積極利用非木材纖維資源
——解決造紙工業(yè)原料短缺問題

劉 文 王 浩 李 政 杜 齊 賈程瑛萬 瑩 鄭 晗 謝 姣

（1.中國(guó)制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明，650231；3.制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，100102；4.中國(guó)制漿造紙研究院衢州分院，浙江衢州，324000；5.龍游縣特種紙科技創(chuàng)新管理服務(wù)中心，浙江衢州，324400）

我國(guó)造紙工業(yè)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口商品木漿和廢紙，從表1[1]的數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)口漿消耗量呈逐年增加趨勢(shì)，與2010年相比，2019年增加了116%，廢紙進(jìn)口量在2012 年達(dá)到峰值后保持相對(duì)穩(wěn)定，近兩年由于限制廢紙政策的出臺(tái)，進(jìn)口量大幅下降。與此同時(shí)，國(guó)產(chǎn)非木材纖維紙漿產(chǎn)量卻在逐年下降，到2019 年降為588萬t，約為2010年的1/2左右，其中減量最多的是稻麥草漿，減少了近500 萬t。為應(yīng)對(duì)限制廢紙進(jìn)口這一重大變化，包裝紙企業(yè)積極采取各種措施，包括到國(guó)外建干、濕法解離廢紙漿廠、包裝紙廠等，但目前從總體形勢(shì)來看，還難以解決禁止廢紙進(jìn)口造成的原料短缺和質(zhì)量下降的問題。面對(duì)纖維原料供應(yīng)的嚴(yán)峻形勢(shì)，國(guó)內(nèi)大量非木材纖維卻未得到充分利用，積極探索非木材纖維原料的充分利用，對(duì)解決我國(guó)造紙工業(yè)纖維原料嚴(yán)重短缺問題，推動(dòng)造紙行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 玉米秸稈

玉米是全球第一大糧食作物，2018 年全球總產(chǎn)量為10.4 億t，占全世界糧食總產(chǎn)量的35%[2]。我國(guó)2018 年的玉米產(chǎn)量大約在2.6 億t，東北地區(qū)玉米產(chǎn)量約為9000 萬t，占34.6%。按糧稈比1∶1.2 計(jì)算，東北地區(qū)玉米秸稈產(chǎn)生量為1.08億t[2]。

玉米秸稈主要由葉、外皮和髓芯（穰）組成。葉（葉片和葉鞘）的質(zhì)量約為40%，纖維含量為30%，葉片機(jī)械強(qiáng)度很小。髓芯質(zhì)量約為15%，纖維含量為20%，髓芯密度很小，蓬松柔軟，吸水性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度極低。穰和葉含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、半纖維素等，其中穰熟化性好，營(yíng)養(yǎng)成分高，消化率高[3]，穰顆粒是優(yōu)質(zhì)的飼料原料。玉米秸稈外皮質(zhì)量約為45%，其纖維含量在各部分中最高，約為50%，且機(jī)械強(qiáng)度較高[4]。制漿造紙主要是利用玉米秸稈皮的部分，其與幾種非木材纖維原料的化學(xué)組分和纖維形態(tài)比較分別見表2 和表3[5-9]。從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，與一般草類纖維原料相比，玉米秸稈皮的木素含量較低，與三倍體毛白楊相近；1%NaOH抽出物的含量是表2 中所列幾種纖維原料中最高的，達(dá)到了50.61%，說明其主要化學(xué)組分中低分子質(zhì)量成分較多，不宜采用處理?xiàng)l件較劇烈的化學(xué)法制漿，否則會(huì)導(dǎo)致制漿得率過低，原料得不到充分利用。巨菌草全稈的化學(xué)組分特點(diǎn)是聚戊糖含量較高，是表2中所列非木材纖維原料中最高的，木素含量較低，與三倍體毛白楊和玉米秸稈皮相近。從表3的纖維形態(tài)數(shù)據(jù)可以看出，玉米秸稈皮和巨菌草全稈的長(zhǎng)寬比介于其他非木材纖維原料和三倍體毛白楊之間，巨菌草全稈的纖維形態(tài)更接近于三倍體毛白楊。

表1 進(jìn)口紙漿消耗量、廢紙進(jìn)口量和國(guó)產(chǎn)非木材纖維產(chǎn)量Table 1 Imported pulp consumption,imports of waste paper and domestic non-wood fiber output

