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我国制浆造纸设备制造业的进步及面临的任务
一、概述
  改革开放以来,我国纸业大致经历了20年左右的战略调整期;从上世纪末至令,进人产业结构优化和快速增长期:在原料、技术、企业规模等产业结构方面产生了巨大的变化, 开创了我国纸业从“小、土、脏””的扭曲状状态向现代纸业发展道路的转变。以1998年实行的新统计口径为准,在1998~2004年期间,纸和纸板的产量年均增长率为15.15%,而此前20年其增长率约为10%;2004年前10名造纸企业按产量和销售收人的集中度分别为18.38%和21.85%,而1998年这两项指标均在8%以下;目前,已有一批拥有世界先进技术装备水平的企业,且行业技术更新速率有加速的趋势;在国家政策支持下,林纸一体化和可持续发展将成为我国纸业发展的主流。我国纸和纸板的产量、消费量均已成为世界第二纸业大国,正开始走上一条快速、可持续和现代化的发展道路。
  现代制浆造纸设备制造业属于技术较密集的大型装备制造业,是为我国纸业提供技术装备的产业。与上述我国纸业发展阶段相对应,也大致经历了约20年的战略调整期:基本由政府主导,沿着“引进技术,消化、吸收、国产化”这条主线追赶,尽管取得不少成果,但技术和产品与世界先进水平的差距并没有缩小多少。体现在进口设备越来越占主导地位,产品仍只能销往中小制浆造纸厂。但在此期间,产业孕育着市场的巨大潜能,制度变迁正推动 着技术进步的加速。
  从上世纪末至今,为适应我国纸业产业结构化和快速增长期的巨大市场需求,制浆造纸设备制造业以很高的速度增长并有了跨越式的技术进步。仍按1998~2004年该行业的国家统计数据:工业总产值(不变价)年均增长15.1%,出口交货值年均增长39.2%,利润总额年均增长28.6%,总产值劳动生产率年均增长15.7%。一些产品的技术水平正向国际先进水平靠近,并以其性能价格比优势为某些大型浆纸企业采用,开始显现其国际竞争力。
  为什么会产生如此大的变化?我们认为如下几点值得深人思考,甚至对我国整个装备制造业有所启示和借鉴。
  首先,正开始走上一条快速、可持续和现代化发展道路的我国纸业,对制浆造纸设备在质和量上提出了更高的要求,激烈的市场竞争永远是产业发展的动力。
  其次,作为装备制造业,由于具有技术密集和劳动密集的双重特征,继劳动密集型为主的消费品制造业之后,按世界产业结构重组和转移的规律,到了显现其比较优势和后发优势的时候,这是我国制浆造纸设备制造业面临的战略机遇期。
第三,作为内生变量的制度变迁起了决定性的作用。从20世纪80年代到90年代,主要在如下两方面的制度变迁为制浆造纸设备制造业的跨越式发展清除了制度性障碍,创造了符合市场经济规律并在全球化背景下增强竞争力的必要条件,也是根本性条件。
其一,是国家对制浆造纸设备制造业管理体制的放权,行业制度环境日渐宽松,逐步走向各类企业间的平等竞争。1980年成立中国轻工业机械总公司,同时挂轻工业部机械局的牌子,是一个政企不分的行政性公司,属下28个轻机厂中有天津、辽阳、西安三大制浆造纸设备制造企业,加上属于上海机电一局的上海造纸机械厂,成为行业的垄断性力量,享受政府首先扶持的特权。1986年开始下放企业,20世纪90年代初虽有反复,但市场化取向的改革潮流已不可阻挡。进人20世纪90年代中后期,在地区竞争日益激烈的推动下,地方政府放松管制,企业纷纷改制,民营企业兴起,上述旧体制已名存实亡,行业发展的制度环境大为改善。
  其二,也是最本质的一方面,是行业产权制度的改革,因为它是经济运行的根本基础。20 世纪80年代基本是国有企业一统天下,20世纪90年代民营化进程加快:1998年,国有企业工业总产值(不变价)占行业总产值的34.04%,出口交货值占15.88%,利润为负值,总产值劳动生产率为行业的56.5%; 2004年,上述对应指标为:<10%,≈ 4%,负值(从1998~2004年利润均为负值),≈ 50%。一批优秀的民营企业(含中外合资企业)成为产业发展和技术进步的主体。
  该行业的技术进步与任务,不仅使我们看到了希望,增强了信心,更重要的是要认清形势,把握产业发展规律,从战略高度研究如何充分发挥比较优势,更快增强我国制浆造纸设备制造业的国际竞争力。
二、我国制浆造纸设备制造业的技术进步
