DE102008010447A1

DE102008010447A1 - Verfahren zur Behandlung und Verwendung einer Faserstoffsuspension

Info

Publication number: DE102008010447A1
Application number: DE200810010447
Authority: DE
Inventors: Michael Kramer
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Das Verfahren dient zur Entfernung von beim Bedrucken eines Papiers störenden Fasern oder Faserbruchstücken aus einer wässrigen Faserstoffsuspension (S). Fasern und Faserbruchstücke können besonders dann als störend angesehen werden, wenn sie eine inaktive Oberfläche haben, also wenig zur Festigkeit des daraus hergestellten Papiers beitragen können. Diese werden mit Hilfe einer Fraktionierung (4), z. B. einer mehrstufigen Zentrifugalkraftfraktionierung, in einer Grobfraktion (6) angereichert und herausgeführt. Die Grobfraktion (6) wird bei Herstellung eines mehrlagigen Papiers für eine nicht zu bedruckende Lage eingesetzt, z. B. für die Mittellage eines dreilagigen Papiers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verfahren der genannten Art werden also angewendet, um eine Faserstoffsuspension zu erzeugen und mit dieser auf einer Papiermaschine bedruckbares Papier herzustellen. Dabei wird ein mehrlagiges Papier erzeugt, insbesondere zwei- oder dreilagig. Die Ausgestaltung einer dazu geeigneten Papiermaschine ist bekannt, z. B. die Verwendung eines Stoffauflaufes mit mehreren Kammern oder einer Papiermaschine mit mehreren Stoffaufläufen. Bedruckbare Papiere sind zur Hauptsache grafische Papiere, also solche, die zum Beschreiben, Bedrucken oder zur Verwendung in Kopierapparaten geeignet sind. Bekanntlich gibt es aber auch Kartonsorten, bei denen eine oder sogar beide Seiten bedruckt werden sollen, was bedeutet, dass auch die für diese Lagen verwendete Faserstoffsuspension bezüglich ihrer optischen Eigenschaften und Bedruckbarkeit erhöhte Anforderungen erfüllen muss.
Die mögliche Rohstoffquellen für solche Faserstoffsuspensionen sind vielfältig, was sich auch auf die Zusammensetzung der gebildeten Suspension auswirkt. Man muss damit rechnen, dass sich neben den aktiven Fasern auch inaktive Fasern in der Suspension befinden. Aktive Fasern sind bekanntlich solche Fasern, deren Oberfläche in der Lage ist, Wasserstoffbrücken zu bilden, um sich bei der Papiererzeugung mit benachbarten Fasern verbinden zu können. Diese Wasserstoffbrücken sind für die Festigkeit des Papiers von entscheidender Bedeutung. Gerade bei Papieren, die bedruckt werden sollen, treten Probleme auf, wenn der Faserverbund der Papierbahn unzureichend ist. Nicht ausreichend fixierte Fasern können z. B. auf der Druckmaschine aus dem Faserverbund heraus gelöst werden (Rupfen), was beim Bedrucken zu Fehlstellen führt. Insbesondere bei Rohstoffen, die durch Rezirkulation gewonnen wurden, also Altpapier und Papiermaschinenausschuss, ist davon auszugehen, dass durch Herstellung und Verwendung vor der Rezirkulierung ein weiterer Teil der Fasern und Faserbruchstücke inaktiv geworden ist. Unter anderem sind die Trocknung bei der Papiererzeugung und die Alterung Gründe für diese Faserschädigungen. in Grenzen ist es möglich, durch Mahlung solche inaktiven Fasern wieder zu aktivieren, d. h. ihre Bindungsfähigkeit wieder herzustellen. Das bedeutet apparativen und energetischen Aufwand.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Bedruckbarkeit des erzeugten Papiers zu verbessern, insbesondere auch dann, wenn der Rohstoff Bestandteile enthält, die die Bedruckbarkeit beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein erster Teilstrom gebildet, in dem die problematischen Fasern angereichert sind, was dazu führt, dass in dem zweiten Teilstrom eine Reduzierung ihres Anteils erfolgt.
