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2019年度国家技术发明奖二等奖获得者王双飞

  2020年1月10日,2019年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重举行。由广西大学轻工与食品工程学院王双飞教授作为项目第一完成人的“大型二氧化氯制备系统及纸浆无素氯漂白关键技术及应用”项目荣获国家技术发明奖二等奖。为了与业内同仁共同分享这一获奖项目的研究成果,记者特对王双飞教授进行了专访。

  王双飞教授,中国第十九次全国代表大会代表,现任广西大学轻工与食品工程学院教授、广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室主任、广西一流学科轻工技术与工程学科带头人、享受国务院特殊津贴专家、首批新世纪“百千万人才工程”国家级人选、广西八桂学者,兼任国务院学位委员会学科评议组成员、广西学位委员会委员、广西造纸行业协会荣誉会长、广西发明协会会长、广西环保产业协会副会长。先后荣获教育部骨干教师,全国模范教师、全国“五一”劳动奖章等荣誉称号。

  王双飞教授1995年博士毕业,一直扎根广西,致力于造纸清洁生产与末端治理的基础理论、关键技术及成果产业化方面的研究,在纸浆清洁漂白与废纸制浆废水资源化处理领域取得了一系列重要成果。作为第一完成人,获国家技术发明二等奖和科技进步二等奖各1项,省部级特等奖1项、一等奖5项;在国内外期刊上发表学术论文200多篇,以第一作者或通信作者发表SCI收录论文75篇,主编中文专著2部、译著1部,参编中文专著1部;获授权美国、加拿大等国发明专利8件,中国发明专利34件。

  王教授您好!首先,祝贺您作为第一完成人的项目能够获得国家技术发明奖二等奖。请您介绍一下获奖项目的主要研究背景、核心技术成果及对行业发展带来的重要意义!

  造纸工业是关系民生的重要产业。传统纸浆漂白以氯气和次氯酸盐作为主要漂白剂。漂白过程中,氯离子、次氯酸根离子与纸浆中的木质素等发生氯化反应,生成大量有毒有害的可吸附有机卤化物(AOX),如氯酚、氯苯、二噁英等,具有强致畸、致癌性,生物毒性极大,排放到水体后难以降解,对环境造成极大污染,严重影响人们的身体健康和生活质量。

  解决这一问题的主要途径是采用全无氯(TCF)漂白或采用以二氧化氯为主要漂白剂的无

  素氯(ECF)清洁漂白技术。TCF和ECF漂白均可大幅度降低废水中AOX含量、实现达标排放,但TCF漂白纸浆存在强度较差、白度和得率较低、生产成本高等弊端,而ECF漂白生产成本低、纸浆质量高,可实现环境、经济和社会效益的有效统一。因此,西方发达国家在20世纪末已基本普及ECF漂白;以北美洲为例,21世纪初,其ECF漂白浆产量已占漂白化学浆总量的96%。

  要实现ECF漂白,就必须在纸浆厂实时大规模制备二氧化氯。因此ECF漂白的核心技术在于二氧化氯制备。目前纸浆漂白二氧化氯制备主要有综合法和还原法两种方法。

  ①综合法是将氯酸钠制备、二氧化氯反应和盐酸合成集成在一起的综合性工艺,生产原料主要是氯气和电力;适合于电力供应充足、有氯气供给和其余化学品供给不方便的大中型纸浆厂;其优点在于除氯气外无需外购其余化学品、二氧化氯,生产成本低,劣势则在于建设投资大、建设周期略长。

  ②还原法是外购氯酸钠、硫酸、甲醇、双氧水等生产二氧化氯;适合于化学品供应方便的中小型纸浆厂,其优点是设备投资较小、建设周期短,但生产成本较高。这两种二氧化氯生产方法长期被加拿大和瑞典的三家企业垄断,导致用于纸浆漂白的二氧化氯制备系统投资和运行成本高;此外对纸浆二氧化氯漂白过程中AOX的生成机制及关键因素认识不够深入,对如何高效进行二氧化氯漂白也缺乏系统研究,这些因素都严重阻碍我国造纸行业的清洁化发展,成为我国清洁漂白的“卡脖子”技术。

  本项目历时十多年攻关,攻克了二氧化氯漂白和二氧化氯制备体系核心技术瓶颈,构建了完整的技术体系,实现了纸浆漂白AOX超低排放;形成了完整自主知识产权的同时,打破国外技术垄断,解决了我国纸浆清洁漂白的关键技术难题。主要包括3个方面:

  第一, 对纸浆漂白过程中可吸附有机卤化物(AOX)的形成及抑制机制进行了研究,发明了基于控制AOX生成的多重强化纸浆无

  素氯漂白,大幅节约了漂白化学品,同时显著降低了AOX的产生,实现了纸浆清洁漂白。

  第二,对二氧化氯制备技术进行了系统研究,发明了组合还原剂法和稳定、高效、不产生固形物的综合法两种二氧化氯制备技术,形成了完整的适用于纸浆漂白的实时大规模二氧化氯制备技术体系,可满足不同规模纸浆厂的漂白生产需求;制备出的二氧化氯溶液纯度高,氯气含量低,有利于降低漂白过程中AOX的生成。

  第三,开发了具有完全自主知识产权的大规模二氧化氯制备和纸浆清洁二氧化氯漂白的核心装备系统,实现了产业化推广与应用,取得了显著的经济、社会、环境效益,为推动我国造纸工业的清洁化进程提供了重要的技术支撑。

  其一,尽管我国在20世纪90年代就有部分企业采用了二氧化氯进行漂白,但长期以来,我们对纸浆在二氧化氯漂白过程中的AOX生成机制以及关键因素认识不够深入,尤其是甘蔗渣、竹、速生桉木等我国主要的植物纤维原料中各组分在漂白过程中对AOX生成的影响。而这一问题是控制二氧化氯漂白过程AOX生成、实现高效率漂白的关键。通过多年深入的基础研究,我们发现了二氧化氯溶液中残留氯气与纸浆中木质素、己烯糖醛酸等组分反应形成有机氯化物对漂白废水AOX含量的重要影响。因此我们提出了控制二氧化氯漂白过程AOX生成的两种路径:多重强化的纸浆无

  素氯漂白技术,提高纸浆的可漂性,减少二氧化氯用量,显著降低AOX排放量;同时,开发高纯度的二氧化氯制备技术,严格控制二氧化氯溶液中的氯气含量,减少漂白过程AOX的生成。

  其二,基于上述研究,要实现纸浆ECF漂白并减少AOX的生成,就必须开发出用于纸浆漂白的高纯度二氧化氯制备技术,既要实现产品高纯度、生产高效率,又要确保技术安全和清洁生产。面对这一难题,我们深入研究了二氧化氯生成中氯离子、氯酸根离子等在酸性条件下对氯自由基的诱发作用以及组合还原剂对副产物氯气生成的抑制作用。在此基础上,发明了高效稳定不产生固形物的综合法二氧化氯技术和组合还原剂法二氧化氯制备技术。其中,通过强弱氯酸钠溶液均质调控和气体分离技术,实现了综合法二氧化氯制备中各子系统的同步最优化生产,有效提升了系统的生产效率和产品浓度;通过组合还原剂减少了氯气生成,提高了氯酸钠转化率,显著降低了二氧化氯溶液中氯气含量,并发明了针对副产物酸性芒硝的综合处理技术,实现了副产品的高值资源化利用。

  请您结合项目的研究成果,具体介绍一下项目技术与其他现行技术相比所具有的优势是什么?项目的推广应用情况如何以及带来了哪些环境、经济与社会效益?

  与行业现行其他技术相比,本项目技术是涵盖二氧化氯漂白和二氧化氯制备的全过程技术。

  纸浆漂白技术:通过包括漂前预处理和高温二氧化氯漂白等的多重强化漂白技术,提高了纸浆的可漂性,降低了漂白二氧化氯用量,AOX生成量也明显降低,减少废水污染负荷的同时降低了生产成本。

  综合法二氧化氯制备技术:生产过程中不产生固形物,消除了因产生固形物带来的多种工艺弊端,尤其是实现了氯酸钠电解和二氧化氯生成的同步优化生产,提升了系统效率,二氧化氯溶液中氯气含量显著降低;电解产生的氢气中氧含量也大幅下降,提高了安全冗余,确保安全生产。

  组合还原法二氧化氯制备技术:通过采用组合还原剂,使反应过程中产生的副产品氯气进一步参与二氧化氯生成,提高了氯酸钠转化率、降低了二氧化氯溶液中氯气含量,并实现了副产品酸性芒硝的高值资源化利用,解决了困扰行业多年的酸性芒硝处理的难题。

