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    陳克復院士談漿紙業未來科技發展方向

    發布日期:2019-08-06   來源:中華紙業

    陳克復先生,漢族,生于1942年,廣東海豐人,華南理工大學教授,博士生導師,中國工程院院士。1966年畢業于復旦大學工程力學專業。現任中國輕工業聯合會副會長,中國造紙協會副理事長,華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室學術委員會主任、學科帶頭人。

    陳克復院士長期從事輕工、制漿造紙工程的科研與教學工作。工程研究領域有中高濃制漿漂白技術、紙頁成形技術、涂料與涂布技術、制漿造紙清潔生產技術與裝備、現代造紙機的關鍵技術與裝備;在理論方面的研究領域有化工流體力學、纖維懸浮液流變學。編著或主編出版9本(部)著作,發表SCI、EI收錄論文200余篇,已獲得發明專利30多項。獲國家技術發明二等獎1項,國家科技進步二等獎1項,國家科技進步三等獎1項,教育部科技進步一等獎2項。2003年當選為中國工程院院士。

    祝賀《中華紙業》創刊40周年。在《中華紙業》這個傳媒平臺上,我曾發表了“對廣東省造紙工業持續發展的思考”(2001年5月)、“民營紙業的發展及對策”(2001年10月)、“我國制漿造紙裝備制造業自主創新戰略研究的若干問題”(2006年6月)、“提高造紙行業自主創新能力 構建造紙技術創新體系”(2007年7月)等多篇文章。

    《中華紙業》與我們國家改革開放同步,與我國造紙業共成長。現在,改革開放進入新時代,造紙業發展進入調整升級新時期,《中華紙業》進入新舊媒體融合發展的新階段。借此,談談我國造紙產業領域工程科技的新方向與新目標。

    對造紙先進國家來說,多數先進技術已成熟應用;節能減排、清潔生產,已成為常態,單位產能的水耗、電耗、污染物排放量都處于該國家和社會允許的范圍內,已走上綠色發展的道路;裝備制造業的設計產能、運行速度及智能化控制已滿足行業的需求。

    有專家認為,目前國際先進國家的制漿造紙技術足以延續使用多年。但是,為了推動造紙產業的發展,必須探索造紙領域未來發展的工程科技,制定工程科技未來的研發重點,即中長期發展戰略。

    1、制漿造紙先進地區未來重大科技計劃

    1.1初歐洲地區

    歐洲造紙工業聯合會(CEPI)于2011年11月推出了“森林纖維工業2050路線圖”。路線圖的主要目標是尋求如何能夠使CO2的排放量降低80%,與此同時產生50%以上的附加值。需要以突破性技術來實現這個設定的目標。意味著如果要求在2050年完全應用這些突破性技術的話,那么這些突破性技術則必須在2030年開始實現商業應用。

    CEPI首先建立突破性技術的概念(技術清單),要求這些突破性技術在10-20年之后,可進行工業上的應用。共提出8個技術性概念,如這些技術成功實施,對于行業來說,將創造更好的機會,使行業未來更具有競爭力和創造更多的價值,促使制漿造紙業持續發展。

    CEPI公布的未來突破性技術主要為:

    (1)制漿生產新技術——低共熔溶劑法生產紙漿

    該技術要開辟以低溫和常壓的方式生產紙漿的新途徑。通過使用低共熔溶劑(deep eutectic solvents),任何類型的生物質都能以最少能耗、碳排放量和殘留物量溶解成木質素、纖維素和半纖維素,目標是實現制漿能耗減少50%。

    如果能減少現在制漿能耗的50%,這將是制漿造紙工業節能的重大突破,因為制漿能耗是制漿造紙過程的最大耗能單之一。

    (2)提出無水造紙技術概念

    目前造紙技術消耗了大量的能源和水資源,紙漿上網纖維濃度才1%左右,造紙過程需要復雜裝備單來脫水,使造紙成為最大能耗單。國際造紙科技界對極低纖維濃度的耗能造紙方法已看出極大的弊病,擬想法解決這一難題。

    屬于這一概念的有二項技術:一是汽流造紙,這是一種非常接近無水造紙的生產方法。使用蒸汽攪拌將基本干燥的纖維吹到成形區,隨后沉降成紙幅。要求水用量只相當于目前的l/1000。二是紙漿固化成形造紙技術,該技術也是很少用水的造紙工藝技術。把經處理后纖維送進黏稠溶液中制成濃度在40%以上的懸浮液,最后將溶液壓出,并通過助劑將纖維層固化成紙頁。根據不同紙種選用不同助劑。