Eine typische Anlage, um die Fraktionierung effektiv durchzuführen, ist eine mehrstufige Cleaneranlage. Cleaner sind hochwirksame Hydrozyklone, oft mit einem Volumendurchsatz von maximal 200 l/min, vorzugsweise unter 100 l/min. Sie sind für dieses Verfahren gut geeignet, da sie die Partikel nicht nur nach ihrer Dichte, sondern auch nach ihrer Oberfläche klassieren können, besonders bei einer Einlaufkonsistenz unter 1,5%, ganz besonders unter 0,8%. Vorzugsweise werden sie in mehreren Stufen so betrieben, dass die Schwertraktion einer stromaufwärtigen Stufe in den Zulauf der stromabwärtigen Stufe geleitet wird, wobei die Schwerfraktion der letzten Stufe als der Rejekt der Cleaneranlage anzusehen ist, der in der Regel verworfen wird. Wenn die Faserstoffsuspension mit den üblichen Schwerstoffpartikeln wie Sand, Metallstücken verunreinigt ist, können diese also entfernt werden, da sie von Stufe zu Stufe angereichert werden.
Die Leichtfraktion der ersten Stufe ist zumeist der Gutstoff der Cleaneranlage, während die Leichtfraktion der weiteren Stufen an stromaufwärtiger Stelle, vorzugsweise in den Zulauf der direkt voran stehenden Stufe, wieder eingeleitet wird. In Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verfährt man bei der letzten Stufe anders. Dort wird der Leichtstoff nicht in die davor stehende Stufe zurückgeleitet, sondern als spezielle Feinfraktion aus der Cleaneranlage herausgeführt. Die Anforderungen an diese Trennstufe können geringer sein, da hier Schwerteile von den übrigen deutlich leichteren Stoffen getrennt werden. Dem kann dadurch Rechnung getragen werden, dass die Cleaner größer sind (mehr Volumendurchsatz) oder mit höherer Konsistenz betrieben werden.
Bei der Fraktionierung zur Anreicherung der störenden Fasern, Faserbruchstücke und Gefäßzellen kann insbesondere deren Eigenschaft genutzt werden, dass sie sich wegen der geringeren spezifischen Oberfläche bei Fraktioniervorgängen anders verhalten als aktive Fasern. Es ist daher möglich, die Trenngrenze so einzustellen, dass aktive Fasern in der Leichtfraktion und inaktive Fasern in der Schwerfraktion angereichert werden und damit in die nachfolgenden Stufen gelangen. Auf diese Weise erfolgt eine Anreicherung dieser Störstoffe von Stufe zu Stufe. Dann kann bei der letzten Stufe eine andere Trenngrenze eingestellt werden, und zwar in Schwerteile einerseits und faserige Bestandteile andererseits. Der Rejekt der letzten Stufe ist dann ein relativ faserarmes Schwerteil-Wasser-Gemisch.
Die Fraktionierung wird vorzugsweise im Stoffzuführsystem, oft auch Konstanter Teil genannt oder englisch: Approach Flow System, durchgeführt. Das ist ein Teil der Aufbereitungsanlage, in dem der überwiegende Anteil der Störstoffe bereits entfernt ist und der außerdem mit einer relativ geringen Konsistenz, ca. 0,5 bis 1,5% betrieben wird. Somit liegen optimale Bedingungen vor, um eine Fraktionierung mit Anreicherung von problematischen Fasern durchzuführen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass in vielen Anlagen ohnehin an der genannten Stelle eine mehrstufige Anlage mit Hydrozyklonen verwendet wird, um restliche Störstoffpartikel mit der Schwerfraktion auszuscheiden.