表2 常用非木材纖維原料的化學(xué)組分比較Table 2 The comparison of chemical components of common non-wood fiber %

中國(guó)制漿造紙研究院有限公司江驍雅等人[10]通過對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，將其葉和穰中的非纖維成分進(jìn)行分離，將剩余組分進(jìn)行化學(xué)處理，然后進(jìn)行高濃磨漿，制漿得率約為50%，其成漿性能見表4。從表4 中的結(jié)果可以看出，玉米秸稈漿的性能遠(yuǎn)高于瓦楞紙?jiān)瓋?yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)要求；而對(duì)比箱紙板原紙合格品標(biāo)準(zhǔn)，除環(huán)壓指數(shù)超過了標(biāo)準(zhǔn)要求外，耐破指數(shù)與耐折度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。耐破指數(shù)、耐折度主要與漿料自身特性相關(guān)，可通過配抄其他纖維實(shí)現(xiàn)提升，通過添加針葉木漿，其相關(guān)物理性能指標(biāo)能達(dá)到箱紙板原紙的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，預(yù)計(jì)玉米秸稈漿可以用于配抄箱紙板、紙杯紙、食品卡紙等各類紙板，也可以用來配抄生活用紙等。

表3 常用非木材纖維原料纖維形態(tài)比較Table 3 The comparison of fiber morphology of common non-wood fiber

表4 玉米秸稈化機(jī)漿的物理性能指標(biāo)Table 4 Properties of chemi-mechanical pulp of the corn straw

2 毛 竹

我國(guó)是世界上竹類資源最豐富的國(guó)家，栽培面積、蓄積量及年產(chǎn)量占世界1/4，均居世界之冠，其中尤以毛竹為種植面積最多的品種。毛竹主要分布在福建、江西、浙江、湖南、安徽、廣東等地，第五次全國(guó)森林普查毛竹主要產(chǎn)地的分布情況見表5。根據(jù)第八次全國(guó)森林資源清查的結(jié)果，全國(guó)毛竹林面積443.02 萬公頃，占竹林總面積的73.8%。竹子生產(chǎn)速度快，一年即可成材；竹子的再生能力強(qiáng)，成材竹砍伐后不需人工種植，其根系將生發(fā)出新竹。據(jù)竹藤中心有關(guān)專家介紹，毛竹的畝產(chǎn)量為350～1000 kg，若以每畝年產(chǎn)毛竹350 kg（風(fēng)干）計(jì)算，則全國(guó)年產(chǎn)毛竹2310 萬t。如果竹材需求旺盛，激發(fā)竹農(nóng)育竹積極性，每畝產(chǎn)量可提高到1000 kg，則總產(chǎn)量可達(dá)6600萬t。

表5 我國(guó)主要毛竹產(chǎn)地的毛竹林面積及株數(shù)Table 5 The area and number of phyllostachys edulis forests in main producing area in China

毛竹目前主要是用來加工各類竹材制品，包括建材、家具、餐具、工藝美術(shù)品等。由于毛竹加工業(yè)不景氣，毛竹銷售不暢，80%的成材毛竹沒有得到及時(shí)砍伐利用，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。毛竹結(jié)構(gòu)致密、蒸煮周期長(zhǎng)、制漿成本高，在制漿造紙行業(yè)一直未得到有效利用。為了充分利用毛竹這一潛在的優(yōu)質(zhì)纖維原料資源，生產(chǎn)出廉價(jià)、優(yōu)質(zhì)的造紙用漿，應(yīng)用于高附加值紙種的生產(chǎn)，最大限度提高產(chǎn)品利潤(rùn)水平，中國(guó)制漿造紙研究院衢州分院采用化學(xué)機(jī)械法制漿工藝對(duì)毛竹制漿和紙漿應(yīng)用技術(shù)開展了系統(tǒng)的研究，在用堿量8.0%～10.0%的條件下，紙漿得率69.0%～72.3%。在打漿度46°SR 情況下進(jìn)行抄紙實(shí)驗(yàn)，紙張主要性能指標(biāo)為緊度0.41 g/cm3，抗張指數(shù)25.2～27.4 N·m/g，撕裂指數(shù)6.5 mN·m2/g 左右。用其配抄擦手紙、廚房用紙、紙杯原紙等紙種，紙張性能如表6～表8 所示，其中配抄紙杯原紙的配抄量達(dá)60%以上，3 種試驗(yàn)紙樣均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求或超過市場(chǎng)同類產(chǎn)品。

