Направления развития целлюлозно-бумажного производства

В извест­ной всем рос­сий­ским бумаж­ни­кам кни­ге “Свой­ства бума­ги” про­фес­сор Д.М. Фля­те к одной из глав эпи­гра­фом поста­вил сло­ва К.А. Тими­ря­зе­ва:“Рас­ти­тель­ная клет­чат­ка — сталь буду­ще­го”. Это буду­щее уже ста­ло нашим насто­я­щим. Из ком­по­зи­ци­он­ных мате­ри­а­лов на осно­ве рас­ти­тель­ных воло­кон стро­ят мосты и дома, изго­тав­ли­ва­ют дета­ли для авто­мо­би­лей и само­ле­тов. Даже в кос­ми­че­ских аппа­ра­тах мож­но най­ти дета­ли из ком­по­зи­тов на осно­ве клетчатки! 

После 17‑и веков руч­но­го спо­со­ба про­из­вод­ства бума­ги, в XVIII веке нача­лась эпо­ха машин­но­го про­из­вод­ства. Бла­го­да­ря энер­гич­но­му фран­цу­зу Нико­ла­су Луи Робе­ру (Nicolas Louis Robert), кото­рый изоб­рел бума­го­де­ла­тель­ную маши­ну. В то вре­мя Робер рабо­тал в боль­шой типо­гра­фии, при­над­ле­жа­щей изда­тель­ско­му дому Дидо (Didot). Ока­зав­шись на бумаж­ной мель­ни­це, при­над­ле­жав­шей семей­ству Дидо в Эссоне, мисье Робер обра­тил вни­ма­ние на мно­го­крат­но повто­ря­ю­щи­е­ся опе­ра­ции, кото­рые выпол­ня­ли бумаж­ни­ки. Каж­дый лист бума­ги отли­вал­ся вруч­ную на тяже­лом сите. Каза­лось, эти дей­ствия мож­но авто­ма­ти­зи­ро­вать. В то вре­мя, конеч­но, тако­го сло­ва не было в лек­си­коне, но это не поме­ша­ло при­ду­мать маши­ну, облег­ча­ю­щую рабо­ту бумаж­ни­ков. Зару­чив­шись финан­со­вой под­держ­кой пра­ви­тель­ства Фран­ции, 18 янва­ря 1799 года Робер полу­чил патент на маши­ну по про­из­вод­ству бума­ги. Она поз­во­ля­ла изго­тав­ли­вать бума­гу в виде непре­рыв­но­го полот­на, нама­ты­вав­ше­го­ся в рулон. 

Спрос на бума­гу рос. Про­из­во­ди­те­ли бума­ги ста­ра­лись его удо­вле­тво­рить. Одним из спо­со­бов уве­ли­че­ния про­из­вод­ства бума­ги ста­ло повы­ше­ние ско­ро­сти бума­го­де­ла­тель­ных машин. Если пер­вая маши­на Робе­ра была лишь чуть быст­рее, чем руч­ной отлив бума­ги, то совре­мен­ные маши­ны про­из­во­дят 1000 и более мет­ров бумаж­но­го полот­на в мину­ту. Шири­на совре­мен­ной бума­го­де­ла­тель­ной маши­ны так же вырос­ла. Пер­вая бум­ма­ши­на дела­ла бума­гу шири­ной 64 см, а совре­мен­ная 10 или даже 12 метров.

Дли­на совре­мен­ных машин пре­вы­ша­ет 150 м. В час они про­из­во­дят вагон бума­ги — око­ло 50 тонн. Обслу­жи­ва­ют такие маши­ны мно­го­чис­лен­ные служ­бы: меха­ни­ки, элек­три­ки, спе­ци­а­ли­сты IT и авто­ма­ти­ки. Кро­ме этих спе­ци­а­ли­стов на обес­пе­че­ние маши­ны рабо­та­ет целый тех­но­ло­ги­че­ский ком­плекс: под­го­тов­ка хими­ка­тов, бумаж­ной мас­сы, водо­под­го­тов­ка, цеха отдел­ки и обработки.

