А.М. Кряжев

РАЗВИТИЕ МИРОВОЙ ЦБП (1970-2010 г) И ИТОГИ ПЕРЕХОДА НА НАИЛУЧШИЕ
ДОСТУПНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ООО «Техсервис», г. Новодвинск, Россия

Рассмотрены этапы развития некоторых ключевых технологий мировой ЦБП, которые значительно повысили экологическую безопасность и ресурсоэффективность производства, обеспечили рост производительности предприятий. Показано значение фундаментальных и поисковых исследований для технологического суверенитета Страны в наступающем новом технологическом укладе. Обсуждаются аспекты технологической культуры использования древесного сырья на отечественных заводах.

DEVELOPMENT OF THE GLOBAL PPI (1970-2010) AND RESULTS OF THE TRANSITION TO THE BEST AVAILABLE TECHNOLOGIES

А.М. Kryazhev

LLC «Techservice», c. Novodvinsk, Russia

The stages of development of some key technologies of the global pulp and paper industry, which have significantly increased environmental safety and resource efficiency of production, and ensured an increase in enterprise productivity, are considered. The importance of fundamental and exploratory research for the technological sovereignty of the Country in the upcoming new technological order is shown. Aspects of the technological culture of using wood raw materials in domestic factories are discussed.

Рис. 1 Порядок смены технологических укладов в процессе мирового экономического

развития с 1770 года по настоящее время [1]

В соответствие с современными представлениями [1] мировое промышленное

производство проходит модернизацию в рамках действующего технологического уклада.

На рис.1 представлен порядок смены технологических укладов с начала промышленной революции 1770-х годов до настоящего времени.

Спираль цикла развития, в рамках данного технологического уклада, проходит

строго по определенным этапам: научно-технический> технико-экономический>

экономически- социальный > социально-регуляторный этап (рис.2). При этом каждый этап в цикле развития обусловливает фактор, дающий новый толчок совершенствованию технологий. Завершение цикла развития означает переход к новому технологическому укладу и цикл повторяется. На рис.3 представлена последовательность прохождения 5 циклов развития ЦБП

Рис.2. Спираль развития технологий данного технологического уклада

Технологические этапы совершенствования

промышленности неотделимы от основных этапов развития мировой промышленности. В

истории развития промышленного производства эффективное использование ресурсов

рассматривают как важнейшее условие для перехода на новый технологический уклад.

Спираль развития обычно описывает реакции отрасли на изменение условий ее

деятельности как единого целого, не включая описания механизма какого-либо технологического звена. В данной работе рассмотрим как некоторые научные открытия дали толчок к революционной модернизации производственных процессов и дадим интегральную оценку достигнутого результата.

Рис. 4. Сравнение применяемых технологий по ключевым показателям в 1970-х, 1990-х и 2010-х годах
1- потери древесины при подготовке щепы, %; 2- потери целлюлозы при отбелке,%;
3- расход воды, м³/т; 4- расход пара, Гкал/т.; 5- расход электроэнергии, кВт.ч/т ; 6- сброс АОХ, кг/т

Представляет интерес оценить спираль развития целлюлозно-бумажной промышленности в уходящем V цикле развития мировой промышленности (1970 - 2010 годы). Для интегральной оценки итогов технологической модернизации ЦБП рассмотрим изменение ключевых показателей материальной и энергоэффективности производства, а также изменение производственной мощности потоков. На рис.4 [2] представлены ключевые показатели удельных расходов и сбросов по технологии производства беленой целлюлозы в 1970-х,1990-х и 2010-х годах. Можно отметить, что если потери годной древесины при подготовке щепы в 1970-ые годы составляли 10%, то к 2010 году они сократились в 3 раза, за этот период удельные потери волокна при отбелке целлюлозы сократились почти в 2 раза, потребление свежей воды более чем в 5 раз, удельный расход пара на 40%, электрической энергии на 30%, а сброс АОХ в 120 раз!

