Малотоннажные заводы химико-термомеханической массы для бумаги и картона

Текст: Иван Ковернинский, доктор технических наук, профессор, академик Российской академии естественных наук. Кирилл Прокопенко, ассистент ООО «Промышленный парк «Уссурийский», научный консультант по целлюлозно-бумажному производству.

К 2030 году производство целлюлозы в России должно увеличиться на 12,5 млн тонн, тарного картона — на 0,6 млн тонн, санитарно-гигиенических изделий на 0,6 млн, писчепечатной бумаги на 0,2 млн тонн.

Дополнительно поставлена задача экспортировать 10,6 млн тонн целлюлозы в год.

Это не фантастика — такую планку установило правительство в Стратегии развития лесного комплекса (далее — Стратегия).

 Насколько реалистичны такие планы?

Судите сами: по факту, в 2018 году в России произведено 8,6 млн тонн целлюлозы.

За 11 лет планируется более чем в два раза увеличить существующие объёмы, сформированные за всю историю развития целлюлозно-бумажной промышленности СССР и России.

Для постройки одного целлюлозного завода мощностью 1 млн тонн в год требуется не менее 2 млрд долларов США, 7–10 лет и 5 млн м³ плотной древесины. Нетрудно подсчитать, что по Стратегии потребуется 12–13 заводов. Очевидно, план Правительства страны вполне реалистичен, только где-нибудь к концу столетия.

В то же время цель и задачи поставлены правильные. Рациональное использование древесины в настоящем и будущем — неисчерпаемая материальная база для пополнения казны и улучшения жизни работников лесной промышленности.

Если оценить объёмы древесины, предусмотренные к заготовке по Стратегии (балансов 55 млн м³ — это 40 млн пл. м³, 34 млн м³ пиловочника, из которых пригодных отходов 10 млн пл. м³), то этих ресурсов достаточно для производства одного из видов волокна: целлюлозы — 10 млн т. (50 млн пл. м³ / 5 пл. м³) или химико-термомеханической массы (ХТММ), также ценного первичного волокна для бумаги и картона — 17 млн т (50 млн пл. м³ / 3 пл. м³).

Отрицательный баланс?

Балансы и отходы относятся к побочному продукту, неизбежно сопровождающему заготовку и переработку пиловочника. Продукту «проблемному», поскольку рентабельность, и законодательство требуют его обязательной утилизации, а это либо продажа балансов и технологической щепы, либо создание собственных производств переработки в топливо (пеллеты, брикеты или другие подобные способы). Большинство предприятий, особенно в лесоизбыточных регионах Сибири и Дальнего Востока, такими возможностями не располагают.

Если ежегодный прирост балансов и отходов — примерно 5 млн пл. м³, то к 2030 году он будет составлять 50 млн пл. м³, которые с лёгкостью переработал бы один новый целлюлозный завод. Практически не решаемая проблема в том, что эти 5 млн м³ сырья образовываются не в регионе лесосырьевой базы завода, а рассредоточены по регионам России большими или меньшими долями. Вывод такой: постройка целлюлозного завода мощностью полмиллиона-миллион тонн волокна в год никак не поможет решить проблему утилизации побочных ресурсов древесины лесозаготовительным и лесоперерабатывающим предприятиям.

Какая альтернатива?

Решить проблему может строительство малотоннажных заводов по переработке балансов и отходов лесопиления в химико-термомеханическую массу для бумаги и картона. Их оснащают технологическими линиями мощностью 20, 50, 100 и 200 тонн волокна в сутки и создают на предприятиях, имеющих достаточно сырья, в расчёте 3 пл. м³ древесины на 1 тонну волокна. Это, соответственно, 60, 150, 300 и 600 пл. м³ в сутки. Или же один такой завод строят на несколько лесопильных производств.

Технология переработки щепы в волокно коренным образом отличается от традиционных способов: осуществляется в многофункциональном двухвинтовом экструдере, поэтому и называется экструзивной.

Инвестиции для постройки малотоннажного завода сопоставимы с созданием основного лесопильного производства: от 1 до 20 млн долларов США ($), и такие инвестиции доступны предприятиям.

