А.М. Кряжев
НОВЫЙ ЦИКЛ ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ И ЗАДАЧИ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦБП РОССИИ
НОВЫЙ ЦИКЛ ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ И ЗАДАЧИ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦБП РОССИИ
10.01.2024
В соответствие с современными представлениями [1] мировое промышленное производство проводит модернизацию в рамках действующего технологического уклада по определенным этапам: научно-технический> технико-экономический> экономически- социальный > социально-регуляторный этап (рис.1). 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.
Рис. 1 Спираль развития технологий данного технологического уклада
На рис.2 представлен порядок смены технологических укладов в процессе мирового экономического развития с начала промышленной революции ~1770 года по настоящее время [1]. Как видно из рис.2, начиная с 2010-х годов мировое промышленное производство постепенно переходит от уклада «Микроэлектроника» к новому технологическому укладу «Нанотехнологии». Какие технологии получат развитие в наступившем технологическом укладе далее рассмотрим подробнее. Сначала проведем оценку спирали развития общемирового промышленного производства применительно к целлюлозно-бумажной промышленности в уходящем V цикле развития мировой промышленности (1970 - 2010 годы).
Рис.2 Порядок смены технологических укладов в процессе мирового экономического развития с 1770 года по настоящее время [1]
Для интегральной оценки итогов технологической модернизации ЦБП рассмотрим изменение ключевых показателей материальной и энергоэффективности производства, а также изменение производственной мощности потоков. На рис.2 [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 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.3, 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.3 зеленым цветом.
Рис. 3 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
Таблица 1. Результаты открытий ученых и их роль в спирали развития технологий ЦБП (1970-2010гг)
Рис.4. Мощность по варке сульфатной целлюлозы одним технологическим потоком, т/год
На рис.4 [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).
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.1.
Рассматривая достижения мировой ЦБП (рис.3) 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 итоге выход товарной беленой лиственной целлюлозы на отечественных предприятиях на 2% и более ниже, чем на зарубежных предприятиях. Следовательно, для производства 500000 т товарной 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 делает неоднородными физико-механические свойства листа [4], и соответственно, стоимость товарной целлюлозы из этой смеси волокон. В частности, для производства технических видов бумаг отечественные потребители вынуждены покупать эвкалиптовую целлюлозу, которую могла бы заменить целлюлоза из древесины осины. Аналогичны результаты для смеси хвойных пород древесины.
Рассматривая достижения мировой ЦБП (рис.3) 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 итоге выход товарной беленой лиственной целлюлозы на отечественных предприятиях на 2% и более ниже, чем на зарубежных предприятиях. Следовательно, для производства 500000 т товарной 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 делает неоднородными физико-механические свойства листа [4], и соответственно, стоимость товарной целлюлозы из этой смеси волокон. В частности, для производства технических видов бумаг отечественные потребители вынуждены покупать эвкалиптовую целлюлозу, которую могла бы заменить целлюлоза из древесины осины. Аналогичны результаты для смеси хвойных пород древесины.
Таблица 2. Потери годной древесины при подготовке щепы из круглого леса по традиционной технологии 1980-х годов и по технологии, соответствующей НДТ [3]
Примечание: *- величина потерь по данным производителей оборудования. В ИТС 1-15 потери круглого леса при подготовке щепы на действующих производствах оценены как 9-12%.
Поэтому помимо технической модернизации производства с переходом на НДТ отечественным предприятиям необходимо повышать также технологическую культуру производства и использовать каждую породу древесины отдельно.
Возвращаемся к обсуждению рис.2, на котором представлен порядок смены технологических укладов в процессе мирового экономического развития с 1770 года по настоящее время. Отмечается [1], что в настоящее время нанотехнологии пока находятся на стадии роста и становятся ключевым фактором нового мирового технологического уклада в экономике.
В соответствие с данными представлениями для развития экономики РФ была предложена [5] структура производства нано-технологических продуктов и их использование в наступающем VI технологическом укладе (рис.5).
Представляет интерес рассмотреть развитие нано-технологий применительно к ЦБП.
Актуальность развития мировой ЦБП связана с ростом потребности в бумажно-картонной продукции, которая к 2030 г вырастет с 440 млн т в настоящее время до 570 млн т или на 30% (данные RISI). Прогнозируется устойчивый рост в сегментах сангигиенических бумаг (+19,4 млн. тонн), и особенно тары и упаковки (+81 млн. тонн). Рост производства бумажно-картонной продукции для упаковки потребует создания защитных барьерных свойств без применения пластиков и синтетических пленок. Кроме того, потребуется улучшать печатные свойства бумаг при снижении их себестоимости. Возможность применения микрофибриллированной целлюлозы (МФЦ) в производстве полиграфической и упаковочных бумаг известна с начала 1980-х годов [6]. Однако применение МФЦ в промышленности ограничивала ее высокая стоимость, связанная со значительными затратами энергии на размол и использование дорогостоящего оборудования. И только в последние годы с появлением композита на основе минеральный наполнитель/МФЦ, получаемого при совместном размоле целлюлозы и минерала, стал доступен по цене и получил широкое применение [7].
Возвращаемся к обсуждению рис.2, на котором представлен порядок смены технологических укладов в процессе мирового экономического развития с 1770 года по настоящее время. Отмечается [1], что в настоящее время нанотехнологии пока находятся на стадии роста и становятся ключевым фактором нового мирового технологического уклада в экономике.