    (3)紙頁輕量化的技術概念

    以較少的纖維生產更多產品,獲取更大附加值,生產低定量產品是關鍵之一。紙頁成形技術和原材料混合技術的進步將使未來的紙產品更加輕量化。

    紙頁輕量化了,但性能特別是強度保持不變,還有賴于化學品的作用,化學品的應用是關鍵。這里除了要解決紙頁成形及與化學品的混合方面的問題外,還需解決綠色化學品的制備。

    (4)納米纖維素

    納米纖維素在水中形成穩定的膠體懸浮液,可與增稠劑和乳化劑混合在一起應用。

    植物纖維可用于開發生產納米纖維素產品。與其他纖維相比,植物纖維由于具有高長寬比和較高比表面積以及加強的氫鍵鍵合能力,使得這些基纖維具有固有形成薄膜的傾向。

    納米纖維素溶液的優點已經得到了廣泛的體現。可以預見,這種特殊材料系列納米纖維素產品可以用于造紙、食品、化妝品、涂料,還可以預期在電子、醫療和藥物方面的應用,將產生新的巨大商機。對在商業化進程中這種納米材料的研究,已取得重大成果。

    (5)生物質精煉技術

    提出制漿造紙轉型升級理念,并將繼續重視木質生物質組分的可持續開發。如已在研究離子液體與酶一起在木質纖維素處理過程的作用,各種纖維素、半纖維素、木質素衍生物和組合物已被開發用于諸如薄膜、阻隔劑、吸附劑、黏合劑和復合材料中。

    (6)提出“造紙機醫生”的理念

    目前裝備制造業能設計并能生產的造紙機產能、車速、幅寬已完全滿足行業的需要,而運行中的現代造紙機的診斷、維護及維修已提到重要位置,因此科技領域提出“造紙機醫生”的理念,保證現有造紙機能正常運行以及適應新的要求。

    1.2北美地區

    北美地區仍然把節能、降耗、減少碳排放,通過生物質精煉技術使制漿造紙企業轉型升級作為未來工程科技的重點。

    (1)節能。美國造紙工業能耗占工業總能耗的10.5%,是四大耗能工業之一,節能是重點研發技術的目標。如:①在保證紙頁質量條件下,通過脫水壓榨技術的改進使進入干燥部紙頁干度達到65%,提高10%——15%。②開發新一代磨漿機以提高化機漿得率,降低單位能耗20%,如采用生物酶預處理、熱回收技術。③通過提高黑液洗滌濃度、蒸發濃度及進入回收爐濃度,降低50%黑液堿回收能耗。

    (2)降低水耗。通過研發和實施廢水100%回收利用新技術,使水耗減少50%。重點研發廢水中污染物的潔凈分離技術。

    (3)植物資源高效高值化利用。①提高化機漿、溶解漿的得率,其中化機漿得率要達到90%及以上。②木材廢料及生產過程廢棄物的高效利用,提出“生物質全組分利用”理念。③生物質精煉技術,其具體技術范疇與歐洲造紙工業聯盟提出的木質生物質精煉技術類同。④纖維素高值化利用的研究。近年來興起維素納米晶(Cellulose Nanocrystal,CNC)或纖維素納米纖(Cellulose Nanofibrils,CNF)等纖維素類衍生產品的高值化應用的研發。

    2、面向未來國際造紙領域工程科技發展趨勢

    從北歐及北美兩個國際造紙工業及科技領域發達的地區所從事的未來研發計劃可以看出,造紙領域面向未來工程科技發展趨勢主要重點:

    (1)進一步節省能耗、水耗及減少污染物的排放,未來的科技還是把這一點放到首位。

    (2)進一步節約植物資源,實現植物資源的全利用。盡管國外的木材資源豐富,近50%的木材資源用于造紙工業,但還是把節省木材的消耗放在重要位置。

    (3)通過生物質精煉技術,實現造紙業的轉型升級。

    (4)清潔分離植物組分,高效高值化利用植物中的纖維素、木質素及半纖維素及其附屬產品,提高造紙產業的整體價值。

    (5)現代造紙機技術已發展到較高程度,維修保養的花費將影響原本就價格高昂的現代造紙機的運行利潤。如何保證現代造紙機的正常穩定運行,其智能化預警及診斷、智能化維護保養就提到新的日程。