  近10年来,我国制浆造纸设备制造业取得了令人瞩目的技术跨越,现在从事制浆造纸设备制造业的企业大约有500家,产品已发展成为工艺适应性强,技术复杂,品种繁多,机 电、仪、计算机相结合的高新技术配套产品,不少产品已接近甚至达到国际先进水平。
1.日产能400t的废纸制浆成套技术装备和日产能150t的废纸脱墨漂白制浆成套技术装备
  日产能400t的废纸制浆生产线包括棒条式压力筛、纤维分级筛、盘式浓缩机、热分散机等13种设备,采用连续碎解、除杂、热分散及纤维分级处理技术、洗涤与浮选漂白,及PLC控制技术。水电汽消耗都比较低,成浆质量稳定,可分别用于生产优质瓦楞纸、箱纸板、中档文化用纸等。由济宁华一轻机生产的这两项成套设备,均已投人正常运行。
2.年产能7万t以下的非木纤维管式连续蒸煮制浆全套设备
  自我国早年从瑞典Sunds公司引进了100t/d的管式连续蒸煮器生产技术以来,经过多年学习创新,目前天津轻机厂和杭州机电设计研究院已成功研制出年产7万t以下的全套设备,并在十几家草浆厂推广应用。国产管式连续蒸煮器由于其特殊的设计,更适合于麦草、芦苇及蔗渣等非木原料制浆。
3.最大生产能力可达600t/d的具有碎浆和粗筛功能于一体的鼓式碎浆机
  使用该机可简化流程和最大限度地保持纤维物理性能且动力消耗低。
4.中浓纸浆少污染漂白设备
  有我国自主知识产权的中浓纸浆少污染漂白设备主要包括:双升流塔氧脱木素段(0)及过氧化氢漂白段(P)。可吸附有机氯化物(AOX)完全满足国家的AOX排放标准,属于清洁漂白。所有设备均为国内制造,已实现了工程化应用,很适合于年产能15万t以下的制浆厂。
5.鼓式真空洗浆机
  我国目前生产的鼓式真空洗浆机可用于制浆黑液提取和漂后洗涤,质量稳定,其中以大规模平面阀鼓式真空洗浆机为优。
6.新型封闭筛选设备
  是济宁华一轻工机械有限公司近几年来总结20多年生产压力筛经验及消化吸收国际先进技术的基础上开发研制的新设备。该系统主要包括除节机、压力筛、高浓除渣器、液体过滤压力筛等。其压力筛为外流式中浓压力筛,封闭型转子,液体过滤压力筛采用微孔过滤筛鼓,具有创新性和实用性。
7.双盘磨浆机
  通过引进芬兰技术制造的双盘磨浆机DD型系列720、900、1100 3种型号采用压力式微调磨片间隙及特殊冷却系统,可采用恒能耗控制或恒功率控制,是目前国内最先进的双盘磨浆机。
特别值得一提的是有最大生产能力达400t/d的锥形磨浆机系列和盘径达1 320mm的高浓磨浆机系列。
8.压力多圆盘过滤机
  我国生产的压力多圆盘过滤机采用盘式过滤结构,自动刮刀卸料,实施预挂技术,过诊作业在密封正压状态下进行,利用循环热空气产生正压,过滤面积大,占地面积小,生产能力高,可同时完成苛化乳液的过滤及分离出的白泥洗涤的功能。
9.文化纸机和纸板机
  文化纸机的典型产品为幅宽4500mm以内、车速600m/min,泰格林纸集团的国泰机械厂制造的设计车速800m/min的文化纸机近期已投产使用。纸板机的典型产品为幅宽5500mm、设计车速700m/min。
10.超级压光机
  在现代造纸机的关键技术装备中,我国造纸机械制造企业对超级压光机的研制工作是最为成功的。目前已有多家企业能制造优质产品,其中包括幅宽3300mm,车速1000m/min的带2个可控中高辊的超级压光机及双面软压光机为最优。
除上述之外,我国造纸机械制造业还掌握了碱回收系统关键设备、新型环保设备以及采用各种新技术组合的涂布机、分切机、复卷机等。但是,尽管我国制浆造纸设备制造业已取得了很大的进步,但资源与环境的问题,仍然是约束我国造纸工业发展的“瓶颈”。为了高效利用资源特别是水资源,保护生态,减少污染,提高质量,必须继续研发与这一要求相适应的具有自主知识产权的新技术装备,以满足我国造纸工业可持续发展的需要。
三、关于我国制浆造纸设备制造业目前的科技开发工作的讨论
  对上述提到的在技术上已取得重大突破并已接近或达到国际先进水平的产品,要使其系列化或大型化,提高其现代化程度和自动化程度,并达到全在线检测,实现信息化,以满足造纸工业对设备的更高要求。除此之外,对一些重点技术装备,我国制浆造纸设备制造业目前的科技研发任务可从几方面来讨论。
1.节水技术与设备
  造纸工业是用水大户,节水是造纸工业迫在眉睫的关键问题,机械制造业就要研发先进的设备,满足造纸业实施节水技术的需要。
  中浓技术、封闭筛选技术及三大循环回用技术是造纸工业节水关键技术,其中三大循环回用技术为废水循环回用技术、白水循环回用技术及漂白滤液循环回用技术,为了实施这些技术,要提供些设备呢?