В соответствие с данными представлениями для развития экономики РФ была предложена [5] структура производства нано-технологических продуктов и их использование в наступающем VI технологическом укладе (рис.5).
Представляет интерес рассмотреть развитие нано-технологий применительно к ЦБП.
Актуальность развития мировой ЦБП связана с ростом потребности в бумажно-картонной продукции, которая к 2030 г вырастет с 440 млн т в настоящее время до 570 млн т или на 30% (данные RISI). Прогнозируется устойчивый рост в сегментах сангигиенических бумаг (+19,4 млн. тонн), и особенно тары и упаковки (+81 млн. тонн). Рост производства бумажно-картонной продукции для упаковки потребует создания защитных барьерных свойств без применения пластиков и синтетических пленок. Кроме того, потребуется улучшать печатные свойства бумаг при снижении их себестоимости. Возможность применения микрофибриллированной целлюлозы (МФЦ) в производстве полиграфической и упаковочных бумаг известна с начала 1980-х годов [6]. Однако применение МФЦ в промышленности ограничивала ее высокая стоимость, связанная со значительными затратами энергии на размол и использование дорогостоящего оборудования. И только в последние годы с появлением композита на основе минеральный наполнитель/МФЦ, получаемого при совместном размоле целлюлозы и минерала, стал доступен по цене и получил широкое применение [7].
Рис.5. Структура производства и продуктов нового (VI) технологического уклада [5]
Примечание: ИКТ - информационно-коммуникационные технологии
В частности, МФЦ увеличивает межволоконные связи и прочность бумаги, добавка МФЦ при прохождении мокрой части бумагоделательной машины позволяет производить бумагу с более высоким содержанием наполнителя. Как правило, добавление 2% МФЦ позволяет увеличить содержание наполнителя примерно на 10%, например с 20 до 30% [7], что снижает производственные затраты. Также МФЦ входит в состав меловальных паст и барьерных покрытий. Показано, что применение находят не только наноразмерные по величине частицы целлюлозы, а также волокна, с нанесенными на их поверхности наноразмерными повреждениями микрофибрилл.
Кроме уже вошедших в практику направлений использования порошковых видов целлюлозы в медицине, пищевой промышленности, производстве сухих строительных смесей, она может применяться для 3d- печати, в производстве гибкой и печатной электроники, в элементах питания и производстве целлюлозных порошков с магнитными свойствами и других направлениях. Поэтому в наступающем VI –ом технологическом укладе «Нанотехнологии» применительно к ЦБП одну из задач научно-технического этапа можно сформулировать как «Открыть технические возможности для промышленного производства дешевых порошкообразных целлюлозных материалов с различными потребительскими свойствами».
Более подробно с технической информацией о производстве и применении композитов минеральный наполнитель/МФЦ, о производстве целлюлозы с магнитными свойствами и о многом другом можно ознакомиться в электронном издании Е.А. Кряжевой «Совершенствование технологических процессов и новые виды продукции ЦБП», Архангельск, 2022 год, 386С. С материалом Сборника можно ознакомиться на данном сайте и при желании заказать.
Автор будет благодарен откликам и дискуссии по данному вопросу. Присланные материалы будут опубликованы на сайте для информирования всех заинтересованных специалистов. Форма обратной связи (зеленая кнопка) в правом нижнем углу сайта.
Кроме уже вошедших в практику направлений использования порошковых видов целлюлозы в медицине, пищевой промышленности, производстве сухих строительных смесей, она может применяться для 3d- печати, в производстве гибкой и печатной электроники, в элементах питания и производстве целлюлозных порошков с магнитными свойствами и других направлениях. Поэтому в наступающем VI –ом технологическом укладе «Нанотехнологии» применительно к ЦБП одну из задач научно-технического этапа можно сформулировать как «Открыть технические возможности для промышленного производства дешевых порошкообразных целлюлозных материалов с различными потребительскими свойствами».
Более подробно с технической информацией о производстве и применении композитов минеральный наполнитель/МФЦ, о производстве целлюлозы с магнитными свойствами и о многом другом можно ознакомиться в электронном издании Е.А. Кряжевой «Совершенствование технологических процессов и новые виды продукции ЦБП», Архангельск, 2022 год, 386С. С материалом Сборника можно ознакомиться на данном сайте и при желании заказать.
Автор будет благодарен откликам и дискуссии по данному вопросу. Присланные материалы будут опубликованы на сайте для информирования всех заинтересованных специалистов. Форма обратной связи (зеленая кнопка) в правом нижнем углу сайта.
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 с2. 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
5. Источник: О стратегии развития экономики России: Научный доклад. М.: Национальный институт развития, 2011 из кн. С.Ю Глазьева Управление развитием экономики: курс лекций/С.Ю.Глазьев,-2019.-759, с.156
6. Turbak, A.F., Snyder, F.W., and Sandberg, K.R., J. Appl. Polym. Sci.: Appl. Polym. Symp. 37: 815(1983).
7. Svending, P., Phipps, J., and Skuse, D., "'MicrofibriMated Cellulose, a new dimension in papermaking,'' Specialty Papers Europe Symp, TAPPI/Smithers Pira, Peachtree Corners, GA, USA/Leatherhead, UK, 2016.
Появились вопросы? Напишите, мы скоро ответим.
Согласен с политикой обработки персональных данных
