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【同行40年·1993】李忠正:中国秸秆制浆研究第一人|四十年四十人

来源:中华纸业传媒 编辑:秩名 时间:2019-12-05
导读:2019年,中华纸业杂志社策划和组织编排了一期《中华纸业》创刊40周年的纪念特刊。从寻访的许多位40年来杂志同路人中选择了40人,从1979年起,每年邀请一位讲述自己与纸业的从业故事、成果经验、看法建议、感悟体会、未来期望等等。他(她)们是杂志众多作者、
2019年,中华纸业杂志社策划和组织编排了一期《中华纸业》创刊40周年的纪念特刊。从寻访的许多位40年来杂志同路人中选择了40人,从1979年起,每年邀请一位讲述自己与纸业的从业故事、成果经验、看法建议、感悟体会、未来期望等等。他(她)们是杂志众多作者、读者、报道对象和客户伙伴的代表,更是中国造纸工业成长壮大的奋斗者和实践者的代表。希望能用一段段不同的历程,一个个不同的视角,纪念来时路,开启新征程。

【1993年】

李忠正:中国秸秆制浆研究第一人

 
文/本刊记者  李嘉伟  张洪成
提起草浆、提起生物质精炼、提起南京林业大学,行业里第一个想到的一定是李忠正教授。这位从教50多年、桃李满天下的老教授,是我国公认的“秸秆制浆”研究第一人,是我国最早研究生物质精炼的专家之一,如今已经86岁高龄的他,仍然在为行业的发展继续做出贡献。
李忠正教授与《中华纸业》这本杂志有着深厚感情。早在1993年,李忠正教授第一次在《山东造纸》(《中华纸业》前身)发表文章,在当年连续四期连载发表了“麦草碱法脱木质素机理的特性”这篇文章。在之后的20多年里,李教授多次将研究成果发表在《中华纸业》上,适时提出期刊发表的指导性建议;同时,多次受邀参加中华纸业杂志社主办的行业活动,积极为行业的发展献计献策。
2019年2月,为准备本期特刊内容,《中华纸业》记者专程到南京林业大学拜访了李忠正教授,李教授在办公室内为记者讲述了他的“纸业”经历。

1933年生,南京林业大学轻工科学与工程学院学术带头人,博士生导师,国务院学位委员会学科评议组成员,中国林产化学化工学会副理事长,中国造纸学会常务理事,是我国木材化学和制浆造纸工程专家。曾任南京林业大学化学工程学院助教、讲师、副教授、教授;制浆造纸教研室主任、制浆造纸学科组主任、化学工程系(现化工学院)主任;江苏省造纸学会理事长。1997年被国际木材科学院(IAWS)选为院士,1998年获“优秀学术带头人”、1999年获“全国优秀教师”等荣誉称号。共发表论文180余篇,出版译著2部、专著1部、合著4部。

李忠正教授长期从事木材及禾草类纤维原料化学及其在制浆造纸过程中的化学反应、物理化学过程和制浆造纸特性的研究。在国际上首次分离并研究了麦草木素的结构,提出了一整套禾草类纤维原料制浆理论,为禾草类纤维制浆方法和工艺技术的改进与发展提出了理论依据,该研究成果获国家教委科技进步(甲类)三等奖。在他的主持下,开发出“禾草纤维低污染制浆方法及木素综合利用”成果获林业部科技进步二等奖。李忠正教授主持的国家“七五”、“八五”、“九五”重大科技攻关项目专题,首次系统深入研究了我国主要速生纤维用材树种和品系及不同树龄的木材化学组成、化学结构特性、制浆造纸特性等,提出了中国速生树种制浆造纸适应性评价数学模型和计算机软件,为我国专用造纸树种的培育、经营提供了简便的评价体系和预测方法。在李忠正教授的主持下,对我国主要速生木材树种制浆造纸新技术进行了多方面的研究:如深度脱木素技术、复合氧脱木素技术、多段漂白强化技术、生物技术在草类漂白中的应用等关键技术已在我国大中型木浆厂得到推广应用。