Пред­став­ля­е­те, сколь­ко сто­ит такое про­из­вод­ство?! Сколь­ко уси­лий и денег нуж­но на элек­тро­энер­гию, на воду, на очист­ку сто­ков и выбро­сов в атмо­сфе­ру. Мил­ли­о­ны и сот­ни мил­ли­о­нов долларов!

Про­фес­си­о­наль­ные бумаж­ни­ки пони­ма­ют, что уже нель­зя уве­ли­чи­вать про­из­вод­ство бума­ги тра­ди­ци­он­ным спо­со­бом. Послед­ние два века его исчер­па­ли! Нель­зя про­сто стро­ить еще большие маши­ны. Нель­зя про­сто уве­ли­чи­вать их ско­рость. Кажет­ся, что достиг­нут пре­дел тех­но­ло­ги­че­ских воз­мож­но­стей по ско­ро­сти дви­же­ния бумаж­но­го полот­на в воз­душ­ной сре­де. Нель­зя уда­лять воду еще быст­рее и эффек­тив­нее, не нару­шая струк­ту­ру и свой­ства буду­щей бума­ги. А эко­ло­гия? Невоз­мож­но игно­ри­ро­вать нега­тив­ное эко­ло­ги­че­ское воз­дей­ствие про­из­вод­ства бума­ги. При­шло вре­мя пере­осмыс­ле­ния и поис­ка новых путей раз­ви­тия бумаж­ной промышленности! 

Есть ли будущее у целлюлозно-бумажной промышленности

Я уве­рен, что у цел­лю­лоз­но-бумаж­ной про­мыш­лен­но­сти есть буду­щее! Сама при­ро­да созда­ла рас­ти­тель­ные волок­на мак­си­маль­но при­год­ны­ми для исполь­зо­ва­ния в самых неве­ро­ят­ных обла­стях чело­ве­че­ской деятельности.

• Воз­об­нов­ля­е­мость рас­ти­тель­ных воло­кон. Когда сырье явля­ет­ся воз­об­нов­ля­е­мым, слож­но не верить в буду­щее про­из­вод­ства. Конеч­но, при усло­вии разум­но­го исполь­зо­ва­ния и долж­ных уси­лий по вос­ста­нов­ле­нию сырье­вой базы.
• Реге­не­ри­ру­е­мость про­дук­ции. Боль­шин­ство про­из­ве­ден­ных про­дук­тов и изде­лий может быть пере­ра­бо­та­но и повтор­но исполь­зо­ва­но в производстве.
• Ути­ли­зи­ру­е­мость про­дук­ции. Мож­но с уве­рен­но­стью утвер­ждать, что боль­шая часть про­дук­тов, про­из­ве­ден­ных из рас­ти­тель­ных воло­кон, доста­точ­но лег­ко ути­ли­зи­ру­ет­ся. Самый удач­ный при­мер — био­раз­ло­же­ние, кото­рое не нано­сит вре­да окру­жа­ю­щей сре­де (или этот вред ста­ти­сти­че­ски незначим).
• Высо­кая меха­ни­че­ская проч­ность. Рас­ти­тель­ные волок­на соче­та­ют в себе высо­кую проч­ность и целый набор уни­каль­ных харак­те­ри­стик и качеств, кото­рые мож­но полу­чить в про­цес­се их обра­бот­ки. Неболь­шое дока­за­тель­ство этих слов: при рас­тя­же­нии цел­лю­ло­за выдер­жи­ва­ет удель­ную нагруз­ку до 520 МПа, чугун — до 314 МПа, а неко­то­рые мар­ки ста­ли — 490‑1961 МПа.