表6 毛竹本色紙杯原紙質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比Table 6 Comparison of quality index of paper cup base paper with unbleached phyllostachys edulis pulp

表7 廚房紙巾的性能對(duì)比Table 7 Properties comparison of kitchen tissue paper

表8 擦手紙的性能對(duì)比Table 8 Properties comparison of wiping off hand paper

3 巨菌草

巨菌草是一種適宜在熱帶、亞熱帶、溫帶生長(zhǎng)和人工栽培的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌草，屬多年生禾本科直立叢生型植物，植株高大，株高最高的達(dá)7.08 m，莖粗可達(dá)3.5 cm，50 個(gè)節(jié)，節(jié)間長(zhǎng)9～15 cm，其形態(tài)見圖1，莖稈形態(tài)見圖2。巨菌草具有較強(qiáng)的分蘗能力，一株苗可分蘗20～50 株；生長(zhǎng)速度快，3 個(gè)月可長(zhǎng)到3 m左右；抗逆性強(qiáng)、不擇土壤、耐干旱、耐瘠薄，荒坡、山地、堤壩、房前屋后、田邊地角均可種植；產(chǎn)量高，一年可收割6～8 次，畝產(chǎn)鮮草達(dá)20～30 t；粗蛋白和糖分含量高，是飼養(yǎng)牛、羊、兔、鵝、魚等畜禽的優(yōu)質(zhì)飼料。

巨菌草原產(chǎn)北非，由國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心林占熺院士于1983 年引進(jìn)我國(guó)，經(jīng)過20 多年才培育出適合我國(guó)氣候土壤環(huán)境的草種，并由林占熺以“巨菌草”命名。巨菌草的種植已得到了廣泛的推廣，2020 年5月18日種植在內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠種植的巨菌草，生長(zhǎng)90 天株高234 cm、分蘗57 個(gè)、根系長(zhǎng)248 cm、根系深102.5 cm，單株地上植株鮮重7.06 kg，根鮮重14.52 kg，根重是莖葉重的2.97 倍。據(jù)河南農(nóng)墾總公司有關(guān)人士介紹，在平原縣種植的巨菌草每畝每年產(chǎn)飼草5 t 左右，第1 年莖桿畝產(chǎn)量2 t（水分10%～20%）左右，到第3年后畝產(chǎn)量達(dá)到5～10 t。國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心技術(shù)員在內(nèi)蒙古阿拉善同一地塊種植巨菌草與青貯玉米、蘇丹草、甜高粱作耗水試驗(yàn)，其水分利用率結(jié)果比較見表9。

巨菌草的莖桿是優(yōu)質(zhì)的制漿造紙?jiān)?，中?guó)制漿造紙研究院衢州分院采用硫酸鹽法研究巨菌草的制漿造紙性能，在用堿量13%、硫化度10.5%、液比1∶5、溫度150℃、升溫1.5 h 條件下蒸煮，測(cè)得粗漿得率為58.87%，初始打漿度僅為11.5°SR，裂斷長(zhǎng)3.5 km，漿料白度達(dá)到43.1%。結(jié)果表明，巨菌草硫酸鹽漿的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)良好，是優(yōu)良的制漿造紙?jiān)?。魯南等人[18]采用硫酸鹽法制漿，在用堿量13%、硫化度10.5%、液比1∶5、溫度155℃、2.5 h 條件下蒸煮，粗漿得率66.86%，高錳酸鉀值12.1，紙漿裂斷長(zhǎng)2.73 km、撕裂指數(shù)11.5 mN·m2/g、耐破指數(shù)1.85 kPa·m2/g、白度28.7%、不透明度80.3%。上述實(shí)驗(yàn)均表明，巨菌草是優(yōu)質(zhì)的制漿造紙?jiān)稀?/p>

圖1 巨菌草形態(tài)Fig.1 Pennisetum giganteum morphology

圖2 巨菌草莖桿形態(tài)Fig.2 Pennisetum giganteum stalk morphology

表9 巨菌草與青貯玉米、蘇丹草、甜高粱水分利用率比較Table 9 Comparison of water use efficiency of silage corn,sudan grass,sweet sorghum