 

从零起步,认定秸秆制浆研究方向

1952年,刚刚从北京市高级工业职业学校毕业的李忠正来到北京燕京造纸厂工作,从技术员到车间主任的2年生产实践,使他深感自己文化知识的欠缺,认识到要想实现自己少年时代的理想,必须继续学习。1954年作为调干学生,他进入天津大学化工系习,由于他的勤奋,在1957年11月,被选送为苏联专家日图辛教授所招的6名中国研究生中的一名。研究生毕业后,他留校南京林学院(现南京林业大学)任教。
改革开放以后,作为国家教育部第一批出国留学人员的李忠正,东渡扶桑进入著名的东京大学攻读博士学位,师从国际木材化学专家中野准三教授。这个时期成了他学术生涯的转折点,在日留学期间,他把对木质素结构的研究作为自己的主攻方向,并和日本、美国、加拿大等国的专家学者建立了广泛的科技信息网络联系。
李忠正教授进入大学时的照片

 
李忠正教授与中野准三教授在东京合影
 

李忠正留学归来后,在南京林业大学先后被评为副教授、教授。上世纪80年代初,草类纤维是我国造纸企业主要的原料来源,但是制浆工艺主要参考木浆制造的方法。在李忠正看来,两者应该是有区别的,但是区别在哪里并不清楚,国内外也没有对草浆研究的文献可以参考。1983年,在江苏省课题的支持下,李忠正开始了草类制浆特点的研究。他从草类原料脱木素的过程研究开始,发现草类原料的主要脱木素阶段是在升温至100摄氏度时则有60%-70%的木质素脱除,而木材是在中期。1984年,李忠正在国际上率先提出草浆的快速蒸煮法,减少蒸煮的保温时间,并在实践中取得了成功。

草浆研究的主要进展是在“七五”期间,当时李忠正承担了国家轻工业部主持的国家科技攻关项目,研究草类原料制浆脱木素的机理、木素的化学结构等。通过五年的时间,他领导的团队发现了草类纤维原料与木材在本质上的区别,得出草浆的生产技术不能完全照搬木材,应从草类原料的实际出发,走自主创新之路。在备料、蒸煮、黑液提取、筛选、氧脱木素、漂白全过程建立了一整套符合草类原料制浆特点的技术。在当时,国际上还没有人研究草类制浆,以余贻骥为组长的验收专家组认为,该项目不但是国内领先,也达到了国际领先的水平。李忠正将相关理论成果整理成论文以连载的形式发表在《山东造纸》上编者注:1993年第1期-第4期)。

随着轻工业部项目的结束,李忠正教授及其团队将草浆的研究重心放在了生产应用上,主要解决了草浆生产中黑液的处理难题。他使用“亚硫酸钠-甲醛-蒽醌”(SFP-AQ法)制浆新工艺代替传统的碱法制浆,提高了木素的溶解性,使得蒸煮时间缩短,草浆得率大幅提高,这项研究在江苏新大造纸厂成功应用。后来还做过氧碱制浆,生产线在江苏双灯纸业中试规模连续生产,用于生产卫生纸。该法比碱法节约用碱25%,浆得率高且节能,特别适合稻草制浆,其废液中黄腐酸含量高,特别适于做肥料。

 

高瞻远瞩,草浆应用实现历史性突破

1997年,李忠正教授在当年的《北方造纸》(《中华纸业》的前身)第1期上,发表了署名文章“我国制浆造纸工业现代化的思考”。这篇文章从原料、产品、环保、装备等多个角度对我国制浆造纸工业如何实现现代化发展进行了有理有据的分析。

20年后的今天,回头再看这篇文章,李忠正教授当时提出的观点是非常正确的。例如,他在分析造纸工业面临的纤维原料供应问题时指出:“回收纤维无疑是造纸工业今后纤维的主要来源,废纸利用不但节约木材,而且减少污染。”“21世纪二次纤维资源无疑是造纸原料的主要来源。