(1)实施废水循环回用设备
  由于废纸制浆造纸的废水治理比较容易,大部分废纸制浆造纸厂的排水经过适当处理,即可回用于生产。对于非脱墨的废纸制浆,完全可以实现“零排放”。所谓废水零排放的概念就是:进入制浆造纸系统的清水和原料中水分应等于蒸发汽化的水分、成品中水分、筛渣和污泥中水分三者的总和。我国非脱墨废纸制浆造纸厂要做到这一点,需要进行一些工艺改革及具有严格的废水处理系统。通过对国内外已实行零排放的废纸(非脱墨)制浆造纸厂的了解,可以认为,目前的国产设备包括环保设备能满足要求。
  与废纸(非脱墨)制浆造纸相比,废纸脱墨制浆造纸的废水处理和要做到零排放就复杂和困难得多。为了确保在浮选和洗涤筛选阶段能有效地脱墨,需要在脱墨过程加入大量各种化学品,其中存在对废水循环回用有害的化学品,特别是含钠化学品,如废水部分循环回用,将会由于累积浓度增大而对设备产生高度腐蚀作用。除了工艺技术研究(如何减少或消除制浆过程中钠离子的产生)外,必须研发耐腐蚀的相关设备。
  废纸脱墨制浆造纸要做到废水封闭循环回用,就要对废水进行非常严格的处理,除采用物化一生化二级处理外,还要进行过滤(包括微过滤)和反向渗透等处理。尽管目前我国的废纸脱墨制浆造纸厂还不能实施零排放,但这肯定是个方向,随着水资源的紧张,实现零排放只是时间问题。因此,要研发适用于脱墨制浆的微过滤设备、反向渗透设备等相关设备。
基于化学浆及化机浆制浆工艺的复杂性,全面实行废水封闭回用目前还有一定难度。较为可行的是,首先实行纸机白水循环回用技术。
(2)白水循环回用装备
  对于造纸机网案的浓白水及伏辊脱出的浓白水,一般不经任何处理就直接回到制浆系统用于纸浆的稀释和浓度调节,对于真空吸水箱、真空伏辊脱出白水及洗网水、水针水、压榨废水等一般要经过处理可部分作为生产用水,并回收纤维。
白水循环回用使用的设备有过滤式、沉降式及气浮式等几类,尽管我国造纸机械制造业已在多圆盘过滤机有些突破,但还需要进一步研发这些设备,特别是高效气浮槽、高效絮凝沉淀机、超微过滤机,加上多圆盘过滤机,并要系列化、大型化。
(3)漂白滤液循环回用设备
  实施漂白滤液循环回用技术主要依靠先进的工艺设计,国产洗浆设备特别是鼓式真空洗浆机已能满足实施这一技术的需要。
关于中浓技术,正如余贻骥先生所说:“中浓技术的巨大节水、节能效益是值得造纸工业进一步发展的”。中浓技术的目标是将制浆造纸主要工艺过程式在8%~15%浆浓,特别是在10%以上浆浓条件下进行,迄今已在制浆方面基本解决了中浓输送、中浓混合、中浓贮存、中浓氧脱木素及中浓漂白。而在抄纸方面,为了保证其工艺条件,至今还难以实现中浓技术。
考虑到我国造纸企业的实际规模,国产中浓设备基本上是可以满足中浓技术的推广与应用的,今后的研发工作应着重在两个方面:①制浆厂的规模效益越来越明显,对于大型制浆厂,中浓二氧化氯漂白显示出极大的优越性,但在我国制浆造纸工业中,工程应用的二氧化氯发生器及其相关设备还未见有国产设备;②已研制的中浓浆泵、中浓混合器、升流式中浓氧脱木素塔、升-降流式中浓过氧化氢漂白塔等装备的DCS控制以及设备的大型化、系列化研究。
2.清洁生产技术与设备
(1)化学法制浆漂白技术与设备
  在常规的制浆漂白工艺路线中,为了实现清洁生产,造纸业的重点是研发节能高效的蒸煮新技术、高浓高效的碱回收技术及降低化学制浆漂白废水中毒性强的可吸附有机氯化物(AOX)产生量的新技术。为此就必须研发出相应的设备以满足造纸企业实施这些新技术的需要。这一点很多专家以及作者已多次论述过,读者可阅读顾明达先生在全国造纸行业节约 用水与污水治理研讨会上的报告。