    陳克復院士在“2016中國紙業高層峰會”上,以“探索造紙領域未來發展的工程科技”為題進行演講,引起與會者高度關注。

    3、我國造紙領域未來對工程科技的需求及重大科技工程

    考慮到我國造紙領域工程科技目前與國際先進國家存在的差距,也考慮到我國原料資源、水資源、環境條件與國際先進國家的差距,結合我國造紙領域的實際情況,提出未來需要解決的重大科技問題。

    3.1環境生態

    主要是指農業秸稈生物質的高效利用與可持續發展研究。

    我國是一個農業大國,僅農業秸稈每年可收集資源量達7億噸,其中麥稈、稻稈及玉米稈可收集資源量約為5億噸。大量的農業秸稈生物質資源是寶貴的財富,但也給我國帶來如何高效充分利用農業秸稈生物質資源的重大任務。

    我國已實施了一批以制漿造紙、燃燒發電、沼氣技術、固化成型、秸稈氣化及液化等資源利用的工程項目。但由于種種原因,沒有達到預期效果,利用量不大,效果欠佳,使農林生物質特別是秸稈焚燒的現象普遍存在,在浪費大量資源的同時,給生態環境帶來嚴重污染,也給交通安全帶來巨大壓力。

    如何高效清潔、經濟環保的綜合利用秸稈資源,對促進農業發展、加強環境保護、減少資源浪費和提高農民收入意義重大,也引起了全國人民的關注和重視。本題目將在重點研究農業秸稈生物質高效高值化利用最佳技術的同時,提出可持續發展的戰略目標。

    3.2節能減排

    (1)高濃造紙技術研究

    目前抄紙的紙漿濃度在1%以下,因此后續過程為了脫除水分而耗費大量的能量,造紙的能耗基本上大都耗費在紙頁的脫水和干燥上。如果將抄紙濃度提高1倍,進入干燥部的干度將提高5%-10%,造紙機的能耗將減少20%以上。提高抄紙濃度的關鍵技術問題是高濃度紙漿的流動及流動均勻性、纖維的分散與絮聚的監控、為適應高濃抄紙的裝備優化。

    (2)廢紙制漿造紙廢水的全封閉循環利用技術研究

    如果廢水能夠封閉循環使用,廢水回用率達到100%,將既節約了水資源,又解決了環境問題,實現真正意義上的零排放。

    其關鍵技術是廢水中污染物的分段清潔分離與處理集成技術。

    (3)草漿黑液增濃技術的研究

    配合我國農業秸稈的高效利用,草漿黑液的高濃洗滌及高濃濃縮技術必須解決,洗滌濃度要達到15%及以上,蒸發濃縮后黑液固形物燃燒濃度要達到65%及以上,真正解決草漿黑液堿回收問題、工藝技術及裝備技術。

    3.3轉型升級

    (1)植物生物質精煉技術

    提出“植物生物質全組分利用”理念,清潔組分分離,高效利用木素、半纖維素,充分利用廢棄物。

    (2)植物資源的納米纖維素技術研究

    納米纖維素技術是將納米技術應用到自然界中取之不盡、用之不竭的纖維素領域,由于其強度高、剛性大、光學性能優良、質量輕、生物降解性、可持續發展等特點而廣泛地應用到電子、生物醫學、化工、紡織、造紙等方面。

    3.4智能化先進制造

    (1)高速造紙機的智能化控制技術研究

    現代造紙機智能化生產主要配備生產全過程智能化控制系統、智能化在線監測與故障診斷。智能化控制系統實現造紙生產全過程的集散控制、紙張質量的全自動控制。智能化監測實現紙幅高速運行在線監測、紙病在線監測和設備運行狀態在線監測與故障診斷全自動執行,可隨時根據用戶的訂單智能調整生產,自動切換生產品種控制;智能管理系統實現從制定生產計劃到生產、質量管理、成本管理、生產跟蹤、入庫和發貨等全程化智能管理,實現造紙的智能化制造。

    (2)實現進入干燥部紙頁干度提高5%-10%的技術

    通過改造,提高造紙機整體技術水平,使進入干燥部紙頁干度提高5%-10%,在未來10-20年內,應可以解決。

    3.5展望技術

    利用氣流(或汽流)的無水或少水造紙技術研究值得關注。汽流造紙技術是利用氣(或汽)流攜帶纖維形成纖維懸浮流體,在完全封閉的流道中纖維相互交織,通過壓榨、壓光形成紙頁的過程,這是造紙產業的重大變革。

    其技術難點:纖維懸浮氣流的形成;纖維懸浮平面流如何保持流動速度和流動量沿橫向和縱向保持一致;抄造的封閉流道如何設計;與環境友好的新型化學品的研究。

    責任編輯:趙曉一


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