中国工程院院士陈克复：探索造纸领域未来发展 的工程科技
阅读次数： 发布时间:2020-01-14 07:38:18
1 制浆造纸先进地区未来重大科技计划
1.1 欧洲地区
欧洲造纸工业联合会（CEPI）于2011年11月推出了“森林纤维工业2050路线图”。路线图的主要目标是寻求如何能够使CO2的排放量降低80%，与此同时产生50%以上的附加值。需要以突破性技术来实现这个设定的目标。意味着如果要求在2050年完全应用这些突破性技术的话，那么这些突破性技术则必须在2030年开始实现商业应用。
CEPI首先建立突破性技术的概念（技术清单），要求这些突破性技术在10～20年之后，可进行工业上的应用。共提出8个技术性概念，如这些技术成功实施，对于行业来说，将创造更好的机会，使行业未来更具有竞争力和创造更多的价值，促使制浆造纸业持续发展。
CEPI公布的未来突破性技术主要为：
(1）制浆生产新技术——低共熔溶剂法生产纸浆
该技术要开辟以低温和常压的方式生产纸浆的新途径。通过使用低共熔溶剂（deep eutectic solvents），任何类型的生物质都能以最少能耗、碳排放量和残留物量溶解成木质素、纤维素和半纤维素，目标是实现制浆能耗减少50%。
如果能减少现在制浆能耗的50%，这将是制浆造纸工业节能的重大突破，因为制浆能耗是制浆造纸过程的最大耗能单元之一。
(2）提出无水造纸技术概念
目前造纸技术消耗了大量的能源和水资源，纸浆上网纤维浓度才1%左右，造纸过程需要复杂装备单元来脱水，使造纸成为最大能耗单元。国际造纸科技界对极低纤维浓度的耗能造纸方法已看出极大的弊病，拟想法解决这一难题。
属于这一概念的有二项技术：一是汽流造纸，这是一种非常接近无水造纸的生产方法。使用蒸汽搅拌将基本干燥的纤维吹到成形区，随后沉降成纸幅。要求水用量只相当于目前的l／1000。二是纸浆固化成形造纸技术，该技术也是很少用水的造纸工艺技术。把经处理后纤维送进黏稠溶液中制成浓度在40％以上的悬浮液，最后将溶液压出，并通过助剂将纤维层固化成纸页。根据不同纸种选用不同助剂。
(3）纸页轻量化的技术概念
以较少的纤维生产更多产品，获取更大附加值，生产低定量产品是关键之一。纸页成形技术和原材料混合技术的进步将使未来的纸产品更加轻量化。
纸页轻量化了，但性能特别是强度保持不变，还有赖于化学品的作用，化学品的应用是关键。这里除了要解决纸页成形及与化学品的混合方面的问题外，还需解决绿色化学品的制备。
(4）纳米纤维素
纳米纤维素在水中形成稳定的胶体悬浮液，可与增稠剂和乳化剂混合在一起应用。
植物纤维可用于开发生产纳米纤维素产品。与其他纤维相比，植物纤维由于具有高长宽比和较高比表面积以及加强的氢键键合能力，使得这些基元纤维具有固有形成薄膜的倾向。
纳米纤维素溶液的优点已经得到了广泛的体现。可以预见，这种特殊材料系列纳米纤维素产品可以用于造纸、食品、化妆品、涂料，还可以预期在电子、医疗和药物方面的应用，将产生新的巨大商机。对在商业化进程中这种纳米材料的研究，已取得重大成果。
(5）生物质精炼技术
提出制浆造纸转型升级理念，并将继续重视木质生物质组分的可持续开发。如已在研究离子液体与酶一起在木质纤维素处理过程的作用，各种纤维素、半纤维素、木质素衍生物和组合物已被开发用于诸如薄膜、阻隔剂、吸附剂、黏合剂和复合材料中。
(6)提出“造纸机医生”的理念
目前装备制造业能设计并能生产的造纸机产能、车速、幅宽已完全满足行业的需要，而运行中的现代造纸机的诊断、维护及维修已提到重要位置，因此科技领域提出“造纸机医生”的理念，保证现有造纸机能正常运行以及适应新的要求。
1.2 北美地区
北美地区仍然把节能、降耗、减少碳排放，通过生物质精炼技术使制浆造纸企业转型升级作为未来工程科技的重点。
(1）节能。美国造纸工业能耗占工业总能耗的10.5%，是四大耗能工业之一，节能是重点研发技术的目标。如：①在保证纸页质量条件下，通过脱水压榨技术的改进使进入干燥部纸页干度达到65%，提高10%～15%。②开发新一代磨浆机以提高化机浆得率，降低单位能耗20%，如采用生物酶预处理、热回收技术。③通过提高黑液洗涤浓度、蒸发浓度及进入回收炉浓度，降低50%黑液碱回收能耗。
(2）降低水耗。通过研发和实施废水100%回收利用新技术，使水耗减少50%。重点研发废水中污染物的洁净分离技术。
(3）植物资源高效高值化利用。①提高化机浆、溶解浆的得率，其中化机浆得率要达到90%及以上。②木材废料及生产过程废弃物的高效利用，提出“生物质全组分利用”理念。③生物质精炼技术，其具体技术范畴与欧洲造纸工业联盟提出的木质生物质精炼技术类同。④纤维素高值化利用的研究。近年来兴起维素纳米晶（Cellulose Nanocrystal，CNC）或纤维素纳米纤（Cellulose Nanofibrils，CNF）等纤维素类衍生产品的高值化应用的研发。