  这里要讨论的是:上述传统工艺技术中,由于蒸煮产生的黑液需要提取、蒸发、浓缩、碱回收,漂白采用氧脱木素及多段漂白,从而工艺复杂,流程过长,投资太大,让中小企业望而生畏。沿着这一技术路线走下去,为了减少污染,提高质量,工艺过程住住更加复杂,投资与操作成本反而增加。
  这里作者提出一个重要的讨论题:是否可以打破常规的技术路线,实行无污染、无黑液的植物资源组分分离方法,实现氧脱木素与多段漂白结合的单段漂白方法。如果上述想法能实现,试想:制浆过程不需要黑液提取、黑液浓缩及碱回收,不需要多段漂白,就可以节省大量投资,大幅度减少水耗和能耗,降低污染程度,并简化流程,真正实现节约型的清洁生产。
根据国内外目前的研究状况,上述的想法似乎已得到实验室工艺小试的证实。据说有的研究单位已声称取得中试成功。但不管怎样,要取得工程上的真正成功,必须要研制出专用的化学品(包含表面活性剂等)及相应的设备。没有专用化学品及设备的配合,要成功地应用于工程实际是不可能的。
  在制浆设备方面,初步认为,需要研发出如下装备:压力预处理塔(加助剂)、无碱常压蒸煮器(用无毒无害有机溶剂或其他助剂)、压力过滤机(分离出纤维素)、蒸馏塔(蒸出有机溶剂)、二段压力过滤机(分离出木素)。
在漂白设备方面,需要研发出过氧化氢强化漂白塔(加氧及助剂)。
(2)超高得率制浆技术与设备
  超高得率制浆技术与化学法相比,制浆得率高(达到80%以上),只利用较低量化学品,属于高效、低耗的制浆技术。但是由于这一技术的制浆能耗高,制浆废水也必须经过治理才能排放,加上所制得纸浆适用范围受到一定限制,因此,正如余贻骥先生所说的,这一技术的推广应用并不如人们预期的广泛,必须从环境保护、节能(特别是能源紧张时期)及其应用范围各方面进行全面的评估比较。
  在超高得率制浆技术中,漂白化机浆(BCTMP )和碱性过氧化氢化机浆(APMP)较受造纸界的重视。但是,根据我国纸浆业的发展情况,今后非木材原料的APMP或BCTMP技术将会是重点,而且,主要是中等规模的草类原料的APMP或BCTMP制浆会引起重视。
  基于上面的预测,除了重视适用于草浆的双盘磨浆机之外,还要研制适合于草浆制浆生产线的其他关键设备,如:双螺旋脱水机,螺旋挤压机、浸渍反应塔、双网挤浆机等。如果草浆的超高得率制浆技术能有所突破并取得成功,我国的农业废弃物-秸秆(包括麦秆、稻杆、棉花秆、玉米秆等)将得到充分的利用,且对环境不产生大的污染。
我国年产农作物秸秆6亿多t,可利用的有4.8亿t,但真正用于工业原料的才约10% ,还没有全用于造纸,可见这一技术大有发展的前景。这里提出发展中型规模的制浆厂是考虑到农作物秸秆的分布与运输问题。
(3)废纸制浆技术与设备
  废纸制浆技术与设备是一个永恒的课题。但从目前状态看,国内外的废纸非脱墨制浆技术装备已经达到较为完善的程度,不再花过多气力去研发非脱墨制浆技术装备,主要精力是集中在废纸脱墨制浆中的高度净化技术装备的研发,并主要集中研发浮选设备、分离设备、碎解设备、净化设备这4个操作单元的设备。
  对碎解设备,有转筒式、高浓转子式、低浓转子式、连续高浓转子式。目前较先进技术为连续高浓碎浆机及转筒式碎浆机。后者适用于大产能企业,前者适用于中小产能企业。
  分离设备有热分散机和轻重杂质分离机。由于热分散机能耗过大,也有专家建议应尽量少用。