Научно-технический этап открывает пути для дальнейшего совершенствования технологий. Из множества выполненных исследований выберем только два научных открытия, результаты которых, на мой взгляд, дали значительный толчок в развитие производственных процессов: псевдоожижение целлюлозной суспензии средней концентрации массы (10-12%) и анализ механических свойств целлюлозы по внешнему виду волокон.
Нужно подчеркнуть, что в 1980-е годы от производства сульфатной беленой целлюлозы 80% загрязнений поступало на очистные сооружения из отбельного цеха. Поэтому снижение расходов материальных ресурсов и сбросов загрязнений по ключевым показателям (2-6), представленные на рис.4, были получены в основном от внедрения новых технологий в отбельном цехе. Среди множества реализованных технических задач в отбельном цехе выделим те, которые основаны на открытии эффекта псевдоожижения массной суспензии средней концентрации 10-12%, при котором на доли секунды разрывается сетка волокон и суспензия приобретает текучесть. Этот результат фундаментальных исследований послужил основой для разработки конструкции перекачивающего и смесительного оборудования, работающего при средней 10-12% концентрации массы взамен низкой концентрации (3-5%). В табл. 1,. п.1 показана роль открытия эффекта псевдоожижения массы средней концентрации в спирали развития технологий ЦБП. Позднее эти технологии получили признание как наилучшие доступные технологии (НДТ) для делигнификации и отбелки целлюлозы ECF, показатели которой (2-6) отмечены на рис.4 зеленым цветом.

Таблица 1. Результаты открытий ученых и их роль в спирали развития технологий ЦБП (1970-2010гг)

Открытие эффекта псевдоожижения целлюлозной суспензии средней концентрации 10-12% и на его основе разработка конструкции перекачивающего и смесительного оборудования при средней концентрации взамен низкой концентрации 3-5%.;Разработка оборудования для установок кислородно-щелочной делигнификации, окислительного щелочения, промывки целлюлозы при средней концентрации целлюлозной суспензии;Сокращение: удельного водопотребления в отбельном цехе в ~ 3 раза. Снижение удельного расхода отбеливающих реагентов на ~20%. Сокращение на ~50% количества сбрасываемых загрязнений на очистные сооружения.Сокращение сброса АОХ в водоемы в 3–4 раза и прекращение сброса хлороформа;Появление понятия наилучшие доступные технологии (НДТ).Отказ от неэкологичных технологий отбелки. Использование прохождения одиночных волокон через узкий капилляр для наблюдения внешнего вида волокон и определения их количества в навеске.;Разработка оптического анализатора внешнего вида волокна и определения их количества в навеске с автоматическим отбором проб из основных точек массного потока;Оптический датчик позволяет:-предсказывать механические свойства целлюлозных волокон по их внешнему виду.–дозировать волокна в композиции, оптимизировать состав волокон в каждом грамме полотна, что обеспечивает его прочность во влажном состоянии.;Появление понятия «язык волокна», основанный на новых терминах (фактор формы, извитость, грубость волокна, число волокон на 1г), описывающих качество волокон без механических испытаний.

Рис. 5. Мощность по варке сульфатной целлюлозы одним технологическим потоком, т/год

На рис.5 [2] представлен рост производительности потоков сульфатцеллюлозных предприятий одним технологическим потоком. Головокружительный рост производственной мощности целлюлозных и бумажных предприятий потребовал обеспечения надежности работы как оборудования, так и управления технологическими процессами (АСУ ТП), которому требуется непрерывный поток информации, в том числе, по качеству целлюлозы и бумажно-картонной продукции.
В настоящее время в мировой ЦБП основные показатели качества вырабатываемой целлюлозы и бумаги определяются на основе измерений оптическими анализаторами внешнего вида волокон непосредственно в потоке, на основании которых прогнозируются механические свойства целлюлозы и влажного полотна. Это один из ключевых элементов управления высокоскоростными технологическими потоками (целлюлозными, бумажно-картонными).