4 幾種非木材纖維原料制漿造紙技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析

東北地區(qū)冬季長(zhǎng)，玉米秸稈用于還田和發(fā)酵飼料難度較大，現(xiàn)在主要是壓縮后用來發(fā)電，劉平等人[11]按壓縮燃料進(jìn)價(jià)300～400 元/t 計(jì)，以5000 m3/h 氣化量設(shè)備為例計(jì)算，玉米秸稈總發(fā)電成本在0.630～0.686元/kW 之間，工廠生產(chǎn)成本在0.7～0.8 元/度，與一般熱電聯(lián)產(chǎn)煤電0.30元/度的成本相比，競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

按風(fēng)干玉米秸稈收購(gòu)價(jià)280 元/t，得率50%計(jì)，制漿成本約為2050元/t左右，該成本未考慮與葉和穰分離后作為飼料、肥料或發(fā)酵沼氣產(chǎn)生的效益及政府的優(yōu)惠政策，相對(duì)于國(guó)產(chǎn)廢紙2000～2300 元/t 的價(jià)格，玉米秸稈漿的成本和質(zhì)量均具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。毛竹收購(gòu)價(jià)按1100 元/t 計(jì)，得率按70%計(jì)，制漿成本約為2890元/t左右。在當(dāng)前的市場(chǎng)形勢(shì)下，具有較好的競(jìng)爭(zhēng)力。

巨菌草種植還處于推廣階段，但其莖桿的畝產(chǎn)量和制漿得率方面均優(yōu)于現(xiàn)有的纖維原料，包括木材纖維原料，其經(jīng)濟(jì)可行性應(yīng)該不存在問題。

5 結(jié)語(yǔ)

毛竹和玉米秸稈都是我國(guó)儲(chǔ)量相當(dāng)豐富的非木材纖維原料，一直以來未得到制漿造紙行業(yè)的青睞，主要是因?yàn)橛闷渲圃旎瘜W(xué)漿存在著蒸煮周期長(zhǎng)、化學(xué)品消耗量大、得率低等問題，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高。面對(duì)禁止廢紙進(jìn)口，本色紙的環(huán)境友好優(yōu)勢(shì)得到消費(fèi)者普遍追捧的新形勢(shì)，如果能科學(xué)設(shè)計(jì)其生產(chǎn)和應(yīng)用的工藝技術(shù)路線，毛竹和玉米秸稈用于彌補(bǔ)制漿造紙?jiān)喜蛔悖诮?jīng)濟(jì)和技術(shù)上是完全可行的，充分發(fā)掘這兩種非木材纖維原料資源，未來形成2000萬～3000萬t/a的紙漿生產(chǎn)能力都是有可能的。從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，用其制作本色漿比較適宜，采用這些漿料抄造的本色紙和紙板，可以替代很多現(xiàn)有的高白度生活用紙和包裝紙等產(chǎn)品，可以大幅節(jié)省木漿的纖維原料，一部分國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的用于生產(chǎn)漂白化機(jī)漿的闊葉木纖維原料也可以轉(zhuǎn)產(chǎn)漂白化學(xué)漿，可以大幅減少對(duì)進(jìn)口紙漿的依賴。這里值得一提的是山鷹紙業(yè)（吉林）有限公司在吉林省扶余市建設(shè)年產(chǎn)100 萬t 紙漿和工業(yè)包裝紙項(xiàng)目于2020 年9月26日開工建設(shè)，一期工程包括年產(chǎn)10 萬t 玉米秸稈制漿生產(chǎn)線。這一項(xiàng)目的實(shí)施，是推動(dòng)玉米秸稈在制漿造紙行業(yè)有效利用的積極探索。另外，2017 年黑龍江銀泉紙業(yè)公司采用稻草為主要原料，成功生產(chǎn)出了紙地膜產(chǎn)品，擴(kuò)大了秸稈漿的應(yīng)用領(lǐng)域，這也是玉米秸稈漿一個(gè)新的應(yīng)用方向。泰盛制漿和玖龍紙業(yè)分別在南平和咸寧開展毛竹制漿造紙項(xiàng)目，對(duì)推動(dòng)毛竹纖維原料有效利用具有很好的示范作用。

巨菌草是優(yōu)質(zhì)飼料，同時(shí)也是值得制漿造紙行業(yè)高度關(guān)注的纖維原料資源，建議有關(guān)政府部門和協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)等行業(yè)組織及企業(yè)能引起重視，組織相關(guān)單位進(jìn)行深入研究，推動(dòng)形成種植、養(yǎng)殖、漿、紙相結(jié)合的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，進(jìn)一步開拓制漿造紙纖維原料來源。