Что касается масштабов Стратегии для России, то с экструзивной технологией можно осуществить следующий сценарий развития. Например, построить за 1,2–2,0 года 30 заводов мощностью 200 тонн волокна в сутки каждый, (примерно 2 млн т в год), взамен двух заводов мощностью 1 млн т волокна в год. Это легко сделать на лесопромышленных предприятиях.

Соответственно, затраты на строительство $0,6 млрд против $2 млрд (на строительство двух целлюлозных заводов). В течение 12 лет можно построить заводы, обеспечивающие достижение цели Стратегии — 12,5 млн т волокна в год, и затратить на эту цель $3–4 млрд вместо $12 млрд.

 Экономический расчёт

Образование и накопление балансов и отходов лесопиления «в глубинке» остаётся неразрешимой проблемой, лишающей леспромхозы суммарной высокой доходности от переработки пиловочника в пиломатериалы, балансов и отходов — в целлюлозное волокно.

В подтверждение проведём простые расчёты (по данным одного из предприятий Иркутской области).

Из 1 пл. м³ пиловочника получают 0,5 пл. м³ пиломатериалов. Другая половина — 0,5 пл. м³ — отходы, из них 0,4 пл. м³ в виде технологической щепы пригодны для получения волокна. Чтобы произвести тонну волокна, требуется 3 пл. м³ древесины. Для этого нужно переработать 7,5 пл. м³ леса. Получим 3,75 м³ пиломатериалов с прибылью, например, $50  за м³. Общая прибыль составит $188. Дополнительная прибыль от переработки 3 пл. м³ отходов в 1 тонну волокна при реализации, как и пиловочника, в Китай находится в пределах $150–200. Если отходы продать в виде технологической щепы, например, по 600 рублей за 1 пл. м³, то получим 1800 рублей ($27). Чувствуется разница?

Но это ещё не всё. Остались балансы, которых на тонну волокна требуется тоже 3 пл. м³. Их соотношение к пиловочнику на вырубке очень различно, но возьмём, например, 40%. Тогда на 1 пл. м³ пиловочника 0,7 пл. м³, или 7,5 пл. м³ заготавливаемого пиловочника 5,25 пл. м³ балансов.

Из них можно получить 1,75 тонны волокна и прибыль в пределах $263–350. Таким образом, прибыль от реализации 3,75 м³ пиломатериалов составляет $188, волокна из отходов $150–200 (среднее значение $175), а из балансов $263–350 (среднее значение $307). В сумме по волокну 175 + 307 = $482. В пересчёте на 1 пл. м³ заготовленного пиловочника прибыль, соответственно, от пиломатериалов — 25 $, от волокна — 23 (отходы) + 44 (балансы) = $67. Очевидно, что прибыль от переработки отходов и балансов в волокно превышает прибыль от пиломатериалов в 2,68 раза, а общая прибыль вместо $25 составляет $92.

Цена пеллет, например, у производителя примерно 128–130 евро за тонну, на которую расходуется 2,4–2,7 пл. м³ древесины (сопоставимо с расходом на 1 тонну волокна). Прибыль может быть до 50 евро за тонну, и она близка к прибыли от реализации 1 м³ пиломатериалов. Важно, что это дополнительная прибыль от переработки отходов и баланса. В то же время она существенно уступает прибыли от 1 т волокна — 50 евро против $175.

Технология

Производящаяся по экструзивной технологии химико-термомеханическая масса — волокнистый полуфабрикат для производства бумаги и картона. По своим механическим и оптическим свойствам это широко востребованный вид волокна. Массу производят в небелёном (для тарного картона, в том числе и основы для гофротары) и белёном (для санитарно-гигиенических изделий и писчепечатной бумаги) виде. На рисунке 1 представлены щепа и двухвинтовой экструдер — многофункциональная машина для превращения щепы в целевой продукт — волокно и отходы — лигнин.

Двухвинтовой экструдер представляет собой аппарат с двумя продольно расположенными винтами. Его конструкция выполнена так, что при вращении винтов щепа одновременно подвергается разностороннему воздействию. Это скручивание, трение, многоцикличное сжатие и саморасширение, размягчение и управляемое растворение химического вещества древесины химическими реагентами. Сложное сочетание воздействия этих факторов на увлажнённую щепу по мере её продвижения приводит к расщеплению древесной ткани и постепенной экстракции смол и лигнина.