  废纸脱墨制浆过程的最重要设备是浮选槽,这是国内外造纸机械制造业的主攻设备。关键是研制高效的适用于不同印刷油墨的浮选槽,高效表现于单段,不必二段、三段,也表现在脱墨效果好。研制这种脱墨槽需要高效脱墨剂的配合,也需要机械、流体力学、化学工程等学知识的集成。
3.造纸机及其配套设备
  为了提高我国造纸机技术水平,加快大中型造纸机的国产不化进程,国家经贸委近几年为部分造纸机械企业安排了国债支持的技术改造资金,引进部分技术项目,如:单/双压区软压光机、可控中高浮动辊、高湍流水力流浆箱等(幅宽均在5500mm以下,车速1000m/min),以及双辊下引纸复卷机(K<1000型,车速2200m/min)、涂布机(LDTA型,幅宽3400mm,车速800m/min)。
  上述项目的引进,对解决造纸机发展的难题起到了一定的作用,但是,目前我国造纸机制造企业还难以胜任大型造纸企业的需要,幅宽5m以上,车速800 m/min以上均需进口,主要原因在于部分操作部件的技术、技术参数在线检测、纸机状态监测与故障诊断等自动化技术均较为落后所致。为了提高我国造纸机技术水平,能制造高速、高质的大型造纸机,必须研发下列技术装备:
(1) 稀释水控制水力式流浆箱
  稀释水控制水力式流浆箱是生产高档纸、高车速的造纸机最为关键和核心技术之一,具有所生产纸张匀度好,横幅定量差小,适应于高车速等特点。研制这种流浆箱的技术关键是稀释水加入要稳定、可靠,调节灵敏,湍流发生器使纤维分散均匀并流态稳定。为了达到此目的,必须解决稀释水混合调节单元、湍流发生器、CFD和PIV开发手段以及稀释水控制调节系统软件等四大关键技术。
  尽管稀释水控制水力流浆箱的技术开发难度大,为了发展造纸机也要作为重点研发项目。
(2)夹网成形器
  夹网成形装置要保证双网均匀脱水,克服单面脱水的缺点,减小纸页两面差,而且车速越高,脱水越快。夹网成形装置与高速水力流浆箱配合,将形成高速造纸机理想的纸浆流送成形系统。夹网成形要解决合理配置脱水元件与避免空气干扰的技术关键。目前有夹网刮板成形器、夹网辊筒成形器和夹网辊筒—板成形器等几种。
我国造纸机制造企业要把夹网成形器与稀释水控制水力流浆箱一同开发。
(3)幅宽5500mm以上,车速1000m/min以上的超级压光机;
  我国造纸机械制造企业虽然在超级压光机研制中有突破性进展,但幅宽受到限制,不适应于大型高速的现代造纸机。因此,还要研制宽幅、高速的超级压光机。
(4)造纸机状态监测与故障诊断技术装备
  为了保证大型高速造纸机的正常运行,提高系统的稳定性、安全性、可靠性和故障预知性,随着计算机技术的进展,也发展了造纸机状态监测与故障诊断技术装备。
  造纸机状态监测与故障诊断技术,目前多采用单机集中式在线监测与诊断系统和分布式在线监测与诊断系统。单机集中式主要由1台计算机来完成数据的采集、信号处理、特征提取和故障识别。而分布式主要采用多台微机通过传统的计算机通信手段形成一个完整的诊断网络,下位机用于数据采集和信号预处理,上位机负责信号的精密分析和数据管理。数据采集式通过现场安装各类传感器,拾取现场设备运行的工况参数。
  我国造纸机制造业在研发大型高速造纸机的同时,必须同时研发造纸机状态监测与故障诊断系统。

除了上述所讨论的项目之外,制浆造纸设备制造业所要研发的设备还很多,如复卷机、切纸机、卷纸机,幅宽4.8m以上的这三机我国目前还靠引进。限于文章的篇幅,这里就暂不作讨论。




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