Die Erfindung wird erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 Verfahrensschema mit Erläuterung des Verfahrens;
2 Verfahrensschema zur Erläuterung einer speziellen für das Verfahren vorteilhaften Fraktionierung.
Das in einer 1 gezeigte Verfahrensschema stellt die wesentlichen Verfahrensschritte der Erfindung an Hand eines Beispiels dar. Zunächst erfolgt die Stofflösung 1, bei der das Altpapier M zusammen mit Wasser W so behandelt wird, dass ich eine wässrige Faserstoffsuspension S bildet. Meistens ist anschließend eine mehr oder weniger aufwändige Reinigung 2 der Faserstoffsuspension S notwendig. Welcher Aufwand zur Herstellung eines hier ausreichend sauberen Papierstoffes erforderlich ist, ist an sich bekannt. In Fällen, in denen ein von vorneherein sauberer Rohstoff (z. B. Papiermaschinen-Ausschuss) eingesetzt wird, kann die Reinigung auch entfallen. Optional kann eine Faserbearbeitung 3, z. B. Mahlung oder Dispergierung erfolgen. In der sich anschließenden Fraktionierung 4 werden zwei Faserfraktionen gebildet, und zwar die Feinfraktion 5 und die Grobfraktion 6.
Die so gebildeten Fraktionen 5 und 6 werden im nachfolgenden Teil der Stoffaufbereitung eventuell noch weiter bearbeitet, z. B. getrennt gemahlen. Die getrennte Mahlung 3' bzw. 3'' der Fraktionen ist in der Regel günstiger als die Mahlung 3 des gesamten Faserstromes. Insbesondere, wenn es um Bedruckbarkeit und spezifisches Volumen des erzeugten Papiers geht, kann die getrennte Mahlung zu einer diesbezüglich besseren Qualität bei niedrigerem Energieeinsatz führen. Dabei ist auch zu beachten, dass in bestimmten Fällen durch Mahlen die Bedruckbarkeit schlechter wird, dass also ein Kompromiss zwischen Festigkeiten und Bedruckbarkeit gefunden werden muss. Die beiden Fraktionen gelangen dann in die Maschinenbütten 7 bzw. 8. Die Papiermaschine 14 erzeugt daraus ein mehrlagiges, hier dreilagiges Papier. Zu diesem Zweck weist sie einen Dreischichtstoffauflauf 13 auf, dessen horizontal getrennte Kammern über eine Stoffpumpe 10 mit der Feinfraktion 5 aus der Maschinenbütte 7 bzw. über eine Stoffpumpe 11 mit der Grobfraktion 6 aus einer anderen Maschinenbütte 8 versorgt werden. Die dritte, untere Lage des Papiers wird aus einer in einer weiteren Maschinenbütte 9 bereitgestellten Suspension gebildet, die über die Stoffpumpe 12 in die untere Kammer des Dreischichtstoffauflaufs 13 gepumpt wird. Diese untere Kammer kann eventuell auch mit der Feinfraktion 5 beschickt werden. Am Austritt aus dem Dreischichtstoffauflauf 13 bildet sich ein die Feinfraktion 5 enthaltender oberer Stoffstrahl sowie ein die Grobfraktion 6 enthaltender mittlerer Stoffstrahl und ein unterer Stoffstrahl, gespeist aus der Maschinenbütte 9. In Anwendungsfällen des Verfahrens, bei denen ein zweilagiges Papier erzeugt wird, würde die untere Schicht, also die aus der Maschinenbütte 9 entfallen.