Так где же нахо­дят­ся те точ­ки роста, бла­го­да­ря кото­рым цел­лю­лоз­но-бумаж­ная про­мыш­лен­ность смо­жет раз­ви­вать­ся в буду­щем? Мне кажет­ся, что в первую оче­редь нуж­но решить две насущ­ные проблемы:

• охра­на окру­жа­ю­щей сре­ды (об эко­ло­гии бумаж­но­го про­из­вод­ства здесь)
• раз­ра­бот­ка новых уни­каль­ных видов продукции

Но ни одна, ни вто­рая про­бле­мы не реша­ет­ся внут­ри одной отрас­ли. Уж боль­но мас­штаб­ные изме­не­ния нуж­но сде­лать и слож­ные зада­чи решить! Реше­ние нуж­но искать в синер­гии раз­лич­ных отрас­лей чело­ве­че­ской дея­тель­но­сти с цел­лю­лоз­но-бумаж­ной про­мыш­лен­но­стью. Объ­еди­не­ние уси­лий с хими­ка­ми, стро­и­те­ля­ми и авто­мо­би­ле­стро­и­те­ля­ми, меди­ка­ми и спе­ци­а­ли­стов дру­гих отрас­лей поз­во­лит добить­ся поло­жи­тель­ных результатов.

Огром­ный вопрос, воз­мож­но ли подоб­ное сотруд­ни­че­ство без содей­ствия вла­сти. Пожа­луй, как и три века назад, во вре­ме­на изоб­ре­те­ния пер­вой бума­го­де­ла­тель­ной маши­ны, нуж­на под­держ­ка госу­дар­ства. Кон­со­ли­да­ция уси­лий и выра­бот­ка еди­но­го век­то­ра раз­ви­тия ЦБП в целом.

До недав­не­го вре­ме­ни локо­мо­ти­вом раз­ви­тия про­из­вод­ства бума­ги был рост спро­са на нее. Бума­га была един­ствен­ным мас­со­вым носи­те­лем инфор­ма­ции. Но сего­дня ситу­а­ция меня­ет­ся. Появ­ля­ют­ся все новые сфе­ры исполь­зо­ва­ния кар­то­на, бума­ги и ком­по­зит­ных мате­ри­а­лов на их основе. 

Направления развития производства целлюлозы и бумаги

Евро­пей­ское про­фес­си­о­наль­ное сооб­ще­ство бумаж­ни­ков под эги­дой СEPI (Кон­фе­де­ра­ции Евро­пей­ской бумаж­ной инду­стрии) в 2014 году опре­де­ли­ло инно­ва­ци­он­ную кон­цеп­цию раз­ви­тия ЦБП.

Какая же цель сто­ит перед бумаж­ни­ка­ми и цел­лю­лоз­ни­ка­ми Евро­пей­ско­го Сою­за? Все пре­дель­но просто: 

• сокра­тить выбро­сы CO2 в атмо­сфе­ру на 80% до 2050 года
• уве­ли­чить доход­ность на 50%

Ниче­го себе, задач­ка! Мож­но ли достичь постав­лен­ных целей и каким способом?

Одним из пред­ла­га­е­мых CEPI тех­но­ло­ги­че­ских реше­ний явля­ет­ся вне­се­ние изме­не­ний в про­цесс про­из­вод­ства цел­лю­ло­зы. Пере­ход на исполь­зо­ва­ние “глу­бо­ких эвтек­ти­че­ских рас­тво­ри­те­лей”.