  本项目技术成果2009年开始产业化推广,第一套装置于2010年建成投产,建设完成了我国首条蔗渣浆ECF漂白生产线,此后该项目技术在国内得到了快速推广;2012年首次实现了我国二氧化氯制备成套技术出口海外。目前本技术市场需求度高,国际市场竞争力强,已在中国、印度尼西亚、印度、越南、加拿大、美国、俄罗斯等国的23家大中型知名造纸企业如金光集团APP纸业、海南金海浆纸、Kuantum Papers Ltd(印度)、泰盛集团、永丰浆纸、宜宾纸业、新亚纸业、贵糖集团、南华糖业集团等推广应用超过30余套;此外还正在积极推进与非洲、欧洲等区域的交流与应用。目前应用的单套二氧化氯制备装置最大产能已达35t/d,可满足年产100万t纸浆漂白企业需求,实现了制浆造纸工业重大技术创新,为促进行业科技进步和产业结构优化升级做出了重大贡献。

  截止到2018年12月31日,应用企业累计生产ECF漂白纸浆约1500万t,与传统氯气漂白相比,AOX排放量减少约3万t,COD的排放量减少约45万t,取得了显著的经济与环境效益,为造纸行业落实国家“水污染防治行动”提供了有力的技术与装备支撑,对改善造纸工业生态环境、使我国由造纸大国转向造纸强国做出了积极的贡献。

  目前,国际上获奖项目相关技术的研究水平大致情况如何?与其相比,您主持的这一项目技术成果处于何种水平?您认为该领域未来的研究重点方向应该是什么?

  国际上对于纸浆清洁漂白的研究以木浆为主,针对清洁漂白技术与二氧化氯制备领域的研究多是分开进行,彼此关联性不强。本项目着眼于二氧化氯清洁漂白中AOX的超低排放,结合我国造纸纤维原料木浆与非木浆并存的实际情况,从AOX生成机理、纤维组分、漂白技术和二氧化氯制备技术等方面系统进行研究,因此系统性强,创新性突出、知识产权体系完整。本项目已获授权专利52件,其中国外发明专利8件,中国发明专利24件,拥有完全自主知识产权,核心系统与装备均已实现国产化,大幅降低了投资成本,且本技术装备设计与制造达到欧美装备制造强国的标准,各经济技术指标达到国际领先水平,因此在国外市场受到了用户的广泛好评,已成为国际上该领域内的主要技术与装备提供者。

  当前造纸行业的集约度正逐步提升、单线产能不断扩大,更加重视生产成本控制,加上环保要求日益严格,这对纸浆清洁漂白与生产都提出了更高的要求。因此在现有研究基础上,除更深入对二氧化氯制备和漂白技术进行研究外,还需注重与其他清洁漂白技术的融合,开发能匹配更大制浆产能的成套装备,并采用计算机技术与智能技术等对生产全过程进行管理,进一步降低纸浆漂白过程化学品和能源消耗、更好实现废水和污染物超低排放,提高行业清洁化生产水平。

  您作为一直奋战在制浆造纸行业科研、产业化应用第一线的一名老兵,您有什么样的心得体会。对于新一代的科研工作者您有什么样的寄语和希望?

  科研要服务于产业,要将基础研究与工程技术开发、行业生产实际紧密结合,建立起“行业提出需求- 高校与研究机构基础研究- 多方合作开发-行业推广应用”这一循环式的科研机制,加速成果的产业化。

  基础研究的课题应该以来源于行业实际生产过程中遇到的关键瓶颈技术难题为主,研究项目也应该围绕着行业和企业的发展需求。首先,拥有丰富基础理论的科研人员要积极联合企业技术人员共同推动关键共性技术难题攻关。其次,技术在产业化过程中,基础研究人员也应深入企业一线,与企业技术人员一起解决产业化过程中遇到的技术难题,加快技术成果的推广,提高技术的市场竞争力。此外,企业要对基础研究团队及时反哺,为基础研究、团队建设、学科发展提供各种支持,促进科研能力和水平的提升。

  造纸产业是记录文明、关系民生的重要产业,不仅有着久远的历史,在新时代条件下更是充满了生机。经过改革开放近40年来、尤其是进入21世纪的近20年发展,造纸行业已成长为资金密集和技术密集型行业,我国也已成为了名副其实的造纸大国,这是全体造纸人包括造纸科研工作者共同努力的结果。但我们也注意到,我国造纸行业的一些共性问题如纤维原料短缺、环境承压大、自主创新能力弱等问题还没有得到很好的解决。作为行业科研工作者,我们更应正视短板,主动担当,脚踏实地做好相关技术研究和推广应用工作,为我国早日实现由“造纸大国”向“造纸强国”的转变贡献我们的力量。

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点击次数:  更新时间:2021-03-16 02:40  作者:利来w66

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