DE102019008351A1

DE102019008351A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Faserstoff mit einem Zuführsystem und einem Schneckensystem

Info

Publication number: DE102019008351A1
Application number: DE102019008351.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wischeropp; Johannes Reiners
Original assignee: Klingele Papierwerke & Co KG GmbH
Current assignee: Klingele Papierwerke & Co KG GmbH
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den folgenden Schritten: Zerkleinern von Non-Wood Pflanzenmaterial, sodass es durch ein Schneckensystem förderbar ist, Vermischen mit einer Carbonat-Lösung, Durchmischen für 5 bis 20 min, Zugeben von Dampf mit 2 bis 15 bar Überdruck zum Material und Zerfasern des Material nach dem Durchmischen mit einem Steam-Explosionsventil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den folgenden Schritten: Zerkleinern von Non-Wood Pflanzenmaterial, sodass es durch ein Schneckensystem förderbar ist, Vermischen mit einer Carbonat-Lösung und Durchmischen für 5 bis 20 Minuten.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US 4,229,251 bekannt. Bei diesem Verfahren werden Hartholzchips bei Temperaturen zwischen 80 und 192 °C mit einer Carbonat-Lösung gekocht. Die Carbonat-Lösung hat eine Konzentration von 65 bis 120 g/l als Natriumcarbonat und ein Flüssigkeits- zu Holzverhältnis von 1,2 bis 2,5. Die Lösung wird anschließend mechanisch veredelt, indem die Pulpe in zwei Stufen zerkleinert wird.
Dieses Verfahren eignet sich dazu, einen Verstärkungsstoff für Altpapier bereitzustellen, um die Festigkeit im Papier zu erhalten oder zu erhöhen.
Derartigen Verfahren liegt das Problem zu Grunde, dass das wieder zu verwendende Altpapier immer schlechter wird. Der Aschegehalt steigt und die Festigkeit des Papiers lässt nach. Es wird angestrebt, aus Non-Wood Pflanzenmaterial Papierfasern für die Wellpappenrohpapier- oder Kartonproduktion herzustellen. Wichtig ist daher für die Festigkeitserhöhung die Faser-Faser-Bindung, die nur zustande kommt, wenn sich das Lignin auf der Faser zurückzieht, die Faser freiliegt und fibrilliert werden kann. Dies kann durch die Zugabe eines leichten Lösestoffs, wie Natrium-Carbonat, erreicht werden. Das Natrium-Carbonat löst das Lignin an. Bei einem rein mechanischen Aufschluss wird die Faser nicht ausreichend von Lignin freigelegt.
Problematisch ist bei den bekannten Verfahren jedoch, dass große Anlagen benötigt werden und die Natrium-Carbonat-Lösung nach ihrer Verwendung entweder als Abfall anfällt oder aufwendig wieder aufbereitet werden muss. Daher sind die bekannten Verfahren sehr aufwendig in der Anlagentechnik und mit einer hohen Umweltbelastung verbunden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Faserstoff hergestellt werden kann, der bei einer Beimischung ins Altpapier die Festigkeit steigert und als Zellstoffersatz eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst, bei dem während des Mischvorgangs dem Material Dampf mit 2 bis 15 bar Überdruck zugegeben wird und das Material nach dem Durchmischen mit einem Steam-Explosionsventil zerfasert wird.
Dieses chemisch-mechanische Verfahren führt dazu, dass die Menge der Carbonat-Lösung immer weiter reduziert werden kann, wodurch die Kosten und die Umweltbelastung verringert wird.
Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn die Mischung aus Carbonat-Lösung und zerkleinertem Non-Wood Pflanzenmaterial 1 - 20 % Na₂CO₃ Trockensubstanz (TS) und 99 % bis 80 % Trockensubstanz (TS) Nonwood Pflanzenmaterial und vorzugsweise 2 - 8 % Na₂CO₃ Trockensubstanz und 98 bis 92 % Nonwood Pflanzenmaterial und besonders bevorzugt 3 - 5 % Na₂CO₃ Trockensubstanz und 97 - 95 % Nonwood Pflanzenmaterial aufweist.
Als Carbonat-Lösung eignet sich beispielsweise eine Natrium-Carbonat-Lösung. Natrium-Carbonat ist Polymorph, kristallisiert also in Abhängigkeit von Druck und Temperatur bei gleicher chemischer Zusammensetzung in verschiedenen Kristallsystemen, die wasserfrei seien oder Kristallwasser enthalten können. Wasserfreies Na₂CO₃ ist als Mineralnatrit oder unter der Bezeichnung kalzinierte Soda bekannt. Diese weiße Substanz bildet sich bei Temperaturen oberhalb von 107 °C. Natrium-Carbonat kann jedoch auch als Monohydrat (Thermonatrit), Dihydrat (Pirssonit), Pentahydrat (Natrocalcit), Heptahydrat, Decahydrat oder Hydrogencarbonat vorliegen.
Dabei wird das Pflanzenmaterial vorzugsweise in einem Schneckensystem durchmischt. Das Non-Wood Pflanzenmaterial kann dabei beispielsweise zunächst mit Zugabe von 2 bis 8 % einer Na₂CO₃-Lösung durchmischt und anschließend in einer Penetrationsschnecke für 5 bis 20 Minuten gehalten und weiter durchmischt werden. Zum Aufbau eines Druckes kann ein Schneckensystem mit einer Pfropfenschnecke eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn Druck und Temperatur vom Schneckensystem bis zur Zerfaserung etwa konstant gehalten werden. Das heißt, die Temperatur schwankt nur um maximal +/- 5 K und der Druck schwankt um maximal 2 bar.
Das so imprägnierte und aufgeheizte Non-Wood Pflanzenmaterial wird einem Steam-Explosionsventil zugeführt, um den Faserstoff zu zerkleinern. Nach dem Steam-Explosionsventil liegen Dampf und Fasern als zwei getrennte Materialien vor. Der freiwerdende Dampf wird abgetrennt und das Fasermaterial wir weiterbehandelt. Außerdem kann nach der Zerfaserung je nach Prozessverlauf auch übrige Na₂CO₃-Lösung vom Material abgetrennt werden.
Als Weiterbehandlung kann das Material nach der Zerfaserung verdünnt, gewaschen, wieder verdünnt, sortiert und in einem LC-Refiner weiterverhandelt werden. Beim Waschen kann das Material eingedickt werden.
Da durch die Kombination von chemischem und mechanischem Verfahren nur sehr wenig Lösungsmittel verwendet wird, kann die ausgewaschene Na₂CO₃-Lösung mit Lignin und Hemizellulose einer Abwasserreinigungsanlage zugeführt werden.
Der so gewonnene Faserstoff kann zu 100 % mit Altpapier oder anderen Faserstoffen gemischt und einer Papiermaschine oder einer Kartonmaschine zugeführt werden. Dies ermöglicht es, das gesamte behandelte Material mit Altpapier oder anderen Faserstoffen zu mischen und weiter zu verwenden.
Eine Rückgewinnung von Na₂CO₃ ist im Hinblick auf die geringe Menge nicht notwendig. Das ausgewaschene Na₂CO₃ wird mit Lignin und Hemizellulose der Abwasserreinigungsanlage zugeführt.
Vorrichtungsmäßig wird die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Faserstoff mit einem Zuführsystem und einem Schneckensystem mit Dampfzugabeeinrichtung gelöst, das ein Steam-Explosionsventil aufweist. Dabei hat das Schneckensystem vorzugsweise eine Pfropfenschnecke und eine nachgeschaltete Penetrationsschnecke.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt

1 eine Anlage mit einem Steam-Explosionssystem und
2 schematisch die einzelnen Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels.

Das in dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellte Steam-Explosionssystem dient dazu, über ein Dampf-Explosionsventil aus Stroh eine Pulpe zu erzeugen. An Stelle von Stroh kann beispielsweise auch Miskantus oder Zuckerrohr als Ausgangsmaterial verwendet werden. Im Folgenden wird das Verfahren am Bespiel von Stroh beschrieben, obwohl es für beliebige Nonwood-Pflanzenmaterialien geeignet ist.
Bevor das Stroh mit der Vorrichtung 1 behandelt wird, wird das Stroh in einer Hammermühle mit 1500 Umdrehungen/Minute und Sieben mit 20 mm Durchmesser zerkleinert. Dann wird das zerkleinerte Strohmaterial 2 über das Förderband 3 mittels einer Pfropfenschnecke 4 gefördert und gepresst und über die Zuleitung 5 mit einer Na₂CO₃-Lösung vermischt.
An die Pfropfenschnecke 4 schließt sich eine Penetrationsschnecke 6 an, in der dem Material über Dampfdüsen 7 Dampf von 2 bis 15 bar Überdruck zugegeben wird.
An die Heißhaltestrecke in der Penetrationsschnecke 7 schließt sich das Steam-Explosionsventil 8 an und danach werden in einem Zyklon 9 Dampf 10 und zerfasertes Material 11 getrennt.
Überschüssige Flüssigkeit aus der Pfropfenschnecke 4 wird mittels eines Auffangbehälters 12 abgeführt, während das Fasermaterial 11 in einem Behälter 13 bzw. einer Bütte, in der gleichzeitig verdünnt wird, aufgefangen wird.
Ein vollständiges Behandlungsschema vom Non-Wood Pflanzenmaterial bis zur Papiermaschine ist in der 2 dargestellt. Das Non-Wood Pflanzenmaterialist ist im Ausführungsbeispiel Stroh 20, das in einer Hammermühle 21 zerkleinert wird. Von dort gelangt das zerkleinerte Non-Wood Pflanzenmaterial in ein Zuführsystem 22 und wird weiter zunächst in eine Pfropfenschnecke 23 und dann weiter in eine Penetrationsschnecke 24 gefördert. Als Lösungsmittel 25 wird -Natrium-Carbonat zwischen Zuführsystem 22 und Pfropfenschnecke 23, zwischen der Pfropfenschnecke 23 und der Penetrationsschnecke 24 und direkt der Penetrationsschnecke 24 zugeführt.
Dampf 26 wird zwischen der Pfropfenschnecke 23 und der Penetrationsschnecke 24 zugeführt und auch direkt in die Penetrationsschnecke 24 eingeleitet. Nach der Behandlung mit Druck und Temperatur wird das Material über eine Zuführschnecke 27 dem Steam-Explosionsventil 28 zugeführt. Von dort gelangt das Material in den Dampfabscheider 29, der entspannten Dampf 30 von Faserstoff trennt, der einer Waschpresse 31 zugeführt wird. Dort wird das Material über die Zugabe von Wasser 32 gewaschen, wobei als Filtrat Schmutzwasser 33 anfällt. Dieses Schmutzwasser wird einer Kläranlage zugeführt.
Nach der Waschpresse wird das Material nochmals mit Wasser 32 verdünnt und gelangt dann in eine Sortierung 34. Von dort gelangt das aussortierte Material in einen Eindicker 38. Danach wird ein Teil 39 in einer Teilausschleusung entfernt und der Rest wieder dem Zuführsystem 22 zugeführt.
Von der Sortierung 34 gelangt das Fasermaterial in einen LC-Refiner 35 und danach in eine Feinsortierung 36 und von dort in die Papiermaschine 37.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4229251 [0002]

Claims

Verfahren mit den folgenden Schritten - Zerkleinern von Non-Wood Pflanzenmaterial, sodass es durch ein Schneckensystem förderbar ist, - Vermischen mit einer Carbonat-Lösung, - Durchmischen für 5 bis 20 min, dadurch gekennzeichnet, dass während des Mischvorgangs dem Material Dampf mit 2 bis 15 bar Überdruck zugegeben wird und das Material nach dem Durchmischen mit einem Steam-Explosionsventil zerfasert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Carbonat-Lösung und zerkleinertem Non-Wood Pflanzenmaterial 1 - 20 % Na₂CO₃ Trockensubstanz (TS) und 99 % bis 80 % Trockensubstanz (TS) Nonwood Pflanzenmaterial und vorzugsweise 2 - 8 % Na₂CO₃ Trockensubstanz und 98 bis 92 % Nonwood Pflanzenmaterial und besonders bevorzugt 3 - 5 % Na₂CO₃ Trockensubstanz und 97 - 95 % Nonwood Pflanzenmaterial aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pflanzenmaterial in einem Schneckensystem durchmischt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckensystem eine Penetrationsschnecke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckensystem eine Pfropfenschnecke aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Druck und Temperatur vom Schneckensystem bis zur Zerfaserung etwa konstant gehalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zerfaserung der Dampf durch eine Druckentspannung abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zerfaserung übrige Na₂CO₃-Lösung vom Material getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material nach der Zerfaserung verdünnt, gewaschen, wieder verdünnt sortiert und in einem LC-Refiner weiterbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die so ausgewaschene Na₂CO₃-Lösung, Lignin und Hemizellulose einer Abwasserreinigungsanlage zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte behandelte Material mit Altpapier oder anderen Faserstoffen gemischt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das behandelte Material einer Papier- oder Kartonmaschine zugeführt wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Faserstoff mit einem Zuführsystem und einem Schneckensystem mit Dampfzugabeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Steam-Explosionsventil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckensystem eine Pfropfenschnecke und eine nachgeschaltete Penetrationsschnecke aufweist.