Изменения в производстве целлюлозы

Сей­час, для полу­че­ния цел­лю­ло­зы, исполь­зу­ет­ся сле­ду­ю­щий тех­но­ло­ги­че­ский про­цесс. Под­го­тов­лен­ная дре­ве­си­на варит­ся в очень горя­чей воде и под высо­ким дав­ле­ни­ем. Такое агрес­сив­ное воз­дей­ствие рас­тво­ря­ет в дре­вес­ной щепе и опил­ках все ком­по­нен­ты, кро­ме цел­лю­ло­зы. После это­го сле­ду­ет про­цесс про­мыв­ки, уда­ля­ю­щий рас­тво­рен­ные ком­по­нен­ты дре­ве­си­ны. Полу­чив­ша­я­ся цел­лю­ло­за высу­ши­ва­ет­ся. А даль­ше, для про­из­вод­ства бума­ги, цел­лю­ло­за сно­ва раз­бав­ля­ет­ся водой. Что­бы сде­лать 1 кило­грамм бума­ги, нуж­но затра­тить свы­ше 200 лит­ров воды для про­из­вод­ства бумаж­ной мас­сы. И после это­го воду сно­ва нуж­но уда­лить из бумаж­ной мас­сы, затра­тив нема­лое коли­че­ство элек­три­че­ской и паро­вой энергии.

Нова­тор­ская тех­но­ло­гия, поз­во­ля­ю­щая выде­лять цел­лю­ло­зу из дре­ве­си­ны при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах и атмо­сфер­ном дав­ле­нии, при мини­маль­ных рас­хо­дах воды- это и есть тех­но­ло­гия с исполь­зо­ва­ни­ем глу­бо­ких эвтек­ти­че­ских рас­тво­ри­те­лей (DES-deep eutectic solvents). Суть её состо­ит в рас­тво­ре­нии отдель­ных ком­по­нен­тов дре­вес­но­го сырья с помо­щью най­ден­ных совсем недав­но (в 2003 году, в Вели­ко­бри­та­нии) рас­тво­ри­те­лей рас­ти­тель­но­го про­ис­хож­де­ния. Это поз­во­ля­ет отде­лить цел­лю­ло­зу и дру­гие ком­по­нен­ты дре­ве­си­ны: геми­цел­лю­ло­зы и лиг­нин с мини­маль­ны­ми энер­ге­ти­че­ски­ми затра­та­ми, выбро­са­ми и отхо­да­ми. DES состо­ит из сме­си двух соеди­не­ний, кото­рые в сме­си име­ют гораз­до более низ­кую тем­пе­ра­ту­ру плав­ле­ния, чем отдель­ные компоненты. 

Выде­ле­ни­ем ком­по­нен­тов дре­ве­си­ны с помо­щью DES зани­ма­ет­ся про­фес­сор тех­ни­че­ско­го уни­вер­си­те­та Эйн­д­хо­ве­на (Нидер­лан­ды) Маа­ки Кро­он (Maaike Kroon). Эта тех­но­ло­гия поз­во­лит полу­чать цел­лю­ло­зу, лиг­нин, геми­цел­лю­ло­зы из любо­го рас­ти­тель­но­го сырья. При­чем, в каче­стве сырья могут высту­пать и отхо­ды, в том чис­ле и сель­ско­хо­зяй­ствен­ные или маку­ла­ту­ра. Сего­дня тех­но­ло­гия про­хо­дит лабо­ра­тор­ный уро­вень. Про­во­дят­ся допол­ни­тель­ные иссле­до­ва­ния. В про­мыш­лен­но­сти новая тех­но­ло­гия про­из­вод­ства цел­лю­ло­зы может появить­ся через 15 лет.

В буду­щем появит­ся воз­мож­ность стро­ить неболь­шие цел­лю­лоз­ные фаб­ри­ки, мощ­но­стью 40–60 тысяч тонн. Такие фаб­ри­ки будут рази­тель­но дешев­ле, чем суще­ству­ю­щие. Себе­сто­и­мость цел­лю­ло­зы так же будет снижаться. 