李忠正教授(中)与本刊记者合影

 

文章中他提出解决我国造纸纤维原料不足问题的另一个方向就是草类纤维的利用。在当时,非木材纤维原料还占到我国造纸原料的60%左右,但是由于污染等问题,对草浆的使用受到很大质疑,甚至有观点认为草浆将“自生自灭”。李忠正教授从全球的木材供应角度出发,结合中国的实际情况,提出三个预测:首先,在相当长的一段时间内,草浆生产将不会退出历史舞台;其次,草浆生产集中地可能由沿海发达地区逐渐向农业发达地区及劳动力廉价地区转移;第三,草类原料制浆也会以适当的经济规模集中生产,草浆的碱回收技术或其他污染治理技术会随着社会需要的推动而解决。

进入21世纪,在李忠正教授等人的努力下,草浆制浆在我国取得了突破性的进展。山东泉林纸业与李教授的团队合作,在李教授研究的理论基础上继续创新,通过工艺和装备上的突破,采用化学法和机械法相结合,实现了草浆的连蒸连煮工艺,由过去的生产软浆改为生产硬浆,纸浆得率和滤水性大幅提高,原来难以提取的污染物新工艺都可以从水中提取出来,减少了污水的处理难度。纸浆经过氧脱木素调节质量,用来生产生活用纸、文化用纸等。

李忠正教授为了推广草浆的应用,在泉林纸业投入了大量的心血,每年都要到企业去多次,深入一线车间。如今,随着黄腐酸肥料的研发成功,泉林纸业实现了“农、浆、纸、肥”一体化发展的模式,并获得了多项重量级的全国大奖。

以李忠正教授为作者公开发表的一篇文章中,他将泉林纸业的实践做了总结,证明只要采用正确的方法,草浆是可以达到以下效果的:(1)备料的除尘、除杂率达到23%~28%,可使蒸煮用碱量由13%降低至10.5%,漂白浆得率提高5%;(2)黑液提取设备采用1段挤浆机5段真空洗浆机(4+1)流程,提取率达到90%~92%;(3)黑液黏度下降50%,真空蒸发后黑液浓度达到60%~62%;(4)建立适用于草浆的氧脱木素系统,是提高纸浆得率和强度的重要工序;(5)漂白麦草浆裂断长达到6200~6500km;(6)制浆用水量达到50~60m3/t浆,废水经深度处理后目前的CODCr排放指标为50~60mg/L。

在泉林纸业成功之后,全国陆续又有几十种禾草类纤维制浆技术出现,有些虽然申请了专利甚至实现了小规模的生产,但是没有一种能够像李忠正教授的研究成果那样实现了规模化的应用。虽然已经功成名就,但是在李教授看来草浆研究的事业仍然有个很大的遗憾,他在研究时的一个主导思想是希望能将泉林模式在全国推广,根据国内每个地区的实际情况,因地制宜地建设项目,但是由于种种原因,他的这一设想,至今还没有实现。 

 

适于草类纤维备料的秸秆捡拾机、打捆机和蒸煮的立式连蒸器

 

未来解决中国造纸原料问题,离不开秸秆制浆

纤维原料不足一直是制约中国造纸工业可持续发展的瓶颈,每年都要从国外进口大量的木浆和废纸原料。根据最新发布的《中国造纸工业可持续发展白皮书》的数据,我国造纸纤维原料的对外依存度仍然有50%。近两年,随着进口废纸的减少,这一问题更加突出。

在李忠正教授看来,进口废纸将来很可能要被完全禁止,解决原料不足除了从国外继续进口商品纸浆外,还需要加大国内农作物秸秆制浆的推广。2015年,由陈克复院士牵头,袁隆平、钱桂敬、曹朴芳以及李忠正、李洪法等16位院士、专家、行业领导、企业家等联名向中国工程院发出《关于“推广先进技术模式 利用农业秸秆制浆造纸”的建议》,共同为秸秆制浆发声呐喊。