2 面向未来国际造纸领域工程科技发展趋势
从北欧及北美两个国际造纸工业及科技领域发达的地区所从事的未来研发计划可以看出，造纸领域面向未来工程科技发展趋势主要重点：
(1）进一步节省能耗、水耗及减少污染物的排放，未来的科技还是把这一点放到首位。
(2）进一步节约植物资源，实现植物资源的全利用。尽管国外的木材资源丰富，近50%的木材资源用于造纸工业，但还是把节省木材的消耗放在重要位置。
(3）通过生物质精炼技术，实现造纸业的转型升级。
(4）清洁分离植物组分，高效高值化利用植物中的纤维素、木质素及半纤维素及其附属产品，提高造纸产业的整体价值。
(5）现代造纸机技术已发展到较高程度，维修保养的花费将影响原本就价格高昂的现代造纸机的运行利润。如何保证现代造纸机的正常稳定运行，其智能化预警及诊断、智能化维护保养就提到新的日程。
3 我国造纸领域未来对工程科技的需求及重大科技工程
考虑到我国造纸领域工程科技目前与国际先进国家存在的差距，也考虑到我国原料资源、水资源、环境条件与国际先进国家的差距，结合我国造纸领域的实际情况，提出未来需要解决的重大科技问题。
3.1 环境生态
主要是指农业秸秆生物质的高效利用与可持续发展研究。
我国是一个农业大国，仅农业秸秆每年可收集资源量达7亿吨，其中麦秆、稻秆及玉米秆可收集资源量约为5亿吨。大量的农业秸秆生物质资源是宝贵的财富，但也给我国带来如何高效充分利用农业秸秆生物质资源的重大任务。
我国已实施了一批以制浆造纸、燃烧发电、沼气技术、固化成型、秸秆气化及液化等资源利用的工程项目。但由于种种原因，没有达到预期效果，利用量不大，效果欠佳，使农林生物质特别是秸秆焚烧的现象普遍存在，在浪费大量资源的同时，给生态环境带来严重污染，也给交通安全带来巨大压力。
如何高效清洁、经济环保的综合利用秸秆资源，对促进农业发展、加强环境保护、减少资源浪费和提高农民收入意义重大，也引起了全国人民的关注和重视。本题目将在重点研究农业秸秆生物质高效高值化利用最佳技术的同时，提出可持续发展的战略目标。
3.2 节能减排
(1）高浓造纸技术研究
目前抄纸的纸浆浓度在1%以下，因此后续过程为了脱除水分而耗费大量的能量，造纸的能耗基本上大都耗费在纸页的脱水和干燥上。如果将抄纸浓度提高1倍，进入干燥部的干度将提高5%～10%，造纸机的能耗将减少20%以上。提高抄纸浓度的关键技术问题是高浓度纸浆的流动及流动均匀性、纤维的分散与絮聚的监控、为适应高浓抄纸的装备优化。
(2）废纸制浆造纸废水的全封闭循环利用技术研究
如果废水能够封闭循环使用，废水回用率达到100%，将既节约了水资源，又解决了环境问题，实现真正意义上的零排放。
其关键技术是废水中污染物的分段清洁分离与处理集成技术。
(3）草浆黑液增浓技术的研究
配合我国农业秸秆的高效利用，草浆黑液的高浓洗涤及高浓浓缩技术必须解决，洗涤浓度要达到15%及以上，蒸发浓缩后黑液固形物燃烧浓度要达到65%及以上，真正解决草浆黑液碱回收问题、工艺技术及装备技术。
3.3 转型升级
(1）植物生物质精炼技术
提出“植物生物质全组分利用”理念，清洁组分分离，高效利用木素、半纤维素，充分利用废弃物。
(2）植物资源的纳米纤维素技术研究
纳米纤维素技术是将纳米技术应用到自然界中取之不尽、用之不竭的纤维素领域，由于其强度高、刚性大、光学性能优良、质量轻、生物降解性、可持续发展等特点而广泛地应用到电子、生物医学、化工、纺织、造纸等方面。
3.4 智能化先进制造
(1）高速造纸机的智能化控制技术研究
现代造纸机智能化生产主要配备生产全过程智能化控制系统、智能化在线监测与故障诊断。智能化控制系统实现造纸生产全过程的集散控制、纸张质量的全自动控制。智能化监测实现纸幅高速运行在线监测、纸病在线监测和设备运行状态在线监测与故障诊断全自动执行，可随时根据用户的订单智能调整生产，自动切换生产品种控制；智能管理系统实现从制定生产计划到生产、质量管理、成本管理、生产跟踪、入库和发货等全程化智能管理，实现造纸的智能化制造。
(2）实现进入干燥部纸页干度提高5%～10%的技术
通过改造，提高造纸机整体技术水平，使进入干燥部纸页干度提高5%～10%，在未来10～20年内，应可以解决。
3.5 展望技术
利用气流（或汽流）的无水或少水造纸技术研究值得关注。汽流造纸技术是利用气（或汽）流携带纤维形成纤维悬浮流体，在完全封闭的流道中纤维相互交织，通过压榨、压光形成纸页的过程，这是造纸产业的重大变革。
其技术难点：纤维悬浮气流的形成；纤维悬浮平面流如何保持流动速度和流动量沿横向和纵向保持一致；抄造的封闭流道如何设计；与环境友好的新型化学品的研究。