In 2 ist eine vierstufige Cleaneranlage schematisch dargestellt. Für jede Stufe ist hier exemplarisch jeweils ein Hydrozyklon 15 bis 18 eingezeichnet, wobei anzumerken ist, dass meist zu einer Stufe eine größere Anzahl von Cleanern kombiniert wird, die parallel geschaltet sind. Dabei bildet die Leichtfraktion der ersten Stufe, also der gereinigte Gutstoff des Hydrozyklons 15, die Feinfraktion 5. Sowohl die Schwerfraktion R15 der ersten, als auch die Schwerfraktion R16 der zweiten Stufe als auch die Schwerfraktion R17 der dritten Stufe werden jeweils in den Zulauf der stromabwärts gelegenen Stufen eingeleitet. Um die normalerweise bei Hydrozyklonen auftretende Eindickung der Schwerfraktionen wieder auszugleichen, ist bei der hier gezeigten Anlage jeweils die Zugabe von Verdünnungswasser W15 bzw. W16 bzw. W18 vorgesehen. Solche Verdünnungswasserströme können direkt in den Cleaner gegeben werden oder in die Verbindungsleitung zur nachfolgenden Stufe. Die Leichtfraktion A18 der vierten Stufe, also der letzten Stufe, bildet die Grobfraktion 6 mit den bereits erwähnten Eigenschaften. Der Rejekt R18 der vierten Stufe enthält die ausgeschiedenen Schwerteile. Das Verfahren kann auch mit einer drei- oder zweistufigen Hydrozyklonanlage durchgeführt werden.
Es ist bekannt, dass die Fraktionierung auf Grund von Zentrifugalkräften auch mit Zentrifugen möglich ist. Auch mit solchen Trennvorrichtungen lässt sich das das Verfahren ausführen, wobei z. B. gemäß 1 vorgegangen werden kann.

Claims

Verfahren zur Behandlung und Verwendung einer Faserstoffsuspension (S), bei dem durch Fraktionierung (4) mindestens eine Feinfraktion (5) und mindestens eine Grobfraktion (6) gebildet werden und bei dem die behandelte Faserstoffsuspension zu einem mindestens zweilagigen bedruckbaren Papier verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobfraktion (6) zumindest überwiegend für eine Lage des Papiers verwendet wird, die nicht dessen Oberseite bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension zu einem mindestens dreilagigen Papier verarbeitet wird und dass die Grobfraktion (6) für dessen Mittellage verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fraktionierung (4) unter Anwendung von Zentrifugalkräften durchgeführt wird, wobei die Feinfraktion (5) als Leichtfraktion und die Grobfraktion (6) als Schwerfraktion anfallen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fraktionierung (4) mit einer mehrere Hydrozyklone (15, 16, 17, 18) umfassenden Hydrozyklonanlage durchgeführt wird mit einer ersten Stufe und mindestens einer weiteren Stufe, wobei die Schwerfraktionen, ausgenommen der der letzten Stufe, jeweils in den Zulauf der stromabwärtigen Stufe geleitet werden, dass die Schwerfraktion der letzten Stufe zur Abscheidung von Störstoffen dient und dass die Leichtfraktion (A17, A18) mindestens einer weiteren Stufe als Grobfraktion (6) herausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinfraktion (5) der ersten Stufe zur Bildung der obersten Lage bei der Papiererzeugung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstoffe zumindest teilweise Sandkörner sind.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgeschiedenen Störstoffe zumindest teilweise Metallteilchen sind.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinfraktion (5) in einer separaten Mahlung (3') gemahlen wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobfraktion (6) in einer separaten Mahlung (3'') gemahlen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mahlprozess die Oberfläche der Fasern oder Faserbruchstücke durch Fibrillieren aktiviert.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mahlprozess die Faserlänge reduziert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrozyklone hochwirksame Cleaner sind mit einem Volumendurchsatz von maximal 200 l/min, vorzugsweise maximal 100 l/min.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrozyklone mit einer Einlaufkonsistenz unter 1,5%, vorzugsweise unter 0,6%, betrieben werden.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fraktionierung (4) im Stoffauflaufzuführsystem angewendet wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohstoff zumindest teilweise bedrucktes, sortiertes Altpapier verwendet wird.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohstoff zumindest teilweise Büro-Abfall-Papier verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohstoff holzfreies Papier verwendet wird.