除了草类制浆外,李忠正教授的团队也对其他农作物做了研究。例如,经常被提及的棉秆制浆,虽然理论上可行,但实际困难很多,尤其是备料比较困难,残留的棉桃如果不能处理干净,对蒸煮过程影响很大。另一种我国产生量最大的是玉米秸秆,存在的主要问题也是备料困难,叶子、髓芯难以处理,对后续生产有很大影响。

李忠正教授坦言,这两种作物目前都没有真正利用起来,但是应用前景很广阔。尤其是玉米秸秆,在我国从南到北分布很广,比麦草的利用空间还要大。

经过30多年的辛勤研究,今天的李忠正教授对中国秸秆制浆造纸的应用更加看好,他鼓励企业和高校的科研人员:“每年我国产生的适合造纸用的秸秆约8亿吨,可收集的约5亿吨,但真正用在造纸企业的仅一两千万吨,剩下的如何使用是个很大的课题,需要继续研究。

 李忠正教授1987年在全国造纸学术会议作报告

 

生物质精炼是秸秆制浆的明天

除了麦草制浆的研究外,李忠正教授还是我国最早从事木质素化学结构及其反应研究的学者之一,在中国创立了一整套木质素分离及其结构分析测定的研究方法,是我国造纸行业内最早研究生物质精炼技术的专家之一。

2013年3月,已经80岁高龄的李忠正教授受邀参加了由中华纸业杂志社主办的“2013中华纸业产业高层峰会”,并在嘉宾对话环节发言,他站在全球的高度指明了造纸工业未来发展的方向,要“加强研发,特别是在提高资源利用率、能源利用率以及开发高附加值产品这些方面的工作应该加强,应该进一步的扩大。”“延长产业链,就是要以植物质为基础的多收益、多产品的产业链。”他以挪威Borregarrd造纸厂为例,介绍了该厂从上世纪80年代就开始进行生物质精炼的研发,已经拥有纸浆和纤维素产品生产线、生物酒精生产线、木质素加工产品生产线和香兰素生产线等四条成熟的生产线,经济效益远高于欧洲传统造纸企业。他认为:“把造纸产业链延长,向生物质精炼这个方向去发展,已经不是“纸上谈兵”的事情了。当然,我们国家要做到这一点,还有许多我们自己的特点,如原料不同、国情不同,需要做很多细致的工作,但前景已经为我们提供了一个很好的样板。因此我希望我们的造纸产业在整个结构调整当中能够得到一个有利今后发展的前景。

 李忠正教授与研究生合影

 

近些年,李忠正教授虽然已经远离了科研一线,但是他的学生都在生物质精炼领域取得了成果。他的学生金永灿博士,目前担任南京林业大学轻工与食品工程学院院长,是国际木材科学院院士,早期跟随李教授一同研究麦草制浆,后来转为生物质综合利用,是我国农业废弃物为原料生产车用燃料生物乙醇的权威专家。李教授的另一位学生乔军博士,目前担任山东太阳纸业副总工程师,他在企业中参与了从溶解浆生产过程中提取木糖醇的工作研发并取得了成功,成为我国造纸企业生物质精炼应用中的代表案例。……

 李忠正教授从事造纸行业工作已有60多年,如今他仍然住在玄武湖畔的学校内,每天只要有时间都会到自己的办公室里去坐一会,读读资料,看看学生。他见证了新中国造纸工业的发展,也见证了《中华纸业》从一本默默无闻的地方小刊物,发展成国内外知名的制浆造纸综合性大期刊。在采访的最后,他对《中华纸业》创刊40周年表示了祝贺,我们也衷心祝愿李教授健康长寿,幸福安康。

 

本文原载于《中华纸业》2019年第13期“创刊40周年纪念特刊”,阅读和下载电子版请点击:

http://www.cppi.cn/jiancai/2235.html

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