Мож­но сме­ло ска­зать, что пере­ра­бот­ка био­ло­ги­че­ских про­дук­тов — это горя­чая тема не толь­ко для бумаж­ни­ков. Ею зани­ма­ют­ся и в хими­че­ской, топ­лив­ной, пище­вой про­мыш­лен­но­стях. Наде­юсь, что спе­ци­а­ли­сты цел­лю­лоз­но-бумаж­ной отрас­ли про­явят долж­ное рве­ние в этих иссле­до­ва­ни­ях. В про­тив­ном слу­чае, мы рис­ку­ем очень силь­но испор­тить пер­спек­ти­вы раз­ви­тия ЦБП.

При­знать­ся, я не знаю, как в Рос­сии обсто­ят дела с иссле­до­ва­ни­я­ми в обла­сти пере­ра­бот­ки дре­ве­си­ны. Хочет­ся наде­ят­ся, что есть про­ек­ты, кото­рые при­ве­дут к появ­ле­нию новых тех­но­ло­гий. Если вы зна­е­те кон­крет­ные при­ме­ры, пиши­те в комментариях!

Новые способы формования

Новые спо­со­бы фор­мо­ва­ния долж­ны реа­ли­зо­вать прин­цип отка­за от рабо­ты с раз­бав­лен­ны­ми вод­ны­ми сус­пен­зи­я­ми. Наи­бо­лее пер­спек­тив­ные спо­со­бы — это фор­мо­ва­ние в без­вод­ной сре­де или с мини­маль­ным рас­хо­дом воды. Прой­дет какое-то вре­мя и тер­мит “отлив” забу­дет­ся, пото­му что не будет суще­ство­вать тако­го тех­но­ло­ги­че­ско­го про­цес­са в про­из­вод­стве бума­ги. Не будет отли­ва — появит­ся воз­мож­ность ради­каль­но­го сокра­ще­ния рас­хо­да воды в ходе изго­тов­ле­ния бумаги.

Сто­ит отме­тить, что в пер­вой поло­вине XX века, в Совет­ском сою­зе, были изоб­ре­те­ны два спо­со­ба сухо­го фор­мо­ва­ния бума­ги в воз­душ­ной сре­де (Ива­нов С. Н. “Тех­но­ло­гия бума­ги”):

• Метод начё­са при помо­щи кар­до­че­саль­ных машин (изоб­ре­тен в 1931 году)
• Метод оса­жде­ния дис­пер­ги­ро­ван­ных в воз­ду­хе воло­кон на сет­ке (1941 год)

В резуль­та­те этих мето­дов полу­ча­ет­ся тка­не­по­доб­ный мате­ри­ал из воло­кон уве­ли­чен­ной дли­ны. В каче­стве сырья исполь­зу­ют­ся раз­но­об­раз­ное сырье: от хлоп­ка до асбе­ста и стек­лян­ных воло­кон, син­те­ти­че­ские и искус­ствен­ные волок­на. Для свя­зы­ва­ния воло­кон тре­бу­ет­ся ста­дия про­пит­ки свя­зу­ю­щи­ми веще­ства­ми и суш­ка. Основ­ной про­бле­мой из-за кото­рой эти мето­ды не нашли сво­е­го мас­со­во­го при­ме­не­ния в про­мыш­лен­но­сти — ско­рость про­из­вод­ства. Воз­мож­но, совре­мен­ные тех­но­ло­гии спо­соб­ны решить эту проблему.

Еще в 2014 году, на фору­ме в рам­ках Zellcheming-EXPO обсуж­да­лись сле­ду­ю­щие воз­мож­ные спо­со­бы формования:

• Фор­мо­ва­ние из высо­ко­кон­цен­три­ро­ван­ной и вяз­кой сус­пен­зии с исполь­зо­ва­ни­ем её прес­со­ва­ния до сухо­сти 80%. Сус­пен­зия может слу­жить одно­вре­мен­но для созда­ния обо­лоч­ки измель­чён­но­го волок­на и при­да­ния полот­ну необ­хо­ди­мых свойств. Сего­дня уже реа­ли­зо­ва­ны, к при­ме­ру, спо­со­бы пен­но­го фор­мо­ва­ния на сеточ­ном сто­ле бум­ма­ши­ны из мас­сы повы­шен­ной кон­цен­тра­ции (до 4%)
• Пер­спек­тив­ным направ­ле­ни­ем фор­мо­ва­ния явля­ет­ся исполь­зо­ва­ние вме­сто воды, так назы­ва­е­мо­го “сверх­кри­ти­че­ско­го СО2”. Мож­но ска­зать, что это “ни газ — ни жид­кость”. Сверх­кри­ти­че­ский СО2 исполь­зу­ет­ся для суш­ки цве­тов, ово­щей и фрук­тов, при выде­ле­нии рас­ти­тель­ных масел и спе­ций. Гово­рят, что им сушат тек­стиль. Исполь­зо­ва­ние сверх­кри­ти­че­ско­го СО2 поз­во­ля­ет уда­лять и загряз­не­ния из цел­лю­ло­зы или бумаж­ной мас­сы, такие как воск, лип­кие веще­ства, что важ­но при пере­ра­бот­ке маку­ла­ту­ры и низ­ко­ка­че­ствен­но­го сырья.

• Сре­дой ско­рост­но­го фор­мо­ва­ния и все­го про­цес­са про­из­вод­ства бума­ги может стать пере­гре­тый пар. Исклю­чив воз­душ­ную сре­ду из зоны про­из­вод­ства бума­ги, после­до­ва­тель­но изме­няя сушиль­ную (вклю­чая обо­ру­до­ва­ние для поверх­ност­ной про­клей­ки и мело­ва­ния), прес­со­вую часть, затем фор­мо­ва­ние, мож­но достиг­нуть зна­чи­тель­ной эко­но­мии энер­гии. В сот­ни раз сокра­тит­ся рас­ход воды.

Эти тех­но­ло­гии потре­бу­ют раз­ра­бот­ки спе­ци­аль­но­го обо­ру­до­ва­ния, напри­мер, авто­кла­вов. А из-за высо­ких тем­пе­ра­тур и агрес­сив­ных сред при­дет­ся раз­ра­бо­тать и робо­тов, кото­рые заме­нят человека. 

Поиск новых свойств бумаги

Необ­хо­ди­мо научить­ся про­да­вать потре­би­те­лю «не вес, а свой­ства» бума­ги и кар­то­на. Сохра­няя и улуч­шая харак­те­ри­сти­ки изде­лий, нуж­но стре­мить­ся к сни­же­нию финаль­но­го веса и, как след­ствие, к умень­ше­нию рас­хо­да сырья. Сде­лать это мож­но лишь путем поис­ка новых тех­но­ло­гий управ­ле­ния соста­вом и струк­ту­рой бумаги.

Обо­ру­до­ва­ние будет посто­ян­но улуч­шать­ся и совер­шен­ство­вать­ся вслед за появ­ле­ни­ем новых тех­но­ло­гий. Нау­ка о мате­ри­а­лах, пере­до­вые тех­но­ло­гии в рабо­те с био­мас­сой так же будут вли­ять на ско­рость и каче­ство раз­ра­бот­ки новых мате­ри­а­лов. Все это при­ве­дет к появ­ле­нию новых мате­ри­а­лов и спо­со­бов про­из­вод­ства суще­ству­ю­щих. При­дет вре­мя, когда мож­но будет полу­чать совер­шен­но неве­ро­ят­ные ком­би­на­ции свойств и харак­те­ри­стик у про­дук­тов на осно­ве бума­ги и картона. 

Потен­ци­аль­но буду­щее мате­ри­а­лов на осно­ве цел­лю­ло­зы, бума­ги, кар­то­на мно­го раз­но­об­раз­нее, чем заме­на бума­го­де­ла­тель­ной маши­ны. Оно в полу­че­нии новых мате­ри­а­лов, обла­да­ю­щий свой­ства­ми, о кото­рых мы не подозревали.