潤151萬元。因此完成了考核指標(biāo)的第5項。應(yīng)用前景

全疆棉桿400萬噸，50%利用，可以生產(chǎn)640萬噸液體滴灌有機(jī)復(fù)合肥料，和80萬噸紙漿，將有80億元的產(chǎn)值，20億元的利潤，完全可以形成一個新興產(chǎn)業(yè)。黑（石油：產(chǎn)值800億）、白（棉花：產(chǎn)值500億）、紅（番茄醬：產(chǎn)值60億繼）之后的又一新興產(chǎn)業(yè)（雙色產(chǎn)業(yè)）。社會效益促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供就業(yè)崗位維護(hù)邊疆穩(wěn)定。五、取得的成果1．建立新型技術(shù)工藝3個（1）鉀堿制漿-肥料聯(lián)產(chǎn)清潔生產(chǎn)新工藝（2）熔態(tài)水解法制備氫氧化鉀新工藝（3）堿法造紙黑液木質(zhì)素生物酸析法2.建成新型實驗裝置1套熔態(tài)水解法擴(kuò)大試驗裝置

黑液腐植酸液體肥料和棉花促根劑。

3.研發(fā)新產(chǎn)品2個4.申請發(fā)明專利5項，獲得授權(quán)2項授權(quán)專利

（1）一種制備氯氣的方法及其系統(tǒng)，專利號：ZL2.1，（2）一種可降解天然有機(jī)物包裹緩釋肥料及其制備方法和用途,專利號：ZL2.4。

申請專利

（3）一種秸稈資源的清潔高值化利用的方法，發(fā)明專利：27；（4）一種用造紙黑液制備黃腐酸和肥料的清潔高值化利用方法，發(fā)明專利：2.9；（5）一種以KCl為原料熔態(tài)水解制備鹽酸和碳酸鉀的方法，發(fā)明專利：2.2；（6）脫除氧化鋁工業(yè)產(chǎn)出的赤泥中鈉的方法，發(fā)明專利：2.3，（7）傳統(tǒng)鉻渣資源化的方法，發(fā)明專利：2.8。

5.發(fā)表論文11篇（1）張小勇，莫海濤，江啟沛秸稈資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用模式－肥料與紙漿聯(lián)產(chǎn)的清潔生產(chǎn)技術(shù)體系.化學(xué)進(jìn)展，2007，19（7/8）：1177-1184.（2）ZhangXiao-Yong，MoHai-Tao，XiaoChuan-xuandLiZuo-Hu.Themodeofcycleeconomyutilizationinstalk—thetechniquesystemofcleanproductionbytheco-productionofpulpandorganicfertilizer.InternationalBiorefineryConference，NewYork，USA2009:36-37（3）Hai-taoMo，Xiao-yongZhang，Hong-zhangCheng.DelignificationMechanismandKineticsofPulpingwithKOH-AQonCottonStraw.ProceedingsofInternationalSymposiumonBioprocessandBiomolecularEngineering2009(ISBBE).Shanghai，China.2009:205（4）Hai-taoMo，Xiao-yongZhang，Hong-zhangCheng.StudyontheDepolymerizationofLignininBlackLiquortoFulvicAcidwithOxidization.YoungAsiaBiochemicalEngineeringConference2009SymposiumProceedings，Xiamen，China，2009:145（5）莫海濤，張小勇，肖傳緒，陳洪章.黑液制備的腐植酸液肥和調(diào)理劑的棉花田間應(yīng)用研究.中國農(nóng)學(xué)通報，已接受（6）江啟沛，張小勇，莫海濤，李佐虎.稻草堿性亞硫酸鉀清潔制漿工藝研究.生物質(zhì)化學(xué)工程，2007，41（3）：6－10（7）YongSun,JianWei,Yun-ShanWang,GangYang,Jing-PingZhang,ProductionofactivatedcarbonbyK2CO3activationtreatmentofcornstalkligninanditsperformanceinremovingphenolandsubsequentbioregeneration.EnvironmentalTechnology.2010,31(1),53-61.（8）WangYun-shan,ZhangJin-ping,YangGang.Solubilityandphasediagramsofhydroxylmanganesechloride.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina.2011,21(5):1136-1140.（9）王云山，楊剛，張金平.固體廢棄物鉻渣的無害化資源化新工藝研究.濕法冶金，2010，29(2):123-126（10）王云山，楊剛，張金平.氧化鋁工業(yè)產(chǎn)出赤泥脫鈉新工藝.有色金屬，2010，62(3):62-65（11）劉克玲，王云山，張金平，楊剛，李智新，陳磊.原子光譜分析的進(jìn)展及其應(yīng)用.光譜學(xué)與光譜分析，2010，30(7):2248-22526.培養(yǎng)人才方面培養(yǎng)博士生1名，碩士生4名。在職博士研究生生：莫海濤，碩士生：杜慶之，胡高峰，文秋明，何璐

7.參加國際會議5次，擴(kuò)大了國際影響（1）2011年6月張小勇、莫海濤參加在比利時布魯日的召開的第三屆國際生物質(zhì)煉制會議。（2