Кто бы мог подумать в начале 1970-х годов, что наблюдаемое учеными прохождение ламинарного потока волокон через узкий капилляр с появлением в 1975 году электронной оптики и цифрового процессора позволит разработать первый анализатор костры для оптимизации работы участка сортирования. В 1980-е годы работа ученых позволила измерять среднюю величину волокна непосредственно в потоке, а в 2010-ые годы оптический анализатор уже неотъемлемая часть управления качеством продукции на производственных потоках. В композиции по волокну оптический анализатор позволяет сосчитать волокна каждого вида в навеске массы. Это создает возможность для равномерного распределения состава по волокну в структуре полотна и придания ему прочности во влажном состоянии, что является залогом безобрывной работы скоростного бумагоделательного оборудования. В табл.1, п.2 показано как открытие зависимости механических свойств волокон от их внешнего вида повлияло на спираль развития технологий в ЦБП в соответствие с рис.2.
Выбор описанных выше исследований не умоляет значения работ других исследователей, он призван только показать как развитие фундаментальных и прикладных исследований вносит вклад в создание необходимого технологического суверенитета Страны. Однако, по официальным данным расходы на НИОКР в РФ составляют всего 0,01% от ВВП отрасли, что существенно ниже среднего зарубежного уровня 1,4% ВВП в 140 раз. При этом уровни стран – лидеров (Финляндия 2% и Норвегия 3,1%) [3]. Но если сравнить средства на научные исследования в абсолютных величинах, то сравнение затрат выглядит более зримо, так в России затраты составляют – 2,3 млн долл. США, что в 100 раз меньше, чем в Финляндии – 240 млн долл. США. Выводы очевидны и не требуют комментария.
Рассматривая достижения мировой ЦБП (рис.4) необходимо отметить тот факт, что использование на отечественных предприятиях однотипного зарубежного оборудования, отвечающего НДТ, не приводит к таким же результатам по показателям материальной и энергоэффективности производства. Анализ работы наших предприятий показывает, что это связано, в первую очередь, с недостатком технологической культуры производства в использовании древесного сырья [3], которая должна неукоснительно соблюдаться. Пояснение сделаем на примере производства беленой сульфатной целлюлозы из лиственных пород древесины. Почему потери годной древесины при подготовке щепы из лиственных пород за рубежом составляют 3%? За рубежом используют на окорку и рубку однопородный состав круглого леса, имеющий близкую плотность древесины и физические размеры брёвен в каждой пачке, чтобы минимизировать образование лома и отщепов в процессе окорки. На предприятиях РФ потери годной лиственной древесины составляют 6% и более, поскольку на современном оборудовании ДПЦ используют совместную окорку березы и осины. Далее в процессе варки такой нерегулируемый состав древесной щепы с существенно различной базисной плотностью из-за большего количества непровара приводит к снижению выхода отсортированной целлюлозы по варке и из-за различной степени делигнификации волокон снизит выход беленой целлюлозы. В результате выход товарной беленой лиственной целлюлозы на отечественных предприятиях на 2% и более ниже, чем на зарубежных предприятиях. Следовательно, для производства 500000 т товарной лиственной целлюлозы на отечественном предприятии потребуется дополнительно сварить 10000т целлюлозы, на что потребуется заготовить еще 40000 пл. м³ щепы и затратить другие материальные и энергетические ресурсы на варку и отбелку целлюлозы дополнительно, что и отражается в повышении их удельных расходов относительно зарубежных предприятий. При этом из-за смеси нерегулируемого содержания среднегрубого волокна (береза) и тонкого волокна (осина) снижаются механические свойства волокон. Так волокна с тонкой клеточной стенкой образуют бумажный лист с большей площадью межволоконных связей, и обеспечивают повышенную прочность листа на разрыв и продавливание. Тогда как волокна с толстой клеточной стенкой образуют пухлый лист с незначительной площадью контакта волокон, что снижает механические свойства листа [4], и соответственно, стоимость товарной целлюлозы из этой смеси волокон. Аналогичны результаты для смеси хвойных пород древесины.
Поэтому помимо технической модернизации производства на основе применения наилучших доступных технологий (НДТ) отечественным предприятиям необходимо в производственных процессах использовать каждую породу древесины отдельно.

Список литературы:

1. С.Ю. Глазьев Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике : монография / [С. Ю. Глазьев и др.] ; под ред. С. Ю. Глазьева, В. В. Харитонова. - Москва : Тровант, 2009. - 304 с
2. А.М. Кряжев, О.В. Голуб, А.Ю. Санжаровский. Энциклопедия технологий 2.0. Производство неметаллов. Раздел 4. Производство целлюлозы, древесной массы, бумаги, картона / [гл. ред. Д.О.Скобелев ]; ФГАУ «НИИ «ЦЭПП».-М.: СПб.: «Реноме». 2033.-с.319-460.
3. А.М. Кряжев Наилучшие доступные технологии- основа развития целлюлозно-бумажной промышленности и лесопромышленного комплекса России в XXI веке. Санкт-Петербург, 2020, 90С.
4.В.И. Комаров В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов, АГТУ. 2002-440с

Ко всем статьям

Появились вопросы? Напишите, мы скоро ответим.

Согласен с политикой обработки персональных данных

РАЗВИТИЕ МИРОВОЙ ЦБП (1970-2010 г) И ИТОГИ ПЕРЕХОДА НА НАИЛУЧШИЕДОСТУПНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

РАЗВИТИЕ МИРОВОЙ ЦБП (1970-2010 г) И ИТОГИ ПЕРЕХОДА НА НАИЛУЧШИЕ
ДОСТУПНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