Экстрагированная часть является отходами, называемыми лигнин, и удаляется из экструдера в концентрированном виде (паста коричневого цвета концентрацией 55–60%). Выход волокнистой костры регулируется соотношением «костра-лигнин» и может быть 85–75%. Очевидно, что лигнина может быть, соответственно, 15–25%.

 1. Достоинства технологии:

а) в зависимости от количества сырья можно создавать высокорентабельные цехи по переработке отходов с градацией производительности 20, 50, 100 и 200 т волокна в сутки;

б) оборудование технологической линии располагается компактно; в зависимости от наличия помещений оборудование может располагаться модульно в сопряжённых помещениях и связываться технологическими линиями;

в) отходы производства: это лигнин (смесь выделяемых из сырья веществ); при переработке древесного сырья — это 15–20%, что составляет 150–200 кг / 1 т сырья;

         г) утилизация отходов: отходы выходят из двухвинтового экструдера в пастообразном (высококонцентрированном) виде, влажностью 50–60%; при этой влажности отходы можно сжигать напрямую в котлах-утилизаторах или теплогенераторах для получения тепла;

д) вредные дурно пахнущие газопылевые выбросы отсутствуют, за исключением дымовых газов котлов или теплогенераторов, паровоздушных выбросов из реакторных бассейнов и сушильного шкафа при применении сушки волокна;

е) требуется малое количество свежей воды — 3–5 м³ / т массы; вода на 100% используется в виде оборотной; свежая вода нужна для компенсации потерь пара, удаляемого в виде паровоздушной смеси из реакторных бассейнов; потребность в воде может обеспечить скважина;

ж) не требуется громоздких и сложных очистных сооружений для очистки воды; необходима локальная очистка оборотной воды при промывке щепы и при обезвоживании массы на ленточном прессе; хозбытовые стоки направляются в действующую канализацию предприятия или города.

2. Удельные расходы, на 1 т массы:

2.1. Древесного сырья в виде щепы — 1200–1250 кг в абсолютно сухом состоянии. Если, например, древесина сосны влажностью 40%, то требуется 3 пл. м³. Сырьё требуется чисто окоренным, без содержания коры (корки), луб допускается 1,0–1,5%.

2.2. Воды технической (чистой) — 3–5 м³.

2.3. Химикаты в пересчёте на сухую массу, кг:

— щёлочь — 50, если производится небелёное волокно;

— щёлочь — 50, перекись водорода — 50, жидкое стекло — 30, ЭДТА натрия (Трилон Б) — 20 кг, если производится белёное волокно;

2.4. Электроэнергия:

— на работу всей технологической линии требуется, кВт/т: 1000 — при собственной подготовке щепы из баланса;

— 750 — при работе на привозной технологической щепе.

2.5. Тепловая энергия для сушки волокна, ГДж (МВт∙ч) — 4 (1,12).

3. Требуемые производственные площади на 100 т/сут.

— для хранения сырья — 4000–5000 м²;

— цех для производства (отапливаемый), м: высота — 8, ширина — 16, длина — 120 м (всего площадь примерно 2000 м²); нужно добавить площадь для теплогенераторов, сушильной машины — 1500 м², склада готовой продукции не менее чем на 1000 т (работа в течение 10 дней); материального склада (запчасти и др. материалы); итого — 5000 м².

Заключение

Экструзивная технология — реальный вариант завода (цеха) для постройки в любом регионе России. Это производство реально повысит рентабельность лесопромышленного предприятия за счёт вовлечения в экологически безопасную переработку низколиквидной древесины с выпуском высоколиквидного волокна для бумаги и картона. Заводы можно строить без привязки к лесопромышленному предприятию, а только к сырью — балансам, водным и энергетическим ресурсам.

Прибыль от переработки отходов и балансов в волокно превышает прибыль от пиломатериалов в 2,68 раза

Химико-термомеханическая масса, изготовленная по экструзивной технологии, представляет собой волокнистый полуфабрикат для производства бумаги и картона.

Инвестиции для строительства малотоннажного завода химико-термомеханической массы сопоставимы с созданием основного лесопильного производства: от 1 до 20 млн долларов США.